Investigadores de la UPM y del CSIC desarrollan materiales biocompatibles a partir del bagazo como alternativa a algunas prótesis actuales

Residuos de la cerveza ayudan a la regeneración ósea

M. Ramos1, M. Yates2, M.A. Martín-Luengo*3, E. Sáez Rojo1,2,3, A.M. Martínez Serrano1,2,3, A. Civantos4, J.L. Lacomba 5, L. Vega Argomaniz2, C. Vervaet6, G. Reilly7, J.L.Tarterra8

13/06/2014

Como resultado de un trabajo realizado por investigadores del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y los Institutos de Ciencia de Materiales y de Catálisis y Petroquímica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en colaboración con las empresas Mahou y Createch, se han desarrollado materiales biocompatibles para utilizarse como soportes para la regeneración ósea a partir de residuos de la industria agroalimentaria, en concreto, el bagazo generado en la producción de cerveza.

Estos nuevos materiales pueden considerarse una alternativa a las prótesis formadas a partir de huesos ovinos procesados o materiales de síntesis, con procesos de fabricación mucho más costosos y más agresivos para el medioambiente.

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Cerveza. Foto: Gianni Testore.

Los residuos obtenidos durante el proceso de producción de cerveza contienen los principales componentes químicos presentes en el hueso (fósforo, calcio, sílice y magnesio), por lo que, tras someterse a diferentes procesos de modificación, pueden utilizarse como soportes o matrices (también llamados scaffolds) para promover la regeneración ósea en diferentes aplicaciones biomédicas, tales como recubrimiento de prótesis, injertos de hueso o implantes odontoestomatológicos. La utilización de residuos procedentes de la industria agroalimentaria supone una amplia fuente de recuperación de materias primas con gran diversidad química, reduciéndose al mismo tiempo el impacto que genera la acumulación de residuos sobre el medio ambiente.

La utilización de materiales sintéticos como sustitutos de hueso es hasta el momento la terapia más utilizada para el tratamiento de enfermedades relacionadas con alteraciones óseas. Las estrategias terapéuticas se basan en la utilización de scaffolds porosas pero suficientemente rígidas, compuestas por materiales biocompatibles, que sirven como moldes que proporcionan estabilidad mecánica y al mismo tiempo promueven el crecimiento y diferenciación de nuevo tejido óseo, guiando la formación de matriz extracelular y, por tanto, la regeneración del tejido óseo.

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Biomaterial utilizado como matriz para regeneración ósea compuesto por un bloque poroso de 1 centímetro de altura obtenido a partir del tratamiento del bagazo de cerveza / Ángeles Martín Luengo, Malcolm Yates y Eduardo Sáez (ICMM-CSIC e IPC-CSIC).

Debido a su semejanza con la composición del hueso, los fosfatos cálcicos sintéticos son los más utilizados como matrices o recubrimientos en implantes ortopédicos y odontoestomatológicos. Estos materiales son a menudo obtenidos mediante reacciones químicas de síntesis complejas que utilizan reactivos tóxicos (por ejemplo, peróxido de benzoilo, benceno, anilinas) y calcinaciones a temperaturas muy elevadas, cercanas a 1.500 grados centígrados. Como resultado se obtienen materiales biocerámicos a los que se añade para terminar silicio mediante hidrólisis de TEOS, con un paso final de sinterización a más de 1.100 grados.

El sector cervecero es uno de los de mayor facturación (2.990 millones de euros en 2012) de la industria española agroalimentaria y emplea la práctica totalidad de la producción de malta y lúpulo del país. Dentro del proceso productivo, los subproductos más abundantes son el bagazo, la levadura y los restos de malta secos, siendo el bagazo el residuo generado en mayor cantidad (17-23 kilos por hectolitro de cerveza fabricado). El bagazo está constituido por restos orgánicos procedentes del procesado de la malta que no sufren modificaciones posteriores y, por tanto, se han considerado tradicionalmente subproductos, destinándose usualmente a la venta para la fabricación de piensos para el ganado, con un reducido valor comercial. Los tratamientos aplicados en este trabajo al residuo del bagazo dan como resultado la obtención de un material rico en silicio, fósforo, calcio y magnesio, cuyos análisis mediante porosimetría de mercurio han determinado la presencia de poros intercomunicados de entre 50 y 500 micras de diámetro, similar a la porosidad del hueso esponjoso, lo que favorecería la completa vascularización tras su implantación.

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Osteoblastos de ratón creciendo sobre matrices 3D desarrolladas a partir de residuos de la industria alimentaria. / Milagros Ramos y Ana Martínez Serrano, CTB-UPM.

En una primera aproximación mediante ensayos realizados sobre cultivos celulares, los investigadores determinaron la biocompatibilidad de los materiales analizando la viabilidad celular de osteoblastos cultivados en presencia de los componentes de los materiales en polvo. Posteriormente, tras compactar y sinterizar los materiales formando matrices sólidas en 3D, analizaron la capacidad de las células de tipo óseo para adherirse a ellos, proliferar y diferenciarse a células óseas maduras, capaces de expresar marcadores típicos de fenotipo óseo como fosfatasa alcalina y llevar a cabo la síntesis de colágeno y mineralización de la matriz extracelular. Los resultados obtenidos demuestran que los materiales desarrollados son biocompatibles y permiten que los osteoblastos que crecen sobre ellos proliferen y alcancen los mismos grados de maduración que sobre la hidroxiapatita, material comúnmente utilizado en cirugía maxilofacial, cirugía craneofacial o implantes orbitarios.

Por tanto, esta investigación de la UPM y el CSIC en colaboración con las empresas Mahou y Createch, subvencionada por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del programa Innpacto, ha puesto de manifiesto la valorización de estos materiales procedentes de la industria agroalimentaria para su conversión en soportes o scaffolds aptos para regeneración ósea.

* Sobre los autores

  1. Centre of Molecular Biology Severo Ochoa, U.A.M.-C.S.I.C. Campus Cantoblanco, Madrid. Polytechnic University of Madrid, Spain, mramos@cbm.uam.es, madrid10-08-89@hotmail.com
  2. Advanced uses of Ecomaterials form agricultural industry, Institute of Catalysis and Petroleochemistry, CSIC, Spain, myates@icp.csic.es, lorena.vega@csic.es
  3. Department of New Architectures, Institute of Materials Science of Madrid, CSIC, Spain, mluengo@icmm.csic.es, eduardosaezrojo@yahoo.es
  4. Institute of Biofunctional Studies, Complutense University of Madrid, Spain, anitacivantos@gmail.com
  5. Institute of Biofunctional Studies, Complutense University of Madrid, Spain, lacomba@yahoo.com
  6. Laboratory of Pharmaceutical Technology, Harelbekestraat 72, 9000 Gent, Belgium, Chris.Vervaet@UGent.be
  7. The Kroto Research Institute, North Campus, University of Sheffield, Broad Lane, Sheffield, S3 7HQ, g.reilly@sheffield.ac.uk
  8. San miguel, Fábricas de Cerveza y Malta, S.A. C/ Avda. de la Industria - Polígono Industrial “El Segre” 25191 Lleida jlluis@mahou-sanmiguel.com

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