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Biopelícula Hemostática Y Antimicrobiana Del
Quitosano Para El Tratamiento De Traumas Y
Lesiones
Jeisson Stiven Alarcón Cuaran1(260222004), Ricardo Antolinez Gonsalez (260222001) Keylin Nathalia Rengifo Moreno (260222021) Ingeniería Biomédica,Tuluá- Valle Del Cauca Abstract: This project focuses on developing a hemostatic and antimicrobial biofilm using chitosan, a natural biopolymer with promising properties. The introduction highlights the importance of biomedical engineering in the research for innovative solutions for the treatment of injuries and trauma, highlighting the potential of chitosan in this context. The proposed methodology ranges from the preparation of the chitosan solution to the evaluation of the hemostatic and antimicrobial efficacy of the biofilm, including the incorporation of active agents, the elaboration of the biofilm and the characterization of its physical and chemical properties. Additionally, the evaluation of biocompatibility and optimization of the manufacturing process is considered. This project represent significant progress towards the development of an effective and safe solution for the treatment of injuries and trauma, with the potential to improve clinical outcomes in the field of biomedical engineering. Keywords: biofilm, chitosan, biocompatibility, biodegradable, hemostasis, asepsis, antisepsis, antimicrobial. I. INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia de la medicina humana se han venido buscando materiales compatibles con la fisiología y anatomía para así llegar a disminuir todos los efectos adversos que trae el uso de materiales externos en el cuerpo humano. El quitosano, es un biopolímero obtenido a partir de la quitina, material presente en el exoesqueleto de crustáceos, insectos y la pared celular de los hongos, siendo este, por su estructura y disposición físico - química el componente idóneo a la hora de la aplicación en diferentes escenarios médicos. En primer lugar al ser una molécula con dos azúcares dentro de su estructura química tiene un gran potencial biodegradable hasta el punto de disminuir la necesidad de extracción del mismo a pacientes en los que se use, además, cuenta con una gran capacidad antimicrobiana y gran biodisponibilidad disminuyendo los potenciales rechazos e infecciones a la hora de su utilidad en el cuerpo humano. Gracias a su gran capacidad de adaptabilidad es un material que al ser combinado con otro tipo de elementos puede funcionar ya sea de manera externa o interna, así mismo, sus utilidades por fuera del ámbito médico van desde control de plagas en la industria agrícola hasta tratamiento de aguas residuales, ya que funciona como floculante en la remoción de partículas coloides y aceites capturando metales pesados, químicos y otros materiales de desecho encontrados en el agua potable. (Andamios biobasados de quitosano para aplicación de ingeniería de tejidos, 2020) Por lo anteriormente descrito, se plantea una hipótesis en donde se presenta la creación de una película hemostática y antimicrobiana de bajo costo utilizando el quitosano como polímero principal, la cual se podría usar en un país tercermundista como colombia para el control de daños en traumas, los cuales son frecuentes en lugares lejanos con poco acceso a instituciones de alta complejidad en salud, por lo tanto, ideando una solución factible y sencilla para el control de estos con el subsecuente traslado del paciente a entidades de mayor complejidad para su manejo definitivo. (Andamios biobasados de quitosano para aplicación de ingeniería de tejidos, 2020) (Using Topical Hemostatic Agents, 2017) II. ESTADO DEL ARTE El quitosano es un notable biopolímero natural que ha captado la atención de la comunidad científica debido a sus propiedades únicas y diversas aplicaciones. Este material versátil, derivado de los exoesqueletos de crustáceos como camarones, cangrejos y langostas, tiene una rica historia de descubrimiento y exploración que se extiende a lo largo de dos siglos. a) Los orígenes del quitosano La historia del quitosano se remonta a principios del siglo XIX, cuando el químico francés Henri Braconnot hizo un descubrimiento fundamental. En 1811, Braconnot identificó una sustancia extraída de los hongos, a la que denominó "fungine" (Muzzarelli, 1977). Esta temprana observación
sentó las bases para la eventual identificación y caracterización del quitosano. No fue hasta 1894 que el químico alemán C. Rouget logró un avance significativo. Rouget observó que la sustancia "fungina" podía desacetilar para producir un nuevo material, al que denominó "quitosano" (Rouget, 1896). Esto marcó un hito crucial en la comprensión de las propiedades químicas y las posibles aplicaciones del quitosano. b) Avances a principios del siglo XX A principios del siglo XX se produjeron más avances en el estudio del quitosano, a medida que los investigadores profundizaron en su estructura química y características. En 1894, el bioquímico alemán Felix Hoppe-Seyler realizó una extensa investigación sobre la composición de la quitina, un polisacárido estrechamente relacionado con el quitosano (Hoppe-Seyler, 1894). El trabajo de Hoppe-Seyler proporcionó información valiosa sobre la estructura molecular de estos biopolímeros. Sobre la base de estos primeros descubrimientos, los bioquímicos estadounidenses Phoebus Levene y Frank La Forge hicieron importantes contribuciones en la década de
- En 1922, Levene y La Forge publicaron sus hallazgos sobre las propiedades químicas del quitosano, ampliando aún más el conocimiento científico de este material (Levene y La Forge, 1922). c) Propiedades del quitosano El quitosano es un copolímero compuesto de unas unidades de 2-Acetilamina-2-desoxi--D-(+)- Glucopiranosa y 2-amino-2-desoxi--Glucopiranosa (M. Dash. et al 2011). Donde la fuente principal de esta es la quitina, la cual es sometida a un proceso de desacetilación termoquímica en un medio alcalino, las condiciones de temperatura, presión, concentración y tiempo determinan el peso molecular del polímero y su grado de desacetilación. El quitosano es el derivado N- des acetilado de la quitina, es una amina primaria y su monómero principal es el 2-amino-2-desoxi-D-Glucopiranosa. El grupo amino libre en la estructura del quitosano le proporciona un comportamiento marcadamente básico, además le confiere ciertas características fisicoquímicas de gran interés industrial (Majeti N.V., Ravi Kumar 2000). d) Avances en extracción y caracterización A mediados del siglo XX, los investigadores comenzaron a explorar métodos más eficientes para extraer y caracterizar el quitosano. Uno de esos pioneros fue George W. Rigby, quien en 1954 patentó un proceso para la producción comercial de quitosano a partir de crustáceos (Rigby, 1954). El trabajo de Rigby allanó el camino para la disponibilidad y utilización a gran escala de este biopolímero. Paralelamente a estos avances, las décadas de 1980 y 1990 fueron testigos de un aumento de la investigación centrada en la caracterización y el análisis del quitosano. Sanford (1989) y Kurita (2001) hicieron importantes contribuciones a la comprensión de las propiedades físicas y químicas del quitosano, incluido su grado de desacetilación y distribución de peso molecular. El desarrollo de técnicas analíticas avanzadas, como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de alto campo, mejoró aún más la capacidad de caracterizar el quitosano. Investigadores como Vårum et al. (1991) y Aiba (1991) emplearon estas técnicas para determinar con precisión el grado de N-acetilación y la distribución de los grupos N-acetilo dentro de las moléculas de quitosano. e) El auge de las aplicaciones de biopelículas de quitosano Las propiedades únicas del quitosano, incluida su biocompatibilidad, biodegradabilidad y actividad antimicrobiana, lo han convertido en un material atractivo para el desarrollo de biopelículas. Numerosos investigadores han explorado el potencial de las biopelículas basadas en quitosano para una amplia gama de aplicaciones, desde la curación de heridas hasta la ingeniería de tejidos. Una de las ventajas clave de las biopelículas de quitosano es su capacidad para imitar la matriz extracelular natural, proporcionando un entorno adecuado para el crecimiento y la proliferación celular. Freier et al. (2005) investigaron la influencia de la N-acetilación en las propiedades de adhesión y degradación celular de las películas de quitosano, destacando la importancia de este parámetro en el diseño de materiales biomédicos. En el campo de la cicatrización de heridas, Jayakumar et al. (2010) realizaron una extensa investigación sobre el uso de materiales a base de quitosano. Su trabajo demostró el potencial del quitosano para promover la cicatrización de heridas y prevenir infecciones, lo que lo convierte en un candidato prometedor para aplicaciones de apósitos para heridas. La incorporación de compuestos bioactivos a las biopelículas de quitosano ha ampliado aún más su funcionalidad. Anitha et al. (2014) exploraron la adición de agentes antimicrobianos, factores de crecimiento y fármacos terapéuticos para mejorar el rendimiento de los biomateriales a base de quitosano. De manera similar, Qi y Xu (2004) investigaron el uso de nanopartículas de quitosano para la eliminación de metales pesados, demostrando la versatilidad de este biopolímero. f) Aplicaciones de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa
biológicos y su capacidad para evitar reacciones adversas en el organismo humano. (Rev .Soc .Quím. Perú vol. no.4 Lima oct./dic. 2021) En el ámbito de la ingeniería biomédica, el desarrollo de nuevas tecnologías para el tratamiento de lesiones traumáticas representa un área de investigación de gran importancia. En particular, las biopelículas de quitosano han surgido como una prometedora opción terapéutica debido a las propiedades únicas de este polímero natural. Sin embargo, a pesar de los avances en este campo, persisten desafíos significativos relacionados con la biocompatibilidad del quitosano, lo que limita su aplicación clínica efectiva en el manejo primario de lesiones traumáticas. La biocompatibilidad es un aspecto crítico en el diseño de materiales biomédicos, ya que determina su capacidad para interactuar de manera segura y efectiva con los tejidos biológicos del cuerpo humano. En el caso del quitosano, un polisacárido derivado de la quitina presente en crustáceos, su potencial terapéutico para promover la cicatrización de heridas y controlar el sangrado ha sido ampliamente reconocido. Sin embargo, la comprensión de cómo el quitosano interactúa específicamente con los tejidos biológicos en forma de biopelículas y su capacidad para evitar reacciones adversas en el organismo humano aún no está completamente esclarecida. ( Elaboración de biopelículas de quitosano-almidón y nanopartículas de ZnO para empaques biomédicos. 2021-03-31, Rodriguez Gonzalez, Claudia) La falta de información detallada sobre la biocompatibilidad del quitosano en el contexto de las biopelículas ha generado incertidumbre en la comunidad científica y médica sobre su viabilidad clínica. Esta incertidumbre no solo obstaculiza el desarrollo y la aplicación efectiva de biopelículas de quitosano en el tratamiento de lesiones traumáticas, sino que también plantea preocupaciones sobre su seguridad y tolerabilidad en entornos clínicos reales. Por lo tanto, es imperativo abordar esta problemática mediante una investigación exhaustiva y detallada que evalúe específicamente la biocompatibilidad del quitosano en el contexto de las biopelículas. Este enfoque permitirá obtener información precisa sobre la seguridad y eficacia de las biopelículas de quitosano, lo que facilitará su desarrollo y aplicación clínica efectiva. Además, contribuirá al avance del campo de la ingeniería biomédica al proporcionar una mejor comprensión de los materiales utilizados en el tratamiento de lesiones traumáticas y alentaría la innovación en este importante ámbito de la atención médica. ( Revisión de literatura: Biopelículas a base de quitosano como potencial aplicación en empaque de alimentos. 2020. Matos G., Celeste A. ) IV. JUSTIFICACIÓN La biocompatibilidad, un concepto fundamental en el diseño de materiales biomédicos, se erige como un pilar esencial en la búsqueda de terapias efectivas y seguras para el manejo de lesiones traumáticas. En el contexto de las biopelículas de quitosano, esta preocupación adquiere una relevancia aún mayor debido a la complejidad inherente de su interacción con los sistemas biológicos del cuerpo humano. La comprensión detallada y precisa de la biocompatibilidad del quitosano en el contexto de las biopelículas es esencial por varias razones. En primer lugar, la seguridad del paciente es de suma importancia, y una biocompatibilidad adecuada garantiza la minimización de riesgos asociados con posibles reacciones adversas o efectos secundarios derivados del tratamiento con estas biopelículas. En un escenario clínico donde la salud y el bienestar del paciente son prioritarios, la biocompatibilidad emerge como un requisito no negociable para cualquier material biomédico. ( Elaboración y caracterización de biopelículas elaboradas con quitosano y adicionadas con partículas de almidón Escobar Guadarrama, José Aldo, 2020-10-16) Por otro lado, la biocompatibilidad del quitosano también desempeña un papel crucial en su eficacia terapéutica. Un material que sea bien tolerado por el organismo humano tiene más probabilidades de interactuar de manera efectiva con los tejidos biológicos, facilitando así la cicatrización de heridas, el control del sangrado y la prevención de infecciones. En este sentido, la capacidad del quitosano para promover una respuesta biológica favorable es esencial para maximizar los beneficios terapéuticos que las biopelículas pueden ofrecer en el tratamiento de lesiones traumáticas. Además, la incertidumbre sobre la biocompatibilidad del quitosano puede generar dudas y reticencias tanto entre los profesionales de la salud como entre los pacientes. La falta de evidencia sólida que respalde su seguridad y tolerabilidad puede obstaculizar la adopción y aceptación de estas tecnologías en la práctica clínica, limitando así su impacto potencial en la mejora de los resultados clínicos y la calidad de vida de los pacientes. (Andamios biobasados de quitosano para aplicación en Ingeniería de tejidos.)(2020, 2 diciembre). En consecuencia, la evaluación exhaustiva y detallada de la biocompatibilidad del quitosano en el contexto de las biopelículas destinadas al manejo primario de lesiones traumáticas se presenta como un paso indispensable para garantizar la seguridad, eficacia y aceptación de estas tecnologías en entornos clínicos. Una comprensión clara y completa de este aspecto permitirá superar las barreras actuales que restringen el desarrollo y la aplicación efectiva de las biopelículas de quitosano, promoviendo así la innovación en el campo de la ingeniería biomédica y contribuyendo significativamente al avance de la atención médica .(BIOPELÍCULAS ELABORADAS CON QUITOSANO Y ADICIONADAS CON PARTÍCULAS DE ALMIDÓN. José Aldo Escobar Guadarrama. Toluca de Lerdo, Edo. De México, Marzo 2020) V. OBJETIVOS a) Objetivos Generales: Indagar de manera completa la biocompatibilidad del quitosano en forma de biopelículas
para el manejo inicial de lesiones traumáticas, mediante una revisión bibliográfica detallada y la realización de estudios experimentales, con el fin de establecer fundamentos sólidos para su uso clínico confiable y eficaz. b) Objetivos específicos: ● Determinar el perfil de biocompatibilidad del quitosano mediante la revisión detallada de estudios científicos previos que aborden su interacción con tejidos biológicos y sistemas biológicos relevantes. ● Evaluar las propiedades físico químicas del quitosano, biocompatibilidad y capacidad de combinación con otros elementos, y así lograr mejorar sus propiedades ● Investigar la forma de fabricación de bio -películas de quitosano, su almacenamiento y distribución. ● Evaluar los tipos de trauma, heridas y lesiones para las cuales estaría indicado el uso de bio -películas de quitosano. VI. METODOLOGÍA Para la realización de este documento se han tomado en cuenta bases bibliográficas con no más de 10 años de antigüedad en donde se discute ampliamente el origen, la estructura, obtención, métodos de purificación, aplicaciones, costos y biocompatibilidad del quitosano para así evaluar su capacidad de alearse con otros elementos biocompatibles, no solo con el cuerpo humano, sino con el mismo quitosano, para llegar a la formulación e hipotética creación de una biopelícula de quitosano que tenga propiedades hemostáticas y antimicrobianas. Primero se investigó sobre el quitosano, sus propiedades como polímero, sus principales usos y fortalezas, así como sus mayores problemáticas a la hora de hacer una biopelícula. Entre dichas problemáticas se evidenció la falta de información confiable acerca del mejor uso posible para el mismo quitosano, además se tiene poco conocimiento de sobre la costo - efectividad del mismo ya que dependiendo del lugar en donde se obtenga y procese, puede fluctuar de manera alarmante los costos de producción. Sin embargo debido a sus propiedades, es un biomaterial muy maleable y al ser compatible con otros se abre un gran abanico de posibilidades dentro del margen de creación de aleaciones con otros materiales útiles en la creación de dicha biopelícula. Por último, según lo encontrado en la bibliografía, al ser una gran cantidad de posibles combinaciones, se evaluarán cuáles son las combinaciones más utilizadas tanto en el ámbito biomédico como en la clínica, así como el porqué es que son tan apreciadas por la comunidad científica y médica. Se espera que con esta investigacion y experimentacion se consiga mas informacion sobre la posibilidades del quitosano de ser considerado para ser usado también en lesiones traumáticas, lo que abriría una nuevo abanico de posibilidades en el sector médico, así como una gran variedad de opciones para intentar innovar otras alternativas a través del uso del quitosano. XV. COMPORTAMIENTO BIOLÓGICO DEL BIOMATERIAL Biodegradabilidad: El quitosano, el biomaterial principal del proyecto, es un biopolímero natural que presenta una alta biodegradabilidad debido a su estructura química compuesta por dos azúcares. Esta característica permite su descomposición por microorganismos en condiciones ambientales específicas, reduciendo la necesidad de extracción del material del cuerpo humano una vez ha cumplido su función. Estabilidad en Condiciones Específicas Humedad: El quitosano puede absorber y retener humedad, lo cual es beneficioso para mantener un ambiente húmedo que favorece la cicatrización de heridas. Sin embargo, es necesario controlar esta propiedad para evitar una excesiva absorción que podría comprometer la integridad del biomaterial. Temperatura: Las biopelículas de quitosano deben mantener su estabilidad térmica para ser efectivas en el cuerpo humano. Estudios han demostrado que este material tiene buenas propiedades térmicas que pueden ser ajustadas mediante la modificación de su grado de desacetilación y el peso molecular del quitosano. pH: La estabilidad del quitosano en diferentes niveles de pH es crucial, especialmente en ambientes corporales ligeramente ácidos o neutros. Este material ha mostrado una buena estabilidad en un amplio rango de pH, lo que lo hace adecuado para aplicaciones médicas diversas. Carga Microbiana: La capacidad antimicrobiana del quitosano es una de sus ventajas más destacadas. Esta propiedad ayuda a prevenir infecciones en el sitio de aplicación, lo cual es crítico para el éxito en la regeneración de tejidos. XV. QUITOSANO El quitosano es un interesante biopolímero natural que ha despertado un gran interés en la comunidad científica. La historia del quitosano se remonta a principios del siglo XIX, cuando el químico francés Henri Blacono hizo un descubrimiento fundamental. En 1811, Bracono descubrió una sustancia extraída de los hongos, a la que llamó
Fuentes de obtención del quitosano: El quitosano está presente de forma natural en las paredes celulares de algunas plantas y hongos, como Mucor rouxii, y representa un tercio del peso seco. También se encuentra en hongos del grupo Mucoformia, como Fusarium solana y Rhizopus oryzae, y es una parte importante de la pared celular de los hongos filamentosos del grupo Zygomycota. Sin embargo, la principal fuente para la producción de quitosano a escala industrial es la quitina. y realizar procesos de desacetilación química o enzimática para obtener quitosano a un precio elevado. La quitina existe en la naturaleza en forma de microfibrillas cristalinas que son un componente estructural del exoesqueleto de los artrópodos y de las paredes celulares de hongos y levaduras. También ocurre en muchos otros organismos del reino inferior, tanto en vegetales como en animales. Aunque la quitina es común en la naturaleza, las principales fuentes comerciales de este polímero fueron originalmente los caparazones de cangrejo y camarón. Como se muestra en la Figura 1.5. La composición del exoesqueleto de los crustáceos varía según la especie, parte del organismo, estado nutricional y ciclo reproductivo. Generalmente, el contenido de quitina varía entre el 2 y el 12% del peso corporal total. Los principales componentes del exoesqueleto son la quitina (alrededor del 15-40%, en forma de alfa-quitina), proteínas (20-40%) y carbonato de calcio (20-50%). Además, casi no contiene pigmentos ni otras sales minerales. La cantidad de proteínas y minerales obtenidos del tejido conectivo está influenciada por la edad del cáncer y su ciclo reproductivo. Los especímenes más viejos suelen tener un exoesqueleto calcificado con menos quitina. La grasa, en cambio, suele proceder de restos de músculos y órganos internos. La Tabla 1.1 muestra los porcentajes de proteínas, cenizas, lípidos y quitina encontrados en algunas de las especies de crustáceos estudiadas. Tabla 1.1.- Composición química proximal en porcentaje (v/v) % en base seca del exoesqueleto de crustáceos. Fuente: Colina et al. (2014) Metodos de sintesis del quitosano:
a) alquilación reductora: De esta manera, el grupo -NH2 en la unidad de quitosano se combina con el grupo carbonilo en el ácido aldehído glioxílico, seguido de hidrogenación con NaBH4 o NaCNBH3 para formar N-carboximetil quitosano. Este procedimiento coloca naturalmente un grupo carboximetilo en el átomo de nitrógeno sin reemplazo de oxígeno, pero debido a la alta reactividad del aldehído, incluso en condiciones suaves, el N-carboximetilquitosano también se puede producir como N,N-dicarboximetilquitosano. Rinaudo et al. describieron un prototipo sintético en el que el quitosano se disolvió en ácido acético al 1% y se trató con una solución de ácido glioxílico en una relación molar de 1 a 1:3 (amina:ácido) con reducción con borohidruro de sodio. hasta pH 4-5 sin precipitación. Luego, la solución viscosa se dializó y se secó para obtener N-carboximetilquitosano. Este proceso de alquilación reductiva se acerca a ca. 70% de unidades N,N-dicarboximetiladas. Sin embargo, requiere controles costosos y no es fácil de montar. b) Alquiler directo: De esta manera, se utilizan ácidos monohalocarboxílicos tales como el ácido monocloroacético para preparar derivados N-carboxialquilo y O-carboxialquilo del quitosano. Las condiciones de reacción determinan la selectividad entre N- y O-carboxialquilación y el grado de sustitución (DS). Para la carboximetilación del quitosano se utiliza como disolvente una mezcla de agua y alcohol isopropílico. Primero mezcla los Cheetos en una solución alcalina. La reacción se lleva a cabo con ácido monocloroacético a un pH ligeramente básico (8-8,5), que activa solo el grupo amino y sufre una sustitución selectiva de N. A este pH, el quitosano precipita, pero se disuelve gradualmente a medida que avanza la reacción. Chen y Park informan que el carboximetilquitosano (CMQ) preparado a una temperatura de 0 a 10 °C es soluble en agua, mientras que el CMQ preparado a una temperatura de 20 a 60 °C es insoluble a un pH cercano al neutro. El aumento de la temperatura de reacción aumenta el resto carboximetilo y aumenta la insolubilidad a un pH más bajo. Por otro lado, aumentar la proporción de isopropanol disminuye la partícula de agua carboxilada y aumenta su insolubilidad a pH más alto. QUITOSANO PARTE MATEMÁTICA: Los modelos matemáticos utilizados para estudiar las biopelículas de quitosano (un polímero natural derivado de la quitina) pueden variar dependiendo de los aspectos específicos que se estudien. A continuación se muestran algunos modelos comunes utilizados en la investigación de bio películas de quitosano:
- Modelo de crecimiento exponencial. Este modelo describe el crecimiento de biopelículas de quitosano como una función exponencial del tiempo. Esto es útil para predecir cómo aumentará la masa o el espesor de una biopelícula con el tiempo.
- Modelo unificado: este modelo se basa en la cinética de crecimiento microbiano y se utiliza para describir el crecimiento de microorganismos dentro de biopelículas. Tiene en cuenta la concentración del sustrato (por ejemplo, nutrientes) y la tasa máxima de crecimiento de los microorganismos.
- Modelo de reacción de difusión. Este tipo de modelo examina la difusión de nutrientes y metabolitos a través de la biopelícula de quitosano, así como las reacciones bioquímicas que ocurren dentro de ella. Sería útil comprender cómo la estructura de la biopelícula influye en el transporte de nutrientes y metabolitos.
- Modelo biofísico. Este modelo se centra en los aspectos físicos y mecánicos de las biopelículas de quitosano, como la adhesión celular, la formación de poros, la elasticidad y la resistencia al corte. Esto ayuda a comprender cómo la estructura física de las biopelículas influye en su comportamiento y propiedades.
- Modelo de interacción superficial: este tipo de modelo se centra en las interacciones entre la biopelícula de quitosano y su entorno, como la adsorción molecular, la interacción con superficies sólidas o la degradación enzimática. La creación de biopelículas con propiedades
otros procesos en la herida. Podría ser modelada por una ecuación de reacción como esta: Donde R(C) es una función que representa la velocidad de las reacciones que involucran al quitosano. El método de difusión-reacción en un biopolímero como el quitosano puede ser utilizado para diseñar biopelículas que promuevan la regeneración de tejidos. Al integrar factores de crecimiento y nutrientes, controlar su liberación, considerar las interacciones bioquímicas y optimizar la estructura de la biopelícula, se puede mejorar significativamente su eficacia en la promoción de la cicatrización de heridas y la regeneración de tejidos. Modelo para la cicatrización de la herida: Para modelar la cicatrización de la herida en presencia de quitosano, puedes utilizar una ecuación que describa cómo cambia el tamaño de la herida con el tiempo. Por ejemplo: Donde A es el área de la herida, Kcicat es una constante que representa la velocidad de cicatrización, y C es la concentración de quitosano en la herida. Esta ecuación modela cómo el quitosano puede acelerar el proceso de cicatrización al promover la proliferación celular y la deposición de matriz extracelular. IX. HIPÓTESIS A. Hipótesis sobre el uso de biopelículas de quitosano en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer Planteamiento del problema: La enfermedad de Alzheimer es una afección neurodegenerativa compleja que se caracteriza por deterioro cognitivo, pérdida de memoria y disminución de la función cerebral. A pesar de los avances en la investigación, los tratamientos actuales ofrecen un alivio limitado de los síntomas y no logran detener la progresión de la enfermedad. Existe una clara necesidad de desarrollar enfoques terapéuticos innovadores que puedan abordar de manera más efectiva los desafíos de esta devastadora condición. Hipótesis: Se propone que las biopelículas de quitosano podrían ser una estrategia novedosa y prometedora para el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer. El quitosano, un polisacárido natural con propiedades únicas, podría ofrecer beneficios significativos en varios aspectos de la patogénesis y progresión de la enfermedad de Alzheimer. La hipótesis se basa en la premisa de que las biopelículas de quitosano pueden:
- Promover la neuroprotección y la regeneración neuronal al proporcionar un soporte estructural y una matriz extracelular favorable.
- Mejorar la biodisponibilidad y el transporte de fármacos terapéuticos al cruzar la barrera hematoencefálica.
- Reducir la neuroinflamación y el estrés oxidativo, que son factores clave en la patogénesis del Alzheimer.
- Modular la agregación y acumulación de proteínas como el péptido beta-amiloide y la proteína tau, que son hallazgos característicos de la enfermedad.
- Facilitar la liberación controlada de agentes terapéuticos, como factores de crecimiento o antioxidantes, en el tejido cerebral afectado. Abordaje y tratamiento propuesto: Para evaluar esta hipótesis, se propone desarrollar y caracterizar biopelículas de quitosano cargadas con compuestos terapéuticos relevantes, y evaluar su eficacia en modelos in vitro e in vivo de la enfermedad de Alzheimer. El estudio incluiría los siguientes pasos:
- Diseño y síntesis de biopelículas de quitosano con propiedades optimizadas para la administración cerebral.
- Incorporación de agentes terapéuticos, como fármacos neuroprotectores, antioxidantes o moduladores de proteínas, en las biopelículas.
- Evaluación in vitro de los efectos de las biopelículas de quitosano sobre la supervivencia
neuronal, la neuroinflamación y la agregación de proteínas en cultivos celulares.
- Estudios in vivo en modelos animales de la enfermedad de Alzheimer para evaluar la biodistribución, la farmacocinética y la eficacia terapéutica de las biopelículas.
- Optimización de las formulaciones y los parámetros de aplicación para lograr una liberación sostenida y una penetración óptima en el tejido cerebral. Aplicaciones y beneficios potenciales: Si la hipótesis se confirma, las biopelículas de quitosano podrían representar una alternativa terapéutica novedosa y efectiva para el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer. Los posibles beneficios incluyen: ● Mejorar los resultados clínicos al ralentizar la progresión de la enfermedad y preservar la función cognitiva. ● Facilitar la administración de fármacos terapéuticos al cerebro, superando las limitaciones de la barrera hematoencefálica. ● Reducir la neuroinflamación y el estrés oxidativo, que son factores clave en la patogénesis del Alzheimer. ● Modular la agregación y acumulación de proteínas patológicas, lo que podría tener un impacto positivo en la neuropatología. ● Mejorar la calidad de vida de los pacientes y reducir la carga socioeconómica de esta devastadora enfermedad. ● Abrir nuevas vías de investigación y desarrollo en el campo de las terapias avanzadas basadas en biomateriales como el quitosano. La evaluación de las biopelículas de quitosano como una estrategia terapéutica para la enfermedad de Alzheimer representa una hipótesis novedosa que podría tener un impacto significativo en el manejo de esta afección neurodegenerativa. Revisión De La Hipótesis La hipótesis del proyecto propone que las biopelículas de quitosano pueden ser efectivas para el tratamiento de lesiones traumáticas debido a sus propiedades hemostáticas, antimicrobianas y biocompatibles. Para apoyar esta hipótesis, se deben considerar los siguientes aspectos: Aspectos Químicos: La estructura del quitosano permite su biodegradabilidad y biocompatibilidad, lo que minimiza el riesgo de reacciones adversas en el cuerpo humano. La presencia de grupos amino en el quitosano contribuye a su capacidad antimicrobiana y hemostática. Aspectos Físicos: Las propiedades físicas del quitosano, como su resistencia mecánica, flexibilidad y capacidad para formar estructuras porosas, son esenciales para su aplicación en ingeniería de tejidos. Estos aspectos deben ser optimizados para mejorar la adhesión y proliferación celular en diferentes tipos de tejidos, como piel, hueso y cartílago. Aspectos Biológicos: La biocompatibilidad del quitosano es fundamental para su uso clínico. Este material ha demostrado ser bien tolerado por el cuerpo humano, promoviendo la cicatrización de heridas y reduciendo el riesgo de infecciones. La capacidad del quitosano para interactuar favorablemente con células biológicas es crucial para su eficacia en la regeneración tisular IX. RECONOCIMIENTO DE CÉLULAS Y TEJIDOS PARA LA POTENCIAL APLICACIÓN DEL QUITOSANO EN LA REGENERACIÓN En el curso de nuestra investigación, hemos identificado varias aplicaciones nuevas del quitosano como materia prima para promover la regeneración de varios tipos de células y tejidos. Se ha demostrado que este polisacárido natural tiene un gran potencial en muchos campos de la medicina regenerativa. En el campo de la dermatología, el quitosano ha mostrado resultados prometedores en el rejuvenecimiento de la piel. Proporciona un entorno favorable para la unión, proliferación y migración de células importantes como fibroblastos y queratinocitos, lo que lo convierte en un candidato ideal para la curación de heridas y el tratamiento de quemaduras. La capacidad del quitosano para formar biopelículas flexibles y permeables hace que el quitosano sea más atractivo para estas aplicaciones. En el campo de la ortopedia, se ha observado que el quitosano favorece la formación ósea y la mineralización de células óseas como los osteocitos y osteocitos. Esto sugiere que tanto los implantes como los soportes 3D para ingeniería de tejidos tienen el potencial de promover la regeneración ósea. Además, el quitosano ha demostrado la capacidad de mejorar la adhesión y diferenciación de los condrocitos, lo cual es importante para la reparación del daño articular. En el ámbito cardiovascular, el quitosano ha demostrado la capacidad de favorecer la angiogénesis y la formación de nuevos vasos sanguíneos. Esto es importante para la regeneración de tejidos vascularizados como la piel, los músculos y los huesos, y tiene implicaciones importantes para mejorar la vascularización de los tejidos trasplantados y promover la curación de heridas crónicas. Además, se investiga la posibilidad de utilizar quitosano como sustrato para el crecimiento y diferenciación de neuronas, incluidas las células gliales y las neuronas. Esto sugiere su utilidad en aplicaciones de regeneración
d) Regeneración Vascular: En aplicaciones de regeneración vascular, las biopelículas de quitosano deben presentar una estructura porosa y biomimética que facilite la proliferación y organización de células endoteliales, así como la formación de nuevos vasos sanguíneos (Huang et al., 2005; Gümüşderelioğlu & Aday, 2011). Las propiedades mecánicas deben adaptarse a las demandas del tejido vascular, como la resistencia a la tracción y la flexibilidad. f) Regeneración Nerviosa: Para la regeneración de tejido nervioso, las biopelículas de quitosano deben ofrecer un entorno favorable para la adhesión, proliferación y diferenciación de células gliales y neuronas. Esto puede lograrse mediante la incorporación de señales de guía, como moléculas de adhesión celular y factores de crecimiento neuronal (Freier et al., 2005; Ao et al., 2006). XII. BIBLIOGRAFÍA [1] Cedillo-Portillo, J. J., Castañeda-Facio, A. O., Esparza-González, S. C., Narro-Céspedes, R. I., Muzquiz-Ramos, E. M., & Sáenz-Galindo, A. (2020, 2 de diciembre). Andamios biobasados de quitosano para aplicación en Ingeniería de tejidos. Recuperado de http://www.cienciacierta.uadec.mx/2020/10/21/andamios-bi obasados-de-quitosano-para-aplicacion-en-ingenieria-de-tej idos/ [2] National Athletic Trainers' Association. (2017, 6 de enero). Using topical hemostatic agents. Recuperado de https://www.nata.org/blog/beth-sitzler/using-topical-hemost atic-agents [3] Rodríguez-Pedroso, A. T., Ramírez-Arrebato, M. A., Rivero-González, D., Bosquez-Molina, E., Barrera-Necha, L. L., & Bautista-Baños, S. (2009). Propiedades químico-estructurales y actividad biológica de la quitosana en microorganismos fitopatógenos. Revista Chapingo. Serie horticultura, 15(3), 307-317. Recuperado el 2 de marzo de 2024, de http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid =S1027-152X2009000500012&lng=es&tlng=es [4] Barrera, S. M. R. (2023, 16 de junio). Accidentalidad laboral aumentó un 22.4% en Colombia. CONSULTORSALUD. Recuperado de https://consultorsalud.com/accidentalidad-laboral-aum-22- -colombia/#:~:text=De%20acuerdo%20con%20el%20docu mento,accidentes%20por%20cada%20100%20trabajadores [5] Beltrán, D. (2023, 24 de septiembre). Conozca las 10 causas de muerte más comunes durante 2023 en Colombia. Infobae. Recuperado de https://www.infobae.com/colombia/2023/09/24/conozca-las -10-causas-de-muerte-mas-comunes-durante-2023-en-colo mbia/#:~:text=Enfermedades%20isqu%C3%A9micas%20d el%20coraz%C3%B3n%3A%20(16,%2C8%20%25%20en %20mujeres [6] Romero-Serrano, A., & Pereira, J. (2020). Estado del arte: Quitosano, un biomaterial versátil. Estado del Arte desde su obtención a sus múltiples aplicaciones. Recuperado de https://www.redalyc.org/journal/707/70764230002/html/ [7] Cadeza-Espinosa, M., Brambila-Paz, J. J., Chalita-Tovar, L. E., & González-Estrada, A. (2017). Evaluación financiera con la metodología de opciones reales de una inversión para producir quitosano con base en
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