MATERIAL HIBRIDO POLIMERO-CERAMICA.

Material híbrido polímero - cerámica.

La presente invención se refiere a un material híbrido biodegradable caracterizado porque comprende láminas de una fase cerámica separadas entre sí por láminas finas de una fase orgánica polimérica a las que se encuentran covalentemente unidas constituyendo un material compacto o poroso.

Asimismo, es objeto de la invención el procedimiento para la obtención de dicho material híbrido biodegradable, así como su uso para la generación de implantes de fijación ósea biodegradable.

Campo técnico de la invención La presente invención se refiere a un nuevo material híbrido biodegradable compuesto por un sustrato o matriz de una fase polimérica y una capa o recubrimiento de una fase cerámica producida por una reacción sol-gel. Es asimismo objeto de la invención el procedimiento para fabricar dicho material híbrido, así como su uso como material biodegradable.

Antecedentes de la invención En muchas aplicaciones se requieren materiales que reúnan propiedades que parecen ser antitéticas. Por ejemplo, en cirugía traumatológica, la estabilización de fracturas requiere piezas como placas, tornillos, barras o clavos con gran rigidez, pero no mayor que la del propio hueso, alta resistencia a la tracción para soportar altas cargas, resistencia al impacto, baja densidad, y que sean biocompatibles y biodegradables. Un tipo de material puro, sea un metal, una cerámica o un polímero, presenta obvias limitaciones para cubrir a la vez todos estos requerimientos. En la actualidad se emplean metales, como el titanio o el acero inoxidable, que no son biodegradables. Las cerámicas difícilmente podrían utilizarse por su fragilidad, y los polímeros biodegradables tienen una limitada resistencia mecánica y un bajo módulo elástico. Éste es sólo un ejemplo en el que se requieren materiales híbridos que combinen las propiedades de unos materiales y otros, en particular, materiales híbridos de polímero y cerámica. Las altísimas temperaturas de transformación de los materiales cerámicos convencionales hacen que la combinación con polímeros requiera rutas de síntesis alternativas que tienen lugar a bajas temperaturas, como es la técnica de sol-gel que parte de precursores del material cerámico. Por ejemplo, se pueden formar redes de SiO2 a partir de precursores como el tetrametil ortosilicato, TMOS, o el tetraetil ortosilicato, TEOS. En estos precursores, el átomo de silicio está unido a cuatro grupos orgánicos a través de átomos de oxígeno. Partiendo de un medio líquido que contiene el precursor, cierta cantidad de agua y otros solventes, y un catalizador ácido o básico, los grupos orgánicos son eliminados por reacciones de hidrólisis y condensación, formándose la red de sílice.

Existe una amplia literatura científica sobre la influencia de la estructura química del precursor sobre la cinética de formación de la red y su morfología, nano-porosidad, tamaño de partícula, propiedades mecánicas y grado de conversión y homogeneidad de la red. Este tipo de síntesis se utiliza para producir micro o nano-partículas sueltas o como refuerzo de una matriz polimérica, así como para producir recubrimientos. Sin embargo, su fragilidad difícilmente permite conseguir materiales en bloque. Las propiedades de los materiales compuestos polímero-cerámica producidos de esta forma se ve limitada por la falta de adhesión interfacial entre las micro-o nano-partículas inorgánicas y la matriz de polímero.

Otros precursores ocupan una de las cuatro ramas enlazadas con el átomo de silicio en un grupo orgánico funcional destinado a quedar incorporado en la red de sílice y producir un enlace covalente con otras moléculas, como pueden ser las cadenas de polímero. La formación secuencial o simultánea de la red de sílice y las cadenas de polímero permite obtener nano-compuestos híbridos. En el estado de la técnica se han descrito ejemplos con matriz de quitosano o de policaprolactona. La resistencia mecánica de este tipo de materiales depende de forma especial de la morfología de las dos fases y de la adhesión entre ellas.

Es conocido que los vidrios producidos por organismos vivos tienen una especial resistencia al impacto debido a una particular organización jerárquica de la componente inorgánica y la componente orgánica formada por proteínas. El tejido óseo es un buen ejemplo de ello. De este modo, la presente invención se refiere a un material en el que una red cerámica se dispone en agregados o placas separadas por finas láminas de polímero. En determinadas composiciones, el conjunto resultante es un material biodegradable de alta rigidez y resistencia, mecanizable y apto para aplicaciones biomédicas relacionadas con la reparación o regeneración ósea, entre otras aplicaciones.

Como antecedentes de la invención cabe mencionar la solicitud de patente estadounidense US2009/304774, donde se describe un biomaterial compuesto por un sustrato polimérico poroso que está cubierto por una capa cerámica. Este biomaterial tiene múltiples aplicaciones en el ámbito de la ingeniería tisular, pudiendo configurar varios tipos de dispositivos implantados, entre los cuales se incluyen elementos de fijación ósea como los tornillos biodegradables. En esta invención, la capa cerámica se distribuye de forma uniforme sobre el sustrato, recubriendo también la pared de los poros.

Finalmente, en la publicación “Synthesis and characterization of a novel polymer–ceramic system for biodegradable composite applications” (Journal of Biomedical Material Research, Part A., vol. 66, no. 3) se describe un biomaterial orgánico-inorgánico apropiado para la generación de implantes de fijación ósea biodegradables, tales como placas, clavos, tornillos, etc. Este biomaterial incorpora en el mismo sustrato fibras cerámicas y resina polimérica, lo cual redunda en unas buenas propiedades mecánicas debido a la combinación armonizada de la fortaleza del material cerámico y la elasticidad del material polimérico. Al igual que en el resto

de antecedentes de la invención, en el material descrito en este documento se combinan polímeros y cerámicas conformando una mezcla, en lugar de una serie de láminas unidas por enlaces covalentes, como es el caso de la presente invención.

Descripción de la invención Es un primer objeto de la invención un material híbrido biodegradable caracterizado por que comprende láminas de una fase cerámica con un espesor que puede variar entre centenares nanómetros y decenas de micras (preferentemente entre 0.1 y 100 micras) , estando dichas láminas separadas entre sí por láminas finas (preferentemente de entre 0.1 y 100 micras) de una fase orgánica polimérica a las que se encuentran covalentemente unidas constituyendo un material compacto o poroso.

La fase cerámica puede contener a su vez una cierta cantidad de componente orgánico mezclado a nivel molecular con la red inorgánica de forma que disminuye algo su rigidez. El material híbrido resultante puede ser un conjunto macizo en el que capas orgánicas e inorgánicas se alternan sin discontinuidades o bien puede obtenerse en forma de un material poroso en el que una esponja polimérica porosa es funcionalizada con partículas cerámicas que no rellenan el poro, sino que se enlazan químicamente a sus paredes, formando una capa o recubrimiento. Si el material es poroso, la estructura de poros permite un camino por el que pueden migrar con facilidad iones (por ejemplo iones calcio o fósforo) que se deprenden de la fase cerámica cuando se implanta en un organismo vivo y que, dependiendo de su composición, le dan un carácter bioactivo. En un material no poroso, esta difusión es también posible, pero más lenta. En uno u otro caso el material resultante es un material biodegradable, mecanizable, y de alta rigidez y resistencia, aplicable en intervenciones de cirugía traumatológica, especialmente en aplicaciones de cirugía ósea.

Es asimismo objeto de la invención el procedimiento para fabricar dicho material híbrido, caracterizado por que comprende:

(a) formar una fase orgánica polimérica mediante la disolución de al menos un polímero precursor en un disolvente, seguido de la congelación y cristalización del disolvente, así como de la posterior eliminación de los cristales de disolvente mediante sublimación o extracción, dando lugar a una estructura porosa en la que la fase orgánica polimérica se encuentra en forma de láminas con espesores comprendidos entre centenares nanómetros y decenas de micras;

(b) adicionar una disolución acuosa de al menos un precursor inorgánico en presencia de al menos un catalizador a la estructura porosa, y, opcionalmente, de otros aditivos capaces de establecer enlaces químicos con las paredes de la esponja porosa y con la propia red inorgánica en formación. Así, se produce una fase cerámica en forma de láminas, capas o partículas enlazadas covalentemente a las láminas finas de fase orgánica, formando la estructura del material híbrido biodegradable.

En una realización particular, el procedimiento puede comprender una etapa adicional posterior a la etapa (b) de fundición y compactación del material bajo presión, formando un material con estructura laminar orgánica/inorgánica.

Finalmente,...

1. Material híbrido biodegradable caracterizado por que comprende láminas de una fase cerámica separadas entre sí por láminas finas de una fase orgánica polimérica a las que se encuentran covalentemente unidas 5 constituyendo un material compacto o poroso.

2. Procedimiento de obtención de un material híbrido biodegradable de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado por que comprende:

(a) formar una fase orgánica polimérica mediante la disolución de al menos un polímero precursor en un disolvente, seguido de la congelación y cristalización del disolvente, así como de la posterior eliminación de los cristales de disolvente mediante sublimación o extracción, dando lugar a una estructura porosa en la que la fase orgánica polimérica se encuentra en forma de láminas;

(b) rellenar la estructura porosa de la fase orgánica polimérica con una disolución de al menos un precursor inorgánico en presencia de al menos un catalizador, constituyendo una fase cerámica en forma de láminas enlazadas covalentemente a las paredes del poro, es decir, a las láminas finas de fase orgánica, formando la estructura del material híbrido biodegradable.

3. Procedimiento de acuerdo a la reivindicación 2, caracterizado por que comprende una etapa adicional

posterior a la etapa (b) de fundición y compactación del material bajo presión, formando un material con 20 estructura laminar orgánica/inorgánica.

4. Procedimiento de acuerdo a la reivindicación 2 o 3, donde el polímero precursor es seleccionado de un grupo que consiste en polihidroxibutirato, polisacáridos, proteínas y polímeros sintéticos, así como cualquiera de sus combinaciones.

5. Procedimiento de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, donde el precursor inorgánico es seleccionado de un grupo que consiste en glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) , tetraetoxisilano (TEOS) y tetrametoxisilano (TMOS) , 3-trimetoxisillpropilmethacrilato (TSPMA) , trietil fosfato (TEP) y cloruro cálcico hidratado (CaCl22H2O) .

6. Procedimiento de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por que comprende una etapa adicional de funcionalización de la fase orgánica mediante la adición de al menos un componente polimérico aglutinante con capacidad de unirse al precursor inorgánico de la fase cerámica mediante la formación de enlaces covalentes.

7. Uso de un material híbrido de acuerdo a la reivindicación 1 para la generación de implantes de fijación ósea biodegradable.

GJH/!2!!

GJH/!3!

GJH/!4!