Categoría: Industria Médica

Hidrogeles y Grafeno: La Fusión Tecnológica que Revoluciona la Ciencia de los Materiales 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Hidrogeles y Grafeno:

La Fusión Tecnológica que Revoluciona la Ciencia de los Materiales 

Los hidrogeles son redes poliméricas con una estructura hidrófila que les permite retener grandes cantidades de agua en sus redes tridimensionales. Desde sus primeras referencias en 1900 hasta los avances de Wichterle y Lim en la década de 1960, la tecnología de los hidrogeles ha evolucionado a tal grado que, hoy en día son soluciones importantes tanto para el sector médico, con la liberación controlada de fármacos o de agentes biológicamente activos; ambiental, para la adsorción de contaminantes o remediación de suelos; agrícola, para la retención de agua o acondicionamiento del suelo; alimentario, desde agentes texturizantes hasta envasado inteligente y almacenamiento de energía, por mencionar algunos ejemplos.  

“En 1900 el término «hidrogel» apareció por primera vez en la literatura científica para describir un gel coloidal de sales inorgánicas” 

Los hidrogeles pueden estar reticulados químicamente por enlaces covalentes, físicamente mediante interacciones no covalentes o por una combinación de ambas y se clasifican en naturales, incluyendo proteínas (colágeno y gelatina) y polisacáridos (almidón, alginato y agarosa); en sintéticos, a partir de  métodos de polimerización química e híbridos. Pero, como es de esperarse, los materiales sintéticos han reemplazado casi en su totalidad a los naturales por una mejor capacidad de absorción de agua, mayor vida útil y amplia variedad de materias primas.  

“La capacidad de absorción de agua de los hidrogeles se debe a los grupos funcionales hidrófilos unidos a su estructura polimérica, mientras que su resistencia a la disolución resulta de los enlaces cruzados entre las cadenas de la red” 

En general, los hidrogeles son fundamentalmente conocidos y utilizados por su excelente capacidad de absorber grandes cantidades de agua sin modificar su estructura. Pero su baja resistencia mecánica y sensibilidad a otros estímulos externos como la temperatura, la luz, o los campos eléctricos pueden favorecer o perjudicar su rendimiento en entornos variables. A continuación, mencionaremos algunos ejemplos: 

Sensibilidad a la temperatura: Este tipo de hidrogeles experimentan cambios en volumen o en solubilidad al momento en que se expanden o contraen ante el calor o frío. Esto permite que puedan liberar desde contaminantes adsorbidos hasta fármacos o agentes bioactivos, haciéndolos adecuados para procesos dinámicos de tratamiento de aguas residuales o para terapia médica. Sin embargo, el desafío de este tipo de materiales es su estabilidad a largo plazo y la capacidad de respuesta precisa a cambios de temperatura.  

Fotosensibilidad: La inclusión de agentes fotoactivos dentro de su red polimérica puede mejorar la degradación de contaminantes, activar y liberar determinados medicamentos o incluso mejorar las condiciones para el crecimiento y diferenciación celular para la ingeniería de tejidos. Aunque probablemente el reto más representativo para esta aplicación sea la foto degradación del material, como generalmente ocurre con la exposición continua a la radiación Uv.   

Sensibilidad a los campos eléctricos: El diseño de los hidrogeles electroactivos es a partir de la incorporación de grupos iónicos que, ante la aplicación de un campo eléctrico se mueven y modifican la estructura del hidrogel, de tal forma que alteran su permeabilidad permitiendo o impidiendo el paso de sustancias. Esta sensibilidad es de gran utilidad para el tratamiento de aguas residuales en cuanto a la captación y liberación de contaminantes o para la agricultura en cuanto a la liberación controlada de agua o nutrientes en el suelo. Desafortunadamente, la durabilidad y el alto costo, puede que sean las condiciones más retadoras para esta tecnología.  

Sensibilidad al pH: Esto se logra incorporando grupos funcionales ionizables (carboxilo o amino) en la estructura del polímero, en vías de que, en respuesta a cambios en el pH del entorno, estos grupos puedan ganar o perder protones y cambien sus interacciones intermoleculares para hincharse y absorber agua o contraerse para liberarla, dependiendo de la acidez o alcalinidad del medio.  

¿De qué manera la nanotecnología beneficia el desempeño de los hidrogeles? 

El campo interdisciplinario que se centra en la manipulación y fabricación de materiales y dispositivos a escala atómica, molecular y supramolecular se denomina nanotecnología. Lo cual se refiere al control de la materia en tamaños extremadamente pequeños, que van desde 1 hasta 100 nanómetros (nm) pero que pueden lograr grandes cambios.  

De hecho, se sabe que desde principios de la década de los 90`s la nanotecnología ha contribuido a mejorar la robustez mecánica de los hidrogeles, pero también ha hecho aportaciones para desarrollar funciones inteligentes y ampliar su campo de aplicación, sobre todo en materia médica y ambiental, teniendo siempre como premisa que cada tipo de nanopartícula brinda propiedades específicas.  

“Para dimensionar la escala nanométrica, tenemos que el espesor promedio de un cabello es de aproximadamente 60,000 nm y un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro”. 

¿Cuál es el valor agregado del Grafeno en el desempeño de los Hidrogeles? 

El grafeno es una lámina de carbono nanométrica y bidimensional (2D) de un átomo de espesor con una estructura similar a la del anillo de benceno, de gran interés para los investigadores de diferentes campos, debido a sus excepcionales propiedades como conductividad térmica, resistencia mecánica, flexibilidad, biocompatibilidad, entre otras que pueden ser transferidas a las matrices de los hidrogeles.  

1. Resistencia Mecánica 

Como se mencionó anteriormente, una de las principales limitaciones de los hidrogeles es su baja resistencia mecánica. Esto dificulta su uso en aplicaciones donde se requiere durabilidad y resistencia a la deformación. El grafeno, conocido por su excepcional resistencia y flexibilidad, puede reforzar significativamente la estructura de los hidrogeles, aumentando su resistencia y estabilidad mecánica.  

2. Estabilidad Térmica 

Los hidrogeles pueden ser sensibles a los cambios de temperatura y, por lo tanto, son propensos a afectar su rendimiento en entornos variables. La adición de grafeno puede mejorar la estabilidad térmica de los hidrogeles, permitiendo que mantengan sus propiedades funcionales en un rango más amplio de temperaturas.  

3. Protección antimicrobiana y biocompatibilidad 

Aunque los hidrogeles suelen ser seguros para el medio biológico, la evidencia científica sustenta que la adición de grafeno puede mejorar su estabilidad y biocompatibilidad. Además, sus propiedades antimicrobianas intrínsecas pueden ser transferidas a los hidrogeles, haciéndolos más seguros para aplicaciones donde el control de infecciones es crucial. 

5. Respuestas eléctricas 

Una propiedad del grafeno de gran utilidad para la ingeniería de tejidos es la transmisión de señales eléctricas, para favorecer la comunicación entre células y con su entorno, sobre todo en tejidos eléctricamente activos (como nervioso, muscular o cardíaco). Además, permite liberar también de manera controlada, moléculas (fármacos) bajo aplicación intermitente de voltaje, a la vez que previene sobrecalentamiento durante estimulación eléctrica. 

Si bien hasta el momento no se registran hidrogeles con grafeno en el mercado, sí existen numerosos desarrollos nanotecnológicos experimentales alrededor del mundo que gradualmente están sentando las bases para aplicaciones futuras, como se describe a continuación: 

  1. A principios de 2025, un estudio realizado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, en colaboración con el Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo, España, logró reconectar médula espinal totalmente seccionada en ratas usando una espuma de óxido de grafeno reducido (rGO) como andamio, mejorando conexiones neuronales y funcionalidad tras varios meses. Entre otras observaciones, los investigadores encontraron que al colocar el andamio con rGO en la médula espinal, aparecieron gran cantidad de vasos sanguíneos, fundamentales para nutrir el nuevo tejido. 
  1. En 2025, la Facultad de Agronomía de la Universidad de Buenos Aires (FAUBA), el CONICET y el INTI desarrollaron hidrogeles que resisten múltiples ciclos de hidratación y deshidratación, basados en la nanofiltración para la eliminación de virus, bacterias, hongos y metales pesados del agua. Cabe mencionar que el Laboratorio de Agro-Nanotecnología de la UBA tiene diferentes líneas de investigación enfocadas en el sector agropecuario y en las que se han estudiado 30 nanopartículas distintas con aplicación a la fertilización y al tratamiento de enfermedades de cultivos. 
  1. En 2023 en la revista Environmental Science & Technology, se publicó un estudio en el que se exploró la eliminación de metales pesados utilizando hidrogeles con grafeno. Los resultados reportaron una eficiencia de hasta el 95% para la eliminación del ion plomo en soluciones acuosas. 
  1. En 2022 en la revista Biomaterials Translational se presentaron los resultados obtenidos con un hidrogel de ácido hialurónico- óxido de grafeno (GO) y el fármaco Senexin A, un medicamento en evaluación para tratar la enfermedad vascular oclusiva. Durante la investigación, el GO se funcionalizó no covalentemente con Senexin A, y se logró una liberación sostenida del fármaco durante 21 días con una cinética de liberación ajustable y buena biocompatibilidad. Este novedoso hidrogel abrió el camino como sistema de administración perivascular de fármacos para el tratamiento de enfermedades vasculares oclusivas. 
  1. En 2022, en la revista Applied Materials & Interfaces se reportó un hidrogel de grafeno utilizado como andamio para la remodelación de cartílago. La investigación encontró una acelerada y equilibrada reparación del tejido, con expresión de fibrillas de colágeno tipo II demostrando un crecimiento celular estable a lo largo del andamio.   
  1. En 2018, un equipo de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) desarrolló un hidrogel de almidón y grafeno pensado para aplicaciones médicas, como electrodos flexibles para implantes cerebrales. El grafeno se combinó con extracto de salvia para mejorar su estabilidad en agua, además de conferir propiedades antibacterianas y eléctricas importantes. 
  1. En 2017, en la revista Environmental Science & Technology se publicaron los resultados de una investigación en la que se desarrolló un hidrogel poroso con óxido de grafeno (3D) como material super adsorbente para diferentes contaminantes del agua. Los científicos concluyeron que, al lograr un medio de soporte más estable, adecuados nanocanales de transporte y puentes de hidrógeno entre el grafeno y los contaminantes se pudo mejorar la capacidad adsorbente del material.  
  1. En 2017 en la revista Biomaterials se reportó un hidrogel suave e inyectable sintetizado a partir de PEGDAmelamina con óxido de grafeno (GO). En la experimentación in vivo sobre modelos de rata con infarto de miocardio, la inyección de este hidrogel produjo mejoras en la fracción de eyección (FE) y de acortamiento (FS); también mostró una neovascularización superior en comparación con otras muestras. Además, los resultados indicaron que el hidrogel redujo el tamaño del infarto y el área de fibrosis, sugiriendo una mejora en la recuperación de la función cardíaca. 

En resumen, los hidrogeles con grafeno, o con cualquiera de sus derivados ofrecen mejoras estructurales y funcionales. Su avance representa un salto hacia sistemas más inteligentes y adaptativos en biomedicina, agricultura y remediación ambiental. Pero como toda tecnología emergente para su introducción masiva, primero será necesario superar barreras regulatorias y de fabricación a gran escala a bajo costo. 

Redacción: EF/ DHS 

Referencias 

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Biocompatibilidad y Biodegradabilidad del Grafeno: Avances y Evidencias Científicas

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Biocompatibilidad y Biodegradabilidad del Grafeno:

Avances y Evidencias Científicas

El grafeno es ampliamente reconocido por sus propiedades excepcionales y su potencial para revolucionar diversas industrias. Sin embargo, al tratarse de una tecnología relativamente reciente y con aplicaciones emergentes, han surgido cuestionamientos sobre su impacto en la salud humana y el medio ambiente. Por ello, es fundamental analizar los estudios científicos que han evaluado su biocompatibilidad y biodegradabilidad, proporcionando evidencia sobre su seguridad y comportamiento en distintos sistemas biológicos.

Biocompatibilidad: Definida como la ausencia de reacciones adversas alérgicas o inmunitarias en el organismo frente a un material)

A lo largo de la última década, múltiples estudios han demostrado que el grafeno y sus derivados pueden ser biocompatibles bajo ciertas condiciones. Investigaciones sobre su interacción con la sangre, diferenciación celular, función renal, activación neuronal y regeneración ósea han arrojado resultados positivos. Destacan los siguientes hallazgos clave:

2012- Compatibilidad con sangre y respuesta de macrófagos. Se evalúa la nanotoxicidad sobre macrófagos a partir de los efectos del grafeno sobre su actividad metabólica, integridad de membrana, inducción de estrés oxidativo, hemólisis, activación y agregación plaquetaria, cascada de coagulación, inducción de citocinas, así como la activación y supresión de células inmunes.

Los resultados arrojaron que, si bien el grafeno sí interactúa con los macrófagos, la toxicidad se reduce significativamente por la funcionalización de la superficie. En cuanto a la compatibilidad con la sangre, el grafeno con y sin funcionalización tuvo una excelente compatibilidad con glóbulos rojos, plaquetas, vías de coagulación plasmática, y una alteración mínima en la expresión de citocinas por células mononucleares de sangre periférica humana. Además, no se identificó ninguna activación o supresión prematura de células inmunes hasta una concentración relativamente alta de grafeno (75 μg mL-1) después de 72 h de incubación in vitro.

Conclusión: Una posible toxicidad del grafeno se evita fácilmente mediante la funcionalización de su superficie.

A. Sasidharan, et. al., Hemocompatibility and Macrophage Response of Pristine and Functionalized Graphene, Small, 2012, 8, 1251

2014- Diferenciación de células cardiacas. Se analiza el efecto del grafeno sobre la diferenciación cardiomiogénica de las células madre embrionarias humanas (hESC). El grafeno fue sintetizado por CVD y depositado sobre vidrio cubierto con vitronectina, una proteína multifuncional que se encuentra en el plasma, las plaquetas y la matriz extracelular, para garantizar la viabilidad de las hESC. Las células se cultivaron durante 21 días y se encontró que el cultivo de hESC en grafeno promovió la expresión de genes involucrados en la diferenciación gradual en células de linaje mesodérmico y endodérmico y, posteriormente, la diferenciación cardiomiogénica en comparación con el cultivo en vidrio sin grafeno.

Conclusión: el grafeno puede proporcionar una plataforma para el desarrollo de terapias con células madre para enfermedades cardíacas al mejorar la diferenciación cardiomiogénica de las células madre embrionarias humanas.

Tae-Jin Lee, et. al., Graphene enhances the cardiomyogenic differentiation of human embryonic stem cells, Biochem Biophys Res Commun, 2014, 452(1):174

2016- Impacto sobre la función renal. Se estudió el efecto a nivel renal del óxido de grafeno administrado a ratones por vía intravenosa. Los resultados arrojaron que el GO fue excretado por orina, lo que indica un tránsito rápido a través de la barrera de filtración glomerular (GFB), sin nefrotoxicidad. El análisis concluyó ausencia de deterioro de la función renal hasta 1 mes después de la inyección de GO en dosis crecientes. El examen histológico no encontró daño en las regiones glomerulares y tubulares de los riñones. El análisis ultraestructural tampoco mostró daño ni cambios en el tamaño de las hendiduras de los podocitos, la fenestra de las células endoteliales o el ancho de la membrana basal glomerular. Los cultivos de células endoteliales y podocitarias recuperaron su función de barrera después de >48 h de la exposición al GO, y la captación celular fue significativa en ambos tipos de células después de 24 h.

Conclusión: el GO no es tóxico para los riñones.

Dhifaf A. Jasim, et. al., The Effects of Extensive Glomerular Filtration of Thin Graphene Oxide Sheets on Kidney Physiology. ACS Nano 2016, 10, 12, 10753

2018- Efecto en la activación neuronal. Se evalúa el efecto del grafeno monocapa en la activación neuronal. Se identificó que el grafeno modifica las funciones asociadas a la membrana en las células cultivadas, es decir, ajusta la distribución de iones extracelulares en la interfaz con las neuronas, un regulador clave de la excitabilidad neuronal. Los cambios en la membrana fueron: corrientes de iones de potasio más fuertes con un cambio en la fracción de fenotipos de activación neuronal de adaptación a activación tónica. La hipótesis del estudio fue que las interacciones grafeno-ion se maximizan cuando el grafeno de una sola capa se deposita sobre sustratos eléctricamente aislantes.

Conclusión: el óxido de grafeno puede actuar como sustrato para la interacción neuronal.

N. P. Pampaloni, et. al., Single-layer graphene modulates neuronal communication and augments membrane ion currents, Nat. Nanotechnol., 2018, 13, 755

2018- Coadyuvante en la proliferación de células pulmonares y neuronales. Se fabrican “papeles” de óxido de grafeno de distinto tamaño y espesor como sustrato para el cultivo de células pulmonares y células neuronales humanas, evaluando su capacidad para la adhesión y proliferación celular, así como una posible respuesta citotóxica a partir de la detección de lactato deshidrogenasa (LDH) en los sobrenadantes celulares.

Conclusión: el óxido de grafeno puede actuar como sustrato celular biocompatible para el crecimiento celular y sin efectos citotóxicos, abriendo mayores posibilidades para la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa, y las aplicaciones biónicas.

D. A. Jasim, et. al., Graphene-based papers as substrates for cell growth: Characterisation and impact on mammalian cells, FlatChem, 2018, 12, 17

2020- Biocompatibilidad del grafeno en materiales dentales- Se estudió la biocompatibilidad de un material de restauración y un cemento dental con grafeno sobre el defecto mandibular de un modelo animal. La citotoxicidad se evaluó in vitro a 24 h sobre células madre de folículos dentales humanos y sobre queratinocitos orales. Los estudios in vivo se realizaron a las 7 semanas posteriores a la implantación. Para ello se recolectó tejido óseo para su análisis histológico. Asimismo, se realizaron análisis de bioquímica plasmática, estrés oxidativo y toxicidad orgánica subcrónica.

Los resultados in vitro demostraron quelos materiales no generaron toxicidad sobre las células; in vivo los modelos animales no presentaron síntomas de toxicidad aguda o inflamación local. No se detectaron alteraciones en los pesos de los órganos; histológicamente no hubo alteraciones a nivel hepático y renal. Se confirmó la falta de toxicidad sistémica de los materiales en los órganos.

Conclusión: El estudio aporta más pruebas sobre la capacidad de los materiales dentales con grafeno para la regeneración ósea y la biocompatibilidad.

A. Dreanca, et. al., Systemic and Local Biocompatibility Assessment of Graphene Composite Dental Materials in Experimental Mandibular Bone Defect. Materials 2020, 13, 2511; doi:10.3390/ma13112511

2022- Riesgos del grafeno en microplásticos. El estudio se llevó a cabo sobre un compuesto de poliamida 6 o Nylon-6, un plástico de uso común en la industria automotriz y deportiva, reforzado óxido de grafeno reducido (rGO 2.5%). Posteriormente el material se sometió a desgaste tratando de emular los procesos naturales a lo largo de su vida útil, desprendiendo partículas de tamaño aproximado entre 1.9 µm y 3.2 µm. Para analizar los efectos de las partículas desgastadas a lo largo de las vías de exposición más probables se utilizaron in vitro modelos celulares humanos de pulmones, tracto gastrointestinal, piel y sistema inmune, así como un modelo animal para estudiar la exposición pulmonar in vivo.

Al terminar el estudio únicamente se encontraron respuestas agudas limitadas después de la exposición a los microplasticos en los diferentes modelos. Sólo el rGO libre indujo efectos adversos importantes, en particular en los macrófagos.

Conclusión: Los microplasticos con grafeno sugieren un riesgo bajo para la salud humana. Los materiales grafénicos no deben ser inhalados.

S. Chortarea, et. al., Hazard assessment of abraded thermoplastic composites reinforced with reduced graphene oxide, Journal of Hazardous Materials 435 (2022) 129053.

2023- Función pulmonar. Se analiza la respuesta biológica, distribución y biopersistencia de cuatro tipos de grafeno en pulmones de ratones hasta 28 días después de una única aspiración orofaríngea. Los resultados arrojaron que ninguno de los materiales indujo una respuesta inmunitaria pulmonar fuerte, observando que los neutrófilos internalizan, degradan y eliminan mejor las láminas de grafeno pequeñas (~50nm) que los macrófagos, debido a que las de mayor tamaño (~8µm) pueden tener mayor persistencia.

Conclusión: el grafeno no causa respuesta inflamatoria en pulmones, sin embargo, es importante considerar el tamaño de las láminas, siendo las de menor tamaño las más fáciles de eliminar de las vías aéreas y, por lo tanto, las más seguras.

Thomas Loret, et. al., Lung Persistence, Biodegradation, and Elimination of Graphene-Based Materials are Predominantly Size-Dependent and Mediated by Alveolar Phagocytes, Small, 2023,19(39): e2301201

2024- Función pulmonar y cardiovascular. Se realiza un estudio in vivo para evaluar el efecto de la inhalación de óxido de grafeno sobre la función pulmonar y cardiovascular en humanos sanos. Para el ensayo 14 voluntarios inhalaron durante 2 horas en visitas repetidas, laminas pequeñas y ultrapequeñas de óxido de grafeno a una concentración controlada. La frecuencia cardíaca, presión arterial, función pulmonar y los marcadores inflamatorios no se vieron afectados independientemente del tamaño de las partículas; el análisis de sangre tuvo pocas proteínas plasmáticas diferenciales y la formación de trombos aumentó levemente en un modelo ex vivo de lesión arterial.

Conclusión: la inhalación de óxido de grafeno puede ser tolerada y no se asocia con efectos perjudiciales evidentes en humanos sanos. El estudio sienta las bases para más estudios en humanos que analicen un mayor número de individuos, así como diferentes tipos y dosis de grafeno.

Jack P. M. Andrews, First-in-human controlled inhalation of thin graphene oxide nanosheets to study acute cardiorespiratory responses. Nature nanotechonoly, 2024, 19, 705.

Biodegradación: Proceso mediante el cual una sustancia es descompuesta por organismos vivos a través de mecanismos enzimáticos o metabólicos

Uno de los aspectos más relevantes en la evaluación de la seguridad del grafeno es su capacidad de biodegradación. Investigaciones realizadas en el marco del proyecto Graphene Flagship han demostrado que el grafeno y el óxido de grafeno pueden ser degradados exitosamente, como se verá a continuación:

2018- Investigadores asociados al Graphene Flagship de la Unión Europea adscritos al Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, Universidad de Estrasburgo, Instituto Karolinska y a la Universidad de Castilla-La Mancha (UCLM), a través de los estudios “Dispersibility-Dependent Biodegradation of Graphene Oxide by Myeloperoxidase (2015)”, “Graphene oxide is degraded by neutrophils and the degradation products are non-genotoxic (2018)” y “Peroxidase mimicking DNAzymes degrade graphene oxide (2018)” descubrieron que la enzima mieloperoxidasa (MPO) biodegrada con éxito tanto al grafeno como al óxido de grafeno. 

Mieloperoxidasa (MPO): enzima liberada por los neutrófilos, células que se encargan de la eliminación de cualquier cuerpo extraño o bacteria que entre en el cuerpo y que se encuentra en los pulmones. Si se detecta un cuerpo extraño o bacteria dentro del cuerpo, los neutrófilos lo rodean y secretan MPO para destruir la amenaza.

El profesor Andrea C. Ferrari, responsable de Ciencia y Tecnología de Graphene Flagship y presidente de su comité de gestión, mencionó: “El informe sobre una vía exitosa para la biodegradación del grafeno es un paso muy importante para garantizar el uso seguro de este material en las aplicaciones. El Graphene Flagship ha situado la investigación de los efectos del grafeno sobre la salud y el medio ambiente en el centro de su programa desde el principio. Estos resultados fortalecen nuestra hoja de ruta de innovación y tecnología”.

https://graphene-flagship.eu/materials/news/biodegradable-graphene/#:~:text=Ferrari%2C%20Science%20and%20Technology%20Officer,our%20innovation%20and%20technology%20roadmap%22

Cristina Martın, et al., Biocompatibility and biodegradability of 2D materials: graphene and beyond, Chem. Commun., 2019, 55, 5540

Este descubrimiento es crucial, ya que confirma que el grafeno no es un material acumulativo en el cuerpo humano ni en el medio ambiente, sino que puede ser procesado y eliminado de manera natural, reduciendo los riesgos de toxicidad a largo plazo.

Conclusión

El grafeno y sus derivados han demostrado un alto grado de biocompatibilidad y una degradabilidad controlada en diversos estudios científicos. Si bien todavía existen desafíos por abordar, la evidencia actual respalda su seguridad en aplicaciones biomédicas, industriales y ambientales.

La clave para su correcto uso radica en la selección del tipo de grafeno y su funcionalización, lo que permite minimizar riesgos y potenciar sus beneficios. Gracias a los avances en la investigación, cada vez es más clara la viabilidad del grafeno como un material innovador, seguro y sostenible, con aplicaciones que van desde la medicina regenerativa hasta la nanotecnología avanzada.

El continuo desarrollo de estudios científicos permitirá consolidar aún más su posicionamiento como una de las tecnologías clave del futuro, asegurando su implementación responsable y efectiva en distintas industrias.

Redacción: EF/DHS

Grafeno y nanomedicina: la combinación perfecta para una salud mejorada

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Grafeno y nanomedicina:

la combinación perfecta para una salud mejorada

Parte lll. Odontología- Implantología

La aplicación de la nanotecnología en la nanomedicina se fundamenta en que la mayoría de las moléculas biológicas desde el ADN, aminoácidos y proteínas hasta constituyentes como la hidroxiapatita y las fibrillas de colágeno, entre otros, existen y funcionan en la escala nanométrica.

Nanómetro (nm): millonésima parte de 1 milímetro.

Los materiales grafénicos son nanopartículas de carbono en forma de láminas de dos dimensiones (2D) que han ganado popularidad en el campo de las ciencias biomédicas no sólo por sus increíbles propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y biológicas, sino también por su capacidad de transferir estas propiedades a otros materiales permitiendo la posibilidad de crear nuevos compuestos con características avanzadas. En Odontología y en particular en lo relacionado con la implantología, esta transferencia de propiedades ha permitido abrir numerosas líneas de investigación con grandes expectativas debido al interesante efecto sinérgico entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa.1

Nanopartícula: partícula que mide entre 1 y 100 nm.

El grafeno como nueva estrategia para el diseño y manipulación de implantes dentales y regeneración tisular. Tomado de Tissue Eng Regen Med. 2017; 14(5): 481

¿Cuáles son los problemas que el grafeno podría resolver?

Osteointegración

Una de las principales preocupaciones después de la colocación de un implante es el fracaso en su osteointegración. Esto puede ocurrir porque en la interfase hueso- implante en lugar de crecer células óseas, crece un tejido fibroso que no permite la estabilización del implante. Una alternativa para favorecer las condiciones del sitio donde ocurrirán las interacciones celulares es la modificación de la superficie del implante por medio de métodos físicos o químicos para crear nanoporosidades que aumenten la superficie de área y favorezcan la actividad celular. 2

Oseointegración: conexión firme, estable y duradera entre un implante y el hueso que lo rodea. Su éxito depende de factores biológicos y sistémicos del paciente, además de las características del implante.

En el caso de los materiales grafénicos, además de su extensa y extremadamente fina superficie de área de un átomo de espesor, otro de sus valores agregados es la nube de electrones que los rodea y la presencia de algunos grupos oxigenados les permite interactuar con las proteínas séricas para formar una adhesión focal. Es decir, el carácter hidrofóbico/hidrofílico de estos nanomateriales en combinación con la rugosidad de la superficie coadyuva en la interacción con las proteínas y posteriormente con las células, actuando como andamio para promover el crecimiento, diferenciación y anclaje de las células óseas en el implante, favoreciendo el camino para una osteointegración estable y predecible con una mejor proyección de la vida útil.3,4 

El Impacto regenerativo de los materiales grafénicos reside en su gran habilidad para adsorber proteínas creando una capa entre las células y las superficies de los materiales para promover la adhesión y proliferación celular.1

Control de infecciones

Otra causa para el fallo de un implante es la aparición de infecciones peri- protésicas o peri- implantares; para evitarlas es común utilizar técnicas como impregnación con antibióticos, sistemas locales de administración de fármacos y el recubrimiento de implantes con nanotubos de titanio, nanopartículas de plata o con nano- películas polipeptídicas para la liberación controlada de antibióticos.5 No obstante, el preocupante aumento de la resistencia a antibióticos ha desencadenado que estas estrategias sean cada vez menos efectivas.

Los materiales grafénicos además de su biocompatibilidad, cuentan con propiedades antimicrobianas intrínsecas con ventajas sobre los antibióticos tradicionales al tener menos posibilidades de desarrollo de resistencia microbiana. Estos efectos desde hace varios años son explorados por la odontología sobre materiales biocerámicos como la alúmina y el zirconio, metales como el titanio, materiales de restauración como el ionómero de vidrio y materiales poliméricos como el polimetilmetacrilato (PMMA), por mencionar algunos. En general, los mecanismos antimicrobianos aceptados para estas nanoestructuras son: 1) daño físico a la membrana, 2) estrés oxidativo, 3) inactivación por extracción de electrones, 4) aislamiento contra el paso de nutrientes y finalmente, 5) en el caso de los recubrimientos, el control de la hidrofobicidad y la energía de superficie también puede impedir la unión de células con baja afinidad y prevenir la formación de biopelículas.6,7

Biopelícula: Capa de microorganismos que crecen y se adhieren a la superficie de una estructura natural como los dientes (placa dentobacteriana) o artificial como un dispositivo médico (catéteres intravasculares).

En 2021 un grupo de científicos de la universidad de Gwangju, Corea, publicó un estudio en el cual recubrieron implantes de zirconio con óxido de grafeno por el método de plasma de argón. Sus resultados reportaron que esta modificación redujo en un 58.5% la presencia del Streptococcus mutans, la bacteria de mayor influencia en la formación de la placa dentobacteriana y de la caries dental, concordando con una importante reducción en el espesor de la biopelícula del 43.4%. Además del efecto antimicrobiano también evidenciaron un aumento estadísticamente significativo del 3.2% y 15.7% en la proliferación y diferenciación de las células óseas.8 Estos resultados son consistentes con lo reportado por la  Universidad Jiao Tong, Shanghái, sobre un material híbrido de titanio con grafeno sintetizado por la técnica de sinterización por plasma de chispa (SPS). De igual manera, la investigación demostró una interesante disminución de la formación de biopelículas multibacterianas compuestas por Streptococcus mutans, Fusobacterium nucleatum y Porphyromonas gingivalis, acompañada poruna mejora en la actividad de los fibroblastos gingivales humanos, uno de los grupos celulares más importantes que participan en la cicatrización.9 Además de la sinergia entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa, otros estudios relacionados con la implantología dental, también están enfocando su atención en las propiedades mecánicas para el diseño de nuevos implantes o materiales de restauración. 10- 12

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos y comerciales para llegar al mercado con productos para distintas industrias. Y siendo consiente que para llegar al sector salud es fundamental realizar  exhaustivas evaluaciones, hace una atenta invitación a todas aquellas empresas y/o centros de investigación que estén interesados en seguir explorando los beneficios de los materiales grafénicos y sentar bases cada vez más sólidas sobre su uso seguro para aplicaciones biomédicas. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. ¿Can Graphene Oxide Help to Prevent Peri-Implantitis in the Case of Metallic Implants? Coatings 2022, 12, 1202.
  2. New design of a cementless glenoid component in unconstrained shoulder arthroplasty: a prospective medium term analysis of 143 cases. Eur J Orthop Surg Traumatol 2013. 23(1):27–34 7. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  3. Graphene-Based Biomaterials for Bone Regenerative Engineering: A Comprehensive Review of the Field and Considerations Regarding Biocompatibility and Biodegradation. Adv. Healthc. Mater. 2021, 2001414.
  4. Nanotechnology and bone regeneration: a mini review. 2014 Int Orthop 38(9):1877–1884 /1. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  5. Graphene: ¿An Antibacterial Agent or a Promoter of Bacterial Proliferation? iSciencie. 2020.  23, 101787
  6. Graphene: The game changer in dentistry. IP Annals of Prosthodontics and Restorative Dentistry 2022;8(1):10
  7. Antibacterial Activity of Graphene Depends on Its Surface Oxygen Content.
  8. Direct-Deposited Graphene Oxide on Dental Implants for Antimicrobial Activities and OsteogenesisInt. J. Nanomedicine 2021 :16 5745
  9. Graphene-Reinforced Titanium Enhances Soft Tissue Seal. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. 9:665305.
  10. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical Fatigue. J. Clin. Med. 2023, 12, 1269.
  11. Mechanical Characterization of Dental Prostheses Manufactured with PMMA–Graphene Composites. Materials 2022, 15, 5391
  12. Fabrication and properties of in situ reduced graphene oxide-toughened zirconia composite ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2018, 101, 8

La seguridad del grafeno en la salud humana: lo que la ciencia dice al respecto

Publicado el | por Energeia Graphenemex

La seguridad del grafeno en la salud humana:

lo que la ciencia dice al respecto

Parte ll. ¿Son seguros los materiales grafénicos para los seres humanos?

La familia de los materiales grafénicos comprende una amplia gama de nanoestructuras de carbono de dos dimensiones (2D) en forma de láminas que se diferencian entre sí por las particularidades derivadas del método de producción o bien, por las innumerables funcionalizaciones que se pueden realizar después de su obtención. En 2022 la revista Nature, una de las revistas científicas más importantes a nivel mundial publicó un estudio en el cual se analizaron 36 productos de proveedores de grafeno de países como Estados unidos, Noruega, Italia, Canadá, India, China, Malaysia e Inglaterra, concluyendo que los grafenos representan una clase heterogénea de materiales con características y propiedades variables1 ya sea mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas, biológicas, etc., que se pueden transferir a una gran cantidad de compuestos tridimensionales (3D) para modificar o crear nuevos productos.

“Indudablemente el grafeno y la nanotecnología en general siguen siendo temas controversiales pues nos enfrentan a un mundo difícil de ver y comprender, pero con efectos simplemente sorprendentes”

¿Son seguros los materiales grafénicos?

Los materiales grafénicos prometen ser una importante herramienta dentro de las tecnologías biomédicas; en principio sus beneficios se pueden aprovechar para el diseño de elementos diagnóstico como sensores y dispositivos para imagenología hasta interfases neuronales, terapia génica, entrega de medicamentos, ingeniería de tejidos, control de infecciones, fototerapia para el tratamiento del cáncer, medicina bioelectrónica y estomatológica, entre otras. Pero para que puedan ser realmente utilizados en este tipo de tecnologías primero se deben comprender sus interacciones con el medio biológico o en su defecto, asegurar que su presencia no altere el entorno natural de las células. En este sentido, se han realizado numerosos estudios con las diferentes formas, presentaciones y concentraciones disponibles de grafeno cuyos hallazgos gradualmente han ido allanando el camino para un uso seguro en las tecnologías biomédicas:   

i) Materiales grafénicos en su forma libre. En pruebas in vitro, la exposición de células epiteliales de pulmón humano a láminas de grafeno a concentraciones menores de 0.005 mg/ml no provocó cambios importantes en su morfología o adhesión,2,3 tampoco se identificó actividad citotóxica en células madre derivadas de tejido adiposo humano, ligamento periodontal y pulpa dental expuestas a 0.5 mg /ml de GO,4 incluso y comprendiéndose un posible efecto dosis- tamaño dependiente, otras investigaciones reportan concentraciones seguras por debajo de los 40 mg/ml o bien, que no excedan el 1,5 % p/v. 5-8  

Finalmente, uno de los estudios in vivo más recientes publicado por la Universidad de Manchester, Reino Unido, sobre la respuesta pulmonar de ratones expuestos al óxido de grafeno (GO) en vías respiratorias, no identificó daños significativos o fibrosis pulmonar a 90 días de seguimiento. Estos resultados dan bases sólidas sobre la seguridad de estas nanoestructuras sin desestimar las medidas de seguridad básicas, como el hecho de evitar su inhalación.9 Asimismo, científicos de la Universidad de Trieste, Italia, analizaron el impacto de los materiales grafénicos en la piel, reportando baja toxicidad sobre las células.10

“Es poco probable que los materiales grafénicos en su forma libre se utilicen para estar en contacto con el medio biológico, generalmente se funcionalizan o inmovilizan en otros materiales para desarrollar una aplicación”

ii) Materiales grafénicos funcionalizados. Funcionalización es el término que hace referencia a la modificación química de un nanomaterial para otorgarle una “función”, es decir, para facilitar su incorporación con otros compuestos o para beneficiar su biocompatibilidad y dirigir mejor su uso mediante el anclaje de grupos funcionales, moléculas o nanopartículas. Un estudio publicado por la revista Nature Communications sobre las bioapliaciones del grafeno, remarca la importancia de su funcionalización con grupos amino para que sean más compatibles con las células inmunitarias humanas.11,12

“La funcionalización más común del grafeno es el anclaje de grupos oxigenados en su superficie, a este material se le conoce como óxido de grafeno”

iii) Inmovilización en polímeros. El uso de los materiales grafénicos como nano- relleno de plásticos, resinas, recubrimientos, etc., es la forma más común en la que estas nanoestructuras son utilizadas. Para el sector biomédico su inmovilización en polímeros ha demostrado buena biocompatibilidad y estimulación de la proliferación celular; actividad antimicrobiana y mejora de las propiedades mecánicas de los polímeros, siendo clasificados como excelentes candidatos para la fabricación de dispositivos de fijación ósea, andamios moleculares, implantes en ortopedia o materiales dentales.13- 15

Ante el gran potencial de los materiales grafénicos en las ciencias de las salud, pero también debido a las numerosas interrogantes sobre su seguridad, un equipo internacional de investigación del proyecto europeo Graphene Flagship, dirigido por el EMPA (acrónimo alemán del Instituto Federal de Pruebas e Investigación de Materiales), realizó un estudio para evaluar los posibles efectos sobre la salud de los materiales grafénicos inmovilizados dentro de un polímero; los resultados demostraron que las partículas de grafeno liberadas de dichos compuestos poliméricos después de la abrasión inducen efectos poco significativos.16

“Es tranquilizador ver que este estudio muestra efectos insignificantes, lo que confirma la viabilidad del grafeno para aplicaciones masivas. Andrea C. Ferrari, Oficial de Ciencia y Tecnología del Graphene Flagship”.17,18

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos e industriales para llegar al mercado con productos de uso industrial.  En 2018 comenzó a explorar las capacidades antimicrobianas de sus productos con excelentes resultados in vitro y en ambiente relevante; actualmente y en conjunto con otros centros de investigación se encuentra realizando evaluaciones para explorar el potencial de sus materiales como nano- refuerzo de biopolímeros.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Cytotoxicity survey of commercial graphene materials from worldwide. npj 2D Materials and Applications (2022) 6:65
  2. Biocompatibility of Pristine Graphene Monolayers, Nanosheets and Thin Films. 2014, 1406.2497.
  3. Preliminary In Vitro Cytotoxicity, Mutagenicity and Antitumoral Activity Evaluation of Graphene Flake and Aqueous Graphene Paste. Life 2022, 12, 242
  4. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  5.  Graphene substrates promote adherence of human osteoblasts and mesenchymal stromal cells. Carbon. 2010; 48: 4323–9
  6. Multi-layer Graphene oxide in human keratinocytes: time-dependent cytotoxicity. Prolifer Gene Express Coat 2021; 11:1
  7. Cytotoxicity assessment of graphene-based nanomaterials on human dental follicle stem cells. Colloids Surf B Biointerfaces. 2015; 136:791
  8. Arabinoxylan/graphene-oxide/nHAp-NPs/PVA bionano composite scaffolds for fractured bone healing. 2021. J. Tissue Eng. Regen. Med. 15, 322.
  9. Size-Dependent Pulmonary Impact of Thin Graphene Oxide Sheets in Mice: Toward Safe-by-Design. Adv. Sci. 2020, 7, 1903200
  10. Differential cytotoxic effects of graphene and graphene oxide on skin keratinocytes. 2017. Sci Rep 7, 40572
  11. Amine-Modified Graphene: Thrombo-Protective Safer Alternative to Graphene Oxide for Biomedical Applications. ACS Nano 2012, 6, 2731
  12. Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells. Nature Communications, 2017, 8: 1109,
  13. In-vitro cytotoxicity of zinc oxide, graphene oxide, and calcium carbonate nano particulates reinforced high-density polyethylene composite. J. Mater Res. Technol. 2022. 18: 921
  14. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical FatigueJ. Clin. Med. 2023, 12, 1269
  15. High performance of polysulfone/ Graphene oxide- silver nanocomposites with excellent antibacterial capability for medical applications. Matter today commun. 2021. 27
  16. Hazard assessment of abraded thermoplastic composites reinforced with reduced graphene oxide. J. Hazard Mater. 2022. 435. 129053
  17. https://www.empa.ch/web/s604/graphene-dust
  18. https://www.graphene-info.com/researchers-asses-health-hazards-graphene-enhanced-composites

Grafeno: La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno:

La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

Parte I. Ingeniería de Tejidos

Los avances en la medicina han llegado a niveles hasta hace poco tiempo, inimaginados. Entre ellos, la ingeniería de tejidos tiene una participación importante. Con ella es posible combinar células, biomateriales y moléculas biológicamente activas con el objetivo de reparar o replicar tejidos u órganos con un funcionamiento similar al de la estructura original. En principio, los biomateriales son utilizados como andamios moleculares para que actúen como soporte o guía tridimensional (3D) para el anclaje y crecimiento de las células que se encargarán de formar el nuevo tejido.

Los primeros andamios moleculares se diseñaron con materiales naturales como el colágeno, glicosaminoglicanos (GAGs), quitosano y alginatos; después con compuestos artificiales como el poliácido láctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA), ácido poli (láctico-co-glicólico) (PLGA), poliuretanos (PUs), politetrafluoroetileno (PTFE), polietilentereftalato (PET); biocerámicas como la hidroxiapatita (HA) y fosfato tricálcico; metales como el acero inoxidable, aleaciones cromo-cobalto (Co-Cr) o aleaciones de titanio (Ti) y recientemente, las nuevas investigaciones se orientan al uso de la nanotecnología.

La relación entre la nanotecnología y la ingeniería de tejidos se debe a que la matriz extracelular (MEC) que ayuda a que las células se unan y se comuniquen entre sí, está formada por una red de fibras de tamaño nanométrico compuesta por moléculas bioactivas. Es en este punto donde la nanotecnología abre nuevas posibilidades a la medicina regenerativa, pues se ha comprobado que el uso de materiales que actúen en la misma escala nanométrica de la MEC favorece para mimetizar el entorno fisiológico del organismo para estimular el crecimiento y diferenciación celular en un ambiente más natural.

Entre los nanomateriales más estudiados en los últimos años están los materiales grafénicos,que consisten en láminas nanométricas de átomos de carbono organizados en redes hexagonales de dos dimensiones (2D). Entre las propiedades más interesantes para la ingeniería de tejidos destacan su extensa superficie de área, resistencia mecánica, conductividad térmica, biocompatibilidad y finalmente, una extraordinaria capacidad para compartir sus propiedades con otros materiales para mejorar sus características originales.

Por ejemplo, el uso de materiales grafénicos dentro de la arquitectura 3D de ciertos biopolímeros en pruebas realizadas sobre tejidos de corazón, hígado, hueso, cartílago y piel, ha demostrado mejoras sustanciales de sus propiedades fisicoquímicas, mecánicas, eléctricas y biológicas, logrando excelente respuesta para la adhesión y diferenciación de células madre.

En 2022 el centro tecnológico Andaltec (España) reportó el desarrollo de un material a partir de polímeros derivados del grafeno por impresión 3D con gran potencial para la regeneración de tejido muscular. Ellos demostraron que en presencia de los derivados de grafeno las células se contraen y se expanden sin que exista un estímulo externo, por lo tanto, tiene grandes posibilidades para su uso en medicina regenerativa.

Por otro lado, la División de Estudios de Posgrado e Investigación (DEPeI) en Odontología, UNAM y la Escuela Nacional de Estudios Superiores (ENES) Unidad León, Mx., a través de un estudio publicado en el J Oral Res 2021 respalda las posibilidades del óxido de grafeno (GO) en el diseño de biomateriales para uso odontológico. Los resultados de la investigación realizada sobre muestras de GO (Graphenemex®) concluyeron que este nanomaterial en combinación con el polimetilmetacrilato (PMMA), además de mejorar sus propiedades físico-mecánicas, también demostró buena compatibilidad y una interesante estimulación de la proliferación celular al ser evaluado sobre cultivos con fibroblastos-gingivales, células-pulpares-dentales y osteoblastos humanos.

En 2020, investigadores de la Universidad de Málaga (España) publicaron otro estudio que de igual manera identificó al GO como el material idóneo para la medicina regenerativa. El estudio realizado sobre un modelo animal evidenció alta biocompatibilidad de distintos tipos de óxido de grafeno con células dopaminérgicas, favoreciendo su maduración y protegiéndolas de las condiciones tóxicas de la enfermedad de Parkinson, esto resultados postulan al GO como un andamio adecuado para probar nuevos fármacos o desarrollar construcciones para la terapia de reemplazo de células de la enfermedad de Parkinson.

A pesar de la gran cantidad de investigaciones sobre las interacciones de los materiales grafénicos con los medios biológicos, aún queda un largo camino por recorrer para tener estos biomateriales disponibles y en funcionamiento clínico. Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, en colaboración con otras compañías y centros de investigación busca contribuir con la ciencia para comprender estas interacciones en un marco de seguridad, para sentar bases sólidas sobre el uso de la nanotecnología grafénica en el sector biomédico en beneficio de la sociedad.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene and its derivatives: understanding the main chemical and medicinal chemistry roles for biomedical applications. J Nanostructure Chem, 2022, 12:693
  2. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  3. Graphene-Based Antimicrobial Biomedical Surfaces. ChemPhysChem 2021, 22, 250
  4. Functionalized Graphene Nanoparticles Induce Human Mesenchymal Stem Cells to Express Distinct Extracellular Matrix Proteins Mediating Osteogenesis. Int J Nanomed 2020:15 2501
  5. Graphene Oxide and Reduced Derivatives, as Powder or Film Scaffolds, Differentially Promote Dopaminergic Neuron Differentiation and Survival. Front. Neurosci., 21 December 2020. Sec. Neuropharmacology Volume 14
  6. International Journal of Nanomedicine 2019:14 5753
  7. Biocompatibility Considerations in the Design of Graphene Biomedical Materials. Adv. Mat. Interfaces 2019, 6, 1900229
  8. Graphene based scaffolds on bone tissue engineering. Bioengineered, 2018, 9:1, 38
  9. When stem cells meet graphene: Opportunities and challenges in regenerative medicine. Biomaterials, 2018, 155, 236
  10. Graphene-based materials for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016,105, 255
  11. Capítulo 92e: Ingeniería de tejidos, Anthony Atala. 2023 McGrawHill.

Tomado de Journal of Nanostructure in Chemistry (2022) 12:693