부산대학교 도서관

Esta tesis doctoral pretende explorar cómo los sensores iónicos permiten controlar a nivel espacial y temporal la actividad específica de células y biomateriales dentro del contexto de la bioingeniería del tejido óseo. En primer lugar, se investigó la influencia de diferentes modelos celulares de osteoblastos (osteoblast-like cells) cultivados in vitro en el ambiente iónico extracelular (ionic extracellular environment = IEE). Observamos que las células mesenquimales de rata (rMSCs = Rat-derived mesenchymal stem cells) y las células de tipo SAOS-2 expresan altos niveles de actividad fosfatasa alcalina (ALP = alkaline phosphatase), y en consecuencia, causan un incremento de la concentración de fósforo inorgánico (Pi) por hidrólisis del -glicerofosfato presente en el medio de cultivo. Por el contrario, las células MG63 mostraron baja actividad ALP y no modificaron la [Pi]. Es más, la deposición de calcio en la matriz extracelular inducida por las células se observó tanto en los cultivos maduros de células SAOS-2 y rMSC, pero no en las de tipo MG63, coincidiendo con una menor [Ca2+] en el medio de cultivo. Por lo tanto, las fluctuaciones de los iones Pi y Ca2+ en el IEE pueden ser posibles indicadores de la actividad mineralizadora de los osteoblastos. En segundo lugar, la reactividad iónica de la hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA = calcium-deficient hydroxyapatite) - un material candidato a ser utilizado como matriz en ingeniería del tejido óseo – fue investigada sistemáticamente in vitro exponiéndola durante diferentes periodos de tiempo a medios de cultivo con distinta composición química. Los modelos de sorción clásicos describen correctamente los datos experimentales, revelando procesos paralelos de sorción del ión Ca2+ en la CDHA y acidificación del medio. Cabe destacar que la distinta composición química del medio de cultivo puede provocar una reactividad iónica totalmente opuesta del CDHA respecto al anión Pi. En consecuencia, la sensibilidad celular a un entorno iónico dinámico puede dar lugar a respuestas celulares distintas al usar diferentes medios de cultivo. En tercer lugar, los efectos en el comportamiento celular provocados por la actividad de la CDHA en el entorno iónico dinámico se evaluaron realizando un cultivo de células SAOS-2 en un inserto semi-permeable colocado cercano pero separado de CDHA. Las células proliferaron bien y su actividad ALP sólo se alteró en el tiempo, pero no en términos absolutos. Mientras que, en ausencia de CDHA, la actividad ALP crea las condiciones para la deposición del ión Ca2+ en la matriz extracelular, presencia de CDHA causa competición entre las células y el biomaterial por los iones Ca2+ y Pi , que inicialmente bloquean la deposición celular de Ca2+. Sin embargo, a medida que la sorción del anión Pi disminuye con el tiempo, aparecen condiciones favorables para la mineralización incluso en presencia de CDHA. Los resultados obtenidos indican que la sorción de Pi más que la de Ca2+ es el principal factor limitante para la mineralización del hueso en presencia de CDHA. Las fluctuaciones del IEE en la bioingeniería del hueso han promovido un enorme interés en desarrollar un sistema genérico que permita monitorizar las medidas potenciométricas tanto de iones como del pH online. Fabricamos electrodos Ca2+-selectivos para medidas en volúmenes pequeños (hasta 0.1 mL). Dichos eléctrodos exhiben una respuesta Nernstiana al Ca2+, y son poco afectados por la presencia de los principales iones extracelulares. Asimismo, resisten la esterilización con UV, no presentan efectos citotóxicos en contacto con osteoblastos, y los potenciales presentan un “drift” despreciable en/durante medidas de gran duración en el medio de cultivo. Los electrodos se utilizaron con éxito para monitorizar la sorción de Ca2+ en CDHA dentro del medio de cultivo, así como la deposición de Ca2+ inducida por osteoblastos en la MEC madura, en intervalos de tiempo de hasta 24 horas.