nuevos biomateriales
HUMBERTO ALEJANDRO MONREAL-ROMERO, JULIO VILLEGAS HAM, REBECA GUZMÁN-MEDRANO, RAQUEL DUARTE-RICO, MARTA LOYA-LOYA RAMÓN PÁJARO-HERNADEZ,
J
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ARAHÍ
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INEDO-
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ERNANDEZ,
E
VELYN
G
ARCÍA-
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ORRES :
Formación de partículas de polietilenglicol en presencia de calcitonina como
Resumen
En este estudio, la formación de partículas de
polietilenglicol en presencia de calcitonina de varios
tamaños, es presentado. El presente trabajo tiene como
objetivo mostrar una fácil ruta para la formación de nuevos
biomateriales usando sistemas biológicos. La muestra de
polietilenglicol fue preparada
subsecuentemente, las muestras
tratamiento térmico a 28° C.
con Calcitonina;
fueron sujetas a
Las características
estructurales y morfológicas fueron determinadas usando
Difracción de Rayos–X, Microscopia Electrónico de
Barrido, Análisis de Energía Dispersiva de Rayos-X y
Microscopia Electrónico de Transmisión. Los resultados
mostraron la formación de partículas con tamaños de 1 a 3
µm de diámetro. La presencia de fase cristalina no pudo
Abstract
In this study, the formation of poly (ethylene glycol)
particles in the presence of calcitonin of various sizes is
presented. The present work had as objective to show an
easy route for the formation of news biomaterials by using
biological systems. The samples of poly(ethylene glycol)
were prepared with calcitonine; subsequently the samples
were subjected to a treatment at 28°C. The structural and
morphological characteristics were determined using X-
Ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy, Energy
Dispersive Spectroscopy, and Transmission Electron
Microscopy. Results showed the formation of particles with
size of 1 to 3 µm in diameter. The presence of crystalline
phase was not detected by X-Ray Diffraction. Also particles
of 5 nm were observed in composite structure; this result is
ser detectada mediante difracción de rayos-X. Se
important
in medicine, since poly(ethylene
observaron además, partículas de 5 nm en la estructura
del compuesto. Este resultado, es importante en medicina,
porque partículas de Polietilenglicol/Calcitonina pueden ser
aplicadas como vehículos farmacéuticos.
glycol)/Calcitonin particles could be applied as
pharmaceutical vehicles.
Keywords: Poly(ethylene glycol), calcitonin, biomaterials.
Palabras clave: polietilenglicol, calcitonina, biomateriales.
Formación de partículas de
polietilenglicol en presencia de
calcitonina como nuevos biomateriales
Formation of poly(ethylene glycol) particles in the
presence of calcitonin as new biomaterials
HUMBERTO ALEJANDRO MONREAL-ROMERO1, 3, JULIO VILLEGAS-HAM2, REBECA GUZMÁN-MEDRANO2, RAQUEL
DUARTE-RICO2, MARTA LOYA-LOYA2, RAMÓN PÁJARO-HERNADEZ2, JANETH SARAHÍ PINEDO-HERNANDEZ2,
EVELYN GARCÍA-TORRES2
R
ecibido:
Enero 02, 2007
A
ceptado:
Diciembre 14, 2007
1Profesor investigador, Escuela de Odontología, Universidad Autónoma de Chihuahua. Av. Universidad s/n Campus Universitario I. C.P 31170, Chihuahua,
Chihuahua. Tel. (614) 439-18-34, Fax.(614) 439-18-34
3Dirección electrónica del autor de correspondencia: hmonreal@uach.mx
Vol. I, No. 3 • Septiembre-Diciembre 2007
13
Artículo científico Ingeniería y tecnología
HUMBERTO ALEJANDRO MONREAL-ROMERO, JULIO VILLEGAS HAM, REBECA GUZMÁN-MEDRANO, RAQUEL DUARTE-RICO, MARTA LOYA-LOYA RAMÓN PÁJARO-HERNADEZ,
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a ciencia de los biomateriales puede ser entendida como la interacción entre diversas
áreas médicas y ciencia de materiales para la fabricación de nuevos dispositivos e
implantes que son compatibles con tejidos y células. Esto, ha dado paso a que se
comience a explorar con una gran variedad de elementos para su diseño, tal es el caso en
el cual se han utilizado diferentes polímeros biocompatibles y biodegradables como el
ácido poliláctico (PLA), ácido poli(lácticico-co-glicólico) (PLGA), polietilenglicol (PEG), entre otros,
para formar micelas, hidrogeles y sistemas inyectables para el desarrollo de drogas (Liggins, et al.,
2002; Hoffman, 2002; Jeong, et al., 1997).
Estos polímeros, han sido ampliamente
investigados para ser usados para diversas
aplicaciones, como materiales farmacéuticos,
ingeniería de tejidos así como sistemas de
encapsulamiento de partículas (Morlock, et al.,
1998). Una estrategia usada para modificar las
propiedades fisicoquímicas y biológicas de los
diferentes polímeros como PLA y PLGA, ha sido
el poder incorporar segmentos hidrofílicos de
PEG, y además, es conocido que su bajo peso
molecular es fácilmente excretado por humanos
(Beletsi, et al., 1999; Morlock, et al., 1998;
Kissel y Unger, 2002; Jeong, et al., 2000; Huh y
Bae, 1999; Bae, et al., 2000; Hrkach, et al.,
1997). Algunas estrategias usadas en la síntesis
para la fabricación de medicamentos, ha sido el
formar hidrogeles y copolímeros utilizando
péptidos y proteínas. (Li, et al., 2000; Gref, et
al., 2000; Choi, et al., 2001).
Una gran variedad de dendrímeros de uso
odontológico, como los derivados de
etilendiamina (PAMAM), los cuales son capaces
de atraer iones de calcio, han sido modificados;
asimismo, se han desarrollado sistemas para
construir cristales de fluorapatita en
combinación con geles polipeptídicos
(Peytcheva y Antonietti, 2001). Las moléculas
biológicas presentan gran habilidad para
reconocer y procesar diversos complejos de
información entre
moléculas orgánicas-inorgánicas (Dupont y
Rouxhet, 2001). Una amplia gama de
superficies como oro, grafito, y sílice, han
sido estudiados para explicar fenómenos como
la interacción electrostática entre
oligonucleótidos y aminoácidos para producir
substratos inorgánicos con capacidad de
reconocimiento de substratos naturales que
pueden estar relacionados con biomoléculas
(Kim y Abbott, 2001). Tal es el caso en donde
se unieron albúmina sérica de bovino (BSA), en
substratos de vidrio para formar capas de
liquido cristalino de 4- ciano 4 M´-pentilbifenil
(Loidl, et al., 2001).
En el presente trabajo, se presenta una
estrategia para sintetizar un compuesto
mediante el uso de PEG adicionándole
calcitonina. Estos compuestos parecen
promisorios para ser usados como materiales
de uso médico.
Materiales y métodos
En el presente estudio se utilizaron los
materiales: Polietilenglicol (PEG) con peso
molecular 8000 (grado Biología Molecular
marca Sigma Aldrich); calcitonina de salmón
(cat. 05-23-2401 CALBIOCHEM) y agua
bidestilada. En un primer paso, se preparó una
solución, con 200 mg de PEG y 2 ml de agua
bidestilada; posteriormente, la solución
(conteniendo PEG) se agitó con un agitador
magnético por 24 h para disolver el
polietilenglicol. Luego se añadieron a la
solución, 10 µl de calcitonina de salmón a una
concentración de 10,000 µg/ml, se agitó durante
un minuto para homogeneizar ambos
compuestos y permitir la interacción de las
moléculas de calcitonina y el polietilenglicol.
Después se retiró la solución del agitador
magnético y se mantuvo a una temperatura de
28°C por un período de siete días.
Posteriormente, se caracterizó sin ningún
tratamiento previo por medio de Microscopia
Electrónico de Barrido (MEB mod. JSM5800
USA, equipado con Energía Dispersiva de
Introducción
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Rayos-X (EDS); asimismo, se recurrió al uso de
Microscopia Electrónico de Transmisión (TEM
Philips mod. CM-200 a 200 kV USA). En la
Figura 1 se presenta un modelo sencillo para la
formación del gel.
.
Figura 1.
Modelo para la formación del gel basado en
polietilenglicol y calcitonina
A) B)
1 y 2
= moléculas de polietilenglicol en agua para
producir una solución;
3
= incorporación de la
solución conteniendo polietilenglicol a moléculas de
calcitonina;
4
= Formación del gel conteniendo
PEG/Calcitonina.
Resultados y discusión
El gel fue preparado siguiendo un método
similar al descrito por Sugimoto (Sugimoto, et
al., 1997). La Figura 2-A muestra una imagen
del polietilenglicol en ausencia de calcitonina, se
observa una consistencia compacta,
homogénea y cuya superficie es irregular.
En la Figura 2-B, por otro lado, se observa la
muestra del compósito en presencia de
calcitonina, cuya apariencia es compacta con
bordes irregulares y la mayor parte de la
superficie porosa. Dicha morfología puede
esperarse debido a las redes que forman la
estructura del PEG. Derivado de las
observaciones en MEB.
Figura 2. A) Polietilenglicol en ausencia de calcitonina. B) Compósito de
Polietilenglicol/Calcitonina.
La Figura 3, muestra la distribución para el
tamaño de partículas encontradas y cuyo
intervalo oscila entre 1 y 3 µm de diámetro,
siendo las partículas de 3 µm las que se
encuentran en mayor porcentaje. Algunos
procesos para desarrollar compósitos mediante
la técnica de precipitación supercrítica
antisolvente, con polímeros orgánicos para la
liberación de drogas, han sido discutidos en la
literatura (Chattopadhyay, et al., 2002). Dichos
procesos no sólo ofrecen la ventaja de usar
alcóxidos metálicos, sino también otro tipo de
moléculas, y se basan en el control de la
reacción por hidrólisis y condensación a través
de medios químicos, y no por química coloidal
donde los grupos alcoxi OR (R= grupo orgánico
saturado o insaturado) son un fuerte donador de
enlaces
que estabilizan el alto estado de
oxidación del precursor (Kubo, et al., 1998).
1 µm
1 µm
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Figura 3.
Distribución de tamaño de partículas (µm) del compuesto PEG/Calcitonina.
En esta vía y por adición de la calcitonina, la
solución puede ser convertida a gel cuando éste
puede soportar las fuerzas elásticas de las
cadenas, esto es definido como punto de
gelación o tiempo de gelación, t
gel
. Desde este
punto, la conversión es gradual y más y más
partículas comienzan a ser interconectadas en
la red formada entre la calcitonina y PEG,
proceso conocido como redes poliméricas
interpenetradas, en donde los grupos aminos de
la cadena de 32 aminoácidos que componen la
calcitonina (Figura 4-A) interactúan con las
moléculas de PEG (Figura 4-B).
H
|
1 Cys
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2 Gly Ser Ser Ser Ser Ala Ser Ser Ser
3 Asn
Ser
4 Leu
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
5 Ser
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
6 Thr
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
7 Cys
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
8 Met Val Val Val Val Val Val Val
9 Leu
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
10 Gly
Ser Ser Ser
11 Thr
Lys Lys Lys Lys Lys Ala Ala Ala
12 Tyr Leu Leu Leu Leu Leu
13 Thr
Ser Ser Ser Ser Ser Trp Trp Trp
14 Gln
Arg Lys Lys
15 Asp
Glu Glu Glu Asn
16 Phe
Leu Leu Leu Leu Leu Leu Leu Leu Leu
17 Asn
His His His His His
18 Lys
Asn Asn Asn
19 Phe
Leu Leu Leu Leu Leu Tyr Tyr
20 His Gln Gln Gln Gln Gln
21
Thr
Arg Arg Arg
22 Phe
Tyr Tyr Tyr Tyr
23
Pro
Ser Ser Ser
24
Gln
Arg Arg Arg Arg Arg Gly Gly Gly
25 Thr Met Met Met
26 Ala Ser Asn Asn Asn Asp Asp Gly Gly Gly
27 Ile Thr Thr Thr Val Val Phe Phe Phe
28 Gly
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
29 Val Ala Ala Ser Ala Ala Pro Pro Pro
30 Gly Glu Glu Glu Glu
31 Ala Val Val Thr Thr Thr Thr Thr Thr
32 Pro
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
|
NH
2
En este caso la
relación
calcitonina:polietilenglicol fue mantenida en
1:20, para activar una buena dispersión de la
primera en la matriz polimérica de
polietilenglicol, esto permite que la unión de la
calcitonina se lleve a cabo. Los parámetros de
optimización están actualmente bajo
investigación así como estudios de
biodisponibilidad en modelos animales y tejidos
dentales y podrán ser pesentadas en una futura
publicación.
En la Figura 5 se presenta un análisis
semicuantitativo, obtenido mediante EDS, de los
compuestos químicos que contiene la muestra
del compósito PEG/Calcitonina; se puede
identificar un pico superior que corresponde al
carbono con un porcentaje en peso de 64.89 %,
un pico menor correspondiente al oxígeno con
un porcentaje en peso de 30.28 %, y dos picos
inferiores que corresponden a azufre con
porcentaje en peso de 0.39 %, y al calcio con
0.31 %, respectivamente.
B)
Figura 4.
A) Secuencia de 32 aminoácidos de la
cadena polipeptídica que conforma la calcitonina, B)
Estructura del polietilenglicol.
Figura 5.
Espectro de análisis de energía dispersiva
de rayos-X de los compósitos PEG/Calcitonina.
A)
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Intensidad (u.a.)
La estructura de los compósitos se estudió
mediante difracción de rayos-X. Como se
observa en el difractograma de la Figura 6, no
existen picos de difracción que permitan la
identificación del compuesto; se cree que esto
es debido a la rápida evaporación del agua
durante el secado del gel. Trabajos
relacionados con el desarrollo de compuestos
poliméricos reportan la formación de fases
cristalinas al emplear técnicas hidrotermales,
dependiendo de los compuestos poliméricos y
el tratamiento térmico usado (Mogyrosi, et al.,
2003).
corresponden a la formación de puentes de
hidrogeno (H), ya que los grupos O
2
libres que
se encuentran en el PEGP, pueden atraer H
que se encuentran formando parte de la cadena
lateral de algunos aminoácidos como tirosina,
treonina y serina que se encuentran en la
molécula de calcitonina.
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
0 100 200 300 400 500 600 700
2
Figura 8.
Espectro de análisis infrarrojo del
compuesto PEG/Calcitonina
Además, el grupo carboxilo de la calcitonina,
Figura 6.
Difractograma de rayos- X de los
compósitos PEG/Calcitonina.
Por otro lado, en la Figura 7, se observa una
imagen de los compósitos PEG/Calcitonina
mediante TEM en modo de campo claro; en
esta imagen se aprecia la porosidad de la
estructura conformada por gránulos con
tamaños de aproximadamente 5 nm.
Figura 7.
Imagen de TEM de los compósitos
PEG/Calcitonina.
Para analizar la interacción entre la calcitonina y
el polietilenglicol se realizó una espectroscopia
infrarrojo Figura 8, durante el proceso de
entrecruzamiento aparecen en el espectro
bandas a 2100, 820 y 3000 cm
-1
que
también puede formar puentes de hidrogeno
con el hidrogeno de los grupos OH del PEG.
Aunque en este espectro no se detectó la
presencia de enlaces covalentes, cabe
especular que se pueden formar dichos enlaces
por la atracción de cargas residuales entre el
oxígeno y el hidrógeno, la cual formaría una
atracción electrostática entre ambos
compuestos, Figura 9.
Figura 9.
Mecanismo de interacción entre la
calcitonina y polietilenglicol
.
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Conclusiones
Se ha desarrollado un modelo para la formación
de nuevos biomateriales usando polietilenglicol
y calcitonina. Análisis de Microscopia
Electrónica de Barrido y de Transmisión,
revelaron que las partículas obtenidas
presentaron diámetros entre 1 y 3 µm. La
operación de este método de síntesis es simple
y todos los procesos de reacción son llevados
en solución.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer al Centro de
investigación en Materiales Avanzados S. C.
(CIMAV) y a Wilber A. Paraguay F., por el
soporte técnico para la realización de este
estudio.
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Este artículo es citado así:
M
ONREAL-
R
OMERO
H. A., J. Villegas Ham, R. Guzmán-Medrano, R. Duarte-Rico, M. Loya-Loya, R. Pájaro-Hernández, J.
S., Pinedo-Hernández E. García-Torres. 2007. Formación de partículas de polietilenglicol en presencia de
calcitonina como nuevos biomateriales. TECNOCIENCIA Chihuahua 1(3):13-20.
HUMBERTO ALEJANDRO MONREAL-ROMERO, JULIO VILLEGAS HAM, REBECA GUZMÁN-MEDRANO, RAQUEL DUARTE-RICO, MARTA LOYA-LOYA RAMÓN PÁJARO-HERNADEZ,
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Resúmenes curriculares de autor y coautores
H
UMBERTO
A
LEJANDRO
M
ONREAL
R
OMERO
.
Cursó la Licenciatura en Enfermería en la Facultad de Enfermería
y Nutriología (1994-2000). En el año (2000-2002) realiza sus estudios de Maestría en Ciencias en
Biotecnología en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Chihuahua. Es
Doctor en Ciencia de Materiales por el Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV),
de la Ciudad de Chihuahua (2003-2006). Su especialidad es en las áreas de Nanotecnología y
Bionanotecnología, parte de su trabajo esta relacionado con la síntesis de Nuevos Biomateriales usando
biomoléculas como DNA, aminoácidos y proteínas, del 2005 a la fecha funge como árbitro del Instituto
de Publicaciones de Física RU en el área de Nanotecnología, tiene alrededor de 7 publicaciones en
revistas internacionales indexadas y 2 en revistas arbitradas, ha sido distinguido como miembro del
Sistema Nacional de Investigadores (SNI, CONACYT).
J
ULIO
V
ILLEGAS
H
AM.
Realizó sus estudios de Licenciatura de Cirujano Dentista, por la ENEP Zaragoza de la
Universidad Nacional Autónoma de México (1978-1983.) Cursó la especialidad en Odontología
Pediátrica (UNAM, 1986-1987)). Es Candidato a Doctor en Odontología por la Universidad de Navarra
España (2002-2007). Su área de trabajo versa sobre el comportamiento y desarrollo in vivo e in vitro de
Nuevos Biomateriales, ha sido Evaluador Nacional de CONAEDO de Programas Académicos del Área
Odontológica (2002).
R
EBECA
G
UZMÁN
M
EDRANO.
Cursó la Licenciatura de Cirujano Dentista en la Facultad de Estudios Superiores
(FES) Iztacala de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), (1989 – 1992). Realizó
estudios de Especialidad en Patología Bucal y Diagnóstico Integral por la Universidad Autónoma
Metropolitana (UAM)) (1998 – 2000). Obtuvo la Maestría en Ciencias en Patología Experimental por el
Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV), (2004).
Es Candidato al Grado de Doctor en Educación con Especialidad en Investigación por la Universidad
Autónoma de Chihuahua (2006). Ha trabajado en las áreas de Patología Bucal, Diagnostico Molecular
de enfermedades infecciosas y cáncer así como síntesis de Biomateriales, ha sido miembro de la
sociedad médica científica del Instituto Nac. De Cancerología de 1999-2001, cuenta con 2 publicaciones
en revistas internacionales indexadas,
R
AQUEL
D
UARTE
R
ICO.
Cursó la Licenciatura de Químico Biólogo Parasitólogo en la Facultad de Ciencias
Químicas de la Universidad Autónoma de Chihuahua (2000). Obtuvo su grado de Maestría en Salud en
el Trabajo por la Facultad de Enfermería y Nutriología UACH (2007). Su área es sobre Salud en el
Trabajo y Microbiología Clínica.
M
ARTHA
L
OYA
L
OYA.
Realizó sus estudios de Licenciatura de Químico Biólogo Parasitólogo por la Facultad de
Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Chihuahua (1982), y la carrera de Contador Público
por la misma Universidad (1987). Cursó estudios de Maestría en Salud en el Trabajo en la Facultad de
Enfermeria y Nutriología UACH (2006). Ha trabajado en las áreas de Microbiología Clínica y
Experimental así como Seguridad e Higiene, tiene diversas publicaciones en las áreas de Trabajo,
Salud y Ambiente.
R
AMÓN
P
ÁJARO
H
ERNÁNDEZ
.
Cursó la Carrera de Químico Farmacobiólogo por la Universidad de Cartagena
Colombia (1972). Es Candidato a Maestro en Biología de la Reproducción Animal por la Universidad
Autónoma Metropolitana (2008). Su trabajo esta relacionado con el área de la Biología de la
Reproducción y Efectos Toxicológicos de diversos metales pesados en tejidos in vivo e in Vitro.
HUMBERTO ALEJANDRO MONREAL-ROMERO, JULIO VILLEGAS HAM, REBECA GUZMÁN-MEDRANO, RAQUEL DUARTE-RICO, MARTA LOYA-LOYA RAMÓN PÁJARO-HERNADEZ,
J
ANETH
S
ARAHÍ
P
INEDO-
H
ERNANDEZ,
E
VELYN
G
ARCÍA-
T
ORRES :
Formación de partículas de polietilenglicol en presencia de calcitonina como
nuevos biomateriales
20
•Vol. I, No.3 • Septiembre-Diciembre2007•
DOI: https://doi.org/10.54167/tecnociencia.v1i3.59
J
ANETH
S
ARAHI
P
INEDO
H
ERNÁNDEZ.
Cursa actualmente la Carrera de Cirujano Dentista (pasante 2008) en la
Escuela de Odontología de la Universidad Autónoma de Chihuahua. Su participación ha sido la síntesis
de biomateriales para aplicaciones dentales.
E
VELYN
G
ARCIA
T
ORRES.
Cursa la Carrera de Cirujano Dentista (pasante 2008) en la Escuela de Odontología
de la Universidad Autónoma de Chihuahua. Ha participado en la elaboración de nuevos biomateriales
para usos odontológicos
