Gelatina funcionalizada a medida: fabricada con resultados reproducibles

La gelatina no solo sirve para dar consistencia a las gominolas, los pudines cremosos y las cápsulas blandas. Gracias a su capacidad para formar películas sin costuras y mecánicamente estables, este biopolímero también es muy demandado para recubrimientos, como en textiles, papel o película fotográfica, donde la gelatina actúa como soporte para pigmentos y sustancias químicas. Esta proteína natural también es altamente biocompatible, lo que la hace adecuada para aplicaciones en cosmética y medicina, por ejemplo, como vehículo para principios activos y colorantes o como apósito hinchable para heridas.

Sin embargo, a menudo es necesario adaptar específicamente las propiedades del material, por ejemplo, para su uso en la bioimpresión 3D. Debido a su comportamiento de gelificación dependiente de la temperatura, la gelatina solo es fluida a temperaturas elevadas, pero pierde su estabilidad dimensional en condiciones fisiológicas. En tales casos, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología (IGB) optimiza las propiedades de la gelatina para cumplir requisitos específicos mediante reacciones de modificación química.

«Para su uso en la bioimpresión, modificamos la gelatina de tal manera que podemos ajustar específicamente tanto las propiedades de la bio-tinta como la estabilidad estructural tras la impresión», explica el Dr. Achim Weber, director de la División de Biofabricación y Desarrollo de Materiales del Fraunhofer IGB. Además de los puntos de gelificación y de fusión —y, por tanto, del comportamiento de gelificación—, también se pueden adaptar a la aplicación específica la viscosidad, la solubilidad y la carga del biopolímero.

Un conjunto de herramientas para la funcionalización a medida

En el contexto de la bioimpresión, los investigadores suelen utilizar anhídrido metacrílico para hacer que la gelatina sea reticulable. «La gelatina metacrilada combina la biocompatibilidad de la gelatina con la capacidad de curarse bajo la luz UV», explica Melanie Dettling, que lleva a cabo y supervisa las modificaciones químicas en el laboratorio. En cuanto la gelatina modificada se expone a la luz ultravioleta —con la ayuda de un fotoiniciador— tras el proceso de impresión, se reticula para formar un hidrogel sólido. En este caso, el material imita la matriz extracelular (MEC) del propio cuerpo y, como andamio estructural, favorece la adhesión, el crecimiento y la diferenciación de las células, lo que permite la formación de nuevo tejido.

La gelatina modificada de esta forma se utilizó en el proyecto de la UE TriAnkle, junto con colágeno y colágeno modificado. En este caso, los biomateriales sirvieron como sistema de administración personalizado para células y factores de crecimiento. Los estudios preclínicos, en los que se utilizaron implantes a medida para defectos de la articulación del tobillo, demostraron una mejora significativa en la regeneración del tejido tendinoso y cartilaginoso, una reducción de las respuestas inflamatorias y una cicatrización acelerada.

Dependiendo de la aplicación prevista, otras funcionalizaciones también pueden permitir alcanzar los resultados deseados. «Por ejemplo, introducimos grupos tiol en los biopolímeros para permitir la reticulación mediante las denominadas reacciones de clic», explica Dettling. La reticulación puede producirse así de diversas formas: fotoquímicamente mediante radiación UV, térmicamente o a través de reacciones químicas.

Gracias a su sistema modular flexible, los investigadores también pudieron aumentar la carga positiva de la gelatina. En una prueba rápida realizada en el punto de atención, estos hidrogeles de gelatina catiónicos se utilizaron con éxito para incrustar componentes clave de la reacción e inmovilizar las moléculas diana con carga negativa.

Proceso automatizado y estandarizado para obtener propiedades del material uniformes

Para evaluar las propiedades del material optimizado, los socios del ámbito de la investigación y la industria suelen necesitar mayores cantidades de los biopolímeros funcionalizados. Con el fin de permitir una producción escalable y reproducible de gelatina funcionalizada, el equipo de desarrollo de materiales del Fraunhofer IGB ha establecido ahora nuevos procesos en sistemas de reactores automatizados.

En los reactores automatizados, todos los parámetros relevantes del proceso se registran y ajustan sistemáticamente de acuerdo con un procedimiento operativo estándar (SOP) definido específicamente, desde la temperatura y el caudal de, por ejemplo, anhídrido metacrílico, hasta el valor del pH y la cantidad de solución de hidróxido de sodio añadida. Dettling pudo demostrar que el grado de metacrilación resultante de la gelatina en el reactor de 1 litro es linealmente proporcional al exceso de anhídrido metacrílico en la solución de alimentación, un hallazgo que no se pudo demostrar de esta manera durante la producción manual en un matraz.

«En nuestro reactor de 1 litro, ahora podemos producir de forma reproducible 100 gramos de gelatina modificada con una calidad absolutamente constante», afirma Dettling. El químico aplicado está trasladando actualmente el control estandarizado del proceso a reactores con volúmenes de 5 y 10 litros para demostrar que las propiedades del material siguen siendo reproducibles incluso con un mayor escalado. De este modo, en un solo lote se podrá producir hasta un kilogramo de gelatina funcionalizada.

Funcionalizaciones comparables de cantidades de muestra

El control automatizado del proceso permite llevar a cabo diferentes funcionalizaciones químicas en condiciones de proceso estandarizadas, lo que permite comparar directamente entre sí los efectos de las modificaciones.

«Ahora podemos atribuir claramente las diferencias en las propiedades de los materiales a la respectiva modificación química y descartar la posibilidad de que se deban a condiciones de fabricación variables», explica Dettling. Los materiales fabricados se ponen a disposición de empresas y socios de investigación para la toma de muestras. Estos socios pueden probar las propiedades de los materiales, evaluar aplicaciones o realizar estudios de viabilidad para el desarrollo de sus productos sin tener que establecer sus propios procesos de desarrollo o de ampliación de escala.

Amplia gama de aplicaciones para los polímeros de origen biológico funcionalizados

«La gelatina modificada es adecuada como hidrogel, como material portador o como componente estructurante en sistemas biomédicos o productos de cuidado personal, así como para materiales funcionales y recubrimientos que requieren interacciones específicas, propiedades de barrera o propiedades adhesivas», afirmó Weber. Esto incluye también sistemas de ensayo in vitro y plataformas de diagnóstico microfluídicas que requieren materiales definidos y fabricables de forma reproducible, con propiedades superficiales o del material controladas.

Los conceptos de proceso utilizados en el Fraunhofer IGB no se limitan a la gelatina. Más bien, las propiedades de otros polímeros de origen biológico —como el colágeno, el quitosano, la inulina y el ácido hialurónico— también pueden adaptarse específicamente gracias a su buena modificabilidad química, ya sea para la encapsulación con el fin de lograr una liberación controlada o para aplicaciones de recubrimiento.