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ARTÍCULO  EN  PRENSA

Biomateriales  26  (2005)  5983–5990
www.elsevier.com/locate/biomaterials

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Chitosan:  un  biopolímero  versátil  para  la  ingeniería  de  tejidos  ortopédicos
Alberto  Di  Martinoab,  Michael  Sittingerc ,  Makarand  V.  Risbuda,
a
Departamento  de  Cirugía  Ortopédica  y  Programa  de  Posgrado  en  Ingeniería  de  Tejidos  y  Medicina  Regenerativa,
Universidad  Thomas  Jefferson,  Filadelfia,  PA  19017,  EE.  UU.
b
Departamento  de  Cirugía  Ortopédica  y  Traumatológica  Campus  Universidad  Bio­Medico,  Roma,  Italia
C
Laboratorio  de  Ingeniería  de  Tejidos,  Charite—Universidad  de  Medicina,  Berlín,  Alemania

Recibido  el  11  de  febrero  de  2005;  aceptado  el  7  de  marzo  de  2005
Disponible  en  línea  el  13  de  mayo  de  2005

Abstracto

Las  estrategias  actuales  de  ingeniería  de  tejidos  se  centran  en  la  restauración  de  la  arquitectura  tisular  patológicamente  alterada  mediante  el  trasplante  
de  células  en  combinación  con  andamios  de  apoyo  y  biomoléculas.  En  los  últimos  años,  se  ha  prestado  una  atención  considerable  a  los  materiales  
basados  en  quitosano  (CS)  y  sus  aplicaciones  en  el  campo  de  la  ingeniería  de  tejidos  ortopédicos.  Las  características  interesantes  que  hacen  que  el  
quitosano  sea  adecuado  para  este  propósito  son  una  mínima  reacción  a  cuerpo  extraño,  una  naturaleza  antibacteriana  intrínseca  y  la  capacidad  de  
moldearse  en  diversas  geometrías  y  formas,  como  estructuras  porosas,  adecuadas  para  el  crecimiento  celular  y  la  osteoconducción.  Debido  a  sus  
favorables  propiedades  gelificantes,  el  quitosano  puede  administrar  factores  morfogénicos  y  agentes  farmacéuticos  de  manera  controlada.  Su  naturaleza  
catiónica  le  permite  complejar  moléculas  de  ADN,  lo  que  lo  convierte  en  un  candidato  ideal  para  las  estrategias  de  administración  de  genes.  La  capacidad  
de  manipular  y  reconstituir  la  estructura  y  la  función  de  los  tejidos  utilizando  este  material  tiene  enormes  implicaciones  clínicas  y  es  probable  que  
desempeñe  un  papel  clave  en  las  terapias  celulares  y  génicas  en  los  próximos  años.  En  este  artículo  revisaremos  las  aplicaciones  actuales  y  las  
direcciones  futuras  de  la  CS  en  la  ingeniería  del  cartílago  articular,  
el  disco  intervertebral  y  el  tejido  óseo.  r  2005  Elsevier  Ltd.  Todos  los  derechos  reservados.

Palabras  llave:  Quitosano;  Ingeniería  de  tejidos;  Ortopedía;  Cartílago;  Disco  intervertebral;  Hueso

Contenido

1.  Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5983
1.1.  CS  en  ingeniería  de  tejidos  de  cartílago. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5984
1.2.  CS  en  la  ingeniería  de  tejidos  del  disco  intervertebral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5986
1.3.  CS  en  ingeniería  de  tejido  óseo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5987
2.  Direcciones  futuras  y  conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5988
Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5988
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5989

1.  Introducción andamios  y  nuevos  sistemas  de  administración  de  fármacos.  En  
este  sentido,  se  ha  prestado  una  atención  considerable  a  los  
En  los  últimos  años,  la  investigación  de  biomateriales   materiales  a  base  de  quitosano  (CS)  [1].  CS  es  un  derivado  
funcionales  se  ha  dirigido  hacia  el  desarrollo  de  mejores desacetilado  de  la  quitina,  un  biopolímero  natural  de  alto  peso  
molecular,  el  segundo  más  abundante  que  se  encuentra  
Autor  correspondiente.  Tel.:  +215  955  1063;  fax:  +215  955  9159. comúnmente  en  las  conchas  de  los  crustáceos  marinos  y  las  
Dirección  de  correo  electrónico:  makarand.risbud@jefferson.edu  (MV  Risbud). paredes  celulares  de  los  hongos.  CS  es  un  polisacárido  lineal,  compuesto  de  glu

0142­9612/$  ­  véase  la  portada  r  2005  Elsevier  Ltd.  Todos  los  derechos  reservados.  
doi:10.1016/j.biomateriales.2005.03.016
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5984 A.  Di  Martino  et  al. /  Biomateriales  26  (2005)  5983–5990

N­acetil  glucosamina  unida  de  manera  ab(1–4);  denominándose  la   rosario.  Se  muestra  que  el  tamaño  y  la  orientación  de  los  poros  
relación  glucosamina/N­acetil  glucosamina  como  el  grado  de   influyen  en  las  propiedades  mecánicas  de  los  andamios  CS.  Las  
desacetilación.  Según  la  fuente  y  el  procedimiento  de  preparación,   pruebas  de  tracción  de  muestras  hidratadas  mostraron  que  las  
su  peso  molecular  puede  oscilar  entre  300  y  más  de  1000  kD  con  un   membranas  porosas  tienen  módulos  elásticos  muy  reducidos  (0,1–
grado  de  desacetilación  del  30  %  al  95  %.  En  su  forma  cristalina,  el   0,5  MPa)  en  comparación  con  las  membranas  no  porosas  (5–7  
CS  normalmente  es  insoluble  en  soluciones  acuosas  por  encima  de   MPa).  La  extensibilidad  (deformación  máxima)  de  las  membranas  
pH  7;  sin  embargo,  en  ácidos  diluidos  (pHo  6,0),  los  grupos  amino   porosas  varió  desde  valores  similares  a  los  de  la  CS  no  porosa  
libres  protonados  de  la  glucosamina  facilitan  la  solubilidad  de  la   (aproximadamente  30  %)  hasta  más  del  100  %  en  función  del  
molécula  [2–4]. tamaño  y  la  orientación  de  los  poros.
Las  membranas  porosas  también  exhibieron  una  curva  de  tensión­
La  naturaleza  catiónica  de  CS  es  la  principal  responsable  de  las   deformación  típica  de  los  materiales  compuestos  con  una  región  de  
interacciones  electrostáticas  con  glicosaminoglicanos  aniónicos   bajo  módulo  a  bajas  deformaciones,  junto  con  una  transición  a  un  
(GAG),  proteoglicanos  y  otras  moléculas  cargadas  negativamente.   módulo  de  2  a  3  veces  mayor  cuando  se  aplican  altas  deformaciones.
Esta  propiedad  es  de  gran  interés  porque  un  gran  número  de   Se  informó  que  las  resistencias  a  la  tracción  de  las  estructuras  
citoquinas/factores  de  crecimiento  están  ligados  a  GAG   porosas  estaban  en  el  rango  de  30  a  60  kPa  [4,7].  En  un  estudio  
(principalmente  con  heparina  y  heparán  sulfato),  y  un  andamio  que   reciente,  Geng  et  al.  [11]  han  fabricado  andamios  CS  porosos  
incorpora  un  complejo  CS­GAG  puede  retener  y  concentrar  factores   utilizando  un  sistema  de  creación  rápida  de  prototipos  (RP)  de  
de  crecimiento  secretados  por  células  colonizadoras  [4] .  Además,  la   escritorio,  que  dispensa  secuencialmente  una  solución  de  hidróxido  
presencia  del  resto  de  mina  de  N­acetilglucosa  en  CS  también   de  sodio  y  CS  disuelto  en  un  ácido  acético  que  da  como  resultado  
sugiere  bioactividades  relacionadas.  De  hecho,  los  oligosacáridos   una  hebra  de  CS  similar  a  un  gel  (Fig.  1 ) .
CS  tienen  un  efecto  estimulador  sobre  los  macrófagos,  y  tanto  el   Otra  propiedad  interesante  de  CS  es  su  actividad  antibacteriana  
quitosano  como  la  quitina  son  quimiotractantes  para  los  neutrófilos   intrínseca.  Los  estudios  han  demostrado  que  la  CS  puede  reducir  la  
tanto  in  vitro  como  in  vivo. tasa  de  infección  de  la  osteomielitis  inducida  experimentalmente  por  
La  lisozima  es  la  principal  enzima  responsable  de  la  degradación   Staphylococcus  aureus  en  conejos  [12].
in  vivo  de  CS  a  través  de  la  hidrólisis  de  residuos  acetilados.  Aunque,   Su  grupo  amino  catiónico  se  asocia  con  aniones  en  la  pared  celular  
otras  enzimas  proteolíticas  han  mostrado  un  bajo  nivel  de  actividad   bacteriana,  suprimiendo  la  biosíntesis;  además,  CS  interrumpe  el  
de  degradación  en  la  molécula. transporte  de  masa  a  través  de  la  pared  celular  acelerando  la  muerte  
La  tasa  de  degradación  de  CS  está  inversamente  relacionada  con  el   de  las  bacterias.  Debido  a  esta  propiedad  antibacteriana,  se  ha  
grado  de  cristalinidad  y,  por  lo  tanto,  con  la  desacetilación.  Las   mezclado  con  otros  polímeros  [13].  CS  también  es  un  vehículo  
formas  altamente  desacetiladas  pueden  durar  varios  meses  in  vivo;   preferido  para  la  administración  de  fármacos  [12],  por  lo  que  combina  
los  eventuales  productos  de  degradación  son  oligosacáridos  CS  de   su  actividad  antibacteriana  intrínseca  con  la  del  antibiótico  unido.  
longitud  variable.  Mao  et  al.  [5]  observaron  una  correlación  directa   Cuando  se  añadió  a  HA  y  yeso  de  París  para  obtener  un  compuesto  
entre  el  grado  de  desacetilación  del  CS  y  la  adhesión  celular.  Por  lo   para  la  liberación  sostenida  de  vancomicina  o  fosfomicina,  el  material  
tanto,  la  selección  cuidadosa  del  grado  CS  es  crucial  al  desarrollar   compuesto  fue  capaz  de  inhibir  in  vitro  S.  aureus  resistente  a  la  
andamios  para  la  ingeniería  de  tejidos.  Varios  investigadores  han   meticilina  durante  3  meses,  un  período  compatible  con  el  tratamiento  
examinado  la  respuesta  del  tejido  huésped  a  los  implantes  basados   de  la  mayoría  de  las  infecciones  ortopédicas.  [14].
en  CS.  En  general,  estos  materiales  provocan  una  mínima  reacción  
a  cuerpo  extraño,  con  poca  o  ninguna  encapsulación  fibrosa  [6].  La  
formación  de  tejido  de  granulación  normal  asociado  con  angiogénesis   CS  se  ha  combinado  con  una  variedad  de  materiales  de  
acelerada  parece  ser  el  curso  típico  de  la  respuesta  de  curación.  Se   administración  como  alginato,  hidroxiapatita,  ácido  hialurónico,  
ha  sugerido  que  este  efecto  inmunomodulador  estimula  la  integración   fosfato  de  calcio,  PMMA,  ácido  poli­L­láctico  (PLLA)  y  factores  de  
del  material  implantado  por  parte  del  huésped  [7]. crecimiento  para  aplicaciones  potenciales  en  ortopedia.  En  general,  
CS  ofrece  amplias  posibilidades  para  la  ingeniería  de  tejidos  basada  
en  células  [8].  Las  posibles  preparaciones  de  matriz  para  cultivos  
Una  de  las  propiedades  de  CS  es  que  se  puede  moldear  en  varias   celulares  incluyen  geles  [15],  esponjas,  fibras  [16]  o  composiciones  
formas  [8].  CS  posee  una  excelente  capacidad  para  formar   porosas  de  CS  con  cerámica  [17]  u  otros  materiales  poliméricos  
estructuras  porosas.  Los  andamios  porosos  se  generan  congelando   como  colágeno  o  gelatina  [18,19]  para  ajustar  las  propiedades  de  
y  liofilizando  soluciones  de  CS  [9]  o  mediante  procesos  como  un   siembra  celular  y  mecánicas.  comportamiento  de  los  trasplantes  de  
"proceso  de  burbujeo  interno" (IBP)  en  el  que  se  agrega  CaCO3  a   células  para  la  aplicación  clínica  prevista  (Fig.  2).
las  soluciones  de  quitosano  para  generar  geles  de  CS­CaCO3  [10].  
La  eliminación  del  hielo  por  liofilización  genera  un  material  poroso  
cuyo  tamaño  de  poro  y  orientación  pueden  controlarse  mediante  la   1.1.  CS  en  ingeniería  de  tejidos  de  cartílago
variación  de  la  velocidad  de  congelación,  el  tamaño  de  los  cristales  
de  hielo  y  la  geometría  de  los  gradientes  térmicos  durante  la   Los  andamios  tridimensionales  (3D)  son  esenciales  para  el  
congelación.  El  material  obtenido  se  puede  moldear  en  forma  de   desarrollo  del  cartílago  articular  diseñado.
membranas  porosas,  bloques,  tubos  y Los  andamios  ideales  están  diseñados  para  ser  biocompatibles,
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Fig.  1.  Se  ha  desarrollado  un  sistema  de  creación  rápida  de  prototipos  (RP)  de  escritorio  para  fabricar  andamios  para  aplicaciones  de  ingeniería  de  tejidos  (a).  Los  andamios  
se  construyen  mediante  la  dispensación  secuencial  de  quitosano  disuelto  en  ácido  acético  y  solución  de  hidróxido  de  sodio.  La  neutralización  del  ácido  acético  por  el  
hidróxido  de  sodio  da  como  resultado  un  precipitado  para  formar  una  hebra  de  quitosano  similar  a  un  gel.  Andamios  de  quitosano  (b)  totalmente  hidratados  (aproximadamente  
20  20  8,3  mm)  y  (c)  liofilizados  (aproximadamente  14,8  15  5,8  mm).  (Cortesía  del  Dr.  Dietmar  W.  Hurmacher,  Universidad  Nacional  de  Singapur.)

Fig.  2.  Ilustración  de  ejemplos  seleccionados  de  procesamiento  de  CS  para  uso  en  ingeniería  de  tejidos:  las  células  se  pueden  encapsular  en  geles  o  sembrar  en  matrices  
porosas  que  incluyen  estructuras  fibrosas  o  similares  a  esponjas.  Se  aplican  combinaciones  de  CS  con  otros  materiales  biocompatibles,  como  fosfato  de  calcio  o  gelatina,  
para  modificar  las  propiedades  biomecánicas  y  de  interacción  célula­matriz.  Diferentes  adaptaciones  de  CS  pueden  ayudar  a  optimizar  la  diferenciación  de  células  y  tejidos  
y  adaptar  el  trasplante  a  diferentes  situaciones  clínicas  de  entrega  de  células.

bioabsorbibles  y  presentan  una  porosidad  y  una  tasa  de   cartílago.  Esto  es  de  gran  importancia  porque  se  considera  
degradación  predecibles.  Proporcionan  un  marco  que  facilita   que  los  GAG  desempeñan  un  papel  fundamental  en  la  
el  crecimiento  interno  de  tejido  nuevo;  además,  las   modulación  de  la  morfología,  diferenciación  y  función  de  los  
características  mecánicas  coinciden  con  las  del  tejido  nativo,   condrocitos.
lo  que  aumenta  las  posibilidades  de  que  el  proceso  de   El  alginato  es  otro  biomaterial  candidato  para  la  ingeniería  
del  cartílago,  pero  exhibe  una  adherencia  celular  débil.  Iwasaki  
reparación  sea  compatible  con  la  fisiología  del  tejido  del  huésped  [3,20].
CS  se  ha  utilizado  como  material  de  andamiaje  en  la  ingeniería   et  al.  [22]  informaron  sobre  fibras  poliméricas  híbridas  CS  
del  cartílago  articular  [7,21],  debido  a  su  similitud  estructural   basadas  en  alginato  que  mostraron  una  mayor  adhesión  y  
con  varios  GAG  que  se  encuentran  en  el  cartílago  articular. proliferación  celular  in  vitro  en  comparación  con  el  alginato.  estos  hibridos
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5986 A.  Di  Martino  et  al. /  Biomateriales  26  (2005)  5983–5990

las  fibras  de  polímero  mostraron  una  mayor  resistencia  a  la   se  observó  tejido  fibroso  durante  las  6  semanas  del  experimento,  
tracción,  lo  que  implica  un  posible  uso  en  el  desarrollo  de  un   junto  con  CS  residual  inyectado  [30].
andamio  de  soporte  de  carga  3D  para  la  regeneración  del  cartílago  
[22].  Los  condrocitos  cultivados  en  sustratos  de  CS  in  vitro   1.2.  CS  en  la  ingeniería  de  tejidos  del  disco  intervertebral
mantuvieron  una  morfología  redonda  y  conservaron  la  síntesis  de  
moléculas  de  MEC  específicas  de  la  célula  [19,21].  CS  se  utilizó   Las  posibles  aplicaciones  de  CS  en  la  ingeniería  de  tejidos  de  la  
para  mejorar  la  unión  de  los  condrocitos  a  las  películas  de  PLLA;  el   columna  abarcan  tres  campos  diferentes,  a  saber,  la  fusión  de  la  
sustrato  modificado  mostró  una  mayor  adhesión  celular,  proliferación   columna,  la  terapia  génica  y  la  regeneración  del  núcleo  pulposo.  
y  actividad  biosintética  [23].  CS  también  se  conjugó  con  hialuronano   Cuando  se  aplica  una  alternativa  de  injerto  óseo  durante  los  
para  obtener  una  matriz  biomimética  para  condrocitos.  La  adhesión   procedimientos  de  fusión  espinal,  se  consideran  varios  factores  
de  condrocitos,  la  proliferación  y  la  síntesis  de  agrecano  y  colágeno   biomecánicos  locales,  según  el  tipo  y  la  posición  del  injerto  elegido.  
tipo  II  fueron  significativamente  mayores  en  la  fibra  híbrida  que  en   Los  injertos  intersomáticos  anteriores  están  expuestos  a  altas  
CS  [24]. fuerzas  de  compresión  y  deben  poseer  la  capacidad  de  soportar  
De  manera  similar,  para  aumentar  la  adhesividad  celular  de  CS,   cargas.  Por  el  contrario,  un  injerto  óseo  aplicado  posteriormente  se  
Hsu  et  al.  han  desarrollado  complejos  CS­alginato­hialuronano  con   coloca  a  lo  largo  del  lado  de  tensión  de  la  columna  vertebral  en  
o  sin  unión  covalente  con  proteína  que  contiene  RGD.  Los  andamios   ausencia  de  estímulos  compresivos  locales  y,  por  lo  tanto,  es  menos  
sembrados  con  células  mostraron  formación  de  neocartílago  in   probable  que  la  incorporación  del  injerto  óseo  se  vea  afectada  por  
vitro.  Cuando  se  implantaron  andamios  sembrados  con  condrocitos   factores  biomecánicos  locales  [31] .  Los  materiales  como  PLA  o  
en  defectos  del  cartílago  de  la  rodilla  de  conejo,  se  observó  una   PLA­PEG  se  han  probado  para  la  fusión  espinal  y  se  consideran  
reparación  parcial  después  de  1  mes,  tanto  en  presencia  como  en   buenos  candidatos  [32]  debido  a  su  plasticidad,  rigidez,  
ausencia  de  RGD,  lo  que  indica  el  potencial  de  este  material   biodegradabilidad  y  capacidad  para  apoyar  la  liberación  de  células  
compuesto  para  la  regeneración  del  cartílago  [25]. y  factores  de  crecimiento  como  las  BMP  in  vivo  [33].  Una  posible  
aplicación  de  CS  podría  ser  el  desarrollo  de  un  material  de  injerto  
Los  andamios  basados  en  CS  pueden  administrar  factores  de   compuesto  con  una  tasa  de  degradación  predecible  y  una  estructura  
crecimiento  de  manera  controlada  para  promover  el  crecimiento   macroporosa  que  permitiría  vincular  los  factores  de  crecimiento  y  
interno  y  la  capacidad  biosintética  de  los  condrocitos.  Lee  et  al.  [26]   apoyar  las  células  osteogénicas  para  la  fusión  espinal.
informaron  andamios  porosos  de  colágeno/CS/GAG  cargados  con  
TGF­b1.  Este  andamio  exhibió  una  liberación  controlada  de  TGF­b1   La  terapia  génica  representa  un  enfoque  reciente  para  facilitar  
y  promovió  la  regeneración  del  cartílago.  Además,  se  observó  que   la  fusión  del  cuerpo  vertebral  y  se  realiza  mediante  la  transferencia  
la  adición  de  CS  a  la  estructura  de  colágeno  mejora  las  propiedades   del  ADNc  de  genes  osteoinductivos  a  las  células  deseadas  [34].  
mecánicas  [26]  y  la  estabilidad  de  la  red  de  colágeno  al  inhibir  la   Los  vectores  no  virales  utilizan  sustratos  fisicoquímicos  para  
acción  de  las  colagenasas  [27].  Kim  et  al.  [28]  utilizaron  un  armazón   facilitar  la  entrada  del  material  genético  en  la  célula.  Este  método  
CS  liofilizado  poroso  que  incorporaba  microesferas  que  contenían   de  administración  es  ventajoso  porque  el  tamaño  del  material  
TGF­b1  para  el  tratamiento  de  defectos  del  cartílago.  TGF­b1  se   genético  que  puede  introducirse  en  la  célula  no  está  limitado  y,  por  
liberó  de  manera  sostenida  y  promovió  la  proliferación  de   lo  tanto,  podrían  introducirse  genes  grandes  con  estos  vectores.  Sin  
condrocitos  y  la  síntesis  de  matriz.  Mattio  li–Belmonte  et  al.  [29]   embargo,  la  eficacia  de  la  transfección  con  vectores  no  virales  es  
investigaron  el  efecto  de  BMP7  asociado  con  N,N­dicarboximetil   baja  y  la  duración  de  la  expresión  del  producto  proteico  tiende  a  ser  
CS  para  inducir  la  reparación  de  la  lesión  del  cartílago  articular   breve  debido  en  parte  a  la  naturaleza  episómica  del  propio  transgén.  
femoral  en  conejo,  planteando  la  hipótesis  de  un  sinergismo  de  sus   El  uso  de  plásmidos  para  la  entrega  de  genes  está  restringido  
respectivos  efectos  biológicos  [29].  De  hecho,  BMP­7  mejoró  la   porque  solo  unos  pocos  tipos  de  células  aceptarán  esta  forma  
proliferación  in  vivo  de  condrocitos,  lo  que  condujo  a  la  curación   desnuda  de  ADN.  Este  problema  puede  superarse  parcialmente  
parcial  de  la  superficie  articular  de  las  lesiones.  Considerando  que,   combinando  el  material  genético  con  andamios  bioabsorbibles  para  
CS  se  relacionó  con  una  mayor  proliferación  de  tejido  fibrovascular,   formar  lo  que  se  ha  denominado  "matriz  activada  por  genes" (GAM).  
el  proceso  inicial  de  osificación;  y  fue  crucial  como  portador  de   El  pliegue  del  andamio  sirve  como  sustrato  para  la  adhesión  celular  
BMP­7. y  facilita  el  contacto  del  ADN  desnudo  con  las  células  diana.  Los  
GAM  se  han  utilizado  con  éxito  para  promover  la  curación  de  
fracturas  en  roedores  y  caninos  [35,36].  A  través  de  su  capacidad  
Con  la  hipótesis  de  que  la  CS  y  algunos  de  sus  productos   para  complejar  el  ADN  [37,38]  y  su  buena  bioabsorción,  la  CS  
degradados  podrían  estar  implicados  en  la  síntesis  de  los   puede  considerarse  como  una  excelente  matriz  candidata  para  la  
componentes  de  la  matriz  articular,  como  la  condroitina,  el  condroitín­ terapia  génica  no  viral  para  aplicaciones  de  fusión  espinal  (Fig.  3).
sulfato,  el  dermatano­sulfato,  el  queratan­sulfato  y  el  ácido  
hialurónico,  Lu  et  al.  estudió  el  efecto  de  la  inyección  intraarticular  
de  CS  en  la  regeneración  del  cartílago  articular.  Se  observó  un  
aumento  del  cartílago  epifisario  en  las  articulaciones  tibial  y  femoral   Los  discos  intervertebrales  poseen  diferentes  regiones  funcionales  
con  una  activación  de  la  proliferación  de  condrocitos.  Del  mismo   y  anatómicas:  el  núcleo  pulposo  interno,  un  tejido  gelatinoso  
modo,  un  intra­articular hidratado  rico  en  proteoglicanos,  y  el
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A.  Di  Martino  et  al. /  Biomateriales  26  (2005)  5983–5990 5987

Fig.  3.  Esquema  que  muestra  las  posibles  aplicaciones  del  quitosano  (CS)  en  la  ingeniería  de  tejidos  del  disco  intervertebral.  La  formulación  de  CS  puede  contener  factores  de  
crecimiento  para  liberación  controlada  o  unirse  al  ADN  para  la  administración  de  genes.  Las  células  (núcleo  pulposo  o  células  madre  mesenquimales)  se  mezclarían  con  una  
solución  de  CS  (adaptada  para  someterse  a  termogelificación)  que  se  ha  complejado  previamente  con  ADN  plasmídico  (genes  de  factores  de  crecimiento)  o  que  contiene  
factores  de  crecimiento.  Esta  solución  se  inyectaría  en  el  espacio  del  disco  usando  una  aguja  de  calibre  fino.  Una  vez  dentro  del  cuerpo,  la  solución  de  quitosano  mezclada  
con  las  células  gelificaría  a  37  1C  y,  por  lo  tanto,  quedaría  retenida  en  el  espacio  discal.  Durante  un  período  de  varios  meses,  las  células  inyectadas  restablecerían  la  función  
biológica  del  disco  mediante  el  depósito  de  una  matriz  extracelular  rica  en  proteoglicanos.  En  otro  enfoque,  CS  se  mezclaría  con  colágeno  y  se  convertiría  en  un  andamio  
fibroso.  Las  células  se  sembrarían  en  andamios  CS  fibrosos  y  se  dejarían  madurar  in  vitro.  Después  del  nivel  deseado  de  maduración,  estos  andamios  sembrados  con  células  
se  trasplantarían  in  vivo  para  reparar  el  anillo  fibroso.

Anillo  fibroso  exterior  hecho  de  láminas  colágenas  concéntricas.   rico  depósito  de  matriz  por  osteoblastos  en  cultivo  [43].
La  pérdida  de  proteoglicanos  y  contenido  de  agua  en  el  núcleo   Además,  la  CS  es  biocompatible  (minimiza  la  inflamación  local  
pulposo  interno  inicia  la  enfermedad  espinal  degenerativa.  La   adicional),  biodegradable  y  puede  moldearse  en  estructuras  
regeneración  biológica  del  disco  se  considera  un  enfoque   porosas  (permite  la  osteoconducción)  [44].  Varios  estudios  se  
prometedor  para  restaurar  la  integridad  biológica  y  la  función   han  centrado  en  el  uso  de  compuestos  CS­fosfato  de  calcio  
de  un  disco  patológicamente  alterado  [39,40].  Se  pueden   (CP)  para  este  propósito  [45,46].  Una  biocerámica  CP  
emplear  varias  estrategias  para  las  diferentes  etapas  de  la   macroporosa  3D  incrustada  con  esponjas  CS  porosas  es  
degeneración  del  disco  que  utilizan  la  administración  directa   desarrollada  por  Zang  et  al.  [47].  En  este  andamio,  una  
de  fármaco/factor  de  crecimiento  al  disco,  así  como  la   esponja  CS  anidada  mejoró  la  resistencia  mecánica  de  la  fase  
transferencia  de  genes  a  las  células  del  disco  cultivadas  in   cerámica  a  través  del  refuerzo  de  la  matriz  y  preservó  el  
vitro  [41].  El  gel  CS  se  ha  utilizado  como  andamio  para  las   fenotipo  de  osteoblastos  [48].  De  manera  similar,  se  han  
células  del  núcleo  pulposo,  y  los  GF  se  utilizaron  para  modular   desarrollado  andamios  CS  macroporosos  conjugados  con  
la  síntesis  de  matriz  en  un  intento  de  producir  un  tejido  con   gentamicina  reforzados  con  fosfato  de  beta­tri  calcio  ðbTCPÞ  
una  composición  molecular  similar  al  tejido  del  núcleo  pulposo   y  CP  para  la  ingeniería  ósea  [46].
nativo.  Sin  embargo,  en  un  estudio  publicado,  la  formación  in   Se  han  sintetizado  andamios  CS  macroporosos  que  
vitro  de  tejido  del  núcleo  pulposo  no  pareció  verse  facilitada   incorporan  hidroxiapatita  (HA)  o  vidrio  CP  con  una  porosidad  
por  el  uso  de  un  andamiaje  3D  artificial,  aunque  las  células   interconectada  de  aproximadamente  100  mm  [48].
del  núcleo  pulposo  implantadas  en  gel  CS  sintetizaron   En  general,  los  compuestos  de  CS­CP  parecen  tener  una  
agrecano,  pequeños  proteoglicanos,  así  como  colágeno  tipo  I   aplicación  clínica  prometedora  en  el  futuro.
y  II. ,  la  retención  de  moléculas  de  matriz  dentro  de  los   Ge  et  al.  [49]  informaron  de  un  material  de  HA­quitina  que  
andamios  fue  baja  y  los  niveles  sintéticos  no  excedieron  el   era  osteoinductivo  y  exhibió  una  rápida  degradación  y  
35%  del  tejido  del  núcleo  pulposo  nativo.  Sin  embargo,  los   neovascularización  in  vivo  durante  un  período  de  3  meses.
geles  CS  fueron  superiores  a  otros  andamios,  como  el   Kawakami  et  al.  estudiaron  el  efecto  in  vivo  de  una  pasta  CS­
colágeno  y  el  hialuronano,  con  una  mayor  síntesis  de  matriz  y   HA  cuando  se  aplica  sobre  la  superficie  de  la  tibia  después  de  
un  fenotipo  celular  estable,  lo  que  sugiere  posibles  aplicaciones   la  extracción  del  periostio.  La  formación  de  hueso  nuevo  se  
después  de  la  mejora  de  esta  técnica  en  el  futuro  [42] .  Otra   observó  después  de  1  semana  y  continuó  durante  un  
idea  es  complejar  CS  catiónico  con  ADN  formando   seguimiento  de  20  semanas,  lo  que  indica  la  idoneidad  de  
nanopartículas  de  CS  que  podrían  transfectarse  en  células  de   esta  pasta  para  estudios  clínicos  adicionales  como  material  
núcleo  pulposo  para  promover  la  diferenciación  celular  y  la   de  relleno  óseo  [50].  El  tema  de  la  resistencia  mecánica  de  
síntesis  de  matriz  en  estudios  tanto  in  vitro  como  in  vivo  (Fig.  3). los  compuestos  basados  en  CS  fue  abordado  por  Hu  et  al.  [8],  
quienes  informaron  sobre  un  nanocompuesto  multicapa  CS­
1.3.  CS  en  ingeniería  de  tejido  óseo HA  con  alta  resistencia  y  módulo  de  flexión  que  hace  que  el  
material  sea  adecuado  para  una  posible  aplicación  para  la  
CS  se  ha  utilizado  ampliamente  en  la  ingeniería  de  tejido  óseo  desde   fijación  interna  de  fracturas  de  huesos  largos.  Un  andamio  
que  se  demostró  que  promueve  el  crecimiento  y  la  recuperación  de  minerales. compuesto  macroporoso  CS­gel/b­TCP  para  ingeniería  de  tejido  óseo  media
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5988 A.  Di  Martino  et  al. /  Biomateriales  26  (2005)  5983–5990

proceso  se  desarrolla  [51].  Este  estudio  investigó  los  efectos  de  la   consolidación  ósea  para  evaluar  la  osteogénesis  después  de  una  
concentración  de  la  suspensión  compuesta  y  la  temperatura  de   distracción  (mandibular)  en  un  modelo  canino.  Este  estudio  mostró  
congelación  sobre  la  capacidad  de  resistir  la  compresión  del  andamio   la  capacidad  de  CS  para  promover  el  reclutamiento  y  la  unión  de  
[52]. células  progenitoras  osteogénicas,  lo  que  facilita  la  formación  de  
CS  se  utiliza  como  adyuvante  de  los  cementos  óseos  para   hueso  [62].  También  se  informó  la  eficacia  de  la  CS  combinada  con  
aumentar  su  inyectabilidad  y  mantener  las  propiedades  físico­ la  CP  para  obtener  una  consolidación  ósea  temprana  en  la  
químicas  adecuadas  para  el  uso  quirúrgico  (p.  ej.,  tiempo  de   osteogénesis  por  distracción  en  un  modelo  canino  [63].
fraguado  y  propiedades  mecánicas).  La  razón  de  usar  CS  para  este   CS  se  ha  utilizado  para  modificar  las  propiedades  superficiales  de  
propósito  se  basa  en  la  propiedad  de  que  las  soluciones  de  quitosano   los  materiales  protésicos  para  mejorar  la  unión  de  los  osteoblastos  
gelifican  en  respuesta  a  un  cambio  de  pH  de  ligeramente  ácido  a   [58].  La  superficie  de  titanio  (Ti)  recubierta  con  CS  a  través  de  la  
fisiológico;  de  hecho,  los  compuestos  CS­CP  abordan  la  necesidad   química  de  silano­glutaraldehído  exhibió  una  mayor  unión  y  
de  desarrollar  rellenos  óseos  que  fragüen  en  respuesta  a  condiciones   proliferación  de  osteoblastos  [64].  La  fuerza  de  unión  del  
fisiológicas,  pero  no  mientras  se  mezclan  los  componentes  in  vitro.   recubrimiento  CS  con  Ti  estuvo  en  el  rango  de  1,5  a  1,8  MPa  y  se  
Asimismo,  cuando  se  añade  CS  a  los  cementos  de  fosfato  de  calcio   degradó  lentamente  durante  8  semanas.  Estos  resultados  
(CPC),  se  obtiene  fosfato  octocálcico;  un  material  que  ha   respaldaron  la  hipótesis  de  que  los  recubrimientos  de  CS  podrían  
demostrado  mejorar  la  inyectabilidad  y  la  resistencia  [52].  Muchos   promover  la  osteointegración  de  los  dispositivos  de  implante  de  Ti  
de  estos  compuestos  de  gel  CS  se  proponen  principalmente  para   comúnmente  utilizados  para  implantes  ortopédicos  y  craneofaciales,  
defectos  óseos  que  no  soportan  carga  [53]. aunque  se  encontró  que  la  fuerza  de  unión  de  CS  era  menor  en  
comparación  con  los  recubrimientos  de  CP  [64,65] .  Wang  et  al.  
Wang  et  al.  añadió  CS  fosforilado  a  CPC  y  lo  usó  para  rellenar   utilizó  CS  para  aumentar  la  biocompatibilidad  de  los  recubrimientos  
defectos  óseos  en  el  radio  y  la  tibia  in  vivo. de  apatita  depositados  electrolíticamente  en  aleaciones  de  Ti.  Se  
El  material  compuesto  era  biocompatible,  osteoinductivo,   desarrolló  un  recubrimiento  híbrido  de  fosfato  de  calcio/CS  mediante  
biorreabsorbible  y  remodelado  mediante  un  proceso  de  sustitución   electrodeposición.  Este  recubrimiento  exhibió  una  mayor  velocidad  
gradual  [54].  Xu  et  al.  estudió  la  factibilidad  de  crear  macroporos  en   de  disolución  en  solución  fisiológica  simulada  tanto  ácida  como  
CPC  utilizando  quitosano  y/o  malla  absorbible.  Se  observó  un  efecto   neutra.  Además,  el  recubrimiento  de  fosfato  de  calcio/CS  mostró  una  
sinérgico  de  agregar  CS  y  malla  bioabsorbible  a  CPC.  Este  material   mejor  unión  de  las  células  del  estroma  de  la  médula  ósea  [66].
compuesto  bioabsorbible  inyectable  poseía  macroporos  
interconectados  (osteoconductores)  y  proporcionaba  resistencia  al  
implante  durante  la  regeneración  tisular  [55].
2.  Direcciones  futuras  y  conclusiones
Los  enlaces  de  hidrógeno  intramoleculares  de  CS  proporcionan  
macromoléculas  que  interactúan  con  una  buena  resistencia  al  calor.   En  la  actualidad,  CS  es  uno  de  los  biopolímeros  más  prometedores  
Para  explotar  esta  propiedad,  se  desarrollaron  compuestos  de  CS   para  la  ingeniería  de  tejidos  y  posibles  aplicaciones  ortopédicas.  En  
con  polimetilmetacrilato  (PMMA)  que  exhibían  temperaturas  de   particular,  la  posibilidad  de  generar  estructuras  con  tamaños  de  poro  
curado  exotérmicas  más  bajas  [56]. y  tasas  de  degradación  predecibles  hacen  de  CS  un  material  
Este  material  compuesto  poseía  una  alta  porosidad  interconectada   adecuado  como  alternativa  de  injerto  óseo  en  procedimientos  
con  un  tamaño  de  poro  adecuado  para  la  osteoconducción  y  un   ortopédicos.  Sin  embargo,  los  esfuerzos  para  mejorar  las  propiedades  
mejor  anclaje  al  hueso  circundante.  Se  observó  que  el  tamaño  de   mecánicas  de  los  biomateriales  compuestos  basados  en  CS  son  
poro  de  este  material  compuesto  aumentaba  con  el  tiempo  debido  a   esenciales  para  este  tipo  de  aplicación.  De  gran  importancia  es  la  
la  biodegradación  del  CS  [56]. capacidad  de  CS  para  unirse  a  moléculas  aniónicas  tales  como  GF,  
La  capacidad  de  CS  para  unir  factores  de  crecimiento  es   GAG  y  ADN.
adecuada  para  la  ingeniería  de  tejido  óseo  [57­59].  Debido  a  su   De  hecho,  la  combinación  de  buena  biocompatibilidad,  actividad  
naturaleza  catiónica  y  su  tasa  de  degradación  predecible,  los   antibacteriana  intrínseca,  capacidad  para  unirse  a  factores  de  
materiales  basados  en  CS  se  unen  a  los  factores  de  crecimiento  y   crecimiento  y  ser  procesado  en  una  variedad  de  formas  diferentes  
los  liberan  de  forma  controlada.  La  naturaleza  catiónica  de  CS  se   hace  que  CS  sea  un  material  de  andamiaje  candidato  prometedor  
puede  mejorar  aún  más  mediante  la  introducción  de  un  grupo   para  la  ingeniería  de  cartílago,  disco  intervertebral  y  tejido  óseo  en  
imidazol  unido  covalentemente.  La  importancia  bioquímica  de  la   la  práctica  clínica.  Además,  la  capacidad  de  unir  CS  a  moléculas  de  
adición  de  imidazol  es  que  este  grupo  inhibe  la  tromboxano   ADN  hace  que  este  material  tenga  un  buen  potencial  como  sustrato  
sintetasa,  actúa  como  antioxidante  y  facilita  la  amortiguación   para  matrices  activadas  por  genes  en  aplicaciones  de  terapia  génica  
intracelular  para  el  proceso  de  curación  del  tejido. en  ortopedia.
Este  material  CS  ligado  a  imidazol  promovió  la  mineralización,  
indujo  la  formación  de  hueso  y  rellenó  defectos  óseos  de  tamaño  
crítico  con  la  aposición  de  hueso  trabecular  [60]. Agradecimientos
Cuando  se  aplicaron  en  defectos  de  la  bóveda  craneal  de  ratas,  las  
esponjas  CS  que  incorporaban  PDGF  indujeron  la  formación  de   Los  autores  desean  agradecer  al  Dr.  Dietmar  Hutmacher,  
hueso  nuevo  [57,61].  Kim  et  al.  estudió  el  efecto  de  la  CS  en  los  primeros Universidad  Nacional  de  Singapur  por  su  generosa
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A.  Di  Martino  et  al. /  Biomateriales  26  (2005)  5983–5990 5989

proporcionando  imágenes  de  andamios  de  quitosano  utilizados  en   andamios  del  complejo  quitosano­gelatina.  J  Biomed  Mater  Res  2004;  71B:373–80.

la  Fig.  1  y  compartiendo  sus  resultados  no  publicados.  Agradecemos  
[19]  Risbud  M,  Ringe  J,  Bhonde  R,  Sittinger  M.  Expresión  in  vitro  de  marcadores  específicos  
a  la  Sra.  Johana  Golla  por  su  ayuda  con  las  ilustraciones.  Este  
de  cartílago  por  condrocitos  en  un  hidrogel  biocompatible:  implicaciones  para  la  
trabajo  fue  apoyado  por  la  subvención  1RO1­AR050087­01A2. ingeniería  de  tejido  de  cartílago.  Trasplante  celular  2001;10:755–63.

[20]  Sentado  M,  Hutmacher  DW,  Risbud  MV.  Estrategias  actuales  para  la  entrega  de  
células  en  la  regeneración  de  cartílago  y  hueso.  Curr  Opin  Biotechnol  2004;15:411–
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