La presente invención consiste en un substrato cuasibidimensional para tareas de crecimiento de células y tejidos caracterizado por una superficie superior fractal,

sobre la que crecen las células y tejidos, basada en modelos matemáticos que permiten controlar de forma precisa aspectos de dicha superficie como la rugosidad, porosidad o tamaño de las irregularidades, entre otras características que resultan críticas en tareas de crecimiento de células y que se controlan, ya desde la etapa de diseño, lo que permite enfoques personalizados que se adapten de forma óptima a los requisitos de las células cuyo crecimiento se quiere promocionar.

Substrato cuasibidimensional para crecimiento de células y tejidos y método de obtención del mismo.

Sector técnico La invención se encuadra en el sector técnico de los dispositivos médicos destinados a promocionar tareas de crecimiento de células y tejidos, tareas que habitualmente se engloban en el área de la “medicina regenerativa” o de la “ingeniería de tejidos”.

Estado de la técnica

La ingeniería de tejidos es una especialidad multidisciplinar que aplica los principios de la ingeniería y las ciencias de la vida a la fabricación de sustitutos biológicos que mantengan, mejoren o restauren la función de órganos y tejidos en el cuerpo humano. Incluye conceptos de ramas tan diversas como la biología celular, la microfabricación, la robótica y la ciencia de los materiales para diseñar partes de reemplazo del cuerpo humano.

Recientemente se ha acuñado, para denominar a este tipo de propuestas y tendencias, el término más general de “biofabricación”, que hace referencia a la adaptación de tecnologías y procedimientos típicos de la ingeniería mecánica y de fabricación al desarrollo artificial, no sólo de tejidos, sino también de estructuras biológicas tridimensionales e incluso órganos completos.

Esta especialidad ha experimentado grandes avances desde los años 80, fruto de la actividad de grandes investigadores como Eugene Bell o Robert S. Langer, ambos profesores del MIT, que comenzaron a promover la obtención de substratos con materiales y geometrías adecuados al cultivo de células y crecimiento de tejidos, que pudieran posteriormente usarse en intervenciones quirúrgicas (Langer, “Tissue Engineering”, 1993) .

Los progresivos avances en el campo de los polímeros biodegradables, en combinación con el desarrollo de tecnologías de fabricación automatizada, cada vez más versátiles, han hecho que a día de hoy puedan obtenerse substratos (“scaffolds”) con ciertas rugosidades, sobre los que se adhieren células vivas con factores de crecimiento, que se multiplican hasta cubrir el substrato. Una vez llegado a este punto todo el conjunto (substrato y recubrimiento) se implanta en zonas dañadas del organismo. Tras el implante las células se acomodan a su entorno y reproducen las funciones del tejido circundante, mientras que el substrato se reabsorbe progresivamente (Hollister, “Porous scaffold design for tissue engineering”, 2005) .

Todo ello ha cambiado el enfoque quirúrgico a la hora de solucionar numerosos problemas fruto de tejidos deteriorados, sin embargo su empleo sigue estando limitado por dificultades técnicas ligadas a la industrialización del proceso, pues el proceso de crecimiento sigue realizándose en laboratorio de forma casi artesanal y resulta muy complejo obtener tejidos con dimensiones mayores que unos pocos centímetros cuadrados.

Entre las patentes relacionadas con estos temas cabe citar los documentos US2010098742 “Fabrication of tissue lamina using microfabricated two-dimensional molds”, JP2009278961 “Cell culture substrate”, WO2010044758 “Resorbable scaffolds for bone repair and long bone tissue engineering”, CA2691801 “Porous composite material, preparation process thereof and use to realize tissue engineering devices”, CN101524556 “Porous tissue engineering scaffold and preparation method thereof”, CN101485905 “Method for constructing tissue engineering skin” ó US2009060969 “Porous biodegradable polymeric materials for cell transplantation”.

En dichos documentos se explican diferentes aspectos ligados al empleo de substratos o materiales porosos para crecimiento de células y tejidos planos, así como con los procedimientos utilizados para obtener dichos substratos y materiales o para promocionar el crecimiento celular sobre ellos. Se detallan a continuación algunas limitaciones actuales objeto de investigación y que deben ser superadas para promocionar los resultados alcanzables con estos substratos para crecimiento de tejidos.

El empleo de tecnologías de fabricación automatizada está permitiendo también la fabricación directa de substratos y la obtención de geometrías muy similares a las previamente diseñadas con ayuda de programas de diseño asistido por computador (diseños CAD) , lo que resulta efectivo a la hora de optimizar tiempos y costes en proyectos asociados al desarrollo de este tipo de soluciones biomédicas. Sin embargo las geometrías alcanzables mediante el empleo de estos programas de diseño asistido por computador resultan especialmente limitadas a la hora de intentar realizar diseños biomiméticos, que simulen las texturas, rugosidades y defectos propios de los órganos y tejidos corporales, sobre los que el crecimiento celular y tisular se ve promocionado.

Así resulta relativamente sencillo obtener, empleando programas “CAD”, estructuras laminares con ciertas protuberancias homogéneamente distribuidas sobre la superficie (pequeñas pirámides, bloques para conformar cuadrículas)

o realizar huecos o pequeñas depresiones (en forma de pozos de reducidas dimensiones) que ayudan a fijar los nutrientes y las células sobre el substrato. Pero estas geometrías, si bien resultan adecuadas en ciertas aplicaciones, siguen siendo demasiado sencillas (placas planas con ranuras o agujeros distribuidos de forma uniforme) y no permiten realizar buenas aproximaciones a la geometría y morfología típica de tejidos de sistemas biológicos (Hannachi, “Cell sheet technology and cell patterning for biofabrication”, 2009) .

Para superar estas notables diferencias con los tejidos reales, algunos investigadores proponen el empleo de ataques químicos para obtener las texturas y rugosidades buscadas. Sin embargo los resultados finales son difícilmente controlables desde la etapa de diseño y es necesario recurrir a diversas iteraciones durante la obtención de los prototipos de substratos deseados, por los múltiples parámetros implicados en el proceso (como concentración del agente atacante, tiempo de exposición, temperaturas implicadas, entre otros) .

Descripción breve de la invención Como apoyo a la obtención de substratos para ingeniería de tejidos que permitan simular las irregularidades geométricas propias de las superficies biológicas, se propone en esta invención el diseño de superficies con geometría fractal. Los fractales son objetos aparentemente quebrados, fragmentados o irregulares, con cierto grado de autosemejanza, con detalle a cualquier escala de observación y demasiado irregulares para ser descritos en términos geométricos convencionales, por lo que generalmente se definen mediante algoritmos recursivos.

Un fractal natural es un elemento de la naturaleza que puede ser descrito mediante la geometría fractal. Así las nubes, las montañas, el sistema circulatorio, las líneas costeras o los copos de nieve son fractales naturales. Esta representación es aproximada, pues las propiedades atribuidas a los objetos fractales ideales, como el detalle infinito, tienen límites en el mundo natural.

Su aplicación en tareas de bioingeniería puede resultar de gran utilidad, especialmente en combinación con herramientas de diseño CAD y de fabricación rápida que permitan obtener de forma directa soportes para ingeniería de tejidos con diseños mejorados.

En base al empleo de modelos fractales adecuados se pueden controlar aspectos superficiales críticos, como la rugosidad, el tamaño de las irregularidades, entre otros, lo que permite enfoques personalizados biomiméticos, ya desde la etapa de diseño, así como la adaptación a diferentes tipos de células y tejidos cuyo crecimiento se quiera estimular, según se detalla en esta invención. Para ello es importante caracterizar la morfología del tejido objetivo y emplear dicha información como apoyo a las posteriores tareas de diseño, según se exponen más adelante.

La solución aquí propuesta destaca por su versatilidad a la hora de controlar los principales parámetros superficiales que influyen en el crecimiento celular, así como por la posibilidad de adaptación a medida de diferentes tipos células y tejidos objeto de crecimiento, para lo que el empleo de modelos superficiales fractales, en combinación con la información procedente de caracterizaciones previas del tejido objetivo, resulta muy adecuado.

La presente invención tiene por objeto un substrato cuasibidimensional para tareas...

1. Método de obtención de un sustrato para crecimiento de tejidos caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

- determinar en una muestra de tejido original, la dimensión fractal y las coordenadas de posición de un conjunto de puntos de su superficie para definir la morfología de dicho tejido,

- generar una superficie fractal de acuerdo con la información anterior de modo que la superficie generada se ajuste a dichos puntos,

- reproducir en al menos una cara de un material la superficie fractal generada.

2. Método según reivindicación 1, que comprende además validar la superficie fractal generada mediante el cálculo de su dimensión fractal y su comparación con el valor correspondiente al tejido original.

3. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde para definir la morfología del tejido original, se calculan valores de altura sobre una cuadrícula a partir de las coordenadas de posición del conjunto de puntos de la superficie del tejido.

4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la dimensión fractal se determina empleando al menos una de las siguientes técnicas o una combinación de las mismas: -perfilometría óptica,

- perfilometría de contacto, -herramientas de microscopía.

5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha superficie fractal se dota de un espesor superior o iguala1micrómetro e inferior o igual a 20 milímetros.

6. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie fractal se genera siguiendo un modelo de los siguientes: -“fractales fracciónales brownianos”, -“Mandelbrot-Weierstrass”, -“Eden-growth”, -“Kardar-Parisi-Zhang”

- “Langevin”, -o superposición de geometrías senoidales de diferente frecuencia.

7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie fractal generada se reproduce empleando tecnologías aditivas.

8. Método según la reivindicación anterior, donde la tecnología aditiva se elige entre una de las siguientes: -tecnologías de impresión 3D, -tecnologías de fabricación “capa a capa”, -tecnologías de fabricación rápida, -a través de bioimpresoras.

9. Método según la reivindicación 8 ó 9, donde la tecnología aditiva emplea más de un componente para obtener un substrato de material compuesto.

10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie fractal se emplea para obtener un molde.

11. Método según la reivindicación anterior, donde la superficie fractal generada se reproduce en un substrato moldeado por colada.

12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 12, donde la superficie fractal generada se reproduce mediante compresión en caliente sobre substrato polimérico, empleando una impronta micrométrica obtenida por micromecanizado.

13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores1a7, donde la superficie fractal generada se reproduce mediante recubrimiento superficial realizado mediante al menos una de las siguientes: -tecnologías de deposición física de vapor,

- deposición química de vapor, -implantación de iones.

14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde además el sustrato se recubre mediante procesos de deposición sol -gel, de de una fina capa de una solución acuosa o de un hidrogel para incorporar agentes antibióticos y/o de factores de crecimiento y/o para adaptar las propiedades mecánicas del soporte a las de los tejidos del organismo receptor.

15. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde comprende además una etapa de esterilización.

16. Método según la reivindicación anterior, donde la esterilización se realiza mediante una de las siguientes técnicas: -por vapor, -por óxido de etileno, -por radiación,

- por plasma, -por dióxido de carbono en estado supercrítico.

17. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material del substrato es un material biológico, seleccionado entre colágeno, almidón, quitina, celulosa, algas, agar, fibrina, cera, resina, seda de araña y alginato.

18. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 16, donde el material del substrato se elige entre -un polímero bioinerte, -un cerámico bioinerte, -un cerámico bioactivo,

- un metal o aleación bioinerte, -un metal o aleación bioactiva.

19. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 16, donde el material elegido es un polímero con memoria configurado para adoptar temporalmente una forma más plana favoreciendo recubrimientos superficiales de acuerdo con su temperatura de activación.

20. Substrato para crecimiento de células y tejidos caracterizado por que al menos una de sus caras presenta una superficie fractal con dimensión fractal de valor mayor que 2 y menor que 3, estando dicha superficie fractal generada de acuerdo con la morfología del tejido original.

21. Sustrato según reivindicación anterior, caracterizado por que la superficie fractal está generada para reproducir el tamaño de las irregularidades, la porosidad y/o la rugosidad de la superficie del tejido original.

22. Sustrato según reivindicación anterior, donde el espesor del substrato es superior o igual a un 1 micrómetro e inferior o igual a 20 milímetros.

23. Sustrato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 20 a 22, caracterizado por que comprende al menos un recubrimiento.

24. Sustrato según la reivindicación 23, donde el recubrimiento es un hidrogel que contiene agentes antibióticos y/o de factores de crecimiento

25. Sustrato según la reivindicación 23, donde el recubrimiento es una solución acuosa que contiene agentes antibióticos y/o de factores de crecimiento.

26. Sustrato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 31 a 36, caracterizado por que comprende un material biológico.

27. Sustrato según la reivindicación 26, donde el material biológico está seleccionado entre al menos uno de los siguientes: colágeno, almidón, quitina, celulosa, algas, agar, fibrina, cera, resina, seda de araña y alginato.

28. Sustrato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 20 a 25, donde el material del substrato comprende uno de los siguientes materiales: -un polímero bioinerte, -un cerámico bioinerte, -un cerámico bioactivo, -un metal o aleación bioinerte,

- un metal o aleación bioactiva, -polímero con memoria.

29. Molde para la obtención de un substrato para crecimiento de células y tejidos caracterizado por que contiene una cavidad para generar una superficie fractal con dimensión fractal de valor mayor que 2 y menor que 3, estando dicha superficie fractal generada de acuerdo con la morfología del tejido original.