{"id":{"repo_id":"cadiz","oai_identifier":"oai:rodin.uca.es:10498/39647"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/cadiz/oai:rodin.uca.es:10498/39647","repository":{"repo_id":"cadiz","name":"Universidad de Cadiz","base_url":"https://rodin.uca.es/oai/request"},"display":{"title":"Aprovechamiento de subproductos agroalimentarios con propiedades farmacoactivas para la impregnación supercrítica de polímeros biomédicos","abstract":"En España se implantan cada año miles de dispositivos médicos, incluidos stents, prótesis articulares, tornillos de fijación ósea, andamios para ingeniería de tejidos, etc. Aunque la tecnología ha avanzado, aún existen riesgos de rechazo y complicaciones relacionados con la integración de estos materiales en el organismo. Para minimizar estos problemas, la investigación biomédica busca desarrollar materiales biocompatibles que no solo sean tolerados, sino que favorezcan la regeneración tisular. Entre las alternativas más prometedoras destacan los polímeros bioabsorbibles, capaces de degradarse de forma controlada tras cumplir su función terapéutica, evitando la necesidad de una segunda intervención para su retirada. Dentro de esta tipología de materiales, los llamados de “tercera generación” están diseñados para liberar fármacos de manera progresiva en el tejido diana y estimular la endotelización, ya que contienen principios activos incluidos en el polímero durante su manufactura. Aunque tradicionalmente se han empleado compuestos sintéticos para este fin, en los últimos años ha crecido el interés por sustancias bioactivas de origen natural (compuestos farmacoactivos procedentes de plantas, bacterias, hongos, algas o invertebrados marinos) con propiedades terapéuticas diversas. La incorporación de estas sustancias en matrices poliméricas suele realizarse mediante métodos convencionales que implican el uso de disolventes orgánicos a menudo resultan en una baja eficiencia. Como alternativa, la técnica de impregnación con CO₂ supercrítico facilita la incorporación homogénea de los compuestos bioactivos en la matriz polimérica, prescindiendo del empleo de disolventes orgánicos tóxicos. Esto resulta en una optimización de la eficiencia de carga y, crucialmente, minimiza el riesgo de residuos solventes en el producto final, lo que incrementa su biocompatibilidad y mitiga el impacto ambiental asociado a los procesos convencionales. Esta tesis doctoral propone investigar la impregnación supercrítica de sistemas poliméricos biocompatibles con extractos naturales, obtenidos de subproductos agroalimentarios. El empleo de estas fuentes secundarias fomenta la reincorporación de estos materiales en la cadena de valor promoviendo los principios de la economía circular. Se trata de un enfoque de carácter fundamental que busca optimizar los parámetros del proceso y evaluar su potencial para el desarrollo futuro de sistemas poliméricos funcionalizados en aplicaciones biomédicas. El estudio tiene tres pilares fundamentales: la evaluación de los extractos, la selección de polímeros, y la impregnación supercrítica de los mismos para aplicación biomédica. Para esta investigación se seleccionaron tres extractos naturales: obtenidos a partir de hojas de mango (Mango Leaf Extract - MLE), hojas de olivo (Olive Leaf Extract - OLE) y hollejo de uva tinta (Grape Pomace Extract - GPE). Estos compuestos se obtuvieron mediante extracción a alta presión mejorada por disolventes (Enhanced Solvent Extraction - ESE), utilizando las condiciones optimizadas en estudios previos. Se caracterizó el perfil fenólico de los extractos, así como su actividad antioxidante, antiinflamatoria y antimicrobiana, confirmando su potencial como agentes bioactivos para aplicaciones biomédicas. De forma paralela, se realizó un screening de distintos polímeros de uso biomédico y se evaluaron los efectos del contacto con CO₂ supercrítico sobre la integridad y el hinchamiento permanente de poliuretano termoplástico (TPU), polidioxanona (PDO), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policaprolactona (PCL) y polietileno tereftalato modificado con glicol (PETG). A partir de estos ensayos se seleccionaron PLA y PDO por su biodegradabilidad y su idoneidad para dispositivos de baja porosidad, como los stents. Respecto a los ensayos de impregnación, inicialmente se utilizó ketoprofeno como molécula modelo para establecer las condiciones operacionales del proceso de impregnación y definir las bases de liberación posterior del fármaco. Se estudió los efectos de la presión (100–400 bar) y la temperatura (35–55 °C) como variables principales del proceso, encontrando que un aumento de ambas variables promovía el hinchamiento del polímero y el rendimiento de la impregnación, favoreciendo una impregnación más profunda del soluto. Las condiciones óptimas para alcanzar la máxima tasa de impregnación con un hinchamiento polimérico controlado se establecieron en 200 bar y 75 °C, el rendimiento de impregnación alcanzó un valor del 8,5 ± 0.4%. Finalmente, se detectó una cinética de liberación multifásica, cuya velocidad y duración de cada fase estaban determinadas intrínsecamente por las condiciones de impregnación. Posteriormente, se estudió la impregnación de extractos naturales. En este trabajo se presentan los resultados experimentales del estudio de dos sistemas: PLA impregnado con GPE y PDO impregnado con OLE. En cuanto a la impregnación de PLA con GPE, se emplearon dos extractos: E-GPE, obtenido con etanol como cosolvente, y HE-GPE, obtenido con una mezcla hidroalcohólica. Además, se compararon dos técnicas de impregnación: la impregnación supercrítica convencional (Supercritical Solvent Impregnation - SSI) y una nueva metodología propuesta, denominada impregnación por inmersión presurizada (Pressurized Soaking Impregnation - PSI), que constituye una opción intermedia entre la SSI y la inmersión tradicional (soaking). El análisis de los resultados demostró que el E-GPE superó al HE-GPE, evidenciando un mayor rendimiento de impregnación y una superior bioactividad en los filamentos resultantes. La técnica PSI indujo una impregnación predominantemente superficial en la matriz polimérica y confirió una aparente mayor capacidad antioxidante inmediata, lo que se atribuye a una cinética de liberación más rápida de los compuestos impregnados. Por el contrario, las tasas de impregnación más elevadas se obtuvieron con la técnica SSI, siendo el máximo rendimiento alcanzado específicamente con E-GPE bajo 100 bar y 55 °C (7,7 ± 1,5 %). El siguiente sistema que se evaluó fue la impregnación de PDO con OLE mediante la metodología SSI. A pesar de registrar tasas de impregnación reducidas, la mayor proporción en el extracto de su polifenol principal, la oleuropeína, facilitó la detección y cuantificación mediante cromatografía líquida, permitiendo así una evaluación más precisa de la impregnación y la liberación del compuesto. En este caso, se obtuvieron condiciones óptimas de impregnación en los valores máximos estudiados: 400 bar y 75 °C (OLE: 1,5 ± 0,3%; oleuropeína: 706,4 ± 37,2 μg g-1 de PDO; hidroxitirosol: 16,9 ± 0,5 μg g-1 de PDO). Se estudiaron los perfiles de liberación de oleuropeína e hidroxitirosol, observando que este último puede generarse in situ como producto de degradación de otros compuestos, como la oleuropeína. La modelización cinética de la liberación de la oleuropeína confirmó un proceso dominante por difusión. Durante el ensayo de liberación in vitro se mantuvo la capacidad antioxidante y antiinflamatoria proporcionadas por los compuestos fenólicos del extracto. Respecto a los ensayos celulares, se realizaron estudios de adhesión y crecimiento celular sobre dispositivos de PLA impregnados con GPE, aunque los resultados no fueron concluyentes. Si bien se confirmó la no toxicidad del sistema y se observó un cambio morfológico hacia células más alargadas, indicando un microambiente ligeramente más favorable, no se detectaron beneficios cuantificables en términos de proliferación, apoptosis o capacidad funcional de las células. Por tanto, la conclusión principal obtenida con el alcance de esta tesis es que es posible funcionalizar polímeros biomédicos con extractos naturales procedentes de subproductos agroalimentarios. Se ha demostrado que los polímeros adquieren propiedades antioxidantes y antiinflamatorias de los extractos; sin embargo, sería necesario estudiar con mayor detalle el efecto terapéutico en condiciones fisiológicas y en modelos in vivo con distintos sistemas polímero-extracto.","abstract_html":"En España se implantan cada año miles de dispositivos médicos, incluidos stents, prótesis articulares, tornillos de fijación ósea, andamios para ingeniería de tejidos, etc. Aunque la tecnología ha avanzado, aún existen riesgos de rechazo y complicaciones relacionados con la integración de estos materiales en el organismo. Para minimizar estos problemas, la investigación biomédica busca desarrollar materiales biocompatibles que no solo sean tolerados, sino que favorezcan la regeneración tisular. Entre las alternativas más prometedoras destacan los polímeros bioabsorbibles, capaces de degradarse de forma controlada tras cumplir su función terapéutica, evitando la necesidad de una segunda intervención para su retirada. Dentro de esta tipología de materiales, los llamados de “tercera generación” están diseñados para liberar fármacos de manera progresiva en el tejido diana y estimular la endotelización, ya que contienen principios activos incluidos en el polímero durante su manufactura. Aunque tradicionalmente se han empleado compuestos sintéticos para este fin, en los últimos años ha crecido el interés por sustancias bioactivas de origen natural (compuestos farmacoactivos procedentes de plantas, bacterias, hongos, algas o invertebrados marinos) con propiedades terapéuticas diversas. La incorporación de estas sustancias en matrices poliméricas suele realizarse mediante métodos convencionales que implican el uso de disolventes orgánicos a menudo resultan en una baja eficiencia. 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Se trata de un enfoque de carácter fundamental que busca optimizar los parámetros del proceso y evaluar su potencial para el desarrollo futuro de sistemas poliméricos funcionalizados en aplicaciones biomédicas. El estudio tiene tres pilares fundamentales: la evaluación de los extractos, la selección de polímeros, y la impregnación supercrítica de los mismos para aplicación biomédica. Para esta investigación se seleccionaron tres extractos naturales: obtenidos a partir de hojas de mango (Mango Leaf Extract - MLE), hojas de olivo (Olive Leaf Extract - OLE) y hollejo de uva tinta (Grape Pomace Extract - GPE). Estos compuestos se obtuvieron mediante extracción a alta presión mejorada por disolventes (Enhanced Solvent Extraction - ESE), utilizando las condiciones optimizadas en estudios previos. Se caracterizó el perfil fenólico de los extractos, así como su actividad antioxidante, antiinflamatoria y antimicrobiana, confirmando su potencial como agentes bioactivos para aplicaciones biomédicas. De forma paralela, se realizó un screening de distintos polímeros de uso biomédico y se evaluaron los efectos del contacto con CO₂ supercrítico sobre la integridad y el hinchamiento permanente de poliuretano termoplástico (TPU), polidioxanona (PDO), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policaprolactona (PCL) y polietileno tereftalato modificado con glicol (PETG). A partir de estos ensayos se seleccionaron PLA y PDO por su biodegradabilidad y su idoneidad para dispositivos de baja porosidad, como los stents. Respecto a los ensayos de impregnación, inicialmente se utilizó ketoprofeno como molécula modelo para establecer las condiciones operacionales del proceso de impregnación y definir las bases de liberación posterior del fármaco. Se estudió los efectos de la presión (100–400 bar) y la temperatura (35–55 °C) como variables principales del proceso, encontrando que un aumento de ambas variables promovía el hinchamiento del polímero y el rendimiento de la impregnación, favoreciendo una impregnación más profunda del soluto. Las condiciones óptimas para alcanzar la máxima tasa de impregnación con un hinchamiento polimérico controlado se establecieron en 200 bar y 75 °C, el rendimiento de impregnación alcanzó un valor del 8,5 ± 0.4%. Finalmente, se detectó una cinética de liberación multifásica, cuya velocidad y duración de cada fase estaban determinadas intrínsecamente por las condiciones de impregnación. Posteriormente, se estudió la impregnación de extractos naturales. En este trabajo se presentan los resultados experimentales del estudio de dos sistemas: PLA impregnado con GPE y PDO impregnado con OLE. En cuanto a la impregnación de PLA con GPE, se emplearon dos extractos: E-GPE, obtenido con etanol como cosolvente, y HE-GPE, obtenido con una mezcla hidroalcohólica. Además, se compararon dos técnicas de impregnación: la impregnación supercrítica convencional (Supercritical Solvent Impregnation - SSI) y una nueva metodología propuesta, denominada impregnación por inmersión presurizada (Pressurized Soaking Impregnation - PSI), que constituye una opción intermedia entre la SSI y la inmersión tradicional (soaking). El análisis de los resultados demostró que el E-GPE superó al HE-GPE, evidenciando un mayor rendimiento de impregnación y una superior bioactividad en los filamentos resultantes. La técnica PSI indujo una impregnación predominantemente superficial en la matriz polimérica y confirió una aparente mayor capacidad antioxidante inmediata, lo que se atribuye a una cinética de liberación más rápida de los compuestos impregnados. Por el contrario, las tasas de impregnación más elevadas se obtuvieron con la técnica SSI, siendo el máximo rendimiento alcanzado específicamente con E-GPE bajo 100 bar y 55 °C (7,7 ± 1,5 %). El siguiente sistema que se evaluó fue la impregnación de PDO con OLE mediante la metodología SSI. A pesar de registrar tasas de impregnación reducidas, la mayor proporción en el extracto de su polifenol principal, la oleuropeína, facilitó la detección y cuantificación mediante cromatografía líquida, permitiendo así una evaluación más precisa de la impregnación y la liberación del compuesto. En este caso, se obtuvieron condiciones óptimas de impregnación en los valores máximos estudiados: 400 bar y 75 °C (OLE: 1,5 ± 0,3%; oleuropeína: 706,4 ± 37,2 μg g-1 de PDO; hidroxitirosol: 16,9 ± 0,5 μg g-1 de PDO). Se estudiaron los perfiles de liberación de oleuropeína e hidroxitirosol, observando que este último puede generarse in situ como producto de degradación de otros compuestos, como la oleuropeína. La modelización cinética de la liberación de la oleuropeína confirmó un proceso dominante por difusión. Durante el ensayo de liberación in vitro se mantuvo la capacidad antioxidante y antiinflamatoria proporcionadas por los compuestos fenólicos del extracto. Respecto a los ensayos celulares, se realizaron estudios de adhesión y crecimiento celular sobre dispositivos de PLA impregnados con GPE, aunque los resultados no fueron concluyentes. Si bien se confirmó la no toxicidad del sistema y se observó un cambio morfológico hacia células más alargadas, indicando un microambiente ligeramente más favorable, no se detectaron beneficios cuantificables en términos de proliferación, apoptosis o capacidad funcional de las células. Por tanto, la conclusión principal obtenida con el alcance de esta tesis es que es posible funcionalizar polímeros biomédicos con extractos naturales procedentes de subproductos agroalimentarios. 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Para minimizar estos problemas, la investigación biomédica busca desarrollar materiales biocompatibles que no solo sean tolerados, sino que favorezcan la regeneración tisular. Entre las alternativas más prometedoras destacan los polímeros bioabsorbibles, capaces de degradarse de forma controlada tras cumplir su función terapéutica, evitando la necesidad de una segunda intervención para su retirada. Dentro de esta tipología de materiales, los llamados de “tercera generación” están diseñados para liberar fármacos de manera progresiva en el tejido diana y estimular la endotelización, ya que contienen principios activos incluidos en el polímero durante su manufactura. Aunque tradicionalmente se han empleado compuestos sintéticos para este fin, en los últimos años ha crecido el interés por sustancias bioactivas de origen natural (compuestos farmacoactivos procedentes de plantas, bacterias, hongos, algas o invertebrados marinos) con propiedades terapéuticas diversas. La incorporación de estas sustancias en matrices poliméricas suele realizarse mediante métodos convencionales que implican el uso de disolventes orgánicos a menudo resultan en una baja eficiencia. Como alternativa, la técnica de impregnación con CO₂ supercrítico facilita la incorporación homogénea de los compuestos bioactivos en la matriz polimérica, prescindiendo del empleo de disolventes orgánicos tóxicos. Esto resulta en una optimización de la eficiencia de carga y, crucialmente, minimiza el riesgo de residuos solventes en el producto final, lo que incrementa su biocompatibilidad y mitiga el impacto ambiental asociado a los procesos convencionales. Esta tesis doctoral propone investigar la impregnación supercrítica de sistemas poliméricos biocompatibles con extractos naturales, obtenidos de subproductos agroalimentarios. El empleo de estas fuentes secundarias fomenta la reincorporación de estos materiales en la cadena de valor promoviendo los principios de la economía circular. Se trata de un enfoque de carácter fundamental que busca optimizar los parámetros del proceso y evaluar su potencial para el desarrollo futuro de sistemas poliméricos funcionalizados en aplicaciones biomédicas. El estudio tiene tres pilares fundamentales: la evaluación de los extractos, la selección de polímeros, y la impregnación supercrítica de los mismos para aplicación biomédica. Para esta investigación se seleccionaron tres extractos naturales: obtenidos a partir de hojas de mango (Mango Leaf Extract - MLE), hojas de olivo (Olive Leaf Extract - OLE) y hollejo de uva tinta (Grape Pomace Extract - GPE). Estos compuestos se obtuvieron mediante extracción a alta presión mejorada por disolventes (Enhanced Solvent Extraction - ESE), utilizando las condiciones optimizadas en estudios previos. Se caracterizó el perfil fenólico de los extractos, así como su actividad antioxidante, antiinflamatoria y antimicrobiana, confirmando su potencial como agentes bioactivos para aplicaciones biomédicas. De forma paralela, se realizó un screening de distintos polímeros de uso biomédico y se evaluaron los efectos del contacto con CO₂ supercrítico sobre la integridad y el hinchamiento permanente de poliuretano termoplástico (TPU), polidioxanona (PDO), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policaprolactona (PCL) y polietileno tereftalato modificado con glicol (PETG). A partir de estos ensayos se seleccionaron PLA y PDO por su biodegradabilidad y su idoneidad para dispositivos de baja porosidad, como los stents. Respecto a los ensayos de impregnación, inicialmente se utilizó ketoprofeno como molécula modelo para establecer las condiciones operacionales del proceso de impregnación y definir las bases de liberación posterior del fármaco. Se estudió los efectos de la presión (100–400 bar) y la temperatura (35–55 °C) como variables principales del proceso, encontrando que un aumento de ambas variables promovía el hinchamiento del polímero y el rendimiento de la impregnación, favoreciendo una impregnación más profunda del soluto. Las condiciones óptimas para alcanzar la máxima tasa de impregnación con un hinchamiento polimérico controlado se establecieron en 200 bar y 75 °C, el rendimiento de impregnación alcanzó un valor del 8,5 ± 0.4%. Finalmente, se detectó una cinética de liberación multifásica, cuya velocidad y duración de cada fase estaban determinadas intrínsecamente por las condiciones de impregnación. Posteriormente, se estudió la impregnación de extractos naturales. En este trabajo se presentan los resultados experimentales del estudio de dos sistemas: PLA impregnado con GPE y PDO impregnado con OLE. En cuanto a la impregnación de PLA con GPE, se emplearon dos extractos: E-GPE, obtenido con etanol como cosolvente, y HE-GPE, obtenido con una mezcla hidroalcohólica. Además, se compararon dos técnicas de impregnación: la impregnación supercrítica convencional (Supercritical Solvent Impregnation - SSI) y una nueva metodología propuesta, denominada impregnación por inmersión presurizada (Pressurized Soaking Impregnation - PSI), que constituye una opción intermedia entre la SSI y la inmersión tradicional (soaking). El análisis de los resultados demostró que el E-GPE superó al HE-GPE, evidenciando un mayor rendimiento de impregnación y una superior bioactividad en los filamentos resultantes. La técnica PSI indujo una impregnación predominantemente superficial en la matriz polimérica y confirió una aparente mayor capacidad antioxidante inmediata, lo que se atribuye a una cinética de liberación más rápida de los compuestos impregnados. Por el contrario, las tasas de impregnación más elevadas se obtuvieron con la técnica SSI, siendo el máximo rendimiento alcanzado específicamente con E-GPE bajo 100 bar y 55 °C (7,7 ± 1,5 %). El siguiente sistema que se evaluó fue la impregnación de PDO con OLE mediante la metodología SSI. A pesar de registrar tasas de impregnación reducidas, la mayor proporción en el extracto de su polifenol principal, la oleuropeína, facilitó la detección y cuantificación mediante cromatografía líquida, permitiendo así una evaluación más precisa de la impregnación y la liberación del compuesto. En este caso, se obtuvieron condiciones óptimas de impregnación en los valores máximos estudiados: 400 bar y 75 °C (OLE: 1,5 ± 0,3%; oleuropeína: 706,4 ± 37,2 μg g-1 de PDO; hidroxitirosol: 16,9 ± 0,5 μg g-1 de PDO). Se estudiaron los perfiles de liberación de oleuropeína e hidroxitirosol, observando que este último puede generarse in situ como producto de degradación de otros compuestos, como la oleuropeína. La modelización cinética de la liberación de la oleuropeína confirmó un proceso dominante por difusión. Durante el ensayo de liberación in vitro se mantuvo la capacidad antioxidante y antiinflamatoria proporcionadas por los compuestos fenólicos del extracto. Respecto a los ensayos celulares, se realizaron estudios de adhesión y crecimiento celular sobre dispositivos de PLA impregnados con GPE, aunque los resultados no fueron concluyentes. Si bien se confirmó la no toxicidad del sistema y se observó un cambio morfológico hacia células más alargadas, indicando un microambiente ligeramente más favorable, no se detectaron beneficios cuantificables en términos de proliferación, apoptosis o capacidad funcional de las células. Por tanto, la conclusión principal obtenida con el alcance de esta tesis es que es posible funcionalizar polímeros biomédicos con extractos naturales procedentes de subproductos agroalimentarios. Se ha demostrado que los polímeros adquieren propiedades antioxidantes y antiinflamatorias de los extractos; sin embargo, sería necesario estudiar con mayor detalle el efecto terapéutico en condiciones fisiológicas y en modelos in vivo con distintos sistemas polímero-extracto.","Each year, thousands of medical devices (e.g. stents, joint prostheses, bone fixation screws and tissue engineering scaffolds) are implanted in Spain. Although technology has advanced, risks of rejection and complications related to the integration of these materials into the organism still persist. To minimize these issues, biomedical research seeks to develop biocompatible materials that are not only tolerated but also capable of promoting tissue regeneration. Among the most promising alternatives are bioabsorbable polymers, which can degrade in a controlled manner after fulfilling their therapeutic function, thus avoiding the need for a second intervention for their removal. Within this type of material, the so-called \"third-generation\" devices are designed to progressively release drugs into the target tissue and stimulate reendothelialization, as they contain active principles incorporated into the polymer during manufacturing. Although synthetic compounds have traditionally been used for this purpose, interest in naturally-derived bioactive substances of natural origin (pharmacoactive compounds derived from plants, bacteria, fungi, algae, or marine invertebrates) with diverse therapeutic properties has grown in recent years. The incorporation of these substances into polymeric matrices is usually carried out using conventional methods that involve the use of organic solvents, often resulting in low incorporation efficiency. As an alternative, the supercritical CO2-assisted impregnation technique facilitates the homogeneous incorporation of the bioactive compounds into the polymeric matrix, dispensing with the use of toxic organic solvents. This technique significantly enhances the loading efficiency and, crucially, minimizes the levels of residual organic solvents in the final product. These improvements boosts its overall biocompatibility and reduces the environmental burden associated with conventional processing methods. This doctoral thesis proposes the functionalization of biocompatible polymeric systems via supercritical fluid impregnation utilizing natural extracts sourced from agri-food by-products. The use of these secondary sources promotes the reincorporation of these materials into the value chain, fostering the principles of the circular economy. This is a fundamental research approach that seeks to optimize process parameters and evaluate the potential for the future development of functionalized polymeric systems in biomedical applications. The study is based on three fundamental pillars: the evaluation of the extracts, the selection of polymers, and their supercritical impregnation for biomedical applications. For this research, three natural extracts were selected: obtained from Mango Leaf Extract (MLE), Olive Leaf Extract (OLE), and Grape Pomace Extract (GPE). These compounds were obtained via Enhanced Solvent Extraction (ESE), using conditions optimized in previous studies. The phenolic profile of the extracts, as well as their antioxidant, anti-inflammatory, and antimicrobial activities, were characterized, confirming their potential as bioactive agents for biomedical applications. In parallel, a screening of various polymers for biomedical use was performed, and the effects of contact with supercritical CO2 on the integrity and permanent swelling of Thermoplastic Polyurethane (TPU), Polydioxanone (PDO), Polycarbonate (PC), Polylactic Acid (PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Polycaprolactone (PCL), and Polyethylene Terephthalate Glycol-modified (PETG) were evaluated. Based on these tests, PLA and PDO were selected due to their biodegradability and suitability for low-porosity devices, such as stents. Regarding the impregnation assays, ketoprofen was initially used as a model molecule to establish the operational conditions of the impregnation process and to define the bases for subsequent drug release. The effects of pressure (100–400 bar) and temperature (35–55 °C) were studied as main process variables. The results indicated that an increase in both variables promoted polymer swelling and the impregnation yield, favoring a deeper penetration of the solute. The optimal conditions to achieve the highest impregnation rate with a controlled polymeric swelling were established at 200 bar and 75 °C, where the impregnation yield reached a value of 8.5 ± 0.4 %. Finally, a multiphase release kinetic was detected, whose velocity and duration of each phase were intrinsically determined by the impregnation conditions. Subsequently, the impregnation of natural extract impregnation was evaluated, focusing on the results of two systems: PLA impregnated with GPE and PDO impregnated with OLE. Regarding the impregnation of PLA with GPE, two extracts were employed: E-GPE, obtained with ethanol as a cosolvent, and HE-GPE, obtained with a hydroalcoholic mixture. Furthermore, two impregnation techniques were compared: conventional Supercritical Solvent Impregnation (SSI) and a newly proposed methodology called Pressurized Soaking Impregnation (PSI), which constitutes an intermediate option between SSI and traditional soaking. The analysis of the results demonstrated that E-GPE outperformed HE-GPE, evidencing a higher impregnation yield and superior bioactivity in the resulting filaments. The PSI technique induced a predominantly superficial impregnation in the polymeric matrix and conferred an apparently greater immediate antioxidant capacity, which is attributed to a faster release kinetic of the impregnated compounds. Conversely, the highest impregnation rates were obtained with the SSI technique, with the maximum yield specifically achieved with E-GPE under 100 bar and 55 °C (7.7 ± 1.5 %). The next system evaluated was the impregnation of PDO with OLE using the SSI methodology. Despite registering reduced impregnation rates, the greater proportion of its main polyphenol, oleuropein, in the extract facilitated its detection and quantification via liquid chromatography, thus allowing a more precise evaluation of the impregnation and compound release. In this case, optimal impregnation conditions were obtained at the maximum values studied: 400 bar and 75 °C (OLE: 1.5 ± 0.3 %; oleuropein: 706.4 ± 37.2 μg mg-1 of PDO; hydroxytyrosol: 16.9 ± 0.5 μg g-1 of PDO). The release profiles of oleuropein and hydroxytyrosol were studied, observing that the latter can be generated in situ as a degradation product of other compounds, such as oleuropein. The kinetic modeling of oleuropein release confirmed a diffusion-dominated process. During the in vitro release assay, the antioxidant and anti-inflammatory capacities provided by the phenolic compounds of the extract were maintained. Regarding the cellular assays, adhesion and cell growth studies were performed on PLA devices impregnated with GPE, although the results were not conclusive. While the non-toxicity of the system was confirmed and a morphological change towards more elongated cells was observed, indicating a slightly more favorable microenvironment, no quantifiable benefits were detected in terms of proliferation, apoptosis, or functional capacity of the cells. Therefore, the main conclusion obtained within the scope of this thesis is that it is feasible to functionalize biomedical polymers with natural extracts derived from agri-food by-products. It has been demonstrated that the polymers acquire antioxidant and anti-inflammatory properties from the extracts; however, it would be necessary to study the therapeutic effect in greater detail under physiological conditions and in in vivo models with different polymer-extract systems."]},{"key":"dc:format","label":"Dc Format","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Aprovechamiento de subproductos agroalimentarios con propiedades farmacoactivas para la impregnación supercrítica de polímeros biomédicos"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor.advisor":["Mantell Serrano, Casimiro","Cejudo Bastante, Cristina"],"dc:contributor.other":["Ingeniería Química y Tecnología de Alimentos"],"dc:creator":["Verano Naranjo, Lidia"],"dc:date.accessioned":["2026-05-22T11:43:49Z"],"dc:date.available":["2026-05-22T11:43:49Z"],"dc:date.issued":["2026"],"dc:description.abstract":["En España se implantan cada año miles de dispositivos médicos, incluidos stents, prótesis articulares, tornillos de fijación ósea, andamios para ingeniería de tejidos, etc. Aunque la tecnología ha avanzado, aún existen riesgos de rechazo y complicaciones relacionados con la integración de estos materiales en el organismo. Para minimizar estos problemas, la investigación biomédica busca desarrollar materiales biocompatibles que no solo sean tolerados, sino que favorezcan la regeneración tisular. Entre las alternativas más prometedoras destacan los polímeros bioabsorbibles, capaces de degradarse de forma controlada tras cumplir su función terapéutica, evitando la necesidad de una segunda intervención para su retirada. Dentro de esta tipología de materiales, los llamados de “tercera generación” están diseñados para liberar fármacos de manera progresiva en el tejido diana y estimular la endotelización, ya que contienen principios activos incluidos en el polímero durante su manufactura. Aunque tradicionalmente se han empleado compuestos sintéticos para este fin, en los últimos años ha crecido el interés por sustancias bioactivas de origen natural (compuestos farmacoactivos procedentes de plantas, bacterias, hongos, algas o invertebrados marinos) con propiedades terapéuticas diversas. La incorporación de estas sustancias en matrices poliméricas suele realizarse mediante métodos convencionales que implican el uso de disolventes orgánicos a menudo resultan en una baja eficiencia. Como alternativa, la técnica de impregnación con CO₂ supercrítico facilita la incorporación homogénea de los compuestos bioactivos en la matriz polimérica, prescindiendo del empleo de disolventes orgánicos tóxicos. Esto resulta en una optimización de la eficiencia de carga y, crucialmente, minimiza el riesgo de residuos solventes en el producto final, lo que incrementa su biocompatibilidad y mitiga el impacto ambiental asociado a los procesos convencionales. Esta tesis doctoral propone investigar la impregnación supercrítica de sistemas poliméricos biocompatibles con extractos naturales, obtenidos de subproductos agroalimentarios. El empleo de estas fuentes secundarias fomenta la reincorporación de estos materiales en la cadena de valor promoviendo los principios de la economía circular. Se trata de un enfoque de carácter fundamental que busca optimizar los parámetros del proceso y evaluar su potencial para el desarrollo futuro de sistemas poliméricos funcionalizados en aplicaciones biomédicas. El estudio tiene tres pilares fundamentales: la evaluación de los extractos, la selección de polímeros, y la impregnación supercrítica de los mismos para aplicación biomédica. Para esta investigación se seleccionaron tres extractos naturales: obtenidos a partir de hojas de mango (Mango Leaf Extract - MLE), hojas de olivo (Olive Leaf Extract - OLE) y hollejo de uva tinta (Grape Pomace Extract - GPE). Estos compuestos se obtuvieron mediante extracción a alta presión mejorada por disolventes (Enhanced Solvent Extraction - ESE), utilizando las condiciones optimizadas en estudios previos. Se caracterizó el perfil fenólico de los extractos, así como su actividad antioxidante, antiinflamatoria y antimicrobiana, confirmando su potencial como agentes bioactivos para aplicaciones biomédicas. De forma paralela, se realizó un screening de distintos polímeros de uso biomédico y se evaluaron los efectos del contacto con CO₂ supercrítico sobre la integridad y el hinchamiento permanente de poliuretano termoplástico (TPU), polidioxanona (PDO), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policaprolactona (PCL) y polietileno tereftalato modificado con glicol (PETG). A partir de estos ensayos se seleccionaron PLA y PDO por su biodegradabilidad y su idoneidad para dispositivos de baja porosidad, como los stents. Respecto a los ensayos de impregnación, inicialmente se utilizó ketoprofeno como molécula modelo para establecer las condiciones operacionales del proceso de impregnación y definir las bases de liberación posterior del fármaco. Se estudió los efectos de la presión (100–400 bar) y la temperatura (35–55 °C) como variables principales del proceso, encontrando que un aumento de ambas variables promovía el hinchamiento del polímero y el rendimiento de la impregnación, favoreciendo una impregnación más profunda del soluto. Las condiciones óptimas para alcanzar la máxima tasa de impregnación con un hinchamiento polimérico controlado se establecieron en 200 bar y 75 °C, el rendimiento de impregnación alcanzó un valor del 8,5 ± 0.4%. Finalmente, se detectó una cinética de liberación multifásica, cuya velocidad y duración de cada fase estaban determinadas intrínsecamente por las condiciones de impregnación. Posteriormente, se estudió la impregnación de extractos naturales. En este trabajo se presentan los resultados experimentales del estudio de dos sistemas: PLA impregnado con GPE y PDO impregnado con OLE. En cuanto a la impregnación de PLA con GPE, se emplearon dos extractos: E-GPE, obtenido con etanol como cosolvente, y HE-GPE, obtenido con una mezcla hidroalcohólica. Además, se compararon dos técnicas de impregnación: la impregnación supercrítica convencional (Supercritical Solvent Impregnation - SSI) y una nueva metodología propuesta, denominada impregnación por inmersión presurizada (Pressurized Soaking Impregnation - PSI), que constituye una opción intermedia entre la SSI y la inmersión tradicional (soaking). El análisis de los resultados demostró que el E-GPE superó al HE-GPE, evidenciando un mayor rendimiento de impregnación y una superior bioactividad en los filamentos resultantes. La técnica PSI indujo una impregnación predominantemente superficial en la matriz polimérica y confirió una aparente mayor capacidad antioxidante inmediata, lo que se atribuye a una cinética de liberación más rápida de los compuestos impregnados. Por el contrario, las tasas de impregnación más elevadas se obtuvieron con la técnica SSI, siendo el máximo rendimiento alcanzado específicamente con E-GPE bajo 100 bar y 55 °C (7,7 ± 1,5 %). El siguiente sistema que se evaluó fue la impregnación de PDO con OLE mediante la metodología SSI. A pesar de registrar tasas de impregnación reducidas, la mayor proporción en el extracto de su polifenol principal, la oleuropeína, facilitó la detección y cuantificación mediante cromatografía líquida, permitiendo así una evaluación más precisa de la impregnación y la liberación del compuesto. En este caso, se obtuvieron condiciones óptimas de impregnación en los valores máximos estudiados: 400 bar y 75 °C (OLE: 1,5 ± 0,3%; oleuropeína: 706,4 ± 37,2 μg g-1 de PDO; hidroxitirosol: 16,9 ± 0,5 μg g-1 de PDO). Se estudiaron los perfiles de liberación de oleuropeína e hidroxitirosol, observando que este último puede generarse in situ como producto de degradación de otros compuestos, como la oleuropeína. La modelización cinética de la liberación de la oleuropeína confirmó un proceso dominante por difusión. Durante el ensayo de liberación in vitro se mantuvo la capacidad antioxidante y antiinflamatoria proporcionadas por los compuestos fenólicos del extracto. Respecto a los ensayos celulares, se realizaron estudios de adhesión y crecimiento celular sobre dispositivos de PLA impregnados con GPE, aunque los resultados no fueron concluyentes. Si bien se confirmó la no toxicidad del sistema y se observó un cambio morfológico hacia células más alargadas, indicando un microambiente ligeramente más favorable, no se detectaron beneficios cuantificables en términos de proliferación, apoptosis o capacidad funcional de las células. Por tanto, la conclusión principal obtenida con el alcance de esta tesis es que es posible funcionalizar polímeros biomédicos con extractos naturales procedentes de subproductos agroalimentarios. Se ha demostrado que los polímeros adquieren propiedades antioxidantes y antiinflamatorias de los extractos; sin embargo, sería necesario estudiar con mayor detalle el efecto terapéutico en condiciones fisiológicas y en modelos in vivo con distintos sistemas polímero-extracto.","Each year, thousands of medical devices (e.g. stents, joint prostheses, bone fixation screws and tissue engineering scaffolds) are implanted in Spain. Although technology has advanced, risks of rejection and complications related to the integration of these materials into the organism still persist. To minimize these issues, biomedical research seeks to develop biocompatible materials that are not only tolerated but also capable of promoting tissue regeneration. Among the most promising alternatives are bioabsorbable polymers, which can degrade in a controlled manner after fulfilling their therapeutic function, thus avoiding the need for a second intervention for their removal. Within this type of material, the so-called \"third-generation\" devices are designed to progressively release drugs into the target tissue and stimulate reendothelialization, as they contain active principles incorporated into the polymer during manufacturing. Although synthetic compounds have traditionally been used for this purpose, interest in naturally-derived bioactive substances of natural origin (pharmacoactive compounds derived from plants, bacteria, fungi, algae, or marine invertebrates) with diverse therapeutic properties has grown in recent years. The incorporation of these substances into polymeric matrices is usually carried out using conventional methods that involve the use of organic solvents, often resulting in low incorporation efficiency. As an alternative, the supercritical CO2-assisted impregnation technique facilitates the homogeneous incorporation of the bioactive compounds into the polymeric matrix, dispensing with the use of toxic organic solvents. This technique significantly enhances the loading efficiency and, crucially, minimizes the levels of residual organic solvents in the final product. These improvements boosts its overall biocompatibility and reduces the environmental burden associated with conventional processing methods. This doctoral thesis proposes the functionalization of biocompatible polymeric systems via supercritical fluid impregnation utilizing natural extracts sourced from agri-food by-products. The use of these secondary sources promotes the reincorporation of these materials into the value chain, fostering the principles of the circular economy. This is a fundamental research approach that seeks to optimize process parameters and evaluate the potential for the future development of functionalized polymeric systems in biomedical applications. The study is based on three fundamental pillars: the evaluation of the extracts, the selection of polymers, and their supercritical impregnation for biomedical applications. For this research, three natural extracts were selected: obtained from Mango Leaf Extract (MLE), Olive Leaf Extract (OLE), and Grape Pomace Extract (GPE). These compounds were obtained via Enhanced Solvent Extraction (ESE), using conditions optimized in previous studies. The phenolic profile of the extracts, as well as their antioxidant, anti-inflammatory, and antimicrobial activities, were characterized, confirming their potential as bioactive agents for biomedical applications. In parallel, a screening of various polymers for biomedical use was performed, and the effects of contact with supercritical CO2 on the integrity and permanent swelling of Thermoplastic Polyurethane (TPU), Polydioxanone (PDO), Polycarbonate (PC), Polylactic Acid (PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Polycaprolactone (PCL), and Polyethylene Terephthalate Glycol-modified (PETG) were evaluated. Based on these tests, PLA and PDO were selected due to their biodegradability and suitability for low-porosity devices, such as stents. Regarding the impregnation assays, ketoprofen was initially used as a model molecule to establish the operational conditions of the impregnation process and to define the bases for subsequent drug release. The effects of pressure (100–400 bar) and temperature (35–55 °C) were studied as main process variables. The results indicated that an increase in both variables promoted polymer swelling and the impregnation yield, favoring a deeper penetration of the solute. The optimal conditions to achieve the highest impregnation rate with a controlled polymeric swelling were established at 200 bar and 75 °C, where the impregnation yield reached a value of 8.5 ± 0.4 %. Finally, a multiphase release kinetic was detected, whose velocity and duration of each phase were intrinsically determined by the impregnation conditions. Subsequently, the impregnation of natural extract impregnation was evaluated, focusing on the results of two systems: PLA impregnated with GPE and PDO impregnated with OLE. Regarding the impregnation of PLA with GPE, two extracts were employed: E-GPE, obtained with ethanol as a cosolvent, and HE-GPE, obtained with a hydroalcoholic mixture. Furthermore, two impregnation techniques were compared: conventional Supercritical Solvent Impregnation (SSI) and a newly proposed methodology called Pressurized Soaking Impregnation (PSI), which constitutes an intermediate option between SSI and traditional soaking. The analysis of the results demonstrated that E-GPE outperformed HE-GPE, evidencing a higher impregnation yield and superior bioactivity in the resulting filaments. The PSI technique induced a predominantly superficial impregnation in the polymeric matrix and conferred an apparently greater immediate antioxidant capacity, which is attributed to a faster release kinetic of the impregnated compounds. Conversely, the highest impregnation rates were obtained with the SSI technique, with the maximum yield specifically achieved with E-GPE under 100 bar and 55 °C (7.7 ± 1.5 %). The next system evaluated was the impregnation of PDO with OLE using the SSI methodology. Despite registering reduced impregnation rates, the greater proportion of its main polyphenol, oleuropein, in the extract facilitated its detection and quantification via liquid chromatography, thus allowing a more precise evaluation of the impregnation and compound release. In this case, optimal impregnation conditions were obtained at the maximum values studied: 400 bar and 75 °C (OLE: 1.5 ± 0.3 %; oleuropein: 706.4 ± 37.2 μg mg-1 of PDO; hydroxytyrosol: 16.9 ± 0.5 μg g-1 of PDO). The release profiles of oleuropein and hydroxytyrosol were studied, observing that the latter can be generated in situ as a degradation product of other compounds, such as oleuropein. The kinetic modeling of oleuropein release confirmed a diffusion-dominated process. During the in vitro release assay, the antioxidant and anti-inflammatory capacities provided by the phenolic compounds of the extract were maintained. Regarding the cellular assays, adhesion and cell growth studies were performed on PLA devices impregnated with GPE, although the results were not conclusive. While the non-toxicity of the system was confirmed and a morphological change towards more elongated cells was observed, indicating a slightly more favorable microenvironment, no quantifiable benefits were detected in terms of proliferation, apoptosis, or functional capacity of the cells. Therefore, the main conclusion obtained within the scope of this thesis is that it is feasible to functionalize biomedical polymers with natural extracts derived from agri-food by-products. It has been demonstrated that the polymers acquire antioxidant and anti-inflammatory properties from the extracts; however, it would be necessary to study the therapeutic effect in greater detail under physiological conditions and in in vivo models with different polymer-extract systems."],"dc:format":["application/pdf"],"dc:identifier.uri":["http://hdl.handle.net/10498/39647"],"dc:language.iso":["spa"],"dc:rights":["Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional"],"dc:rights.uri":["http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/"],"dc:title":["Aprovechamiento de subproductos agroalimentarios con propiedades farmacoactivas para la impregnación supercrítica de polímeros biomédicos"],"dc:type":["doctoral thesis"]},"updated_at":"2026-07-24T01:29:47Z"}