Estudio de la bioactividad de materiales híbridos de policaprolactona óxido de grafeno

Abstract

[ES] En este Trabajo Fin de Grado se estudian las propiedades de un material híbrido: policaprolactona, PCL, en combinación con óxido de grafeno, GO. En particular, se pretende analizar la capacidad del GO como agente de nucleación para el crecimiento de la hidroxiapatita, HA. La PCL es un poliéster alifático ampliamente utilizado en ámbito biomédico por su biocompatibilidad, biodegradabilidad y propiedades mecánicas adecuadas para numerosas aplicaciones. El GO es un producto derivado del grafeno y añadido en pequeñas cantidades mejora la procesabilidad y actúa como refuerzo mejorando las propiedades mecánicas y las propiedades superficiales. El GO es igualmente biocompatible y su presencia influye en la interacción célula – biomaterial. De esta manera, la incorporación del GO puede resultar clave a la hora de anclar biomoléculas, agentes de crecimiento o cualquier otra sustancia de interés biológico/médico. La hidroxiapatita, un fosfato de calcio cristalino, es el componente mineral del hueso. Tiene propiedades osteinductivas favoreciendo la regeneración del hueso. El objetivo central de este trabajo es estudiar la bioactividad de los composites PCL/GO. Es decir, se pretende analizar la influencia de la presencia de GO en el proceso de nucleación de HA al sumergir las diferentes muestras en fluido corporal simulado (SBF). Para ello, se crearon composites PCL/GO utilizando como disolvente el tetrahidrofurano, THF, con diferentes proporciones de GO que varían entre el 0,03% y el 0,1%. Cada semana, hasta un total de cuatro, se extraen una parte de las muestras sumergidas en SBF y se reservan para su posterior análisis. Las muestras, antes y después del ensayo de bioactividad, se caracterizan a través de: cambio de masa, contenido de agua en equilibrio, análisis termogravimétrico (TGA), difracción de Rayos X y microscopía electrónica de barrido con emisión de campo (FE-SEM). El cambio de masa y el TGA proporcionan información sobre la cantidad de HA depositada y la estabilidad térmica del compuesto. Los resultados de TGA no mostraron cantidades significativas de depósito mineral. Las técnicas de imagen y análisis de FESEM permitieron comprobar que, efectivamente, la nucleación de la HA había tenido lugar, aunque resultó ser demasiado escasa y dispersa. Además, la muestra de PCL era la que mayor presencia de sales minerales presentaba. La técnica de difracción de rayos X no mostró los picos representativos del GO, ni de la HA: probablemente debido al escaso contenido de ambos componentes. Como conclusión del trabajo se puede destacar el hecho de que aunque la presencia de bajo contenido de GO (menor del 0,1%) tienen efectos en la hidroficilicidad de la muestra y en las propiedades mecánicas (las muestras se vuelven frágiles y quebradizas), no ha tenido efecto en el proceso de nucleación de HA

[CA] En este Treball Fi de Grau s’estudien les propietats d’un material híbrid: policaprolactona, PCL, en combinació amb òxid de grafè, GO. En particular, es pretén analitzar la capacitat del GO com agent de nucleació per al creixement de la hidroxiapatita, HA. La PCL és un polièster alifàtic àmpliament utilitzat en l’àmbit biomèdic per la seua biocompatibilitat, biodegradabilitat i propietats mecànics adequades per a nombroses aplicacions. El GO és un producte derivat del grafè i afegit en xicotetes quantitats millora la processabilitat i actua com a reforç millorant les propietats mecàniques i superficials, com la hidrofilicitat. El GO és igualment biocompatible i la seua presència influeix en la interacció cèl·lula – biomaterial. D’aquesta manera, la incorporació del GO pot resultar clau a l’hora d’ancorar biomolècules, agents de creixement o qualsevol altra substància d’interès biològic o mèdic. La hidroxiapatita, un fosfat de calci cristal·lí, és el component mineral de l’os. Té propietats osteoinductives afavorint la regeneració de l’ós. L’objectiu central d’aquest treball és estudiar la bioactivitat del composites PCL/GO. És a dir, es pretén analitzar la influència de la presència del GO en el procés de nucleació de HA al submergir les diferents mostres en fluid corporal simulat, SBF. Per a ell, es van crear composites PCL/GO utilitzant com a dissolvent el tetrahidrofurà, THF, amb diferents proporcions de GO que varien entre el 0,03% i el 0,1%. Cada setmana, fins a un total de quatre, s’extrauen una part de les mostres submergides en SBF i es reserven per al reu posterior anàlisi. Les mostres, abans i després de l’assaig de bioactivitat, es caracteritzen a través de: canvi de massa, contingut d’aigua en equilibri, anàlisi termogravimétric (TGA), difracció de raigs X i microscòpia electrònica d’escombrat amb emissió de camp (FE-SEM). El canvi de massa i el TGA proporcionen informació sobre la quantitat de HA depositada i la estabilitat tèrmica del compost. Els resultats de TGA no mostraren quantitats significatives de depòsit mineral. Les tècniques d’imatge i anàlisi de FESEM van permetre comprovar que, efectivament, la nucleació de la HA havia tingut lloc, encara que va resultar massa escassa y dispersa. A més a més, la mostra de PCL era la que major presència de sals minerals presentava. La tècnica de difracció de raigs X no va mostrar els pics representatius del GO ni del HA: probablement a causa de l’escàs contingut de ambos components. Com a conclusió del treball es pot destacar el fet de que encara que la presència de baix contingut de GO (menor del 0,1%) té efectes en la hidrofil·licitat de la mostra i en les propietats mecàniques (les mostres es tornen fràgils i trencadisses), no ha tingut efecte en el procés de nucleació de HA.

[EN] In this End of Degree Project, the properties of a hybrid material are studied: polycaprolactone, PCL, in combination with graphene oxide, GO. In particular, it is intended to analyze the ability of the GO as a nucleating agent for the growth of hydroxyapatite, HA. PCL is an aliphatic polyester widely used in the biomedical field due to its biocompatibility, biodegradability and mechanical properties suitable for numerous applications. The GO is a product derived from graphene and added in small quantities improves the processability and acts as a reinforcement improving the mechanical properties and surface properties. The GO is also biocompatible and its presence influences the cell-biomaterial interaction. In this way, the incorporation of GO can be key when anchoring biomolecules, growth agents or any other substance of biological / medical interest. Hydroxyapatite, a crystalline calcium phosphate, is the mineral component of bone. It has osteinductive properties favoring bone regeneration. The main objective of this work is to study the bioactivity of PCL/GO composites. That is, we intend to analyze the influence of the presence of GO in the nucleation process of HA by immersing the different samples in simulated body fluid (SBF). To do this, PCL/GO composites were created using tetrahydrofuran, THF, as a solvent, with different proportions of GO that vary between 0.03% and 0.1%. Each week, up to a total of four, a part of the samples submerged in SBF are extracted and reserved for further analysis. The samples, before and after the bioactivity test, are characterized by: mass change, equilibrium water content, thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction and scanning electron microscopy with field emission (FE-SEM). The mass change and TGA provide information on the amount of HA deposited and the thermal stability of the compound. The TGA results did not show significant amounts of mineral deposit. The FESEM imaging and analysis techniques allowed us to verify that HA nucleation had indeed taken place, although it turned out to be too sparse and too sparse. In addition, the PCL sample had the highest presence of mineral salts. The X-ray diffraction technique did not show the representative peaks of the GO, nor of the HA: probably due to the scarce content of both components. As a conclusion of the work we can highlight the fact that although the presence of low GO content (less than 0.1%) have effects on the sample's hydrophilicity and on the mechanical properties (the samples become fragile and brittle), has had no effect on the nucleation process of HA