Novel Studies in the Designs of Natural, Synthetic, and Compound Hydrogels with Biomedical Applications / Novedosos Estudios en el Diseño de Hidrogeles Naturales, Sintéticos y Compuestos con Aplicaciones Biomédicas

ABSTRACT Hydrogels are gaining widespread popularity in the biomedical field due to their extraordinary properties, such as biocompatibility, biodegradability, zero toxicity, easy processing, and similarity to physiological tissue. They have applications in controlled drug release, wound dressing, tissue engineering, and regenerative medicine. Among these applications, hydrogels as a controlled drug delivery system stands out, which releases active substances in precise amounts and at specific times. To explore the latest advances in the design of hydrogels, a literature review of articles published in indexed scientific journals, in Scopus and Science Direct, was carried out. This review aimed to discover and describe the most innovative hydrogel research with applications in the biomedical field; hydrogels synthesized with polymers of different origins were selected, such as; i. Natural (dextran, agarose, chitosan, etc.); ii. Synthetic (polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, etc.); iii. Composites (interpenetrants, hybrid crosslinkers, nanocomposites, etc.). Comparative analysis revealed that hydrogels with composite materials show the most promise. These composite hydrogels combine the advantages of different polymers or incorporate additional components, offering enhanced properties and functionalities. In summary, hydrogels are versatile biomaterials with immense potential in biomedicine. Their unique properties make them suitable for diverse applications. However, innovative designs and formulations must continue to be explored to further advance the capabilities of hydrogels and expand their biomedical applications.

RESUMEN Los hidrogeles están ganando una extensa popularidad en el campo biomédico gracias a que presentan propiedades extraordinarias como biocompatibilidad, biodegradabilidad, nula toxicidad, fácil procesamiento, y similitud con el tejido fisiológico. tienen aplicaciones en la liberación controlada de fármacos, el vendaje de heridas, la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa. Entre estas aplicaciones, destaca el uso de hidrogeles como sistema de administración controlada de fármacos, que liberan sustancias activas en cantidades precisas y en momentos concretos. Para explorar los últimos avances en el diseño de hidrogeles, se realizó una revisión bibliográfica de artículos publicados en revistas científicas indexadas, en Scopus y Science Direct. El objetivo de esta revisión fue descubrir y describir las investigaciones de hidrogeles más innovadoras con aplicaciones en el campo biomédico, se seleccionaron hidrogeles sintetizados con polímeros de diferente índole como; i. Naturales (dextrano, agarosa, quitosano, etc.); ii. Sintéticos (poliacrilamida, polietilenglicol, alcohol polivinílico, etc); iii. Compuestos (interpenetrantes, reticulantes híbridos, nanocompuestos, etc.). El análisis comparativo reveló que los hidrogeles que utilizan materiales compuestos son los más prometedores. Estos hidrogeles compuestos combinan las ventajas de distintos polímeros o incorporan componentes adicionales, ofreciendo propiedades y funcionalidades mejoradas. En resumen, los hidrogeles son biomateriales versátiles con un inmenso potencial en biomedicina. Sus propiedades únicas los hacen adecuados para diversas aplicaciones, sin embargo, se debe seguir explorando diseños y formulaciones innovadores para seguir avanzando en las capacidades de los hidrogeles y ampliar sus aplicaciones biomédicas.

Importancia de la angiogénesis en el diseño de scaffolds para ingeniería de tejido óseo / Importance of angiogenesis in the design of scaffolds for bone tissue engineering

Hematoma, inflamación, angiogénesis y osteogénesis son distintas etapas que se superponen durante el proceso de reparación de una fractura ósea. Durante las primeras etapas se liberan distintos factores de crecimiento quimioatractantes que producen el reclutamiento de diversas células para generar la formación de un hueso funcional con su respectiva vasculatura. Debido a la importancia que posee la angiogénesis en el desarrollo de una adecuada red vascular, tanto para la formación ósea como en su reparación, en los últimos años los especialistas en ingeniería de tejido óseo han estudiado la manera de fomentar tanto la osteogénesis como la angiogénesis durante la reparación ósea. En este trabajo de revisión, se recopilan y discuten los principales conceptos sobre distintas estrategias a fin de lograr un implante sintético con funcionalidad dual promoviendo los procesos que garanticen la angiogénesis y la osteogénesis en forma acoplada utilizando distintos tipos de scaffolds y sistemas de liberación de drogas osteoinductoras y angioinductoras. La liberación dual de factores osteoinductores y angioinductores debe producirse en forma témporo-espacial controlada para garantizar los efectos deseados sin producir efectos adversos como tumores o hueso ectópico. Se deben tener en cuenta varios factores como el tipo y la arquitectura de hueso, tipo de daño, edad, sexo y condiciones patológicas del paciente. En cuanto a los materiales se debe considerar el tipo de material para usar como scaffold, los factores inductores seleccionados, su combinación y sistemas de liberación. El avance en estos estudios hará que la Ingeniería de Tejido Óseo sea una alternativa terapéutica en el futuro. (AU)

Hematoma, inflammation, angiogenesis, and osteogenesis are different stages that overlap during the healing process of a bone fracture. During the first stages, different chemoattractant growth factors are released which produce the recruitment of various cells that will induce the formation of a functional bone with its respective vasculature. Due to the importance of angiogenesis for the development of an adequate vascular network in both bone formation and repair, in recent years specialists in bone tissue engineering have studied how to promote both osteogenesis and angiogenesis during bone repair. In this review, the main concepts on different strategies developed to achieve a synthetic implant with dual functionality, promoting processes that guarantee angiogenesis and osteogenesis in a coupled way using different types of scaffolds and osteo-drug delivery systems and angioinductors, are collected and discussed. The dual release for osteoinductive and angioinductive factors must ensure the release of them in a controlled time-space manner to guarantee the desired effects without producing adverse effects such as tumors or ectopic bone. Several factors must be taken into account, such as bone type and architecture, type of damage to be repaired, age, sex, and pathological conditions of the patient. Regarding the materials, the type of material to be used as scaffolds, selected inducing factors and drug release system must be considered. Advances in these studies will make Bone Tissue Engineering a therapeutic alternative in the future. (AU)

Discos de poco espesor de hidroxiapatita cubana sinterizada como sistema de liberacion de fármacos / Cuban low-thickness sintered hydroxyapatite disks as a drug release system

Objetivo: el objetivo principal de este trabajo es estudiar la posibilidad de que sean empleados como sistema de liberación controlada de fármacos, discos de Hidroxiapatita (HA) cubana, fabricados por prensado y sinterizado en hornos eléctrico, sin el empleo de agentes formadores de poros, con porosidades aparentes de 12, 20 y 40 por ciento que fueron dopados por sobre presión con una solución acuosa de alginato de sodio al 5 por ciento y 55 ppm de ceftazidima. Métodos: se estudió la relación entre la penetración del polímero y la porosidad aparente con la liberación del fármaco. Resultados: se demostró que estos discos infiltrados con el polímero que encapsula el fármaco pueden ser utilizados como sistema de liberación controlada. Se demuestra que la porosidad aparente y el tamaño de los poros son influyentes en la penetración del polímero y la masa de fármaco liberado. Conclusiones: En las curvas de liberación obtenidas se observa que los discos pueden ser un potencial material para soportar medicamentos porque se evidencia como el material es capaz de controlar la liberación del medicamento remanente ocluido por un método de dopaje a sobre presión.El perfil indica que en un periodo de siete días se libera controladamente el medicamento

Objective: the main purpose of this study is to examine the potential use of Cuban hydroxyapatite (HA) disks as a controlled drug release system. These disks are manufactured by pressing, and sintered in electric furnaces without using pore-forming agents, with apparent porosities of 12, 20 and 40 percent , and doped by overpressure with a 5 percent sodium alginate aqueous solution and 55 ppm ceftazidime. Methods: a study was conducted of the relationship between penetration of the polymer and apparent porosity with the release of the drug. Results: it was shown that when infiltrated with the polymer encapsulating the drug, these disks may be used as a controlled release system. It was also found that apparent porosity and pore size influence polymer penetration and the mass of drug released. Conclusions: the release curves obtained show that the disks may be a potential drug-supporting material, capable of controlling the release of the remnant drug occluded by an overpressure doping method. The profile reveals that controlled release of the drug is completed in seven days

Development and in vitro evaluation of biopolymers as a delivery system against periodontopathogen microorganisms

Periodontal disease is the major cause of tooth loss in adults. Porphyromonas gingivalis and Aggregatibacter actinomycetemcomitans are considered key pathogens in periodontitis. The treatment consists of oral hygiene education, instrumentation for removal of calculus (scaling), chemotherapy and periodontal surgery. Several agents are commercially available; these chemicals can alter oral microbiota and have undesirable sideeffects such as vomiting, diarrhea and tooth staining. Hence, the search for alternative products continues and natural phytochemicals isolated from plants used as traditional medicine and the use of biomaterials are considered good alternatives. Chitosan and pullulan are polymers that have been proposed due to their favorable properties such as biocompatibility, biodegradability, and adhesion ability. They can be used as local delivery systems of active principles of plant extracts. Thymus vulgaris, Matricaria chamomilla, Croton lechleri, Calendula officinalis L. and Juliana adstringens Schl. are known to have medicinal activity, and they are used in Mexican traditional medicine. Their extracts were tested in vitro for antimicrobial activity against P. gingivalis and A. actinomycetemcomitans, using agar diffusion and microdilution methods. The antimicrobial activity of films from biopolymers with plant extracts was evaluated by measuring the zones of inhibition against the tested organisms. The aim of this study was to develop bioadhesive films from chitosan and pullulan with added plant extracts and determine the antimicrobial activity of films against periodontal pathogens.

La enfermedad periodontal es la principal causa de perdida de dientes en los adultos. Los agentes causales comunmente identificados con la enfermedad son Porphyromonas gingivalis y Aggregatibacter actinomycetemcomitans. El tratamiento de la enfermedad consiste en educacion sobre higiene oral, remocion de calculos por medio de instrumentacion (raspado y alisado de la raiz), la administracion de medicamentos y cirugia. Hay multiples agentes quimicos disponibles comercialmente; estos pueden alterar la microflora oral y tener efectos secundarios indeseables como vomito, diarrea y pigmentacion dental. Por lo tanto, los productos naturales como los fitoquimicos aislados de plantas que son usadas como medicinas tradicionales y los biomateriales, son considerados buenas alternativas. El quitosan y el pululan son polimeros que han sido propuestos debido a sus propiedades de biocompatibilidad, biodegradabilidad, habilidad de adhesion y que pueden ser usados como sistemas de liberacion de los principios activos de extractos de plantas. Los extractos de Thymus vulgaris, Matricaria chamomilla, Croton lechleri, Calendula officinalis L. y Juliana adstringens Schl. son conocidos por tener actividad medicinal y se usan en la medicina tradicional Mexicana. La actividad antimicrobiana de sus extractos fue probada in vitro contra P. gingivalis y A. actinomycetemcomitans usando los metodos de difusion en agar y de microdilucion. La actividad antimicrobiana de peliculas a base de biopolimeros con extractos de plantas fue evaluada midiendo las zonas de inhibicion de crecimiento de los organismos probados. El proposito de este estudio fue desarrollar peliculas bioadhesivas de quitosan y pululan adicionadas con extractos de plantas y evaluar su actividad antimicrobiana contra periodontopatogenos.