VOLFIL - Aitex · nano-esferas de sílice (SiO 2), es una manera interesante de mejorar las propiedades biológicas y mecánicas del material. La HA es el mineral que se encuentra

VOLFIL

I+D DE NUEVOS MONOFILAMENTOS

EN BASE A BIOPOLÍMEROS

AVANZADOS Y DE ALTAS

PRESTACIONES

Este proyecto cuenta con el apoyo de la Conselleria d’Economia Sostenible, Sectors

Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana, a través del IVACE.

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ÍNDICE DE CONTENIDO

1. FICHA TÉCNICA DEL PROYECTO............................................................ 4

2. ANTECEDENTES Y MOTIVACIONES ........................................................ 6

3. OBJETIVOS DEL PROYECTO .................................................................. 9

4. PLAN DE TRABAJO ............................................................................ 11

5. RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................. 16

6. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................. 32



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1.FICHA TÉCNICA DEL PROYECTO



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Nº EXPEDIENTE IMAMCI/2018/1

TÍTULO COMPLETO

I+D DE NUEVOS MONOFILAMENTOS

EN BASE A BIOPOLÍMEROS

AVANZADOS Y DE ALTAS

PRESTACIONES

PROGRAMA Plan de Actividades de Carácter no

Económico 2018

ANUALIDAD 2018

PARTICIPANTES (SI PROCEDE)

COORDINADOR (SI PROCEDE)

ENTIDADES

FINANCIADORAS

IVACE – INSTITUT VALENCIÀ DE

COMPETITIVITAT EMPRESARIAL

www.ivace.es

ENTIDAD

SOLICITANTE AITEX

C.I.F. G03182870

Este proyecto cuenta con el apoyo de la Conselleria d’Economia Sostenible,

Sectors Productius i Treball, a través de IVACE (Institut Valencià de Competitivitat Empresarial)

http://www.ivace.es/



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2.ANTECEDENTES Y MOTIVACIONES



7 | P á g i n a

El proyecto VOLFIL se divide en dos grandes líneas de investigación, ambas centradas en

el desarrollo de monofilamentos poliméricos con distintas funcionalidades.

Desarrollo de monofilamentos continuos a partir de bio-polímeros

Las lesiones craneales son los traumas más frecuentemente observados en los centros

médicos, generalmente producidos en gente de la tercera edad. Estos traumas aumentan

el peligro de derrame cerebral, lo cual es una de las mayores causas de muerte y

discapacidad a nivel mundial 1. Según el National Institute on Aging (US Department of

Health and Human Services), el porcentaje de personas mayores de 61 años (8,1% en

2014) se triplicará para el 2050. Por consiguiente, existe un gran esfuerzo centrado en el

estudio y desarrollo de materiales bio-compatible y bio-absorbibles capaces de cumplir

con los requisitos para la remodelación de fracturas oseas.

Polímeros bio-absorbibles, como la Poli(ε-caprolactona) (PCL), ácido Poliláctico (PLA) y el

Polihidroxibutilato (PHB) son ampliamente utilizados en biomedicina debido a su fácil

moldeo y su bio-compatibilidad 2. PCL, PLA y PHB son bio-polímeros aprovados por “Food

and Drug Administration” debido a su bio-compatibilidad y bajo ratio de degradación.

Estudios previos se centran en la aditivación de matrices poliméricas con cargas con tal

de mejorar propiedades mecánicas de los scaffolds para resistir las fuerzas que se ejerce

durante la reconstrucción de los huesos dañados. A su vez, dichas cargas proporcionan

propiedades osteoinductivas que mejoran la adhesión de las células sobre las matrices

poliméricas.

Los bio-materiales osteogénicos son una alternativa a las técnicas tradicionales de

reparación ósea. Aditivar la matriz polimérica con cargas como la Hidroxiapatita (HA) y

nano-esferas de sílice (SiO2), es una manera interesante de mejorar las propiedades

biológicas y mecánicas del material. La HA es el mineral que se encuentra en mayor

proporción en los huesos, está presente en la naturaleza en grandes cantidades y es

económico. La HA se utiliza en este tipo de estudios debido a su biocompatibilidad además

de sus propiedades osteoconductivas y osteoinductivas, lo cual acelera el proceso de

regeneración del hueso dañado. Con la intención de simular las propiedades de los tejidos

biológicos, el PCL, PLA y el PHB deben proporcionar propiedades mecánicas adecuadas

para soportar las tensiones que soporta el hueso y prevenir la deformación del nuevo

tejido formado. Es posible obtener dichos requerimientos mediante la adición de HA y SiO2

a la matriz polimérica siguiendo estudios previos en los que el PCL, PLA y PHB han sido

aditivados con HA, aumentando sus valores de resistencia a la tracción hasta un 38%,

150% y 40% respectivamente. Este aumento de propiedades mecánicas se adscribe a un

efecto sinérgico entre el polímero y la carga, debido a fuertes interacciones químicas entre

los grupos funcionales del polímero y de las cargas.

La introducción de HA a la matriz polimérica mejora la adhesión de las células mediante

la generación de puntos reactivos donde las proteínas pueden interactuar mediante

fuerzas electrostáticas y enlaces de hidrógeno 3. Estas interacciones son el resultado de

los grupos de Ca2+ y PO43− presentes en la HA y que interaccionan con los grupos negativos

carboxilo y positivos amino respectivamente 4-7 presentes en las proteínas. Se ha visto

que la SiO2 juega un papel muy importante en la mineralización y la activación del gen

que regula la osteogénesis y la producción de los factores de crecimiento. A su vez, la

formación de enlaces de hidrógeno entre SiO2 y las proteínas 8 dan lugar a una mayor

interacción.

Durante el desarrollo de este trabajo se estudiará la afinidad y viabilidad celular sobre los

materiales desarrollados, la biocompatibilidad, la biodegradabilidad de los compuestos en



8 | P á g i n a

un ambiente fisiológico y las propiedades mecánicas con tal de correlacionar la geometría

de los andamios moleculares y la adición de las cargas inorgánicas.

Desarrollo de monofilamentos bi-componentes en forma de core/sheath para la

producción de Fibra Óptica Polimérica

El incipiente interés en el desarrollo de sensores ópticos avanzados mediante la adaptación

de Fibra Óptica Polimérica (POF) crece incesantemente debido a su versátil aplicación en

campos como Biomedicina, Ingeniería Civil, Textil, entre otros. Se han desarrollado fibras

bi-componentes en forma de core/sheath con geometría circular y geometrías especiales

para su uso como fibra óptica polimérica aplicada al desarrollo de sensores ópticos

avanzados.

La primera POF se comercializó en 2005 bajo el nombre de ESKA® por Mitsubishi mediante

un proceso que implica dos pasos: extrusión monofilamento de PMMA y un proceso

posterior de deep-coating para recubrir la fibra con PVDF. La Innovación del proyecto

VOLFIL se centra en dos elementos: Simplificar el proceso de fabricación de POF en un

solo paso mediante extrusión bi-componente core-sheath abaratando los costes de

producción; y, por otro lado, debido a la simplicidad del proceso, obtener nuevas

geometrías que proporcionen nuevas posibilidades y que hasta el momento no han sido

comercializadas.

Figura 1 Desarrollo de la fibra óptica convencional y la Fibra Óptica Polimérica

El material más frecuentemente utilizado para fibras poliméricas es el polimetilmetacrilato

(Pexiglas®) material amorfo por lo tanto transparente. Las fibras poliméricas POF están

incrementando su uso comercial debido a su mayor flexibilidad y propiedades mecánicas,

las cuales permiten embeber la fibra POF en tejidos.

El interés transmitido por el Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia

(ITAM) de la UPV en el desarrollo de sensores ópticos avanzados mediante la adaptación

de Fibra Óptica Polimérica (POF), dio lugar a el desarrollo de POF mediante la extrusión

monofilamentos bi-componentes en forma de core/sheath con geometría circular y

geometrías especiales.



9 | P á g i n a

3.OBJETIVOS DEL PROYECTO



10 | P á g i n a

De las 1.339 empresas dedicadas al plástico de la Comunidad Valenciana, 63 se dedican

a la extrusión de cinta y monofilamento. Por ello, el Proyecto VOLFIL se centra en la

generación de conocimiento sobre nuevos productos de extrusión monofilamento y el uso

de bio-polímeros con nuevas funcionalidades.

Por una parte, se desarrollarán monofilamentos continuos a partir de bio-polímeros (de

origen bio/petroquímico, bio-degradables, bio-compostables y bio-compatibles) aditivados

con cargas inorgánicas con la doble funcionalidad de aumentar las propiedades mecánicas

del material y otorgar propiedades regenerativas de tejidos para su futura utilización en

la impresión 3D de andamios moleculares para biomedicina.

Por otra parte, se desarrollarán monofilamentos bi-componentes en forma de core/sheath

con geometría circular y geometrías especiales para su uso como fibra óptica polimérica

aplicada a sensorización.

Objetivos

1. Desarrollar nuevos monofilamentos para impresión 3D a partir de bio-polímeros.

2. Mejorar las propiedades mecánicas de los bio-polímeros desarrollados mediante la

aditivación de cargas inorgánicas.

3. Otorgar propiedades de regeneración de tejidos a los bio-polímeros desarrollados

mediante la aditivación de cargas inorgánicas.

4. Optimizar la metodología de impresión 3D para desarrollar andamios moleculares para

su uso en bio-medicina.

5. Validar los procesos de extrusión e impresión 3D mediante la caracterización mecánica

de los nuevos bio-materiales desarrollados.

6. Validar los prototipos desarrollados mediante caracterización biológica.

7. Desarrollar monofilamentos bi-componente para su uso como fibra óptica polimérica.

8. Mejorar las propiedades de transmisión de luz de la fibra óptica polimérica desarrollada

mediante la optimización del proceso de extrusión monofilamento bi-componente.

9. Desarrollar fibra óptica polimérica con nuevas geometrías especiales.



11 | P á g i n a

4.PLAN DE TRABAJO

Ene

ro

Feb

rero

Mar

zo

Ab

ril

May

o

Jun

io

Julio

Ago

sto

Sep

tie

mb

re

Oct

ub

re

No

vie

mb

re

Dic

iem

bre

PT.1 Estado del Arte

PT.2 Extrusión monofilamento polímeros BIO

Tarea 2.1 Compounding

Tarea 2.2 Extrusión monofilamento

Tarea 2.3 Impresión 3D

Tarea 2.4 Caracterización de prototipos

Tarea 2.5 Conclusiones redacción de Informes

PT.3 Extusión moniflilamento Bicomponente POF

Tarea 3.1 Optimización del proceso

Tarea 3.2 Extrusión monofilamento con nuevas geometrias


Tarea 3.4 Conclusiones redacción de Informe

PT 4 Gestión

PT.5 Difusión

PT.1 Estado del Arte

El objetivo de esta fase inicial es la de documentar de forma exhaustiva los avances en

las técnicas, materiales y aplicaciones a estudiar durante el proyecto. Con el fin de

profundizar en los campos de aplicación a los que va dirigido el proyecto y conocer las

investigaciones más recientes, se trabajará principalmente con las bases de datos “Web

of Science” y “Google Scholar” las cuales recogen referencias bibliográficas de más de

8000 publicaciones periódicas de la producción científica mundial.

PT.2 Extrusión monofilamento polímeros BIO

Tarea 2.1 Compounding

El objetivo de esta tarea es desarrollar nuevos compounds a partir de bio-polímeros para

la posterior fabricación de monofilamentos para impresión 3D. La tarea previa de

compounding proporciona una mezcla íntima y máxima dispersión de las partículas en el

polímero. Para ello, se ha diseñado una batería de experimentos que se presenta a

continuación:

PCL PLA PCL/PLA PHB PHB/PLA


PCL+HA PLA+HA PCL/PLA+HA PHB+HA PHB/PLA HA

PCL + SiO2 PLA+ SiO2 PCL/PLA+ SiO2 PHB+ SiO2 PHB/PLA+ SiO2

PCL+ HA+ SiO2 PLA+ HA+ SiO2 PCL/PLA+ HA+ SiO2 PHB+ HA+ SiO2 PHB/PLA+HA+ SiO2

Se escogieron dichos polímeros debido a su carácter biodegradable y sus propiedades de

biocompatibilidad. A su vez, la aditivación con cargas inorgánicas de Hidroxiapatita y nano-

esferas de sílice les otorga propiedades de regeneración (osteoconductividad y

osteoinductividad) además de mejorar las propiedades mecánicas debido a un efecto

sinérgico entre las cadenas poliméricas y los grupos funcionales de las cargas.

Tarea 2.2 Extrusión monofilamento

El objetivo de esta tarea es la obtención de monofilamentos bio para impresión 3D. A partir

de los compounds obtenidos en la tarea anterior, se optimizarán los parámetros de

procesado para obtener monofilamentos con propiedades mecánicas y biológicas

mejoradas.

Tarea 2.3 Impresión 3D

Con el objetivo de validar la metodología propuesta en la tarea anterior, se pretende

desarrollar prototipos con estructuras complejas para su posterior uso en biomedicina.

Para tal fin se desarrollarán mallas porosas circulares de Ø= 5mm aptas para el estudio

de crecimiento, proliferación y diferenciación de células.

F Figura 2 Andamio molecular con propiedades regenerativas para aplicación en

biomedicina



14 | P á g i n a


Con el objetivo certificar la mejora de propiedades mecánicas y biológicas de los nuevos

hilos monofilamento para la impresión 3D y de los prototipos, se llevará a cabo un estudio

de las propiedades mecánicas y biológicas. Concretamente, los ensayos a realizar son los

siguientes:

Propiedades mecánicas y térmicas

✓ Ensayos de Compresión

✓ Ensayos de Tracción

✓ Ensayos Termogravimétricos (TGA)

✓ Espectroscopía Diferencial de Barrido (DSC)

✓ Análisis mecánico diferencial (DMA)

Propiedades biológicas

✓ Compostabilidad

✓ Biodegradabilidad

✓ Cultivos Celulares

✓ Absorción de proteínas (Albumin y Fibronectin)

Tarea 2.5 Conclusiones redacción de Informes

Con tal de documentar los trabajos desarrollados durante el transcurso del proyecto, esta

fase se centrará en la recolección de la información y la obtención de conclusiones.

PT.3 Extusión monofilamento Bicomponente POF

Tarea 3.1 Optimización del proceso

En una primera fase se optimizará el proceso de extrusión monofilamento bi-componente

con una geometría simple circular. Para ello se utilizará cabezales con distintas

inclinaciones de salida, baños con distintas profundidades, distintas temperaturas de

enfriamiento, etc.

Tarea 3.2 Extrusión monofilamento con nuevas geometrías

Con los resultados obtenidos en la tarea anterior, se trabajará con las nuevas geometrías.


Con tal de validar los resultados obtenidos en las tareas previas, se realizará una

caracterización de los prototipos obtenidos. Para ello se estudiará la transmisión de la luz

y las pérdidas de luz de los prototipos.

Tarea 3.4 Conclusiones redacción de Informe

Se redactarán informes donde se recogerá toda la información obtenida durante el

proyecto y que permitirá obtener conclusiones.

PT 4 Gestión

Esta tarea es necesaria para coordinar tanto la parte técnica como la administrativa del

proyecto.

PT.5 Difusión



15 | P á g i n a

Se pretende publicar un artículo científico, vinculado a la línea de investigación centrada

en el desarrollo de monofilamentos de carácter biodegradables aplicados a biomedicina y

regeneración de tejidos vivos.



16 | P á g i n a

5.RESULTADOS

OBTENIDOS



17 | P á g i n a

Desarrollo de monofilamentos continuos a partir de bio-

polímeros

Preparación de los híbridos de poliéster

Los polímeros y las cargas PCL, PLA, PHB, HA y SiO2 fueron previamente secados en un

horno de aire (PCL 50ºC, PLA 60ºC, PHB a 70ºC, HA a 200ºC y SiO2 a 200ºC durante 24

horas). Todas las mezclas fueron posteriormente mezcladas mediante extrusión a 40 rpm,

con una dosificación de 2,5 Kg/h. Los polímeros vírgenes y los híbridos (1:1) se usaron

como control. Los materiales e híbridos se aditivaron con un 2,5% de cargas. El perfil de

temperatura fue para las mezclas de PCL 65°C/75°C/85°C/90°C, para las mezclas de PLA

170°C/173°C/175°C/180°C, y las mezclas de PHB 150ºC/155ºC/160ºC/165ºC. Para

híbridos de PCL/PLA y PHB/PLA el perfil de temperatura utilizados fue

170°C/173°C/175°C/180°C. En la tabla se presentan las mezclas de materiales obtenidos.

Tabla 1 Mezclas y híbridos obtenidos especificando el porcentaje de aditivación de HA y SiO2.

Mezclas Híbridos

1 PCL 3 PCL/PLA

1a PCL 2,5% HA 3a PCL/PLA 2,5% HA

1b PCL 2,5% SiO2 3b PCL/PLA 2,5% SiO2

1c PCL+ 2,5%HA+ 2,5%SiO2 3c PCL/PLA + 2,5%HA+ 2,5%SiO2

2 PLA 5 PHB/PLA

2a PLA 2,5% HA 5a PHB/PLA 2,5% HA

2b PLA 2,5% SiO2 5b PHB/PLA 2,5% SiO2

2c PLA+ 2,5%HA+ 2,5%SiO2 5c PHB/PLA + 2,5%HA+ 2,5%SiO2

4 PHB

4a PHB 2,5% HA

4b PHB 2,5% SiO2

4c PHB + 2,5%HA+ 2,5%SiO2

Impresión 3D de los scaffolds

Se imprimieron mallas circulares (scaffolds) con un diámetro de 8mm y una altura de

1,5mm, tamaño de poro de 150-200 µm, porosidad del 75%. La impresión 3D de los

scaffolds se llevó a cabo con una impresora Ultimaker 3 con un cabezal de 0,25 mm de

diámetro. Los parámetros de impresión se optimizaron según lo siguiente: Temperatura

del cabezal 165ºC, Temperatura de la placa 45ºC, Velocidad de impresión 27,5 mm/s,

para el PHB. Temperatura del cabezal 180ºC, Temperatura de la placa 45ºC, Velocidad de

impresión 27,5 mm/s, para el PLA. Temperatura del cabezal 60ºC, Temperatura de la

placa 25ºC, Velocidad de impresión 27,5 mm/s, para la PCL.

Optimización de los parámetros de Impresión 3D

Inicialmente se optimizó el proceso de impresión 3D para el polímero PHB. Para ello se

modificaron diferentes parámetros tales como la temperatura de extrusión, temperatura

de la placa, caudal, la velocidad de impresión.



18 | P á g i n a

Tabla 2 Optimización de los parámetros de Impresión 3D para un scaffold de PHB con 3mm de altura

3 mm de altura

Pru

eb

a

Tem

peratu

ra d

e

extr

usió

n

(T

ª)

Tem

peratu

ra d

e l

a

pla

ca (

Tª)

cau

dal

Velo

cid

ad

de

imp

resió

n

(m

m/

s)

Pru

eb

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Tem

peratu

ra d

e

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n

(T

ª)

Tem

peratu

ra d

e l

a

pla

ca (

Tª)

cau

dal

Velo

cid

ad

de

imp

resió

n

(m

m/

s)

1 155 5 100 100 11 165 15 100 100

2 160 5 100 100 12 170 45 125 50

3 165 5 100 100 13 160 45 100 100

4 170 5 100 100 14 165 45 125 100

5 175 20 100 100 15 165 45 125 75

6 180 20 100 100 16 165 45 125 50

7 185 15 100 100 17 160 45 125 100

8 160 20 100 100 18 165 45 115 50

9 165 20 100 100 19 165 45 115 50

10 160 30 100 100 20 170 45 100 50

21 165 45 135 50

El PHB es un polímero muy sensible a la temperatura debido a que su temperatura de

degradación es 185ºC, 10ºC por encima de su temperatura de fusión. Por lo tanto, se

optimizó la temperatura de impresión a 165ºC. Se observó que, al aumentar la

temperatura de la placa, la geometría de la malla mejoraba debido a que la adhesión del

polímero a la placa era mejor y no se contrae al tocar la superficie de la placa, por lo tanto,

la temperatura óptima de la placa fue de 45ºC. El caudal y la velocidad de impresión son

dos parámetros complementarios, al aumentar el caudal y disminuir la velocidad de

impresión, se observó que la estructura final de la malla era más definida. Sin embargo,

la altura de 3mm de la malla provocaba que las capas elevadas no tuvieran un soporte

apropiado y por tanto los filamentos se rompían, es por ello por lo que se decidió reducir

la altura a 2mm y finalmente a 1mm (Tabla 3).

Tabla 3 Optimización de los parámetros de Impresión 3D para un scaffold de PHB con 2mm y 1,5mm de altura

2 mm de altura 1,5 mm de altura

Pru

eb

a

Tem

peratu

ra d

e

extr

usió

n

(T

ª)

Tem

peratu

ra d

e l

a

pla

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cau

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Velo

cid

ad

de

imp

resió

n

(m

m/

s)

Pru

eb

a

Tem

peratu

ra d

e

extr

usió

n

(T

ª)

Tem

peratu

ra d

e l

a

pla

ca (

Tª)

cau

dal

Velo

cid

ad

de

imp

resió

n

(m

m/

s)

22 155 5 100 100 24 165 15 100 100

23 160 5 100 100 25 170 45 125 50

26 160 45 100 100



19 | P á g i n a

Figura 3 Scaffolds impresos variando la altura de la malla (3mm, 2mm y 1mm)

Finalmente, los parámetros de impresión óptimos para el PHB fueron:

• Para el PHB: Temperatura del cabezal 165ºC, Temperatura de la placa 45ºC,

Velocidad de impresión 27,5 mm/s, altura 1,5 mm.

• Para el PLA: Temperatura del cabezal 180ºC, Temperatura de la placa 45ºC,


• Para la PCL: Temperatura del cabezal 60ºC, Temperatura de la placa 25ºC,


3mm 2mm 1,5 mm



20 | P á g i n a

Estudio de las propiedades los materiales utilizados como scaffolds

Con tal de validar los materiales utilizados se llevó a cabo una caracterización exhaustiva

de sus propiedades mecánicas, térmicas y biológicas. Esta caracterización la realizó el

Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular CEBIT de la Universidad Politécnica de

Valencia (UPV).

Caracterización mecánica

Resistencia a la tracción

La resistencia a la tracción es la capacidad de un material para soportar cargas que tienden

a alargarse, y proporciona la medida de la tensión máxima que el material puede soportar

mientras se estira antes de romperse. Los resultados muestran la fuerza por unidad de

área (MPa) requerida para romper el material, de tal manera que es la máxima resistencia

a la tracción o la resistencia a la tracción a rotura.

Estas pruebas se realizaron utilizando un dinamómetro universal Elib 30 (Ibertest S.A.E,

Madrid, España) siguiendo la especificación establecida en la norma ISO 527, conratio de

extensión de 10 mm min-1.

Figura 4 Resultados de Resistencia a la Tracción para los materiales utilizados como

scaffolds

Tal y como se observa en los resultados (Figura 4), las mezclas de PLA muestran mayores

valores para el módulo de Young siendo superiores a 3000 MPa. Sin embargo, las mezclas

de PCL muestran valores de módulo de Young inferiores (alrededor de 500 MPa). Estos

resultados son coherentes con la bibliografía. Por lo tanto, al obtener híbridos de PCL/PLA

y PHB/PLA las propiedades mecánicas aumentan con respecto al polímero de bajas

propiedades mecánicas (PCL y PHB). A su vez se observa que al aditivar los polímeros con

HA y SiO2, el módulo de Young también aumenta significativamente, debido a un efecto

sinérgico que ocurre entre la matriz polimérica y la carga. Se concluye que los aditivos y

las matrices poliméricas son compatibles.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500


You

ng

Mo

du

lus

(Mp

a)

Young modulus

Polymer HA SiO2 HA + SiO2



21 | P á g i n a

Flexión

Se realizaron pruebas de Flexión para establecer el comportamiento de flexión del material

bajo fuerzas específicas. La prueba proporciona valores para el módulo elástico en flexión

y la respuesta de tensión-deformación por flexión del material bajo una fuerza aplicada

específica. La prueba se realizó con un dinamómetro universal Elib 30 (Ibertest S.A.E,

Madrid, España) siguiendo la especificación establecida en la norma ISO 178 con una tasa

de extensión de 5 mm min-1.

Figura 5 Resultados de Modulo de Flexión para los materiales utilizados como scaffolds

Los resultados mostrados en la Figura 5 son coherentes con los resultados obtenidos de

módulo de Young (Figura 4). El material con mayor módulo elástico es el PLA y aquél con

valores inferiores es el PCL. Los materiales híbridos aumentan su módulo de flexión con

respecto al polímero de menores valores (PCL y PHB).

Caracterización térmica

Ensayos Termogravimétricos (TGA)

El análisis termogravimétrico es un método de análisis térmico utilizado para medir los

cambios de masa en función de la temperatura. Varias normas internacionales describen

los principios generales de termogravimetría para polímeros (ISO 11358). Se realizaron

análisis termogravimétricos para estudiar modificaciones físicas plausibles como

consecuencia de la temperatura y determinar la pérdida de masa atribuida a la

degradación del polímero, para corroborar el porcentaje de aditivos inorgánicos

efectivamente incorporados a la matriz polimérica. El equipo utilizado fue un TGA / SDTA

851 (Mettler-Toledo Inc., Schwerzenbach, Suiza) con una velocidad de calentamiento de

30 a 350 °C a 20 °C min-1.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500


Flex

ura

l Mo

du

lus

(Mp

a)

Flexural Modulus




22 | P á g i n a

Figura 6 Resultados de Termogravimetría para los materiales utilizados como scaffolds

En los termograma presentados (Figura 6) para los polímeros PCL y PLA se ve como el

polímero se descompone totalmente a una temperatura de 330ºC y los porcentajes de

masa inorgánica remanente coinciden con el 2,5% de HA y 2,5% de SiO2. Sin embargo,

para el PHB se observan dos saltos de temperatura debido a un proceso de descomposición

en dos pasos. En cuanto a los polímeros híbridos, se observa claramente dos saltos

diferenciados correspondientes a la fusión de cada polímero por separado.

Espectroscopía Diferencial de Barrido (DSC)

La calorimetría diferencial de barrido permite el estudio de aquellos procesos en los que

se produce una variación entálpica, por ejemplo, la determinación de calores específicos,

las temperaturas de fusión, la pureza de los compuestos cristalinos, las entalpías y la

determinación de las transiciones de primer y segundo orden. Por lo tanto, se usó DSC

para descubrir cualquier cambio físico en los híbridos y resolver variaciones de

temperatura sutiles inducidas por la adición de compuestos inorgánicos. Las mediciones

se realizaron en un dispositivo Mettler-Toledo DSC 821e (Mettler-Toledo S.A.E., Barcelona,

España). Cada muestra consistió en entre 5 y 10 mg y se exploró de 30 a 350°C a 10°C

min-1.



23 | P á g i n a

Figura 7 Resultados de DSC para los materiales utilizados como scaffolds

Desde los resultados presentados en la Figura 7 se puede observar un pico de degradación

a 60ºC en las mezclas de PCL. Las mezclas de PLA poseen una temperatura Tg de alrededor

de 57ºC que se desplaza a temperaturas más altas cuando se mezcla el PLA con HA y SiO2

debido a que estas cargas actúan como nucleantes; y una temperatura de fusión de

alrededor de 170ºC. Para los híbridos de PCL/PLA el pico correspondiente a la fusión del

PCL se desplaza a temperaturas más bajas y la Tg correspondiente al PLA aumenta a

valores alrededor de 100ºC.

Citotoxicidad

La citotoxicidad se refiere a la viabilidad de un cultivo celular sobre la superficie de los

compuestos, es decir, si las células son capaces de sobrevivir y proliferan sobre un material

determinado. La citotoxicidad se estudió bajo las especificaciones de la norma UNE-EN

ISO 10993-5:2009.

Figura 8 Resultados de citotoxicidad para los materiales utilizados como scaffolds

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Cit

oto

xici

ty (

%)

Citotoxicity




24 | P á g i n a

Los resultados de citotoxicidad mostrados en la Figura 8 proporcionan índices de viabilidad

excelentes con valores superiores al 95% en la mayoría de los casos, por ello se concluye

que los materiales son aptos para el crecimiento y proliferación de células.

Compostabilidad

El estudio de compostabilidad se llevó a cabo bajo la norma UNE-EN ISO 20200 donde se

especifica la composición del residuo sintético que actúa como compost. El método de

ensayo determina el grado de desintegración de materiales plásticos cuando se exponen

a un ambiente de compostaje en laboratorio. Las muestras se introdujeron en un reactor

de compostaje que se introdujo en una estufa a 58ºC durante un período mínimo de 45

días.

Figura 9 Resultados de copostabilidad para los materiales utilizados como scaffolds

Como se observa en los resultados (Figura 9), el PCL es el material que antes de degrada,

seguido del PLA y del PHB. La adición de cargas inorgánicas acelera el proceso de

degradación debido a la otorgación del carácter hidrofílico y por lo tanto la absorción de

agua acelera el proceso de escisión de las cadenas poliméricas.

Biodegradabilidad

La degradación cinética de cada muestra se siguió in vitro en solución salina tamponada

con fosfato (PBS) a 37ºC. Con el objetivo de acelerar el proceso, las muestras se

sumergieron previamente en una solución de NaOH 2M durante 24 h. Tres réplicas de cada

composición se sumergieron en tubos individuales con 10 ml de DPBS (Sigma Aldrich) (a

pH 7,4) con tapones de rosca y se mantuvieron a 37ºC en una incubadora. Después de

cuatro semanas cada muestra se retiró, se enjuagó a fondo con agua desionizada y se

secó en un horno a 35ºC durante 12 h. Se evaluó la pérdida de peso.



25 | P á g i n a

Figura 10 Resultados de biodegradabilidad para los materiales utilizados como scaffolds

Los ensayos de biodegradabilidad que se recogen en la Figura 10 muestran que el PHB es

el polímero con mayor pérdida de peso al pasar 4 semanas sumergido en PBS, seguido del

PLA y del PCL.

Viabilidad de los compuestos desprendidos al biodegradarse

Posteriormente a la degradación cinética se tomaron los residuos contenidos en el PBS de

cada una de las muestras, y se filtraron para asegurar su esterilidad, para posteriormente,

realizar una disolución 1:10 de dicho PBS con los compuestos desprendidos junto con

Medio de cultivo celular (DMEM) con alto contenido en glucosa + 10% Suero fetal bovino

(FBS) + 1% Penicilina estreptomicina (P/S).

Se realizó un cultivo celular en una placa de 96 pocillos de 5000 células L929 de ratón por

cada pocillo, al que una vez pasadas 3h desde su siembra se les cambió su medio de

cultivo por el mencionado anteriormente con los compuestos de degradación. Al cabo de

3 días se le midió mediante un ensayo de citotoxicidad (MTT) la cantidad de células vivas

que había en cada pocillo, tomando como control de células vivas (C+) las células con

medio de cultivo con una fracción del 1:10 en PBS y como control de células muertas, un

pocillo en el que el medio de cultivo había estado en contacto directo con latex durante

48h (C-).

El ensayo de citotoxididad se llevó a cabo mediante el protocolo indicado por el fabricante

(Cell Proliferation Kit I, Merkel) leyendo la absorbancia final y normalizando los datos

obtenidos en función del control positivo como control del 100% de viabilidad.



26 | P á g i n a

Figura 11 Resultados de Viabilidad de los compuestos desprendidos al biodegradarse

para los materiales utilizados como scaffolds

Así pues, se concluye que los productos de degradación obtenidos (Figura 11) difieren en

su viabilidad calculada mediante el ensayo. Siendo los materiales por encima de 0,8 en la

gráfica presentada, totalmente biocompatibles. Pudiendo apreciar como todos los

productos de degradación de los materiales presentan un comportamiento similar una vez

están en contacto con las células.

Adsorción de proteínas (albúmina y Fibronectina)

Para este ensayo se pretende comparar la superficie ocupada por cada una de las proteínas

Albúmina, proveniente del suero bovino (BSA), y de la fibronectina, proveniente de suero

humano (Fn), mediante técnicas de fluorescencia e incubación con anticuerpos.

Para ello se siguió el siguiente protocolo:

• Hacer las soluciones A B y C en DPBS al 7.4 de pH

o A 1.4 ml de Fn con una concentración de 20 ug/mL

o B 1.4 mL de BSA con una concentración de 80 ug/mL

o C 1.4 mL de la mezcla de las dos proteínas

• Verter 100 uL de cada una de las soluciones en su respectivo material e incubar

durante 30 min a 37ºC en el incubador para posteriormente lavar dos veces con

PBS durante 5 min.

• Incubar durante 1h con los anticuerpos primarios de BCA y de Fibronectina y

después de volver a lavar con DPBS dos veces durante 5 min, incubar durante la

noche a 4ºC con los anticuerpos secundarios Alexa 488 y 633 para cada proteína

respectivamente.

• Se procede con el análisis de imagen para cuantificación cuantitativa de la

adsorción de proteínas mediante imagen confocal y postprocesado de imagen con

ImageJ, tomando 5 muestras aleatorias de zonas de la imagen con proteína y

cuantificando para cada una su fluorescencia, obteniendo así cuantitativamente la

cantidad relativa de proteína que se adsorbe a cada material.



27 | P á g i n a

Figura 12 Resultados de adsorción de proteínas para los materiales utilizados como

scaffolds

La albúmina (Mw de 69,000) es la primera proteína que se adsorbe en la superficie del

biomaterial e inhibe la adhesión celular. Por otro lado, la fibronectina (Mw de 440,000)

aumenta la adhesión y la propagación de los fibroblastos y desempeña un papel muy

importante en la interacción de las células con la superficie de un dispositivo artificial. De

acuerdo con el efecto Vroman, las proteínas más pequeñas y más abundantes presentes

en el medio dominan la superficie del biomaterial después de breves períodos de

exposición debido a sus mayores tasas de colisión. Posteriormente se producen varios

procesos de intercambio y las proteínas con afinidades más altas los reemplazan y toman

el control de la superficie. Finalmente, después de un tiempo muy largo, solo las proteínas

con las afinidades más altas permanecen presentes en la superficie.

En los resultados obtenidos presentados en la Figura 12 se observa que las proteínas de

Albúmina en general tienen mayor afinidad por el material que la Fibronectina, siendo esta

más propensa a adsorberse en el 4 PHB en comparación con los materiales restantes.



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Desarrollo de monofilamentos bi-componentes en forma de core/sheath para la

producción de Fibra Óptica Polimérica

Extrusión monofilamento bicomponente

Se utilizó PMMA Pexyglass 6N y PMMA Pexyglass 8N (Guzman y Global) como polímero

óptico y PVDF Kynarflex® 2500-20 (Arkema) como material de cladding para reducir las

pérdidas. El PMMA se secó previo a la extrusión durante 10 horas a 75ºC en un horno de

aire. Se pretende obtener una fibra bi-componente con un diámetro interno de 1.1mm y

un diámetro externo de 2.2mm. Las temperaturas de extrusión a lo largo del tornillo se

optimizaron a 225/235/235 con una velocidad de bomba para el PMMA de 12 rpm y 36

rpm para el PVDF.

Medición de la transmitancia de la luz

Para medir la transmitancia de la luz, se midieron las pérdidas (α (dB/m)) de las fibras

desarrolladas. Para ello se utilizó un LED para inyectar la luz en las fibras POF. El espectro

se produjo con un cabezal AlGaInP a una absorción de 645nm. El LED se dirigió con una

corriente constante, implementado con un conversor digital-a-anológico de 12-bit (DAC)

(MCP4822 (Microchip, Chandler, AZ, USA)), un amplificador operacional general (LM358

(Texas Instrument, Dallas, TX, USA)), un transistor de silicona BJT (2N2222A

(STMicroelectronics, Geneva, Switzerland)) y un resistor.

Pruebas iniciales PMMA/PP

Tabla 4 Pruebas iniciales de extrusión bi-componente sección circular para el PMMA/PP

PM

MA

/P

P

1 2 3 4 5 8 9

Cabezal inclinado Cabezal

perpendicular

Cabezal

perpendicular/

tanque profundo

Velpump

PMMA 12 12 12 12 12 12 12

Velpump

PP 26 49 49 49 49 36 36

Velgodet 40/41/41,5 20/21/21,5 12 20 21 16 16

α

(dB/m) - 58.33 28.95 31.26 36.86 - -

Las primeras pruebas se realizaron con un cabezal con canal de salida de 40º de inclinación

para reducir en la mayor medida el codo que se forma al introducirse el polímero en el

baño. Para fibras mono-componentes, usando este tipo de cabezal, se obtiene una



29 | P á g i n a

geometría regular con sección circular. Sin embargo, cuando se extruye una fibra bi-

componente, actúan las fuerzas de la gravedad obteniendo una geometría ovalada para el

polímero interno (Tabla 4).

Al observar la geometría irregular del polímero, se decidió utilizar un cabezal con caída

perpendicular. Aunque la geometría mejoró ligeramente, seguía presentando una

geometría ovalada. Finalmente se decidió usar un baño profundo para evitar la

deformación de la fibra a la recogida del material.

Pruebas iniciales PMMA/PVDF

Tabla 5 Pruebas iniciales de extrusión bi-componente sección circular para el PMMA/PVDF

PM

MA

/P

VD

F S1 S2 S3 S4 S5

Cabezal perpendicular/ tanque profundo

Velpump

PMMA 6 6 6 6 6

Velpump

PVDF 40 40 40 40 40

Velgodet 8 8 8 8 16

Tª tanque 22ºC 42ºC 42ºC 9ºC 9ºC

α (dB/m) 57.86 40.79 45.13 20.82 19.78

Una vez optimizado el proceso de extrusión bi-componente con sección circular, usando

como cladding PP, se procedió a optimizar el proceso usando PVDF como cladding. En las

pruebas preliminares (Tabla 5), se decidió modificar el parámetro de temperatura de

enfriamiento; ya que, si el enfriamiento es lento (Tª de baño alta 42ºC), el polímero posee

mayor grado de cristalinidad. Sin embargo, si el enfriamiento es rápido (Tª baño baja

9ºC), el polímero interno es más amorfo (conduce mejor la luz) y el cladding se enfría

antes, enfriando rápidamente al núcleo y evitando la deformación de la estructura interna.

En vista de los resultados (Tabla 5), efectivamente se observa que con un enfriamiento

rápido (baño a 9ºC) y aplicando estiraje, las pérdidas disminuyen (α (dB/m)), dando

mejores resultados.



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Pruebas iniciales PMMA sección trilobal

Tabla 6 Pruebas iniciales de extrusión mono-componente sección trilobal para el PMMA

PM

MA

/P

P

TM1 TM2 TM3 TM4 TM5 TM6

Plexiglas 8N Plexiglas 6N

Velpump

PMMA 12 12 8 8 10 10

Velgodet 18 18 20 20 24 24

Tª aire - 3 - 3 - 3

α

(dB/m) 27.66 28.18 25.29 19.61 21.58 20.28

Inicialmente, se extruyó fibra mon-componente de PMMA con geometría trilobal usando

un cabezal con geometría final trilobal (Tabla 6). Los resultados muestran que la aplicación

de estiraje (24 m/min) reduce la sección de la fibra consiguiéndose un enfriamiento más

rápido y por lo tanto la estructura del polímero es más amorfa y las pérdidas de luz

disminuyen. En la siguiente etapa se pretende añadir el polímero que actúa como cladding

(PVDF) y observar cómo afecta la geometría del polímero interno.

Pruebas finales PMMA sección trilobal

Utilizando los datos de simulación de salida de cabezal proporcionados por PRINCIPIA

(Figura 13), según los diseños que se les envió, se fabricó un cabezal final con el que se

procesaron las fibras trilobales.

Figura 13 Simulaciones proporcionadas por PRINCIPIA según diferentes diseños de

cabezal.



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El procesado de fibra óptica trilobal de PMMA/PVDF se optimizó obteniendo buenos

resultados. Se redujo el diámetro final de la fibra para poder introducir la fibra óptica en

el tejido.

Tabla 7 Optimización de la fibra bi-componente con geometría trilobal de PMMA/PVDF

PM

MA

/P

VD

F

TT1 TT2 TT3

Cabezal perpendicular/ tanque profundo

Velpump

PMMA 4.5 3.5 3.5

Velpump

PVDF 35 27 27

Velgodet 6 20 27/28/28.5/29

Tª tanque 11ºC 11ºC 11ºC

Ø (mm) 2,2 1 0,85

α (dB/m) 89,36 44.88 19,75

Se observa como al reducir el diámetro se obtienen mejor resultados de transmitancia.



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6.BIBLIOGRAFÍA



33 | P á g i n a

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VOLFIL - Aitex · nano-esferas de sílice (SiO 2), es una manera interesante de mejorar las propiedades biológicas y mecánicas del material. La HA es el mineral que se encuentra