• Un nuevo estudio ha demostrado cómo los andamios de carbono impresos en 3D pueden superar los desafíos del desajuste mecánico y las limitaciones de procesamiento de los materiales existentes utilizados en la regeneración del tejido óseo.
• El estudio muestra cómo la pirólisis a alta temperatura permite ajustar las propiedades del carbono impreso en 3D, optimizándolo para la regeneración ósea.

En un avance significativo para la medicina regenerativa, un nuevo estudio de investigadores del Instituto IMDEA Materiales ha demostrado el potencial de las microrretículas de carbono impresas en 3D como andamios estructuralmente ajustables para la ingeniería de tejido óseo.

Concretamente, los andamios se fabricaron a partir de estructuras de polietilenglicol diacrilato (PEGDA) impresas en 3D, que posteriormente se transformaron en carbono pirrolítico (PyC) mediante tratamiento térmico a alta temperatura.

Los resultados, publicados en Small Structures, abren nuevas vías prometedoras para el uso de materiales basados en carbono en la ingeniería del tejido óseo, un campo que lleva tiempo buscando biomateriales que combinen robustez mecánica, biocompatibilidad y un diseño personalizado con precisión geométrica.

“Este estudio presenta la primera evaluación completa in vitro de andamios de PyC impresos en 3D para la regeneración ósea”, afirmó el Dr. Islam de IMDEA Materiales. “Nuestro objetivo era ir más allá de los materiales de andamio convencionales y explorar el carbono como una plataforma totalmente diseñada y ajustable para la ingeniería de tejidos.”

“Aunque otras formas de carbono, como el grafeno o los nanotubos de carbono, han mostrado potencial en la regeneración ósea, normalmente requieren ser incorporadas en polímeros, lo que a menudo oculta su verdadero potencial.”

“Nos entusiasmaba la idea de utilizar carbono puro, moldeado completamente mediante impresión 3D y pirólisis, para crear andamios con propiedades mecánicas y químicas programables. Lo verdaderamente notable es que estas estructuras pueden guiar el comportamiento celular, promoviendo la proliferación o la osteogénesis, sin necesidad de recubrimientos superficiales ni aditivos bioactivos.”

“Eso es lo que hace que este trabajo se sienta como un punto de inflexión para el uso del carbono en la medicina regenerativa”, añadió.

El equipo responsable de la publicación, liderado por el Dr. Islam, incluye también a los investigadores de IMDEA Materiales Wei Tang, Dr. Miguel Monclús, Dra. Mónica Echeverry Rendón, Prof. De-Yi Wang, y al ex-investigador del Instituto IMDEA Materiales, Dr. Jesús Ordoño.

La pirólisis es un proceso mediante el cual los materiales orgánicos se descomponen a altas temperaturas en ausencia de oxígeno.

En el estudio, realizado en el marco del proyecto europeo Marie Skłodowska-Curie Actions 3D-CARBON, se utilizó PEGDA, una resina fotosensible orgánica, para la impresión 3D con luz ultravioleta, fabricando estructuras complejas capa a capa mediante fotopolimerización.

Posteriormente, estas estructuras fueron sometidas a un proceso de pirólisis a alta temperatura, dando lugar a una estructura de carbono con propiedades mecánicas, eléctricas o térmicas mejoradas, dependiendo de las condiciones de procesamiento.

Es importante destacar que las estructuras originales experimentaron una contracción geométrica significativa (de hasta ~80%), manteniendo sin embargo la geometría original. Esta contracción permitió una mayor resolución de impresión en comparación con la impresión UV, facilitando la fabricación de geometrías porosas similares a las del hueso natural.

Los investigadores también demostraron cómo variar la temperatura de pirólisis entre 500 y 900 °C permite ajustar tanto las propiedades físicas como las biológicas de las microrretículas de carbono resultantes.

A temperaturas más altas, el carbono se vuelve más conductor y mecánicamente más robusto, con valores de elasticidad y dureza similares a los del hueso natural, lo que lo convierte en un candidato especialmente prometedor para aplicaciones clínicas en la reparación ósea.

De forma interesante, el estudio muestra que los andamios de PyC creados a temperaturas de pirólisis más bajas conservan más grupos superficiales con oxígeno, lo que favorece una mayor actividad metabólica y proliferación celular. Esto sugiere que el ajuste de los parámetros de pirólisis es una herramienta eficaz para dirigir el comportamiento celular.

A diferencia de muchos materiales de andamio existentes, como los polímeros, que carecen de resistencia, o las cerámicas, que presentan grandes dificultades para ser procesadas a escala geométrica del hueso natural, estas microrretículas de PyC ofrecen una rara combinación de procesabilidad, biocompatibilidad, resistencia mecánica y capacidad de ajuste superficial.

Además, su potencial compatibilidad con técnicas de seguimiento por resonancia magnética (MRI) representa una ventaja significativa frente a los implantes metálicos.

Esta investigación ha recibido financiación de las Acciones Marie Skłodowska-Curie de la Unión Europea, bajo el acuerdo de subvención número 101106022 (3D-CARBON). Las opiniones expresadas pertenecen exclusivamente a los autores y no reflejan necesariamente las de la Unión Europea o sus agencias.