CEMENTO DE FOSFATO CÁLCICO-SILICATO CÁLCICO PARA APLICACIONES BIOMÉDICAS.

La presente invención se refiere a un cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico que comprende una fracción de volumen del 10 al 99% de brushita (DCPD,

CaHPO42H2O) dopada con silicio, una fracción de silicato cálcico hidratado (C-S-H) y otra fracción de hidroxiapatita. Así mismo la invención se refiere a un método para elaborar dicho cemento y al uso de matrices que lo incluyen en la elaboración de agentes terapéuticos para cirugía maxilofacial y oral, aplicaciones ortopédicas y/o liberación controlada de medicamentos, así como en ingeniería tisular y ósea como soporte para el crecimiento de células. Este nuevo material es osteoconductor, reabsorbible por el organismo y tiene propiedades mecánicas adecuadas para su uso en aplicaciones biomédicas.

Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico para aplicaciones biomédicas.

Campo de la técnica La presente invención se refiere a la preparación de un cemento de fosfato cálcico que incluye en su composición como primer componente un fosfato cálcico básico dopado con silicio, como segundo componente un fosfato cálcico ácido o ácido fosfórico, y como tercer componente agua o solución acuosa. Al mezclar los tres componentes, se produce una masa dura que está compuesta de una fase de fosfato cálcico, principalmente brushita (CaHPO4.2H2O) , otra de silicato cálcico hidratado (C-S-H) y, en algunos casos, puede contener hidroxiapatita. La brushita dopada con silicio constituye entre el 10 y el 99% del volumen de la masa dura. Los cementos según la invención se pueden emplear en ingeniería ósea como soporte para crecer células, como sustituto óseo en cirugía maxilofacial y en aplicaciones ortopédicas, y también como vehículo para la liberación controlada de medicamentos (antibióticos, antiinflamatorios y anticancerígenos) y sustancias biológicas (factores de crecimiento y hormonas) . Este nuevo material es osteoconductor, reabsorbible por el organismo y tiene propiedades mecánicas adecuadas para su uso clínico.

Técnica precedente Los fosfatos cálcicos forman una alternativa eficiente al hueso autólogo (el injerto óseo ideal) ya que se caracterizan por ser biocompatibles, osteoconductores y reabsorbibles. Miembros importantes de la familia de los fosfatos cálcicos son los cementos hidráulicos de fosfatos cálcicos cuyo uso se está incrementando lo cual provoca el interés científico e industrial de inventar nuevos cementos con el objetivo de mejorar sus propiedades químico-físicas y biológicas. Estos cementos se preparan mezclando dos fases: una fase sólida en forma de polvo y otra fase líquida que suele ser agua o una solución acuosa. Cuando se mezclan ambas fases se forma una pasta moldeable a la que se da la forma del defecto a rellenar, asegurando su adaptación íntima al defecto óseo.

El interés de introducir iones de silicio (Si) en los fosfatos cálcicos se basa en su presencia en cantidades traza en la hidroxiapatita ósea y en su importancia para los procesos metabólicos asociados al desarrollo de hueso y de los tejidos conjuntivos [Carlise E. Silicon as a trace nutrient. Sci Total Environ 1988; 73:95-106]. Distintos estudios sobre el suplemento dietético de Si han mostrado su eficacia en aumentar la densidad mineral ósea, estimular la síntesis del cartílago, inhibir el proceso fisiológico de reabsorción ósea y su importancia para la salud vascular [Pietak AM, Reid JW, Stott MJ, Sayer M. Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics. Biomaterials 2007; 28:4023-4032; Jugdaohsingh R, Tucker K, Qiau N, Cupples L, Kiel D, Powell J. Dietar y silicon intake is positively associated with bone mineral density in men and premenopausal women of the Framingham Offspring cohort. J Bone Miner Res 2004; 19:297-307; Calomme M, Vanden-Berghe D. Supplementation of calves with stabilized orthosilicic acid. Effect on the Si, Ca, Mg and P concentrations in serum and the collagen conventration in skin and cartilage. Biol Trace Elem Res 1997; 56:153-165; Hott M. Short term effects of organic silicon on trabecular bone in mature ovariectomized rats. Cal Tiss Inter 1993; 53:174-179; Schwarz K, Ricci BA, Punsar S, Karvonen MJ. Inverse relation of silicon in drinking water andatherosclerosis in Finland, Lancet 1977; 1:538-539].

La sustitución iónica del fósforo por silicio se ha estudiado en HA, fosfato tricálcico-α (α-TCP) y cementos basados en HA. Mediante el análisis de la estructura de la HA sustituida por silicio (Si-HA) y el α-TCP sustituido por silicio (Si-α-TCP) se ha comprobado que el modelo más sencillo que explica la incorporación del silicio en sus estructuras consiste en la sustitución del grupo PO43− por el grupo SiO44− [Pietak AM, Reid JW, Stott MJ, Sayer M. Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics. Biomaterials 2007; 28:4023-4032]. Esta sustitución genera un déficit de carga eléctrica de manera que son necesarios mecanismos de compensación para recuperar la neutralidad y evitar un elevado coste energético. Se han propuesto fórmulas químicas de Si-HA [Ca5 (PO4) 3−x (SiO4) xOH1−x]y de Si-α-TCP [Ca3 (P1−xSixO4−x/2) 2] considerando vacantes de OH−1 y deO2− como los mecanismos de compensación [Pietak AM, Reid JW, Stott MJ, Sayer M. Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics. Biomaterials 2007; 28:4023-4032].

Existe evidencia científica suficiente para asegurar el buen comportamiento biológico de las cerámicas de fosfato cálcico sustituidas por silicio. La mejora en la bioactividad de estos materiales se atribuye a varios factores que actúan sinérgicamente. Por un lado, la sustitución iónica por silicio facilita la precipitación de HA biológica in vivo que favorece la adsorción de proteínas, y la adhesión y proliferación de los osteoblastos [Sayer M, Stratilatov A, Reid J, Calderin L, Stott M, Yin X, et al. Structure and composition of silicon stabilized tricalcium phosphate. Biomaterials 2002; 24:369-382; Vandiver J, Dean D, Patel N, Botelho C, Best S, Santos J, et al. Silicon addition to hydroxyapatite increases nanoscale electrostatic, van der Waals and adhesive interactions. J Biomed Res 2005:78A:352-363]. Por otro lado, el ión de silicio liberado en la matriz extracelular o presente en la superficie del implante podría influir directamente en los osteoblastos, osteoclastos y la síntesis del colágeno [Keeting P, Oursler M, Wiegand K, Bonde S, Spelsberg T, Riggs B. Zeolite A increases proliferation, differentiation and TGF-beta production in normal adult human osteoblast-like cells in vitro. J Biomed Mater Res 1992; 7:1281-1289; Xynos I, Edger A, Butter y D, Hench L, Polak J. Gene-expression profiling of human osteoblasts following treatment with the ionic producís of Bioglass 45S5 dissolution. J Biomed Mater Res 2001; 55:151-157.]. Además, se ha demostrado que la implantación in vivo de Si-HA ha incrementado el crecimiento óseo un 14, 5% más que la HA no sustituida. Se ha observado también la formación de fibrillas de colágeno en la superficie de Si-HA 6 semanas después de su implantación, en comparación con las 12 semanas necesarias para observar el mismo efecto cuando se utiliza HA no sustituida [Patel N, Best S, Bonfield W, Gibson I, Hing K, Damien E, et al. A comparative study on the in vivo behavior of hydroxyapatite and silicon substituted hydroxyapatite granules. J Mater Sci Mater Med 2002; 13:1199-1206]. En otro estudio, los mejores resultados en la formación, crecimiento y remodelación ósea se han obtenido mediante la elaboración de un andamio poroso fabricado de HA con un contenido de Si del 0, 8% (peso/peso) [Hing KA, Revell PA, Smith N, Buckland T.

Effect of silicon level on rate, quality and progression of bone healing within silicate-substitutedporous hydroxyapatite scaffolds. Biomaterials 2006; 27:5014-5026].

Hasta ahora, no existe ningún estudio sobre el uso de sustitución iónica por silicio para mejorar el funcionamiento biológico de los cementos osteotransductivos de brushita. De hecho, un trabajo publicado en 2009 demuestra que la modificación del sistema de cementos de fosfato tricálcico-β (β-TCP) /fosfato monocálcico monohidratado (MCPM) con silicato tricálcico (Ca3SiO5) produce un cambio drástico en el producto de fraguado: mientras que los cementos no modificados fraguan en brushita, los cementos modificados con silicato tricálcico fraguan en HA [Huan Z, Chang J. Novel bioactive composite bone cements based on the β-tricalcium phosphate-monocalcium phosphate monohydrate composite cement system. Acta Biomater 2009:5:1253-1264]. Recientemente se ha demostrado que la modificación de cementos de brushita con gel de sílice mejora su cohesión, acelera su reacción de fraguado y aumenta la presencia de β-TCP en la matriz del cemento, explicando así la presencia de más injerto residual después de 8 semanas de su implantación in vivo [Alkhraisat MH, Rueda C, Jerez LB, Tamimi FM, Torres J, Gbureck U, López-Cabarcos E. Effect of silica gel on the cohesion, properties and biological performance of brushite cement. Acta Biomater 2010; 6: 257265]. Sin embargo el uso del gel de sílice no introduce los iones de silicio en la brushita y, además, el producto final de la reacción de fraguado, tras la adición de gel de sílice, está compuesto de brushita y β-TCP residual.

Problema técnico No existe una evidencia científica que apoye la mejora en la reabsorción in vivo del Si-HA. Sin embargo,... [Seguir leyendo]

1. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico que comprende una fracción de volumen entre el 10% y el 99% de brushita (DCPD, CaHPO42H2O) dopada con silicio, una fracción de silicato cálcico hidratado (C-S-H) y/o una fracción de hidroxiapatita, teniendo dicho cemento, al fraguar, un área de superficie específica entre 3, 10 y 39, 4 m2/g y un diámetro medio de poro entre 0, 04 y 1, 73 μm.

2. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según la reivindicación 1 que se presenta en forma de granulado.

3. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según la reivindicación 2 en que el granulado tiene un tamaño de partícula de entre 0, 2y1mm.

4. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según la reivindicación 1 que se presenta en forma de pasta o de bloque.

5. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que incorpora al menos un agente bioactivo.

6. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según la reivindicación 5 en que el agente bioactivo se selecciona entre antibióticos, antiinflamatorios, medicamentos anticancerígenos, analgésicos, factores de crecimiento, hormonas

o cualquier combinación de dichos agentes.

7. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que incorpora un polímero biodegradable seleccionado entre: ácido hialurónico, sales de hialuronato, condroitín sulfato, dextrano, gel de sílice, alginato, hidroxipropilmetilcelulosa, derivados de quitina, preferiblemente el quitosán, goma xanthan, agarosa; polietilenglicol (PEG) , polihidroxietilenometacrilato (HEMA) , proteínas sintéticas o naturales, colágenos o cualquier combinación entre ellos.

8. Cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según la reivindicación 7 en que el polímero biodegradable seleccionado es el ácido hialurónico.

9. Método para obtener un cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico según cualquiera de las reivindicaciones 18 que comprende los siguientes pasos:

a) Sintetizar una cerámica compuesta de fosfato tricálcio beta (Ca3 (PO4) 2) dopado con silicio y silicocarnotita (Ca5 (H2PO4) 2SiO4) a partir de una mezcla de brushita (CaHPO4.2H2O) , carbonato cálcico (CaCO3) y dióxido de silicio (SiO2) con una relación Si/ (Si+P) , antes de la calcinación, entre 1 y 99% y una relación Ca/ (Si+P) de 1, 45-1, 5 (porcentaje atómico) , aplicando una temperatura entre 700ºC y 1250ºC durante un tiempo superior a 3 horas;

b) Mezclar la cerámica obtenida mediante el paso a) con fosfato monocálcico (Ca (H2PO4) 2) , fosfato monocálcico monohidratado (Ca (H2PO4) 2.H2O) o ácido fosfórico (H3PO4) ;

c) Mezclar el resultado del paso b) con una fase acuosa.

10. Método según la reivindicación 9 en el que la fase acuosa se presenta en una proporción respecto a la fase sólida de entre 0, 5 g/ml y 7, 14 g/ml.

11. Método según la reivindicación 10 en el que la fase acuosa se presenta en una proporción respecto a la fase sólida de entre 1, 5 y 4 g/ml.

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9-11 que incluye la incorporación de un aditivo porógeno en el paso b) .

13. Método según la reivindicación 12 en que el agente porógeno se selecciona del grupo formado por compuestos de carbonato, como carbonato cálcico, bicarbonato cálcico, carbonato de sodio, bicarbonato de sodio; sustancias solubles en agua como manitol, cloruro sódico; y polímeros.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9-13 en el que se incluye la incorporación de un agente bioactivo.

15. Método según la reivindicación 14 en que el agente bioactivo se incorpora bien en la fase acuosa o bien por adsorción posteriormente al paso c) .

16. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14-15 en el que el agente bioactivo se selecciona entre antibióticos, antiinflamatorios, medicamentos anticancerígenos, analgésicos, factores de crecimiento, hormonas o cualquier combinación de dichos agentes.

17. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9-16 en el que se incluye la incorporación en el paso c) de un polímero biodegradable seleccionado entre: ácido hialurónico, sales de hialuronato, condroitín sulfato, dextrano, gel de sílice, alginato, hidroxipropilmetilcelulosa, derivados de quitina, preferiblemente el quitosán, goma xanthan, agarosa; polietilenglicol (PEG) , polihidroxietilenometacrilato (HEMA) , proteínas sintéticas o naturales, colágenos o cualquier combinación entre ellos.

18. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9-17 en el que se incluye la incorporación en el paso a) de un aditivo para controlar la velocidad de reacción del fraguado seleccionado del grupo formado por: pirofosfato sódico, pirofosfato potásico, acetato sódico, acetato potásico, citrato sódico, citrato potásico, fosfocitrato sódico, fosfocitrato potásico, sulfato sódico o sulfato potásico, sulfato cálcico hemihidratado CaSO4.0.5H2O (CSH) , pirofosfato sódico Na4P2O7.10H2O (NaPPH) , disodio dihidrógeno pirofosfato Na2H2P2O7 (NaHPP) , pirofosfato cálcico Ca4P2O7 (CaPP) , sulfato de magnesio, bisfosfonato sódico, y bisfosfonato potásico.

19. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9-18 que incluye la formación de bloques o granulados del cemento.

20. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9-19 que incluye la esterilización del cemento mediante procesos térmicos (calor seco, autoclave) , químicos (gas, alcohol) o radiación gamma.

21. Matriz de cemento que comprende el cemento de fosfato cálcico-silicato cálcico definido por cualquiera de las reivindicaciones 1-8, o producido por cualquiera de los métodos según cualquiera de las reivindicaciones 9-20.

22. Uso de las matrices según la reivindicación 21 en la preparación de un agente terapéutico para regeneración ósea maxilofacial u oral (reconstrucción del proceso alveolar, relleno para el surco dental) y/o aplicaciones ortopédicas (tratamiento de fracturas óseas, aumentación ósea) .

23. Uso de las matrices según la reivindicación 21 en la preparación de un soporte para el crecimiento de células para ingeniería tisular y ósea.

24. Uso según la reivindicación 23 en el que las células se seleccionan entre el grupo formado por: osteoblastos, células madres y células mesenquimales

25. Uso de las matrices según la reivindicación 21 en la preparación de un agente terapéutico para la liberación controlada de medicamentos (antibióticos, antiinflamatorios y anticancerígenos) .