Interacción de los materiales biofuncionales y/o bioactivos con los medios biológicos : Riesgos emergentes y estrategias innovadoras de mejora

El incremento considerable del uso de biomateriales para implantes ha incentivado el estudio y diseño de nuevos materiales capaces de promover respuestas deseables en los tejidos adyacentes. Los metales biodegradables (MB) que interaccionan con los medios biológicos (bioactivos), por ejemplo Cu, Mg y aleaciones son promisorios para la confección de implantes y dispositivos dado que su biofuncionalidad transcurre en simultáneo con la degradación del material. En tal sentido, el control de la velocidad de degradación debe ser óptimo para mantener su integridad mecánica durante la recuperación del tejido y reducir los efectos citotóxicos ocasionados en los tejidos aledaños por acumulación de iones y nano-micropartículas. Adicionalmente, en la industria, la degradación de materiales metálicos como el Cu genera productos que contaminan el medio ambiente impactando negativamente sobre los organismos vivientes. Una alternativa para controlar la degradación metálica es utilizar inhibidores de corrosión, sin embargo, en muchos casos, se desconoce su toxicidad y su impacto ambiental. Otro problema asociado a los MB es la adhesión de bacterias sobre su superficie generando biofilms microbianos que conducen a la falla del implante por falta de fijación en las aplicaciones médicas y a daños de distinto grado en dispositivos e instalaciones industriales. Frente a los riesgos emergentes de la degradación de los MB y de la susceptibilidad para formar biopelículas microbianas, la utilización de fitocompuestos podría ser una estrategia innovadora y ecocompatible (EIE). Se consideró entonces como hipótesis del presente trabajo, que sería posible adsorber y/o electropolimerizar los fitocompuestos fenólicos (FF) seleccionados sobre superficies de MB, logrando así, controlar la corrosión de manera eficiente y biocompatible e inhibir la adhesión bacteriana sobre las mismas. Se investigó la interacción de FF tales como carvacrol, timol, ácido trans-ferúlico, ácido gálico y aceites esenciales de Thymus vulgaris, Origanum vulgare y Origanum x applii con MB de baja tasa de degradación como el Cu y de alta tasa de degradación como el Mg y sus aleaciones, empleando el Pt como control. Los objetivos particulares fueron: evaluar la biocompatibilidad de los FF en sistemas biológicos; estudiar la actividad electroquímica de los FF sobre superficies de Pt, Cu y Mg caracterizando los productos generados; reducir la tasa de degradación del Cu y Mg y sus aleaciones utilizando los FF seleccionados y evaluar los efectos biológicos (mejora de la biocompatibilidad y antiadherencia de bacterias) originados por las modificaciones superficiales de los MB estudiados. Con esos propósitos, en este trabajo, de características multidisciplinarias, se emplearon diversas técnicas fisicoquímicas y biológicas. Entre ellas se encuentran técnicas electroquímicas (voltamperometría cíclica, cronoamperometría, barridos lineales de potencial, registros de potencial a circuito abierto, curvas de Tafel) que permitieron llevar a cabo y analizar la adsorción y electropolimerización de los FF, así como evaluar la degradación y la inhibición de la corrosión metálica. Se realizaron también estudios superficiales utilizando espectroscopías infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), de dispersión de energía de rayos X (EDS), de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS), microscopía electrónica de barrido (SEM) y de fuerza atómica (AFM) y se emplearon técnicas de absorción atómica y colorimétricas para medición de iones metálicos liberados. Estos estudios se complementaron con ensayos biológicos utilizando cultivos de distintas líneas celulares que incluyeron análisis de biocompatibilidad de las drogas puras y combinadas con productos de degradación metálica y de viabilidad celular de cultivos en contacto con los materiales modificados superficialmente. Los recubrimientos con electropolímeros de timol (polyTOH) y carvacrol (polyCarv) logrados resultaron altamente protectores de la corrosión del Cu y, consecuentemente, generaron una mejora significativa de la biocompatibilidad, presentando una mayor performance las películas poliméricas obtenidas aplicando potencial constante y en particular las de polyCarv, dando lugar a una posible estrategia para su utilización en dispositivos intrauterinos (DIUs) y estructuras en contacto con medios acuosos. Por otra parte, las películas de polyTOH generadas sobre una aleación de Mg revelaron propiedades inhibitorias de la corrosión metálica, reduciendo la formación de precipitados de productos de degradación tales como fosfatos y carbonatos, logrando así disminuir la adhesión bacteriana 30 veces frente al control sin recubrimiento. En base a los resultados obtenidos se pudo concluir que los FF utilizados son biocompatibles y que, adsorbidos o electropolimerizados sobre las superficies poseen características relevantes para aplicaciones en MB, tales como propiedades antimicrobianas y antibiofilm y capacidad de controlar la velocidad de disolución metálica. Las propiedades resultantes de las modificaciones superficiales variaron según las características del FF (estructura molecular, capacidad de adsorberse y electropolimerizarse sobre la superficie metálica) y del MB (alta o baja velocidad de degradación). Los tratamientos diseñados constituyen EIE de utilidad, tanto para ambientes industriales como médicos, con capacidad de reducir los riesgos emergentes del contacto de los MB y el medio con actividad biológica.Facultad de Ciencias Exacta

Detection of carvacrol in essential oils by electrochemical polymerization

Carvacrol (Carv) and thymol (TOH), components of essential oils, are known by their antimicrobial and antioxidant activity. However, Carv but not TOH seems to be the responsible of anti-inflammatory and inhibition of Cu corrosion properties. Since Carv and TOH are positional isomers, their identification is tricky and GC-MS is usually required. To find simple and inexpensive methods that allow the detection of Carv in presence of TOH (e.g. essential oils), cyclic voltammetry and chronoamperometry tests using Pt and Cu as electrodes in TOH and Carv containing mixtures and essential oils were made. Electrochemical and ATR-FTIR results show that pure phytocompounds and mixtures lead to the formation of polymeric layers on both metallic surfaces. Results show that only Cu is suitable for Carv detection. Potentiostatic and potentiodynamic detection is simple and conclusive in Carv + TOH mixtures and in essential oils due to the formation of a homogeneous blocking Carv electropolymeric layer on Cu.Fil: Bertuola, Marcos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; ArgentinaFil: Fagali, Natalia Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; ArgentinaFil: Fernandez Lorenzo, Monica Alicia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ingeniería; Argentin

Mejora de la biocompatibilidad de biomateriales base cobre mediante el empleo de un antioxidante de origen natural

Los dispositivos intrauterinos (DIU) constituyen sistemas biodegradables de acción anticonceptiva debido a la liberación de iones Cu como resultado de su corrosión [1]. Los productos de degradación, tales como iones y nano-micropartículas pueden modificar la homeostasis celular, alterando tejidos aledaños, órganos y fluidos biológicos, induciendo procesos de inflamación, estrés oxidativo y cito-genotoxicidad [2]. Los objetivos de este trabajo fueron 1) estudiar el efecto antioxidante del timol (TOH), compuesto fenólico de origen natural, sobre el daño inducido por cobre (Cu) y sus productos de degradación; 2) testear si la disminución de la corrosión del Cu por parte del timol posibilita la reducción del efecto citotóxico inducido por los iones liberados.  La capacidad antioxidante del TOH se evaluó exponiendo los cultivos celulares (CHO-K1) por 24 hs de manera conjunta a extractos de Cu (Ex) y distintas concentraciones de TOH. Los Ex se obtuvieron sumergiendo una lámina de Cu (Pureza=99,8%) en medio de cultivo a 37ºC por 12hs. Además, se realizaron ensayos con pretratamientos de células con TOH durante 4hs y se prosiguió con el ensayo combinado de TOH y Ex por 24hs. Se analizó la viabilidad celular mediante las técnicas de Rojo Neutro, que evidencia integridad del sistema de endomembranas, y de MTT que evalúa la actividad mitocondrial. Ensayos electroquímicos previos mostraron que el TOH ejercía una actividad inhibitoria de la corrosión de Cu (eficacia de inhibición=46%). Este efecto se evaluó en sistemas biológicos mediante ensayos de contacto entre la lámina de Cu (con y sin pretratamiento con TOH) y el cultivo celular a fin de cuantificar la distribución y crecimiento celular en función de la distancia del metal. Se analizó la viabilidad después de 24 hs de exposición mediante la tinción con Naranja de Acridina y la proliferación celular, después de 7 días, por el ensayo clonogénico. En los ensayos combinados (Ex+TOH) (con/sin pretratamiento) no se observó mejora del daño celular inducido por iones Cu. Los resultados de los ensayos de contacto no evidenciaron una actividad inhibitoria de la corrosión del Cu suficiente como para revertir el efecto citotóxico inducido por sus productos de corrosión en células CHO-K1, observando un crecimiento celular y un número y morfología de colonias formadas similar tanto en presencia de la lámina de Cu tratada como en aquella sin tratar con TOH. Puede concluirse que en las condiciones experimentales empleadas, el TOH no ejercería una actividad antioxidante capaz de revertir el daño celular inducido por iones Cu y, a pesar de que estudios electroquímicos preliminares evidenciaron cierta capacidad inhibitoria de la corrosión del Cu por parte del TOH, los ensayos biológicos realizados no mostraron un aumento en la viabilidad celular

Pasivación y biocompatibilidad de carvacrol electropolimerizado sobre suuperficie de cobre

En un intento por reducir la contaminación ambiental se ha propuesto el uso de diversos inhibidores de la corrosión amigables con el entorno. En este trabajo se plantea el empleo del carvacrol (Carv), un componente de aceites esenciales de tomillo (Thymus vulgaris) y orégano (Origanum vulgare). Se estudió comparativamente el efecto del Carv adsorbido (adCarvCu) y electropolimerizado sobre Cu (poliCarvCu), mediante técnicas electroquímicas, espectroscópicas y biológicas. El poliCarvCu presentó mayor capacidad inhibitoria y cuando se exponían discos de poliCarvCu a las células la viabilidad celular era similar al control sin disco de cobre.Facultad de Ciencias Exacta

Mejora de la biocompatibilidad de biomateriales base cobre mediante el empleo de un antioxidante de origen natural

Los dispositivos intrauterinos (DIU) constituyen sistemas biodegradables de acción anticonceptiva debido a la liberación de iones Cu como resultado de su corrosión.Los productos de degradación, tales como iones y nano-micropartículas pueden modificar la homeostasis celular, alterando tejidos aledaños, órganos y fluidos biológicos, induciendo procesos de inflamación, estrés oxidativo y cito-genotoxicidad.Los objetivos de este trabajo fueron 1) estudiar el efecto antioxidante del timol (TOH), compuesto fenólico de origen natural, sobre el daño inducido por cobre (Cu) y sus productos de degradación; 2) testear si la disminución de la corrosión del Cu por parte del timol posibilita la reducción del efecto citotóxico inducido por los iones liberados. La capacidad antioxidante del TOH se evaluó exponiendo los cultivos celulares (CHO-K1) por 24 hs de manera conjunta a extractos de Cu (Ex) y distintas concentraciones de TOH. Los Ex se obtuvieron sumergiendo una lámina de Cu (Pureza=99,8%) en medio de cultivo a 37ºC por 12hs. Además, se realizaron ensayos con pretratamientos de células con TOH durante 4hs y se prosiguió con el ensayo combinado de TOH y Ex por 24hs. Se analizó la viabilidad celular mediante las técnicas de Rojo Neutro, que evidencia integridad del sistema de endomembranas, y de MTT que evalúa la actividad mitocondrial.Ensayos electroquímicos previos mostraron que el TOH ejercía una actividad inhibitoria de la corrosión de Cu (eficacia de inhibición=46%). Este efecto se evaluó en sistemas biológicos mediante ensayos de contacto entre la lámina de Cu (con y sin pretratamiento con TOH) y el cultivo celular a fin de cuantificar la distribución y crecimiento celular en función de la distancia del metal. Se analizó la viabilidad después de 24 hs de exposición mediante la tinción con Naranja de Acridina y la proliferación celular, después de 7 días, por el ensayo clonogénico.En los ensayos combinados (Ex+TOH) (con/sin pretratamiento) no se observó mejora del daño celular inducido por iones Cu. Los resultados de los ensayos de contacto no evidenciaron una actividad inhibitoria de la corrosión del Cu suficiente como para revertir el efecto citotóxico inducido por sus productos de corrosión en células CHO-K1, observando un crecimiento celular y un número y morfología de colonias formadas similar tanto en presencia de la lámina de Cu tratada como en aquella sin tratar con TOH.Puede concluirse que en las condiciones experimentales empleadas, el TOH no ejercería una actividad antioxidante capaz de revertir el daño celular inducido por iones Cu y, a pesar de que estudios electroquímicos preliminares evidenciaron cierta capacidad inhibitoria de la corrosión del Cu por parte del TOH, los ensayos biológicos realizados no mostraron un aumento en la viabilidad celular.Facultad de Ciencias Exacta

Is the biocompatibility of copper with polymerized natural coating dependent on the potential selected for the electropolymerization process?

With the intention of taking care of the environment and human health, the development of alternative eco-friendly methods to inhibit metal corrosion is intensively encouraged. In previous works we showed that some phytocompounds components of essential oils such as carvacrol (Carv) and thymol (TOH) are able to be electropolymerized on metals and they seem to be promissory for this purpose. The aim this paper is to investigate if the biocompatibility of copper covered by coatings formed by electropolymerization of Carv and TOH (polyCarv and polyTOH) is related with the potential selected for the electropolymerization process. Potentiostatic perturbations at different potentials, AFM images, ATR-FTIR spectroscopy and measurements of copper ions release provided suitable information to make a detailed analysis of different stages of the electropolymerization process that leads to polyCarv and polyTOH layers on copper surface. The change of the characteristics of the coatings over time was evaluated after several polymerization periods and current transients were interpreted by using nucleation and growth models. Results showed interesting changes in the polymerization process with the electrochemical perturbation, nature of the isomer, and time of the treatment. The treatment that provides the most protective, transparent and homogeneous layer, that strongly increased the biocompatibility of Cu could be selected: electropolymerization of Carv at 0.4 V. Results highlight the importance of the detailed study of the evolution of the electropolymerization processes to select the best ecofriendly condition due the high impact of potential perturbation and polarization time on the biocompatibility of the resulting polymeric layer-copper system.Facultad de IngenieríaInstituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicada

Mejora de la biocompatibilidad de biomateriales base cobre mediante el empleo de un antioxidante de origen natural

Los dispositivos intrauterinos (DIU) constituyen sistemas biodegradables de acción anticonceptiva debido a la liberación de iones Cu como resultado de su corrosión.Los productos de degradación, tales como iones y nano-micropartículas pueden modificar la homeostasis celular, alterando tejidos aledaños, órganos y fluidos biológicos, induciendo procesos de inflamación, estrés oxidativo y cito-genotoxicidad.Los objetivos de este trabajo fueron 1) estudiar el efecto antioxidante del timol (TOH), compuesto fenólico de origen natural, sobre el daño inducido por cobre (Cu) y sus productos de degradación; 2) testear si la disminución de la corrosión del Cu por parte del timol posibilita la reducción del efecto citotóxico inducido por los iones liberados. La capacidad antioxidante del TOH se evaluó exponiendo los cultivos celulares (CHO-K1) por 24 hs de manera conjunta a extractos de Cu (Ex) y distintas concentraciones de TOH. Los Ex se obtuvieron sumergiendo una lámina de Cu (Pureza=99,8%) en medio de cultivo a 37ºC por 12hs. Además, se realizaron ensayos con pretratamientos de células con TOH durante 4hs y se prosiguió con el ensayo combinado de TOH y Ex por 24hs. Se analizó la viabilidad celular mediante las técnicas de Rojo Neutro, que evidencia integridad del sistema de endomembranas, y de MTT que evalúa la actividad mitocondrial.Ensayos electroquímicos previos mostraron que el TOH ejercía una actividad inhibitoria de la corrosión de Cu (eficacia de inhibición=46%). Este efecto se evaluó en sistemas biológicos mediante ensayos de contacto entre la lámina de Cu (con y sin pretratamiento con TOH) y el cultivo celular a fin de cuantificar la distribución y crecimiento celular en función de la distancia del metal. Se analizó la viabilidad después de 24 hs de exposición mediante la tinción con Naranja de Acridina y la proliferación celular, después de 7 días, por el ensayo clonogénico.En los ensayos combinados (Ex+TOH) (con/sin pretratamiento) no se observó mejora del daño celular inducido por iones Cu. Los resultados de los ensayos de contacto no evidenciaron una actividad inhibitoria de la corrosión del Cu suficiente como para revertir el efecto citotóxico inducido por sus productos de corrosión en células CHO-K1, observando un crecimiento celular y un número y morfología de colonias formadas similar tanto en presencia de la lámina de Cu tratada como en aquella sin tratar con TOH.Puede concluirse que en las condiciones experimentales empleadas, el TOH no ejercería una actividad antioxidante capaz de revertir el daño celular inducido por iones Cu y, a pesar de que estudios electroquímicos preliminares evidenciaron cierta capacidad inhibitoria de la corrosión del Cu por parte del TOH, los ensayos biológicos realizados no mostraron un aumento en la viabilidad celular.Facultad de Ciencias Exacta

Efecto celular de biomateriales bioabsorbibles base Mg: control de la corrosión por nanopelículas de timol

El proceso de biodegradación de biomateriales base Mg induce problemas de biocompatibilidad en el sitio del implante. En este trabajo se evaluó el efecto celular de Mg y su aleación AZ31 en células de mamíferos. Con el fin de estudiar posibles estrategias de mejora de la biocompatibilidad, se realizaron modificaciones superficiales mediante electropolimerización de timol (TOH) a fin de disminuir la tasa de degradación. Se llevaron a cabo ensayos de viabilidad celular y de formación de colonias en células de la línea CHO-K1 en la zona aledaña a los discos de Mg y AZ31 mediante tinción con Naranja de Acridina (a 1 y 7 días de incubación, respectivamente). Se encontró una disminución (p<0,001) de células vivas para el Mg y su aleación respecto al control sin discos así como un efecto citotóxico evidenciado por una disminución del número y diámetro de las colonias en las cercanías del Mg(p<0,001) y AZ31(p<0,01) respecto al control. Considerando los resultados obtenidos, se realizaron modificaciones superficiales mediante electropolimerización de TOH sobre AZ31 (poliTOHAZ31) por voltametría cíclica (5 ciclos, 50mV/s) en etanol/agua + Salicilato de sodio(0,5M) + TOH(0,1M). Se estudió la corrosión mediante barridos lineales de potencial y registros de potencial a circuito abierto (OPC/3h) en medio de cultivo (4,8g/L Cl-) a 37°C. Los poliTOHAZ31 presentaron un corrimiento anódico del potencial de corrosión (Ecorr) de 77mV y un descenso de la corriente de la rama anódica y de la corriente de corrosión de un orden de magnitud. El registro de OPC de poliTOHAZ31 se mantuvo estable durante 3h, mientras que el AZ31 control descendió después de 170min. Contrariamente el poliTOHMg no mostró mejoras significativas en Ecorr respecto al metal sin tratar. Podemos concluir que el poliTOH logra controlar la corrosión de AZ31 por lo que podría mejorar su biocompatibilidad, otorgándole un potencial uso como material biodegradable-bioabsorbible.Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicada

Inhibición de la corrosión de materiales base cobre mediante compuestos fenólicos de origen natural

Los materiales base cobre tienen una función relevante en la industria ya que forman parte de cañerías de enfriamiento y de transporte de diversos productos y, por otra parte, aleaciones con níquel son empleadas en la industria naval. Asímismo, aleaciones con base cobre se utilizan en odontología y se emplea cobre puro en algunos dispositivos médicos. Sin embargo, en presencia de iones cloruro estos metales frecuentemente se corroen. Diversos compuestos orgánicos sintéticos son utilizados como inhibidores de la corrosión con consecuencias nocivas para el medio ambiente. Se ha demostrado que compuestos amigables con el medio ambiente (environmental-friendlyinhibitors (EEI), greencorrosioninhibitors), tales como derivados fenólicos extraídos de aceites esenciales de Thymus vulgaris, poseen cierta capacidad inhibitoria de la corrosión. Entre ellos, el timol y sus productos de oxidación, pueden actuar como inhibidores de la corrosión sobre hierro y derivados, aluminio, zinc y aleaciones de titanio. El objetivo de este trabajo fue estudiar la posible capacidad inhibitoria del timol sobre la corrosión de Cu mediante ensayos electroquímicos y su toxicidad a nivel celular.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí

Inhibición de la corrosión de materiales base cobre mediante compuestos fenólicos de origen natural

Los materiales base cobre tienen una función relevante en la industria ya que forman parte de cañerías de enfriamiento y de transporte de diversos productos y, por otra parte, aleaciones con níquel son empleadas en la industria naval. Asímismo, aleaciones con base cobre se utilizan en odontología y se emplea cobre puro en algunos dispositivos médicos. Sin embargo, en presencia de iones cloruro estos metales frecuentemente se corroen. Diversos compuestos orgánicos sintéticos son utilizados como inhibidores de la corrosión con consecuencias nocivas para el medio ambiente. Se ha demostrado que compuestos amigables con el medio ambiente (environmental-friendlyinhibitors (EEI), greencorrosioninhibitors), tales como derivados fenólicos extraídos de aceites esenciales de Thymus vulgaris, poseen cierta capacidad inhibitoria de la corrosión. Entre ellos, el timol y sus productos de oxidación, pueden actuar como inhibidores de la corrosión sobre hierro y derivados, aluminio, zinc y aleaciones de titanio. El objetivo de este trabajo fue estudiar la posible capacidad inhibitoria del timol sobre la corrosión de Cu mediante ensayos electroquímicos y su toxicidad a nivel celular.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí