Aerogeles Bioactivos Para Ingeniería Tisular Ósea

Aerogeles Bioactivos Para Ingeniería Tisular Ósea Trabajo Fin de Grado Grado en Física José Antonio Díaz Fraile Tutor: Prof. D. Víctor Morales Flórez Departamento de Física de la Materia Condensada Facultad de Física Universidad de Sevilla Sevilla, Septiembre 2017 Aerogeles Bioactivos Para Ingeniería Tisular Ósea Trabajo Fin de Grado Grado en Física José Antonio Díaz Fraile Tutor: Prof. D. Víctor Morales Flórez Departamento de Física de la Materia Condensada Facultad de Física Universidad de Sevilla Sevilla, Septiembre 2017 Índice Resumen 4 1. Introducción, objetivos y metodología 5 2. Biomateriales 6 2.1. Biocompatibilidad ................................... 11 2.1.1. Bioactividad .................................. 13 3. Aerogeles 14 3.1. Breve historia y evolución de los aerogeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2. Aplicaciones y propiedades de los aerogeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.1. Estructura porosa, densidad e hidrofobicidad . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.2. Propiedades Térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.3. Propiedades Ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.4. Propiedades Acústicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4. Síntesis de Aerogeles 26 4.1. ElmétodoSol-gel.................................... 26 4.1.1. Hidrólisis y Condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.2. Gelificación................................... 29 4.1.3. Envejecimiento................................. 30 4.2. SecadoSupercrítico................................... 32 4.3. Aerogeles con base de sílice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.4. Aerogeleshíbridos ................................... 36 5. Aerogeles bioactivos. Ingeniería Tisular Ósea 39 5.1. IngenieríaTisular.................................... 39 5.2. Elhuesohumano.................................... 40 5.3. Aerogeles bioactivos en ingeniería tisular ósea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6. Conclusiones 46 Referencias 47 Resumen Los biomateriales son materiales diseñados para actuar en conjunción con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar, aumentar o reemplazar algún tejido, órgano o función del sistema biólogico diana. En este trabajo se tratará de forma introductoria qué se entiende por biomaterial y las características que éstos deben tener para ejercer como tales. Los aerogeles son materiales que poseen unas características muy interesantes como biomaterial, y en especial en ingeniería de tejidos, por su alta porosidad, superficie específica e interconexión de su estructura interna. Además, por la versatilidad que poseen los métodos de síntesis de aerogeles, éstos pueden reforzar sus características e incluir otras propiedades interesantes formando parte de materiales compuestos. Por ello, se presenta un estudio general sobre los aerogeles que permita entender la naturaleza y propiedades de éstos para culminar en la exposición del aerogel como biomaterial en ingeniería de tejidos ósea. Abstract Biomaterials are materials specifically engineered to act alongside biological systems aiming to assess, treat, reinforce or replace tissues, organs or functions in them. In this work we’ll take an introductory approach to the understanding of biomaterials as a concept and the features these have to posses in order to accomplish their function properly. Aerogels are materials with very interesting features as a biomaterials, specially in tissue engineering, such as high porosity, surface area and interconextion of its inner structure. Aerogel synthesis methods are very versatile allowing a fine tunning and reinforcement of its properties and the addition of new ones in the form of composite materials. Due to this, we present here a general study of aerogels that serves as way to understand the nature and properties of these materials to conclude in a exposition of the aerogel as a biomaterial in bone tissue engineering. 1 Introducción, objetivos y metodología 5 1. Introducción, objetivos y metodología Los aerogeles son un tipo de material muy ligero, con alta porosidad y con una gran libertad de síntesis. Debido a estas características, estos materiales pueden ser utilizados en conjunción con otros para generar composites, o materiales compuestos, con un amplio rango de aplicaciones. En este trabajo se dará una visión general de los aerogeles y una perspectiva de su desarrollo histórico mostrando su uso como biomaterial. Los biomateriales son un tipo de material que posee ciertas características que los hacen compatibles con los organismos vivientes y que brindan a éstos la posibilidad de formar parte de un proceso terapéutico para regenerar y/o sustituir partes de su fisiología. Los conceptos de biocompatibilidad y bioactividad presentados serán cruciales para el entender el diseño y desarrollo de estos materiales. Por su porosidad y estructura interna, los aerogeles han mostrado ser unos candidatos excelentes en la construcción de andamios, o scaffolds, para la ingeniería de tejidos ósea. Por la gran versatilidad en su síntesis vía el proceso sol–gel, las características del hueso humano —como son sus propiedades mecánicas o estructura porosa— pueden ser emuladas en la síntesis de aerogeles híbridos, lo que permite incluir materiales de refuerzo para la estructura del aerogel y la adición de sustancias que promuevan el crecimiento celular sobre la matriz del material, dando cobijo y guía a las células óseas. El objetivo de este trabajo es la búsqueda bibliográfica de la información presente en la literatura acerca de los biomateriales en general y en especial de un cierto tipo de material: el aerogel para terminar uniendo estos dos temas en el uso del aerogel en ingeniería de tejidos para la regeneración ósea. Esto permitirá conseguir un entendimiento de los conceptos de biomaterial y aerogel recorriendo el desarrollo de éstos y su evolución. Este trabajo tiene la intención de servir como una iniciación al ámbito de la física aplicada a las ciencias de la salud y se intenta resaltar el carácter multidisciplinario de ésta, haciendo ver que tiene cabida en un amplio rango de áreas de investigación. La ingeniería de tejidos y la ciencia de biomateriales confían en los métodos y conocimientos de la física, y en especial, en la física del estado sólido, para la explicación y aprehensión de fenómenos y conceptos que sólo ésta es capaz de tratar. La metodología utilizada será la búsqueda en las bases de datos disponibles (Scopus, WoS, Google Scholar) de los textos, artículos o revisiones sobre temas pertinentes al presente trabajo, recopilando y organizando éstos para comprender y explorar la evolución del desarrollo de tales materiales y la puesta al día del estado del arte de los mismos. Con ello se elaborará una visión general de la relación existente entre la ingeniería de tejidos, la regeneración ósea, los biomateriales y los aerogeles y el papel que juega la física en ellos. 2 Biomateriales 6 2. Biomateriales La ciencia de biomateriales se define como el estudio de la aplicación de materiales a problemas en biología y medicina. Es un campo caracterizado por las necesidades médicas, investigación básica, desarrollo de tecnologías avanzadas, consideraciones éticas e implicación industrial. Abarca un espectro extraordinariamente amplio de disciplinas al servicio de las necesidades humanas 1 . Figura 1: Arreglo dental de un implante externo con oro en una momia de hace alrededor de 4000 años. Referencia: http://www.ancient-origins.net/ El campo de los biomateriales es, relativamente, moderno aunque hace más de 5000 años tanto chinos, romanos, egipcios como aztecas ya utilizaron oro en procedimientos de índole dental (figura 1). A lo largo de la historia se ha hecho uso de materiales como el cristal, para la fabricación de prótesis oculares, y de la madera, las conchas marinas 2 o el hierro 3 para el reemplazo de piezas dentales. Alrededor del año 1508, Leonardo Da Vinci ya desarrolla un concepto para las lentes de contacto. Ya entre 1936 y 1948 se desarrollaron las primeras lentes de contacto plásticas consistentes principalmente en polimetilmetacrilato (PMMA). Figura 2: Implante postmortem de la lente intraocular original de Ridley. Referencia: www.scielo.br Durante la Primera Guerra Mundial y particularmente al final de ésta, aparecieron materiales de altas prestaciones y de última generación, como metales, cerámicas y especialmente materiales poliméricos, que llamaron la atención de los cirujanos a la hora de reemplazar partes del cuerpo dañadas, por ser materiales inertes y altamente duraderos. Estos biomateriales ‘tempranos’ incluían a las siliconas, los poliuretanos, Teflón ® , nylon, metacrilatos, titanio y acero inoxidable 1 . Sir Harold Ridley, inventor de la lente plástica intraocular (figura 2), realizó una de las primeras observaciones de las reacciones biológicas a los materiales implantados. Tras la Segunda Guerra Mundial tuvo la oportunidad de examinar a aviadores en cuyos ojos fueron incrustados, de manera accidental, trozos de plástico procedentes de las cubiertas plásticas de los aviones durante la guerra. Ridley se percató de que el tejido alrededor de los trozos de plástico había sanado sin ningún tipo de reacción. Siendo esto una temprana observación del comportamiento del cuerpo hacia un material extraño, lo que acabaría evolucionando hacía lo que hoy se denomina biocompatibilidad. 2 Biomateriales 7 Figura 3: Implante de cadera de Teflón ® usado por Charnley. Referencia: www.johncharnleytrust.org En 1958 Dr. Charnley usa el Teflón ® y, posteriormente el polietileno de alto peso molecular, en el desarrollo de prótesis de cadera (figura 3) y rodilla. En 1952, Charles Hufnagel había implantado una válvula en forma de tubo construida con PMMA y nylon, por otro lado Willem Kolff, pionero en el desarrollo del corazón artificial, realizó su primer implante a un perro en 1957, este estaba fabricado con un recubrimiento de cloruro de polivinilo sobre unos moldes1,4,5. El término ‘biomaterial’ no se había mencionado o referenciado en ningún punto temporal alrededor de los hitos mencionados anteriormente. Sin embargo, aunque es difícil ubicar con precisión la aparición de este término, en 1975 surge la Sociedad para los Biomateriales (Society For Biomaterials) donde aparece el término explícitamente 1 . El artículo más antiguo que aparece en las bases de datos bibliográficas en que se menciona el término biomaterial data de 1962 por Wesolowski, S. A. y se titula Teflon, Dacron, glass, and mysticism. En 2009 D.F. William 6 propone, basándose en la evolución que ha sufrido la ciencia de biomateriales, la definición más reciente de biomaterial: Un biomaterial es una sustancia que ha sido diseñada para tomar una forma en la que, por sí misma o como parte de un sistema complejo, es usada para dirigir, a través del control de interacciones con los componentes de los sistemas vivientes, el curso de cualquier procedimiento terapéutico o de diagnóstico en la medicina humana o veterinaria Mientras que en la era temprana de la ciencia de biomateriales se aprovechaban los materiales ya existentes y se intentaban adaptar a las necesidades médicas sin ningún tipo de regulación estatal o control riguroso, la ciencia de biomateriales moderna representa en sí un campo de diseño. La disponibilidad a día de hoy de materiales avanzados de diferente naturaleza es la causa principal del auge que experimenta ésta 7 . Aunando los avances en física, química, biología y medicina, se ha ido permitiendo reemplazar tanto tejidos duros como blandos. La amplitud de aplicaciones que rodea al campo de los biomateriales se refleja en su capacidad de cumplir satisfactoriamente los requisitos de su potenciales aplicaciones 8 . Es decir, en primera instancia, la consideración de un material como biomaterial debe fundamentarse en las propiedades que éste posee y que lo hacen adecuado para su función. En el caso de la reparación ósea, el biomaterial diseñado deberá cumplir con los requisitos mecánicos para ejercer su función como soporte. El uso de un biomaterial no debe contemplar sólamente que éste posea unas propiedades fisico-químicas adecuadas, sino también tener en cuenta los posibles productos 2 Biomateriales 8 que éste pueda liberar al organismo como consecuencia de su interacción mutua. Por otro lado, el uso de biomateriales como sistemas liberadores de medicamentos considera lo contrario a lo dicho anteriormente, interesa que el material interactúe con el entorno para liberar sustancias de manera controlada1. La vida útil de un biomaterial es otro factor decisivo a la hora de su evaluación. Éste debe permanecer en contacto con los tejidos vivos manteniendo sus prestaciones en el tiempo. Este tiempo vendrá determinado por la función que el biomaterial desarrolle, esto es, si su uso será provisional o definitivo. Hay que recalcar que es también de gran importancia el proceso de fabricación de dicho biomaterial. Su procesamiento debe ser sencillo, su fabricación fácilmente reproducible y su precio competitivo para sustentar su uso a gran escala8. Existen diferentes categorías donde podemos agrupar los tipos de materiales usados en el ámbito de los biomateriales: Polímeros Los materiales poliméricos poseen un conjunto de características únicas que los hacen útiles en una amplia variedad de aplicaciones tales como las ortopédicas, los reemplazos de tejido blando y duro y dispositivos cardíacos. De hecho, los polímeros representanel tipo de material más abundante usado en medicina. La arquitectura y el peso molecular así como la composición química, están directamente relacionados con las características físicas y químicas del material macroscópico 1 . Los polímeros son materiales orgánicos formados por largas cadenas moleculares unidas por enlaces covalentes y compuestos principalmente por carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos. En los polímeros existe una unidad básica que se repite y que caracteriza al mismo, el monómero. Una muestra polimérica puede contener cadenas moleculares de distinta longitud y pueden estar entrelazadas con uniones por enlace covalente (cross–linked) o por enlaces más débiles como los tipo Van der Waals o puente de hidrógeno. Pueden ser cristalinos, amorfos o una combinación y, en general, no son buenos conductores del calor ni de la electricidad. Bajo una aplicación de carga, las cadenas moleculares tienen la habilidad de deslizarse sobre otras —a menos que sean tipo cross–linked— o pueden tener la capacidad de rotar sobre sus enlaces. Esta versatilidad hace a los polímeros altamente deformables y dúctiles. Sin embargo, en comparación con las cerámicas y los metales, los polímeros poseen un módulo elástico, tenacidad y temperaturas de transición térmica bajos. Desde la perspectiva de la producción, se producen con facilidad y son baratos. Además de las mencionados anteriormente, suelen encontrar usos como biomateriales en suturas, recubrimientos, mallas reabsorbibles, lentes de contacto y andamiaje para tejidos9. El Poli(glicerol sebacato) (PGS) es un polímero biodegradable de reciente desarrollo con un futuro prometedor en el campo de la ingeniería tisular 10 . Los copolímeros PGS-PMMA han demostrado ser ampliamente controlables en materia de peso molecular, propiedades térmicas 2 Biomateriales 9 y ‘electrospinnability’ (técnica para la fabricación de fibras, a través de fuerzas eléctricas, del orden del nanómetro). Se han diseñado nanofibras vía elecrospinning de PGS-PMMA puro y PGS-PMMA/gelatina, estas últimas exhibiendo buena biocompatibilidad en el tejido nervioso. Con la ayuda de estos polímeros, la ingeniería de tejidos nerviosos tiene una base material para construir guías de biomaterial para la regeneración de redes nerviosas mejorando la calidad y la recuperación de las lesiones causadas por traumas. Metales Un amplio sector de la industria de dispositivos médicos confía en implantes con una o más partes metálicas, por tanto, los metales tienen un lugar significativo en el mercado de biomateriales1. Los metales son materiales inorgánicos cuyos átomos están unidos mediante enlaces metálicos no direccionales. Estos átomos poseen una configuración de empaquetamiento compacta haciendo que éstos se caractericen por altas densidades. La nube electrónica que rodea a dichos átomos hace a estos materiales buenos conductores de la electricidad y el calor. De todos los materiales, los metales son los que mayor antigüedad poseen en esta disciplina. Usados normalmente como elementos fijadores o soportadores de carga, también son utilizados como alambres de guía, stents (tubo en forma de malla que se coloca dentro de los vasos sanguíneos para ensancharlos), válvulas cardíacas y electrodos 9 . Los metales tienen unas propiedades mecánicas excelentes para este campo y exhiben gran tenacidad y resistencia a la fractura. A pesar del amplio surtido de metales, sólo unos pocos pueden cumplir los requisitos de biocompatiblidad para ser utilizados como bioimplantes. Estos son los aceros inoxidables, las aleaciones de cobalto, las aleaciones de titanio y los metales nobles 11 . Aparte de éstos, aleaciones con memoria de la forma como níquel-titanio, magnesio y tantalio, categorizadas como implantes de ‘materiales misceláneos’, están progresando como potenciales candidatos a la categoría de ‘metales seguros’. Hasta la fecha, la aleación de NiTi ha sido utilizada como stent vascular en cirugías reconstructivas de tejidos duros u órganos. Por otro lado, el magnesio y sus aleaciones han mostrado una perspectiva brillante en aplicaciones de ortopedia y reparación craneofacial. Esto es así por el hecho de que el magnesio y sus aleaciones poseen una habilidad única de degradarse in vivo y tienen características similares a las del hueso natural12. Cerámicas Los materiales cerámicos se definen normalmente especificando lo que no son. Son inorgánicos, porque no consisten en moléculas eléctricamente neutras —lo cual es típico de compuestos orgánicos—. También son no metálicos, puesto que éstos se caracterizan por un gap entre las bandas de energía permitidas de los electrones de valencia, una característica no existente en los materiales metálicos 13 . Se caracterizan por enlaces iónicos o iónico-covalentes y estan formadas por elementos metálicos y no-metálicos en forma de nitruros, carburos y óxidos. Pueden ser cristalinas o amorfas. Como consecuencia de la naturaleza de sus enlaces, las cerámicas son de difícil deformación y poseen una baja ductilidad. En general, son extremadamente duras y frágiles. Poseen un alto módulo elástico y gran resistencia a la compresión, pero baja resistencia 3.1 Breve historia y evolución de los aerogeles 16 queda reducido a una fracción muy pequeña del volumen original del gel. Esto queda explicado si se tiene en cuenta que la superficie del líquido intentará retraerse dentro de la estructura del gel a medida que se evapora y, junto al efecto capilar y las altas tensiones superficiales asociadas, comprimirán al gel hasta el punto en el que la estructura de éste sea suficientemente resistente como para soportar las fuerzas generadas en la interfaz líquido–gas. Si se mantiene el líquido a una presión siempre superior a la presión de vapor y se eleva la temperatura, el líquido será transformado, a la temperatura crítica, en un fluido supercrítico sin que las dos fases hayan estado presentes al mismo tiempo. Bajo estas circunstancias, no existe transformación brusca a la temperatura crítica, el cambio que tiene lugar es de naturaleza continua y un cambio pequeño de temperatura sobre o por debajo de la temperatura crítica no tiene mayor efecto en el gel que dicho cambio alrededor de otro punto del rango de temperaturas. De esta forma, Kistler consigue llenar el gel con un fluido a baja densidad sin haberlo sometido a las fuerzas de compresión típicas de un sistema bifásico. A este tipo de secado se le denominó secado supercrítico. Figura 9: Ruta de secado utilizada por Kistler. Referencia: https://saylordotorg.github.io Los primeros intentos de Kistler al trabajar con geles inorgánicos de sílice en agua a partir de silicato de sodio fracasaron debido a las altas presiones y temperaturas críticas del agua (217 atm, 374 o C). A temperaturas cercanas a la crítica, el agua se vuelve un disolvente y peptizador (que peptiza, que convierte un agregado en un sol coloidal en presencia de un electrolito) muy potente hasta el punto en que los geles de sílice y alúmina eran totalmente peptizados (disgregados, de nuevo en forma coloidal). Kistler evita este problema reemplazando el agua con alcohol etílico. Este posee un punto crítico a una presión y temperatura más baja que el agua (63 atm, 243 o C), además no producía el efecto peptizador del agua sobre la red 33 . 3.1 Breve historia y evolución de los aerogeles 17 Los aerogeles que Kistler consigue así son muy parecidos a los que se obtienen actualmente, transparentes, de baja densidad y muy porosos 28 . La única precaución que se ha de tener al reemplazar un líquido con otro en el gel es que éstos sean miscibles. De lo contrario, una interfaz entre ellos se formaría en la red del gel, que bajo ciertas circunstancias, podría comprimir el gel al igual que la interfaz líquido–gas lo hacía cuando el gel sufría el proceso de secado convencional 33 . Aunque, tras la síntesis por Kistler, surgen como un material bastante revolucionario debido a sus características físicas, el desarrollo de aerogeles se vio prácticamente abandonado por casi más de tres décadas, principalmente debido a la cantidad de tiempo requerida en su síntesis y la complejidad del proceso. Esto cambió con los avances realizados de la mano de Teichner, en la Univesidad de Claude Bernard en Lyon, quien reemplaza el silicato de sodio usado por Kistler, por alcoxisilanos, concretamente tetrametoxisilano 34 . Esto eliminó los productos secundarios salinos generados en el proceso y además ahorró el paso del intercambio de agua a alcohol, acelerando el proceso de síntesis. Debido a la toxicidad del tetrametoxisilano (TMOS), en 1983 Arlon Hunt en el Microstructured Materials Group del Laboratorio de Berkeley, California, lo sustituye, satisfactoriamente, por tetraetoxisilano (TEOS) 35 , reactivo bastante menos peligroso. Arlon también desarrolla otra técnica de secado supercrítico donde el alcohol del interior del gel era sustituido por dióxido de carbono líquido sin dañar al aerogel 36 . Bajo estas circunstancias, el proceso de evacuación del líquido supercrítico se llevaba a cabo a temperaturas bajas, y por tanto más seguras y fáciles de alcanzar, dado que la temperatura crítica del dióxido de carbono (31 oC) es mucho más baja que la del etanol (243 oC)28,34. Tras el reemplazo de las sales orgánicas por alcóxidos metálicos M(OR) n , donde M designa un metal, O oxígeno y R un grupo alquilo (OR el grupo alcóxido), el agua se convertía en un reactivo y podía ser añadida de forma controlada el proceso sol-gel v y por tanto la físico-química del dicho proceso podía ser estudiada con detalle para producir aerogeles de sílice monolíticos con las características deseadas 34 . Entre los resultados más relevantes, Woignier y col. [37] estudiaron el cambio en la estructura del aerogel durante la extracción a altas temperaturas del alcohol supercrítico, concluyendo que la magnitud de la transformación estructural, textural y de propiedades mecánicas era dependiente de la concentración de la concentración de TMOS, entre otros parámetros. Los autores concluyen que los intentos de extraer conclusiones en el proceso de agregación en la estructura del aerogel durante el secado supercrítico fallan debido a que la propia estructura es, en parte, el resultado del proceso de secado. Más tarde Vacher y col. [38] y Schaefer y col. [39] demuestran la estructura fractal y jerárquica en porosidad de los aerogeles vía difracción de ángulo pequeño de neutrones y rayos X (SANS y SAXS). Un modelo de control cinético desarrollado por Sandia National Laboratories 31 junto con un proceso de catálisis ácido–base en dos pasos, permitieron el diseño de aerogeles de sílice v Técnica mediante la cual una mezcla de precursores forma un sol que eventualmente gelificará. Esta técnica permite una libertad relativamente alta en la síntesis de productos. 3.1 Breve historia y evolución de los aerogeles 18 monolíticos de muy baja densidad. Más tarde Tillotson y Hrubesh [40] modifican este proceso en dos pasos, reemplazando el alcohol con un solvente aprótico, vía destilación, con el propósito de evitar reacciones de hidrólisis reversas. Este método condujo al aerogel de sílice monolítico de más baja densidad (3 kg/m 3 ) con una porosidad del 99.98% en volumen. En 2013 Xu, Sun y Gao [41] consiguieron sintetizar el aerogel grafeno más ligero. Tiene el récord del material más ligero del mundo con una densidad de 0.16 kg/m 3 , alrededor de 7.5 veces más ligero que el aire (figura 10). Figura 10: Aerogel grafeno sobre una espiga. Referencia: http://www.extremetech.com/ Cuando un precursor sol-gel, como el TEOS y el agua, poseen entre sí una solubilidad limitada, Rosa- Fox y col. [42] y Zarzycki [43] han demostrado que la mezcla podría ser, ventajosamente, sometida a vibraciones ultrasónicas para favorecer el contacto entre todos los reactivos obteniéndose geles con diferente textura denominados sonogeles. En los últimos años, gracias a la alta capacidad de ajuste en sus características físicas y químicas, los aerogeles, en concreto los aerogeles híbridos (composites), han encontrado múltiples aplicaciones con gran potencial tecnológico. Muestra de ello es el elevado número de referencias a éstos encontradas en las bases de datos bibliográficas. El composite de aerogel más citado es el que contiene grafeno o su óxido como fase dispersa clave. Wu y col. [44] logran sintetizar un aerogel basado en grafeno dopado con nitrógeno como matriz para Fe 3 O 4 que actúa como electrocatalizador de alta eficiencia para las reacciones de reducción de oxígeno. Qiu, Xing y Zhang [45] y Jiang y col. [46] han estudiado el uso de aerogeles híbridos de grafeno en la mejora de la capacidad y estabilidad frente a los ciclos de carga de las baterías de ion de litio. Esto es posible gracias al control de la arquitectura de la estructura del aerogel en combinación con las monocapas de grafeno. Si y col. [47] aprovechan la alta versatilidad en la síntesis de aerogeles para reforzar la estructura y conferir, mediante la inclusión de nanofibras por electrospinning, aerogeles superelásticos y superhidrofóbicos para la separación de emulsiones aceite/agua, lo cual encuentra aplicaciones en la purificación de aguas contaminadas. La combinación de grafeno y óxido de titanio (TiO 2 ) ha sido estudiado por Nawaz y col. [48] como fotocatalizador de alta eficiencia en la fotodegradación de la carbamazepina recalcitrante en solución acuosa (un contaminante de alta persistencia), aumentando considerablemente la eliminación de ésta en comparación con el uso del óxido de titanio solo. A continuación se muestra en la figura 11 la evolución de la aparición de la palabra clave 3.1 Breve historia y evolución de los aerogeles 19 ‘aerogel’ a lo largo del tiempo según las bases de datos bibliográficas a las que se ha tenido acceso. 1940 1960 1980 2000 2020 A˜no de publicaci´on 100 101 102 103 N´umero de Publicaciones Scopus WoS Figura 11: Evolución en el tiempo del número de artículos que contienen la palabra clave ‘aerogel’ según las distintas bases de datos bibliográficas. La aparición más antigua data de 1931 y se corresponde con el artículo publicado por Kistler [33]. Como se puede apreciar en la figura, la tendencia que sigue el número de publicaciones entre 1980 y 2000 es aproximadamente exponencial. Entre 2000 y el presente, el crecimiento ha seguido siendo aproximadamente exponencial pero a un ritmo menor como se ve reflejado en las rectas de tendencia. Es en los últimos años donde se registra el mayor número de publicaciones sobre aerogeles con un pico en 2016 de 1001 artículos, por lo que se puede concluir que es un tópico que mantiene el interés de la comunidad científica. En la figura 12 se muestra el reparto por territorio de los artículos relacionados con aerogeles. Como se puede observar, China encabeza la lista seguida por Estados Unidos con aproximadamente 2500 artículos, cada uno, de los 9698 que tiene Scopus registrados a la fecha del presente trabajo. Esto supone la posesión, entre estas dos potencias, de la procedencia de más de la mitad de todos los artículos. Si atendemos a la distribución del número de artículos publicados sobre aerogeles según la rama de conocimiento, se ve en la figura 13 que la ciencia de materiales es la disciplina con el mayor número de artículos sobre aerogeles (26%) —como cabría esperar—, seguida de física (20%) y química (17%). Otras áreas incluyen la ingeniería, la ingeniería química, las ciencias ambientales, la energía y la bioquímica. Estas últimas están en auge en los últimos años con avances en la captura de residuos y en el diseño de nuevos y mejorados tipos de batería y dispositivos de almacenamiento energético c16 – c20 . Si tenemos en cuenta las palabras clave biomaterial, hueso eingeniería de tejidos, además de la palabra aerogel —las cuales constituyen el tema principal de este trabajo— se observa un pico en el número de artículos publicados (27), según Scopus, en 2016. Esto está en concordancia con la tendencia del término ‘aerogel’ por sí solo. El número de publicaciones que contienen las palabras mencionadas se aglomera entre los 3.2 Aplicaciones y propiedades de los aerogeles 20 Figura 12: Análisis del número de artículos sobre aerogeles en función del territorio de procedencia. Referencia: Scopus años 2005-2017 siendo las áreas de la ciencia de materiales y la química las que mayor número de artículos sobre bioaerogeles poseen (aproximadamente la mitad de todos los artículos), de acuerdo con Scopus. Figura 13: Análisis del número de artículos sobre aerogeles en función del área de conocimiento. Referencia: Scopus 3.2. Aplicaciones y propiedades de los aerogeles A continuación se mencionarán algunas de las aplicaciones y utilidades de los aerogeles en general —reservando para un análisis posterior más detallado su potencialidad como biomaterial— atendiendo a la explotación de algunas de sus propiedades físicas o químicas. 3.2.1 Estructura porosa, densidad e hidrofobicidad 21 3.2.1. Estructura porosa, densidad e hidrofobicidad Los aerogeles son materiales con una combinación de alta porosidad y tamaño de poro pequeño ( ∼ 50 nm), haciendo que técnicas como la intrusión de mercurio o la termoporometría sea difíciles de aplicar. Estas técnicas están basadas en la aplicación de presiones capilares, las cuales pueden causar grandes compresiones volumétricas dando lugar a valores incorrectos en el tamaño de poro o su volumen. La porosidad se mide como P= 1 − ρmuestra ρesqueleto (1) Donde ρmuestra hace referencia a la densidad del aerogel y ρesqueleto a la densidad del esqueleto del material base del aerogel, por ejempolo la sílice. De este modo podremos determinar la ratio espacio/esqueleto que da una medida de la porosidad. El caso en el que ρmuestra ∼ 0mostraría un aerogel totalmente hueco. La contracción en volumen del aerogel se calcula a partir de los volúmenes del gel húmedo (alcogel o hidrogel) y el aerogel % V = 1 −Vaerogel/Vgel . La densidad del esqueleto , como ya se ha mencionado anteriormente, se denota como ρesqueleto y se supone que es muy cercana a la del material o sustancia masiva que forma dicho esqueleto. El volumen de poro aproximado se puede calcular como, Vp=1 ρmuestra − 1 ρsustancia (2) Los aerogeles pueden ser hidrófofos o hidrófilos, dependiendo de las condiciones en las que se sintenticen. Normalmente los aerogeles procedentes de hidrólisis y condensación de alcoxisilanos y secados a altas temperaturas supercríticamente son hidrófobos, mientras que los secados sueprcríticamente a bajas temperaturas (CO 2 ) son hidrófilos. Estas diferencias radican en los grupos que se forman en la superficie del aerogel durante el secado supercrítico. Los grupos hidroxil (–OH) confieren un caráter hidrofílico al aerogel por la polaridad del propio grupo. La adsorción y la condensación capilar del agua en el aerogel daña su estructura por las tensiones creadas y eventualmente causa su fractura. El secado de alta temperatura permite que los grupos hidroxil reaccionen con los precursores para adherir los grupos R correspodientes, como el etil o metil (TEOS, TMOS) a la superficie. Estos grupos tienen un caracter hidrófobo por la aparente no polaridad de sus enlaces 49 . En la figura 14 se muestra un esquemático de la estrucutra del aerogel en función de la hidrofobicidad o hidrofilicidad, estas pueden ser modificadas también mediante tratamiento químico50. Estas características de alta porosidad en conjunción con el alto área específica asociada, hacen que estos materiales encuentren aplicaciones como filtros51, secuestradores52 y catalizadores53. 3.2.2 Propiedades Térmicas 22 Figura 14: Estructura de un aerogel de sílice mostrando los grupos hidrófilos o hidrófobos de su superficie. Referencia: Gurav y col. [50] 3.2.2. Propiedades Térmicas Los aerogeles son considerados como uno de los mejores aislantes térmicos conocidos. Las nano-celdas o poros y las partículas que conforma el aerogel son los principales responsables de su baja conductividad térmica. Esta conductividad, a través del sólido que conforma el aerogel, está limitada por las —extremadamente pequeñas— conexiones entre las partículas que forman la ruta de conducción del calor. De manera similar, la conducción a través del gas que impregna el aerogel se ve fuertemente reducida debido a que el recorrido libre medio entre colisiones de las moléculas gaseosas es del orden del tamaño del poro. Por tanto, las moléculas de aire colisionan con el sólido tan frecuentemente como lo hacen entre sí. Por otra parte, la conductividad radiativa es también baja debido a la fracción de masa tan baja y las áreas específicas tan elevadas que poseen estos materiales. Aunque hay que apuntar que este tipo de conductividad aumenta dramáticamente con el aumento de la temperatura. Valores típicos de 0.020 W/m ·K han sido medidos en aerogeles de sílice a 300 K y a 1 atm54. En el caso de los aerogeles de sílice, la relación entre las conductividades térmicas del aerogel y de la sílice vítrea vienen dados por g=λvitr.silica λaerogel =3 αβγ %vitr.silica %aerogel (3) Donde α = 3 mtotal/meff y meff la masa efectiva de conducción, β la ratio entre la capacidad calorífica en el aerogel y la sílice vítrea y γ−1 la resistencia térmica debida a la curvatura de los recodos del esqueleto de la red. Se observa en la figura 16 que la capacidad calorífica de los aerogeles es siempre mayor en el rango de temperatura medido que la de la sílice vítrea. Según Scheuerpflug, Hauck y Fricke [55] el parámetro g varía entre 500–100. De acuerdo con los datos mostrados en la figura 17 la conductividad térmica de los aerogeles es menor cuanta 3.2.2 Propiedades Térmicas 23 Figura 15: Modelo estructural de una celda de aerogel de sílice. El flujo de calor va a venir determinado por la estructura del material y sus propiedades intrínsecas. Referencia: Scheuerpflug, Hauck y Fricke [55]. menor es su densidad, como cabría esperar. Se observa que para temperaturas cercanas a 1 K las conductividades son extremadamente pequeñas, mientras que para temperatura ambiente rondan los valores típicos de la centésima de vatio. Los aerogeles de sílice han sido, por influencia histórica, la base, en cierta forma, de las investigaciones en aerogeles. Según Hrubesh y Pekala [54] la forma de reducir la conductividad térmica en aerogeles es añadir fases con menor conductividad térmica o usar compuestos orgánicos o inorgánicos de menor conductividad térmica (como base del aerogel, en lugar de la sílice), reducir el tamaño de poro o añadir absorbentes de IR. La forma más efectiva, según los autores anteriormente citados, es la reducción en tamaño de poro. En sus resultados en [54] los agentes opacificadores añadidos pueden promover un tamaño de poro menor además de aumentar el coeficiente de extinción de infrarrojos. Teniendo en cuenta las propiedades térmicas que muestran los aerogeles, los hacen unos candidatos excelentes como materiales aislantes. Incluso, dependiendo de su síntesis, se pueden utilizar en ventanales y estructuras que requieran el paso de la luz 56 , por ser éstos altamente transparentes. Recientemente Lei y col. [57] han demostrado que añadiendo nanoláminas de óxido de grafeno a aerogeles de sílice, obtienen conductividades térmicas en el rango 0.0089–0.0075 W m −1 K −1 mejorando, a su vez, la resistencia mecánica de los aerogeles gracias a la fuerte interacción entre el óxido de grafeno (GO) y la matriz de sílice. Por otra parte Sun y col. [58] han desarrollado aerogeles de carbono a partir de resorcinol y formaldehído en solución acuosa de GO y un añadido de nanoláminas de grafeno que han resultado en un composite de alta conductividad eléctrica (2.25 Ω −1 cm −1 ) y baja conductividad térmica (0.027 W m −1 K −1 ) a 3.2.3 Propiedades Ópticas 24 100101102 Temperatura (K) 10−1 100 101 102 103 Cap. Cal. Espec. c(J·kg−1·K−1) aerogeles s´ılice vitr. Figura 16: Capacidad calorífica específica de aerogeles de sílice y sílice vítrea. Referencia: Scheuerpflug, Hauck y Fricke [55] 10−1100101102 Temperatura (K) 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 100 Cond. Ter. λ(W·m−1·K−1) S´ılice v´ıtrea 71 kg m−3 124 kg m−3 235 kg m−3 Figura 17: Conductividad térmica de la sílice vítrea en comparación con aerogeles de sílice de distinta densidad en función de la temperatura. Referencia: Scheuerpflug, Hauck y Fricke [55]. una densidad de 23.5 mg/cm 3 con altas potencialidades como protección térmica en sistemas de electrodos. 3.2.3. Propiedades Ópticas Aunque los aerogeles de sílice son percibidos como materiales transparentes mostrando cierta similitud con el cristal, estando ambos materiales compuestos de sílice, el aerogel exhibe una apariencia azulada neblinosa cuando se observa frente a un fondo oscuro y, además, enrojece ligeramente la luz que lo atraviesa. Estos efecto son resultado de la dispersión Rayleigh de la luz a su paso por este material. En los aerogeles de sílice, el tamaño de la partícula primaria ronda ∼ 2 − 5nm, no contribuyendo significativamente a la dispersión. Sin embargo, los centros dispersores no surgen necesariamente de estructuras sólidas. La red de sílice del aerogel posee 3.2.4 Propiedades Acústicas 25 una estructura porosa jerárquica con distintos tamaños poro. Los poros también pueden actuar como centros dispersores, por tanto habrá cierta variedad de longitudes de onda dispersadas. La ley que sigue la transmitancia de luz y la longitud de onda viene dada por la siguentes expresión59. T=Ae−ct/λ4 Donde T es la transmitancia, t el espesor de la muestra, λ la longitud de onda de la luz, c la intensidad de dispersión Rayleigh y Ael factor de transmisión independiente de la longitud de onda. Figura 18: A la izquierda espectro de transmisión visible, a la derecha espectro de transmisión infrarroja de un aerogel de sílice. Los valles de absorción del espectro visible están situados en el comienzo de la zona infraroja. La absorción en la región de infrarrojos se debe principalmente a las vibraciones moleculares. La vibración fundamental del enlace siloxano (Si–O–Si) se da a los 1100 cm−1Referencia: [59] Por su bajo índice de refracción (cercano a 1) y la posibilidad de síntesis con composiciones múltiples, los aerogeles se usan en detectores de radiación Cerenkov por tener índices de refracción específicos para dichos detectores, en la óptica ligera, como guías de onda por su índice de refracción 60 , en efectos ópticos especiales 61 , en ventanas de alta eficiencia energética 62 y como fondo para espejos 61 . La adición de nanotubos de carbono (multiwalled carbon nanotubes) a los aerogeles de sílice puede modificar de forma controlada la transmisión óptica de estos materiales, lo que los convierte en unos potenciales candidatos como elementos ópticos en aparatos fotónicos, aprovechando además, sus excelentes propiedades térmicas63. 3.2.4. Propiedades Acústicas La velocidad del sonido en los aerogeles puede llegar a ser tan baja como 100 m/s. Se ha de mencionar de forma explícita que el sonido no se propaga por el aire dentro de los poros, sino que lo hace a través de la delicada estructura de sílice de estos materiales, por lo general a mayor densidad mayor será la velocidad del sonido. La razón subyacente a esta extremadamente baja velocidad del sonido es un módulo Young excepcionalmente bajo (10 6 –10 7 N/m 2 ), pudiendo 4.2 Secado Supercrítico 32 Transformación de fase Varios tipos de transformación de fase se pueden dar durante el proceso de envejecimiento: En la microsinéresis, los clústeres poliméricos se agregan entre sí dejando regiones de líquido libre, ya que estos suelen tener afinidad por ellos mismos. Esto causa un aspecto turbio en el gel. Este tipo de transformación de fase se caracteriza por una separación local de sólido y líquido. También pueden existir en el gel regiones del alcóxido sin reaccionar cuando el proceso de hidrólisis ha sido catalizado por ácidos. En otros casos puede haber cristalización y precipitación de cristales de nitrato o zirconia en geles basados en aluminio o fosfato31. 4.2. Secado Supercrítico El método más utilizado para obtener un aerogel a partir de un gel es el secado supercrítico. Este método fue propuesto por Kistler 33 , en los albores de la síntesis de estos materiales, para evitar la contracción que sufría un gel si éste se secaba en condiciones ambientales, debido a la existencia de una interfase líquido–vapor en sus poros. En muchos casos, el líquido presente en el gel es el alcohol correspondiente al precursor —como por ejemplo el etanol, si se ha usado tetraetoxisilano (TEOS)— y por ello, se suele usar el secado supercrítico de dicho alcohol. Sin embargo, también es posible realizar un secado supercrítico con CO2 , el cual posee una temperatura y presión críticas menores (31 oC, 72.8 atm). Estas variables (pC,TC) influyen en la textura del aerogel resultante debido a posibles variaciones morfológicas dependientes de tales parámetros. Incluso en el secado supercrítico, el gel experimenta cierta contracción debido a un colapso parcial de la estructura porosa73. Fluido Supercrítico Se dice que las sustancias están en estado de fluido supercrítico cuando éstas se encuentran por encima de los puntos de presión y temperatura críticos. Los fluidos supercríticos han suscitado un gran interés debido a sus propiedades únicas, como por ejemplo, su alta difusividad, su baja viscosidad, su baja tensión superficial —en comparación con líquidos— y su alta densidad en comparación con un gas ideal. Las fluctuaciones que se producen en la densidad debido a pequeños cambios en la presión o la temperatura son pronunciadas y permiten ‘adaptar’ al fluido supercrítico para su uso en diferentes aplicaciones74. Fuerzas capilares Conforme el líquido se evapora, las fuerzas capilares causan que el cuerpo del gel se encoja, en la mayoría de los casos reduciéndose en más del 50% en volumen. Dado que los intersticios capilares en los geles son pequeños, el transporte de la fase líquida a través de éstos es lento, por tanto, si el gel se seca de forma rápida (como en una estufa), la contracción del volumen de éste cerca de la superficie del monolito genera estrés que causan una fracturas y una ulterior fragmentación. Las tensiones presentes en el proceso de secado también pueden provenir de pequeñas diferencias en el tamaño del poro. La presión de vapor del líquido masivo no es igual que la presión de vapor en un capilar, es más, la presión de vapor en un capilar va a 4.2 Secado Supercrítico 33 Figura 28: Diagrama de fase de una sustancia pura. A partir de la temperatura y la presión supercrítica, la sustancia se comporta como un fluido con propiedades intermedias entre gas y líquido. En la figura está representada la ruta de secado supercrítico, en la que se pasa del estado líquido al gas sin cruzar la línea de coexistencia de fases. Referencia: Fardioui, Qaiss y Bouhfid [71] Figura 29: Representación tridimensional de la ruta (línea discontinua) de secado supercrítico para el caso del alcohol. Referencia: Fricke [64] depender del tamaño del capilar (∆ p∼ 1 /r , siendo r la dimensión característica del poro). Así, se pueden dar condiciones en las que, a una presión dada, un capilar contenga cierta cantidad de líquido mientras que otro contenga vapor, estando éstos sujetos a diferente estrés. El estrés es mayor en la interfaz líquido–vapor y variará conforme la cantidad de líquido varíe en el capilar. La existencia de poros de distinto tamaño, por tanto, dará lugar a un gradiente de presión que conlleva finalmente a la ruptura del gel. La relación entre la presión de vapor en el poro y la presión de vapor del líquido masivo viene dada como sigue: log pv psat =− 2HγVl RT (4) Donde pv es la presión de vapor en equilibrio en el poro, psat , la presión de saturación, H la curvatura media del menisco, γ la tensión superficial, Vl el volumen molar del líquido, R la constante de gas ideal y T la temperatura. Como se ha mencionado anteriormente, el cambio de presión en la condensación/evaporación del líquido en un poro depende del tamaño de éste como 1/r y se debe exclusivamente a la tensión superficial de la interfaz gas–líquido. Estos tipos de estrés pueden estar presentes en el secado supercrítico si no se elige adecuadamente la ruta presión–temperatura–tiempo. El tiempo de secado juega un papel fundamental en la presencia de fracturas, siendo estas minimizadas cuanto más lento es el proceso75,76. El secado supercrítico se lleva a cabo en un aparato denominado autoclave, representado esquemáticamente en la figura 30. La temperatura se incrementa en el autoclave hasta que ésta y la presión excedan las de punto crítico del líquido en que está inmerso el gel, 4.3 Aerogeles con base de sílice 34 pasando éste al estado de fluido supercrítico. El fluido supercrítico puede ser evacuado del autoclave en forma de una especie de vapor controlada por una llave (vapour outlet en la imagen), hasta que la presión en el autoclave alcance la atmosférica. Tanto la temperatura como la presión pueden ser monitorizadas por el gauge y el termopar disponibles para controlar que se efectúa la ruta presión–temperatura adecuada. Finalmente se le insufla nitrógeno a la muestra ya seca para eliminar las partículas atrapadas en los poros del aerogel 50 . Figura 30: Representación esquemática del secado supercrítico en un autoclave. Referencia: Gurav y col. [50] 4.3. Aerogeles con base de sílice Los precursores sol-gel para este tipo de aerogeles son principalmente los alcóxidos de silicio, los cuales pueden ser obtenidos con un alto grado de pureza en contraposición con sales como el silicato de potasio o de sodio (waterglass). El tetrametoxisilano (TMOS, Si(OMt)4 ) experimenta una reacción de hidrólisis más rápida que el tetraetoxisilano (TEOS, Si(OEt)4 ), habiéndo sido el primero reemplazado por este último por motivos de toxicidad 77 . Los aerogeles resultantes del TMOS poseen estructuras porosas más estrechas y uniformes, así como una superficie específica mayor que los obtenidos por TEOS. La adición de metiltrimetoxisilano (MTMS) al TMOS o dimetildietoxisilano al TEOS incrementa la hidrofobicidad —por la reducción del número de grupos hidroxilo en la superficie— del aerogel resultante y contribuye a un aumento del tamaño de poro 78 . Por otro lado, los aerogeles sintetizados a partir de sales inorgánicas o waterglass, resultan poseer un mayor grado de monoliticidad debido a que poseen una mayor rigidez y tamaño de poro en comparación con los obtenidos a través de los precursores anteriormente mencionados79. La preparación de aerogeles de sílice a partir de TMOS o TEOS necesita de un disolvente adicional, ya que éstos son parcialmente inmiscibles en agua. Algunos de estos solventes pueden ser el alcohol típico del precursor (etanol, metanol), acetona, dioxano, etc. En el caso de los alcoholes hay que tener en cuenta que éstos pueden participar en las reacciones de condensación y esterificación reduciendo la velocidad de hidrólisis 77 . También es posible usar la sonicación (sonocatálisis) de la mezcla de precursores, sometiendo ésta a ultrasonidos en los que las burbujas 4.3 Aerogeles con base de sílice 35 producidas por éstos en fenómenos de cavitación logran mezclar de forma eficiente los precursores acelerando la reacción 42 . La hidrólisis de los alcóxidos de silicio es una técnica versátil que puede producir diferentes materiales de acuerdo con diferentes parámetros, como la catálisis (si es ácida o básica o via ultrasonidos), el factor crítico es la razón Si: H2O77 , por ejemplo, en el caso de los aerogeles, cuanto mayor sea la proporción de H2O + Etanol a TEOS menor será la densidad del aerogel, puesto que el gel ocupará el mismo volumen con una cantidad menor de sílice disponible para formar la red. Cuanto mayor es la ratio H2O :TMOS, el tamaño de las partículas de sílice disminuye 80 . Bajo condiciones ácidas, los soles de sílice forman cadenas entrelazadas o ramificadas aleatoriamente, mientras que bajo catálisis básica, es más fácil la formación de redes uniformes. Las catálisis ácidas emplean normalmente HCl, H2SO4 , HNO3 , HF y ácidos oxálico, fórmico y acético. Los tiempos de gelifiación a pH bajos suelen ser largos. Una ratio en volumen típica en este procedimiento es TEOS:EtOH: H2O :ácido = 1:3:4:0.002. La catálisis básica utiliza amoniaco diluido ( ∼ 10 −2 M), como mencionado anteriormente, la catálisis básica proporciona una red más uniforme y un volumen de poro relativamente grande 77 . La adición de polietilenglicol (PEG) a la solución de precursores puede controlar el tamaño de poro y las propiedades mecánicas del aerogel de sílice. Concentraciones altas de PEG debilitan la matriz sólida mientras que pequeñas cantidades la refuerzan 81 . La adición de glicerol uniformiza y disminuye en tamaño la distribución de tamaño de poro, ya que actúa como aditivo secante previniendo la continuación de las reacciones con agua 82 . Los aditivos, como los ya mencionados, pueden provocar mecanismos de nucleación. Si los aditivos contienen los grupos amino o alquilo solo influencian el tiempo de gelificación. La adición de esferas de sílice (aerosil) en la solución antes de la gelificación afecta fuertemente al mecanismo de agregación, haciendo coexistir dos estructuras fractales 77 . El lavado del gel en H2O /EtOH aumenta la permeabilidad líquida de la parte sólida del gel a través de un proceso de disolución y reprecipitación de la sílice 77 . El envejecimiento en una solución con compuestos que contienen el enlace siloxano aumenta la rigidez y la resistencia del alcogel añadiendo nuevos monómeros de sílice a la red y mejorando el grado de crosslinking de enlaces siloxano, sin embargo este proceso reduce la permeabilidad 83 . El envejecimiento en geles catalizados básicamente resulta en una reorganización de la estructura que arroja una estructura de poro unimodal, el volumen del poro y el tamaño medio de poro aumenta, pero la superficie específica resulta virtualmente inalterada en comparación con los obtenidos por los métodos anteriormente mencionados 84 . En la siguiente tabla se recogen algunas de las diferentes proporciones de precursores usadas en la síntesis de aerogeles de sílice así como el catalizador usado de acuerdo con la literatura publicada al respecto. La coletilla ‘mol’ o ‘vol’ hace referencia a la proporción molar o en volumen. 4.4 Aerogeles híbridos 36 Deriv. Si Disolvente Agua Catalizador Referencia TMOS, 1 (mol) EtOH, 4 1 HCl 0.01 M Rao y Haranat (1996) TMOS, 1 (mol) MeOH, 3 20 NH4OH 0.02 M Nicolaon y Teichner (1968) TEOS, 1 (mol) EtOH, 3 4 HNO30.02 M Kirkbir y col. (1996) TEOS, 1 (vol) EtOH, 20 — NH4OH 27%, 2.8 HCl, 1 M, 3.2 Wu y col. (2000) Cuadro 1: Proporciones de precursores utilizadas para la síntesis de aerogeles de sílice. 4.4. Aerogeles híbridos El término híbrido hace referencia, en este contexto y de forma genérica, a materiales orgánico/inorgánicos. Otro de los términos asociados a este tipo de materiales —donde entrarían los aerogeles híbridos— es el de ormosil (organically modified silicates), o más generalmente ormocers (organically modified ceramics). Todos estos términos hacen referencia a materiales orgánico/inorgánicos cuyos constituyentes están unidos covalentemente. Por otro lado, el término nanocomposite hace referencia a materiales híbridos en los cuales los constituyentes orgánicos e inorgánicos no están unidos covalentemente. Las fuerzas que actúan entre éstos varían desde muy débiles hasta relativamente fuertes85. Para la preparación de estos materiales, el método sol-gel experimenta modificaciones orgánicas con componentes reactivos o precursores como alcóxidos metálicos —como el TEOS— y oligómeros funcionalizados o polímeros —por ejemplo, el óxido de politetrametileno (PTMO)—. Otro enfoque a la hora de preparar híbridos órganico/inorgánicos consiste en inflar o empapar una matriz polimérica en crosslinking con un alcóxido metálico y posteriormente llevar a cabo la polimerización vía sol-gel86. Figura 31: Representación esquemática de la estructura de un híbrido TEOS/PTMO. Referencia: Brennan y Wilkes [87] Uno de los primeros híbridos orgánico/inorgánicos se sintetizó a partir de TMOS y polidimetilsiloxano (PDMS), un oligómero con terminaciones silanol similares a las formadas por policondensación del TMOS, bajo condiciones ácidas. Se esperaba que, a través del proceso sol gel, los oligómeros pudieran participar en las reacciones de condensación de los alcóxidos usados y pudieran mejorar las propiedades de la red de sílice clásica. Se observó que las muestras obtenidas son transparentes y están libres de grietas. Más tarde se utiliza TEOS y PTMO resultando en geles ópticamente transparentes pero con propiedades mecánicas mejoradas significativamente con 4.4 Aerogeles híbridos 37 respecto a los resultantes del TMOS/PDMS. La fragilidad característica de los geles de sílice todavía seguía presente pero la flexibilidad de éstos había mejorado. Se observa que el peso molecular del oligómero y las diferencias de solubilidad entre éste y el componente que lleva el silicio, así como el disolvente utilizado juegan un papel imporante en la estructura final de las muestras 87,88 . En la figura 31 se exhibe una representación esquemática de la estructura de un híbrido TEOS/PTMO. Los geles híbridos se pueden dividir en tres grandes grupos: geles orgánico/inorgánicos unidos covalentemente, geles orgánico/inorgánicos de redes entrelazadas y geles impregnados de polímeros. Geles orgánico/inorgánicos unidos covalentemente En ausencia de componente orgánico, el método convencional sol-gel proporciona una red tridimensional formada por enlaces siloxano Si–O–Si. En ausencia de componente inorgánico, los enlaces covalente presentes son los C–C (como en geles sintentizados a partir de resorcinol/formaldehído) y las interacciones Van der Waals entre las cadenas poliméricas. Sin embargo, en presencia de ambos precursores, es posible la formación de enlaces covalentes tipo C–Si, C–C y Si–O que dan lugar a materiales homogéneos 85 . El uso de polímeros terminados en silanol como PDMS y TMOS, constituyen un ejemplo temprano de este tipo de geles. Otro tipo de gel perteneciente a este grupo son los derivados de polimerizaciones de radicales libres (free-radical polimerization) donde un radiacal orgánico R’, en un silico-éster de la forma R’Si(OR) 3 , polimeriza en enlaces C− −C . Un organoalcoxisilano típico usado en este proceso es el MEMO (3-metacril-oxipropil trimetoxisilano), los grupos alcoxisilil (Si(OR) 3 ) de estos monómeros orgánico/inorgánicos forman enlaces Si–O–Si con TEOS, mientras que los R’ forman entre sí C− −C , resultando en un híbrido con enlaces orgánico/inorgánicos. Geles orgánico/inorgánicos de redes entrelazadas Los precursores de sílice como el TEOS o el TMOS son capaces de solvatar algunos polímeros orgánicos, esto les abre la posibilidad de polimerizar en el entorno de una solución de polímeros orgánicos 85 . Para polímeros solubles, la polimerización de la sílice ocurre alrededor de cadenas o dominios poliméricos, si el polímero orgánico se forma antes que el inorgánico, se dice que la red entrelazada es secuencial. Se encuentra de forma general que la polimerización de TEOS en presencia de polímeros preformados bajo condiciones ácidas genera pequeñas partículas de sílice bien dispersas en el híbrido resultante. Por otro, lado se pueden disolver monómeros directamente en TEOS siendo éstos introducidos de forma inmediata en las formulaciones sol-gel, lo que permite que a la vez que se dan las reacciones de hidrólisis y condensación ya comentadas, se den también procesos de polimerizaicón de apertura de anillo y radical libre de los monómeros disueltos. Los híbridos resultantes en este tipo de procesos en los que las polimerizaciones se dan a la vez y en los que no existen enlaces covalentes entre ellos, sino que se entrelazan las redes, se conocen como redes entrelazadas orgánico/inorgánicas simultáneas. 4.4 Aerogeles híbridos 38 Geles impregnados de polímeros En este tipo de geles se infiltra o impregna una red de sílice previamente formada con un monómero. El monómero puede polimerizar in situ a través de la estructura abierta y porosa de la red de sílice. Típicamente una fracción de la porosidad original permanece tras la polimerización. El híbrido más conocido de este tipo es la sílice impregnada con polimetilmetacrilato (PMMA)85. Kanamori [89] ha logrado sintetizar aerogeles híbridos de sílice/MTMS (metiltrimetoxisilano, Me−Si(OMe)3 ) a través del un proceso sol-gel de dos pasos que se muestran compresibles, mecánicamente fuertes, transparentes, con alta porosidad y de baja densidad. Esto mejora de forma significativa las propiedades más ‘débiles’ de los aerogeles de sílice clásicos mientras se mantienen otras importantes como la baja densidad y la transparencia. Con el mismo tipo de mejoras y una flexibilidad y elasticidad superiores, se suman los estudios de Shimizu, Kanamori y Nakanishi [90] en híbridos orgánico/inorgánicos basados en silicona a través de precursores como los organotrialcoxisilanos y alcoxisilanos unidos orgánicamente que conducen a la formación de estructuras homogéneas de polisiloxano. Kadib y Bousmina [91] usan el quitosano y su mecanismo de gelifiación por inversión del pH para generar redes fibrilares altamente dispersadas con forma de microesferas para producir aerogeles híbridos orgánico/inorgánicos con base de sílice y titania que son un excelente candidato para el diseño de materiales que requieran transformaciones multipaso (multistep) en nanoreactores. Ulker y Erkey [92] han desarrollado un novedoso material híbrido de sílice inorgánica en capas con ácido algínico con alta porosidad y superficie específica típica de los aerogeles. Al combinar dos estructuras porosas diferentes, se amplía la posibilidad del uso de este material híbrido en aplicaciones biomédicas para la aplicación de medicamentos controlada. El ácido algínico modifica la cinética de la liberación de medicamentos protegiendo la matriz de aerogel. Los híbridos basados en grafeno se han desarrollado en los últimos años con aplicaciones varias de adsorción. Wang y col. [93] han sintetizado aerogeles híbridos de grafeno a partir del tratamiento hidrotérmico de óxido de grafeno. Utilizando el aerogel híbrido resultante como patrón, han hecho crecer nanotubos de carbono in situ confiriéndole al material, por la distribución de los nanotubos entre las láminas de grafeno, excelentes propiedades como una alta hidrofobicidad y oleofobicidad. Este híbrido ha demostrado una gran capacidad de adsorción en una variedad amplia de líquidos orgánicos y una excelente estabilidad térmica y capacidad de reutilización, lo que lo hace uno material extraordinariamente adecuado para tareas de filtrado y separación de aceites y agua. 5 Aerogeles bioactivos. Ingeniería Tisular Ósea 39 5. Aerogeles bioactivos. Ingeniería Tisular Ósea 5.1. Ingeniería Tisular La ingeniería tisular es un campo de investigación multidisciplinar que se centra en la fabricación de órganos y tejidos biológicamente artificiales. Las células y los biomateriales —los cuales simulan la matriz extracelular— son los principales componentes de esta disciplina 94 . La investigación en este campo se ha expandido de manera significativa en las últimas décadas. Ha habido un especial interés en la ingeniería tisular cardiovascular, con investigaciones dedicadas a la fabricación de músculo cardíaco artificial, arterias, venas, válvulas, ventrículos y corazones bioartificiales completos 95 . Otra de las áreas activas de investigación ha sido el sistema musculoesquelético, con la fabricación de hueso, cartílago, músculo esquelético y tendones 96 . Otro área sobresaliente en éste campo es el sistema urinario, formado por riñones, vejiga, uréteres y uretra 97 . La ingeniería tisular del sistema aéreo se ha centrado, por su parte, en la fabricación de tráqueas artificiales y tejido pulmonar 98 . En la parte del sistema digestivo, un área especialmente activa, se ha centrado en el desarrollo de tejido hepático 99 , pancreático 100 , intestinal 101 y esofágico 102 artificial. Además existe un gran interés en el desarrollo de piel artificial 103,104 y estructuras del sistema nervioso central105. En la ingeniería de tejidos se pueden identificar una serie de pasos comunes para la fabricación de tejidos94: 1. Fuente Celular—Las células proporcionan el componente funcional del tejido artificial. La identificación, el aislamiento, la purificación, la multiplicación y la caracterización de una fuente de células son pasos esenciales. Las células pueden ser obtenidas de animales, el propio paciente o de embriones. El tipo de células más importante son las células madre, pues éstas son células pluripotentes y, a través de la biología, pueden ser sometidas a procesos de diferenciación para obtener una gran variedad de tejidos distintos, desde células cardíacas hasta células de la piel. 2. Síntesis del biomaterial—Los biomateriales proporcionan el soporte estructural durante la fabricación del tejido tridimensional y desarrollan el rol de la matriz extracelular en los mamíferos. Durante este paso, la síntesis del biomaterial y su caracterización son variables de suma importancia que requieren una optimización rigurosa. El tipo de biomaterial dependerá de su aplicación. 3. Manipulación genética—Antes la celularización del andamio vii del tejido, el perfil genético de las células puede ser modificado para incrementar la probabilidad de supervivencia de vii El término andamio hace referencia a la estructura material donde las células van a ser sostenidas en el proceso de generación de tejido. El andamio forma parte del biomaterial. Las células aisladas tienen una capacidad limitada de organización y por ello precisan de un modelo que les haga de guía en tal proceso. El andamio es el que proporciona esta estructura tridimensional, también conocida como matriz artificial. 5.2 El hueso humano 40 las células o su integración con el huésped. Ciertos genes pueden ser modificados para reducir la apóptosis (muerte celular programada) o para aumentar la interacción con la matriz (biomaterial). 4. Celularización del andamio—La celularización del andamio hace referencia al proceso mediante el cual las células aisladas se ponen en contacto con el andamio para su reproducción y crecimiento. El proceso de acoplamiento entre las células y el andamio es crucial. Se debe promover la integración funcional célula–célula y la adaptación celular a la interfaz célula–biomaterial. Este proceso debe ser optimizado para garantizar una distribución uniforme de tejido a través del andamiaje. 5. Tecnología de sensores—Los sensores son necesarios para monitorizar la salud general del tejido artificial durante los estadíos de formación, desarrollo y maduración del proceso de fabricación. Los sensores pueden ser utilizados en un circuito de feedback para regular las variables del proceso. Monitorizar el comportamiento celular, las interacciones célula–célula, célula–matriz y la formación y función del tejido es crítico durante este proceso. 6. Bioreactores como guía—Durante la función fisiológica normal, el tejido de los mamíferos está expuesto a una gran cantidad de estímulos. Éstos incluyen pulsos electromecánicos, estrés de fluidos, cambios en el ambiente químico basados en las concentraciones cambiantes de factores de crecimiento, hormonas y citocinas. En la fabriación de tejidos es crítico el desarrollo de estrategias que puedan proporcionar este tipo de señales. Sistemas especializados, denominados bioreactores, son diseñados para proporcionar este tipo de señales y servir de guía en el proceso de desarrollo y maduración del tejido. 7. Vascularización—La incorporación de vasos sanguíneos como componente integrado del tejido artificial es un requisito ineludible para el soporte de la actividad metabólica del mismo. 8. Evaluación in vivo—Una vez el tejido haya sido fabricado, el paso final en el proceso es el testado in vivo. En este caso, la efectividad del tejido injertado para reparar, reemplazar y/o mejorar la función del tejido dañado es evaluada. 5.2. El hueso humano La regeneración y/o reparación del hueso humano, por medio de la ciencia de materiales, es el tema principal del presente trabajo, por lo tanto se considera oportuno dar unas nociones básicas acerca de la naturaleza y estructura del tejido óseo. El tejido óseo, componente principal del hueso, es un tejido conjuntivo especializado, compuesto por células, tejido cartilaginoso y sustancia intracelular mineralizada. Sirve de soporte a las partes blandas, proporciona apoyo a los músculos en el movimiento y protege a los órganos. Presenta como propiedades físicas una alta resistencia a la tracción y la compresión, cierta 5.2 El hueso humano 41 elasticidad y flexibilidad además de bajo peso. Aunque está en gran parte compuesto por una matriz acelular, el tejido óseo es uno de los sistemas más dinámicos del organismo. Por un lado se encarga del crecimiento y mantenimiento de la integridad del hueso durante las etapas del desarrollo humano salvaguardando su consistencia y forma y posibilitando su regeneración en caso de fractura. Además contribuye al almacenamiento de sus elementos constituyentes, el fósforo y el calcio, contiene a la medula ósea roja y amarilla, en las que se producen células sanguíneas y se almacenan triglicéridos respectivamente106,8. La matriz ósea de la que está compuesta el hueso, y responsable de sus propiedades biomecánicas, está constituida fundamentalmente por un componente inorgánico (70% en peso), un componente orgánico (25% en peso ) y agua 8 . La componente inorgánica está constituida en su mayoría de fosfato cálcico de baja cristalinidad en forma de pequeños cristales similares a la hidroxiapatita mineral (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ). Estos cristales, orientados paralelamente a las fibras de colágeno, actúan reforzando la matriz ósea. La hidroxiapatita de los huesos no es estequiométrica, ésta contiene una serie de impuerezas, como iones carbonato (CO 2− 3 ) y silicato (SiO 2− 4 ) sustituyendo a los grupos fosfato (PO 2− 4 ) e iones fluoruro (F − ). El ion cloruro (Cl − ), también presente, sustituyendo a los grupos hidroxilo (OH − ). A nivel de traza presenta sustituciones del ion calcio (Ca 2+ ) por iones, K + , Na + , Mg 2+ , Zn 2+ , Sr 2+ , Pb 2+ y Ba 2+ , alterando, de cierta forma, las propiedades físico-químicas de los cristales, en particular su solubilidad que depende de la relación Ca/P. El componente orgánico está conformado en su mayor parte por colágeno tipo I. Estas moléculas forman fibras de ∼ 20–40 nm de diámetro y 300 µ m de longitud. Este componente aporta flexibilidad y tenacidad al hueso. La estructura ósea posee una jerarquía muy marcada. En la figura 32 se pueden apreciar los distintos niveles. Macroscópicamente se pueden diferenciar dos fases óseas: el hueso compacto o cortical y el hueso esponjoso o trabecular. El hueso esponjoso se asemeja a la estructura de una esponja —de ahí su nombre—, con una porosidad que se mueve entre el 50–90%. Este hueso se halla principalmente en la epífisis (extremo de los huesos largos), pero también lo hace en los huesos cuboides como las vértebras y en el interior del hueso en general. La organización de las trabéculas es tal que se orientan de forma que el estrés sobre el hueso se soporte de la manera más eficiente. El hueso trabecular posee una estructura porosa jerárquica, a simple vista se pueden observar los huecos de mayor tamaño en donde se alberga la médula ósea. El hueso cortical se encuentra en la parte superficial del hueso y macroscópicamente es homogéneo. Esta parte del hueso es la que soporta las diferentes cargas y fuerzas de torsión y compresión que sobre el mismo recaen106,107. [38] R. Vacher y col. “On The Fractal Structure Of Silica Aerogels”. En: Le Journal de Physique Colloques 24.C4 (1989), págs. C4-127-C4-131. doi:10.1051 / jphyscol:1989419. [39] D. W. Schaefer y col. “Origin of porosity in synthetic materials”. En: AIP Conference Proceedings. AIP, 1987. doi:10.1063/1.36386.url:https://doi.org/ 10.1063/1.36386. [40] TM Tillotson y LW Hrubesh. “Transparent ultralowdensity silica aerogels prepared by a two-step sol-gel process”. En: Journal of non-crystalline solids 145 (1992), págs. 44-50. [41] Zhen Xu, Haiyan Sun y Chao Gao. “Perspective: Graphene aerogel goes to superelasticity and ultraflyweight”. En: APL Materials 1.3 (2013), pág. 030901. doi:10.1063/1.4820426. [42] N De la Rosa-Fox y col. “Structural study of silica sonogels”. En: Journal of Non-Crystalline Solids 121.1-3 (1990), págs. 211-215. [43] J. 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