METODO PARA LA PREPARACION A BAJA TEMPERATURA DE PIEZAS DE BIOCERAMICAS CON POROSIDAD TRIDIMENSIONAL DISEÑADA E INTERCONECTADA.

Método para la preparación a baja temperatura de piezas de biocerámicas con porosidad tridimensional diseñada e interconectada.

El método se basa en la gelificación de una suspensión acuosa de una cerámica y un aglutinante biocompatible en el interior de un molde. El proceso de consolidación se produce a una temperatura entre 30 y 45ºC, dependiendo de la formulación empleada. El método permite la introducción, durante el proceso de fabricación, de sustancias biológicas o farmacológicamente activas. El diseño del molde, compuesto por un entramado de filamentos rígidos, determina básicamente la porosidad de la pieza, si bien esta puede verse afectada por otros factores (proceso de secado, composición de la mezcla).El tamaño de poro, la geometría y el porcentaje de porosidad pueden ser modificados en las tres direcciones del espacio. El tamaño de poro que se puede alcanzar con este método (entre 300 y 1000 {mi}m) así como el hecho de que los poros estén interconectados facilita el proceso de vascularización y, consecuentemente, la integración del material implantado y, en la mayoría de los casos, la posterior regeneración del tejido.El último fin de esas piezas es su aplicación como implantes para la regeneración del tejido óseo en ingeniería tisular

Método para la preparación a baja temperatura de piezas de biocerámicas con porosidad tridimensional diseñada e interconectada.

Sector de la técnica

La presente invención se encuadra dentro del campo técnico de fabricación de implantes en cirugía ortopédica para relleno de defectos óseos, para soportes de crecimiento celular en ingeniería de tejidos (Tissue Enginneering Scaffolds) y como bioreactores. El método de preparación propuesto permite la incorporación de sustancias biológicas o farmacológicamente activas pudiendo actuar como sistemas de liberación controlada.

Estado del arte

La aplicación de ingeniería de tejidos a la reparación terapéutica de tejidos óseos se ha convertido en una solución prometedora. Esto conlleva sembrar y adherir in vivo células humanas sobre una estructura. Las células, una vez implantadas, proliferan, migran y se diferencian en tejido específico mientras segregan componentes necesarios para crear el tejido requerido. La elección de la estructura a implantar es crucial para que permita a las células comportarse de una manera adecuada para producir tejidos de una determinada forma y tamaño. Los materiales utilizados para la regeneración de tejido óseo incluyen tanto materiales cerámicos sintéticos como naturales inorgánicos, como la hidoxiapatita y el fosfato tricálcico ya que estas cerámicas simulan la composición natural del hueso.

Además de su composición, la porosidad de la estructura es un aspecto fundamental para permitir la penetración de sangre, oxígeno y nutrientes necesarios para las células. Sin embargo, las técnicas convencionales de fabricación de estas estructuras no son capaces de controlar el tamaño de poro, la geometría de los poros, la distribución espacial, y, sobre todo, la construcción de canales internos interconectados que permita a la sangre, el oxígeno, nutrientes, etc. circular a través de toda la estructura.

Existen numerosos trabajos que describen métodos de obtener piezas de biocerámicas con una porosidad relativamente controlada. Así, el documento US2004/0002770 describe un método de obtención de cerámicas con porosidad controlada por compresión de un polímero sobre el material cerámico poroso. Aunque se puede conseguir una distribución homogénea de los poros en cuanto a forma y tamaño, la interconexión entre los poros no es igualmente controlable.

Actualmente existe un creciente interés en desarrollar nuevas técnicas de prototipado que permiten controlar la arquitectura de la pieza, esto es, la forma, tamaño e interconexiones de los poros. Dentro de estas técnicas están el Micromecanizado de Silicio que consiste en depositar capas de material sobre una oblea de silicio con una forma predeterminada (Microfabrication Technology for Vascularized Tissue Engineering. Borenstein et al., Biomedical Devices 4:3 (2002), 167-175) o el Modelado por Deposición Fundida (Fused Deposition Modeling, FDM) donde se construyen objetos tridimensionales de forma directa a partir de datos 3D CAD; un cabezal de temperatura controlada extruye material termoplástico por capas llegando a formar, por superposición de capas, una estructura tridimensional. Como material termoplástico se suele utilizar la policaprolactona, que es un polímero bioreabsorbible (Fused Deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications. Zein et al. Biomaterials 23 (2002), 1169-1185). Una de las técnicas más utilizadas es la llamada Fabricación de Sólidos de Forma Libre (Solid Freeform Fabrication, SFF), fundamentada en la utilización de un porógeno tridimensional o plantilla producido a partir de mallas sinterizadas de fibras de nylon u otro polímero similar, que hace que la matriz resultante de la infiltración y polimerización del material de reticulación sea la estructura inversa o negativo del template, consiguiéndose una gran regularidad geométrica de poros y canales interconectados. Para conseguir este negativo, la plantilla debe eliminarse.

El trabajo publicado por Liang y Weng (Artificially controlling of inner structure to porous hydroxyapatite ceramic by using solidified coated fibers, Material Letters 60 (2006) 3569-3572) describe la fabricación de piezas cerámicas de hidroxiapatita a partir de una estructura tridimensional de fibra que se construye para originar una determinada distribución de tamaños y conectividad de los poros. Sobre esta estructura de fibra se añade una suspensión de aglutinante e hidroxiapatita. Una vez consolidada la pieza, se retira la estructura de fibra por pirólisis.

El documento US 2004/0062809 describe un proceso de preparación de un polímero biocompatible con una estructura tridimensional y porosidad diseñada. Para ello, emplea un molde sobre el que se forma el material biocompatible. Una vez finalizada tal formación, el molde se elimina por disolución (empleando un disolvente) o por digestión enzimática.

En un trabajo previo publicado por los inventores de esta invención (Cabañas et al. Room Temperature synthesis of agarose/sol-gel glass pieces with tailored interconnected porosity, J. Biomedical Materials Research Part A, 2006) se describe un procedimiento de obtención de piezas de porosidad diseñada a partir de moldes tridimensionales de poliestireno sobre el que se vierte una suspensión de agarosa (aglutinante) y un material cerámico bioactivo. Una vez consolidada la pieza cerámica el molde se retira por tratamiento con una disolución acuosa de sosa.

Los métodos descritos anteriormente basados en técnicas de fabricación de moldes con porosidad controlada consiguen obtener piezas con una distribución de tamaño, forma e interconexión de los poros apropiada. Sin embargo, la etapa de eliminación del molde conlleva un tratamiento térmico o químico que puede dañar la estructura de la pieza cerámica. Por otro lado, estos tratamientos hacen que la inclusión de una sustancia biológica o farmacológicamente activa dentro de la pieza cerámica que actuará como implante, deba hacerse una vez obtenida la pieza lo cual puede tener el inconveniente de no distribuirse de forma homogénea a través de toda la estructura y, además, dificulta el control de la cantidad de sustancia a incluir.

El documento EP 1 449 818 describe un proceso para obtener una estructura porosa de fosfato cálcico sinterizado que consiste en mezclar polvos de precursores del fosfato cálcico y presurizarlos entre 5 y 500 MPa sobre una varillas de metal, de madera o bambú que después se retiran. Un grupo de varillas se disponen sobre un mismo plano de forma paralela en la misma dirección; sobre este grupo se superpone otro en la misma dirección o en una dirección distinta. Finalmente, se pueden añadir más grupos de varillas de forma perpendicular a los primeros grupos. Una vez compactados los polvos, se retiran las varillas dando lugar a una pieza porosa. Para que la pieza tenga una dureza apropiada debe ser sintetizada a una temperatura elevada, entre 500 y 1300ºC. En el documento US 2005/0025807 se describe un proceso para obtener un cemento fraguado de fosfato cálcico que también utiliza el mismo sistema de varillas como molde para obtener un material poroso. Después del fraguado, el material debe ser calentado entre 300 y 500ºC para obtener la dureza apropiada, a menos que se utilice un polímero biocompatible (especialmente colágeno) como agente aglutinante. También se puede incluir en fármaco en la mezcla a fraguar para formar el cemento. En el año 2005, Ito (Three-dimensionally perforated phosphate cíacium phosphate ceramics. J. Wuhan University of Technology - Mat. Sci. Ed., 20. Suppl.) describió el mismo procedimiento de varillas para producir cerámicas porosas de fosfato cálcico por compresión de una disolución de polvos de precursores a una presión de 36 MPa y posterior sintetizado a temperaturas próximas a 1000ºC; también emplea aglutinantes como la metil celulosa.

La presente invención supera las limitaciones anteriores ya que permite un diseño de la porosidad no sólo en dos sino en las tres direcciones del espacio a través de un molde previamente diseñado y el molde se elimina de forma mecánica sin necesidad de un tratamiento térmico, químico o cualquier otro tipo de tratamiento que pueda alterar la composición de la pieza. La pieza de biocerámica se forma sobre el mismo molde por gelificación de una suspensión acuosa a temperatura ambiente sin necesidad de aplicar presión. La presencia de un agente aglutinante hace que no sea necesario un tratamiento posterior de sintetizado. Esto hace...

1. Método para la preparación de piezas de biocerámicas que comprende las siguientes etapas:

(a) Preparar una suspensión acuosa de una cerámica biocompatible en un agente aglutinante con características de termogel.

(b) Diseñar un molde en forma de entramado tridimensional a base de filamentos según la porosidad deseada.

(c) Introducir la suspensión en el molde.

(d) Dejar consolidar la suspensión en el molde por gelificación.

(e) Retirar mecánicamente el molde.

(f) Extraer la pieza.

2. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicación 1, donde la cerámica es hidroxiapatita, fosfato tricálcico, un biovidrio, material mesoporoso de base silícea o combinación de ellos.

3. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicación 1, donde el polímero biodegradable es agarosa o gelano, pudiendo mezclarse con otras sustancias tales como gelatina, quitosano o alginatos.

4. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicación 1, donde el molde es una estructura tridimensional desmontable a base de filamentos rígidos constituidos por un material inerte y dispuestos en las tres direcciones del espacio.

5. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicación 1, donde las piezas se secan posteriormente en estufa o por liofilización.

6. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicación 1, donde la solidificación por gelación se realiza a una temperatura comprendida entre 30 y 45ºC.

7. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicaciones anteriores, donde se puede añadir a la suspensión acuosa sustancias biológica o farmacológicamente activas.

8. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicaciones anteriores, donde las sustancias biológica o farmacológicamente activa son fármacos, hormonas, factores de crecimiento óseo o proteínas.

9. Método para la preparación de piezas biocerámicas, según reivindicaciones anteriores, donde la suspensión acuosa puede contener sustancias que interaccionen con la sustancia activa controlando su liberación como polietilenglicol, dextrano, quitosano, ácido poliláctico o ácido poliglicólico.

10. Piezas de biocerámicas obtenidas a través del método reivindicado con una porosidad interconectada y diseñada en las tres direcciones del espacio e incluso dentro de la misma dirección con un tamaño de poro comprendido entre 300 y 1000 μm.

11. Piezas de biocerámicas, según reivindicación 10, que incluyen una o varias sustancias biológicamente activas.

12. Piezas de biocerámicas, según reivindicaciones 10 y 11, que incluyen sustancias que faciliten la liberación controlada de la sustancia activa.

13. Uso de las piezas biocerámicas reivindicadas como implantes para la regeneración de tejido óseo.

14. Uso de las piezas biocerámicas reivindicadas como sistema de liberación de sustancias.