ANDAMIAJE HÍBRIDO BIOACTIVO, MÉTODO DE FABRICACIÓN Y USO PARA INGENIERÍA DE TEJIDO ÓSEO.

Andamiaje híbrido bioactivo, método de fabricación y uso para ingeniería de tejido óseo.

La presente invención describe un método de fabricación de un andamiaje híbrido que comprende la obtención de una estructura biocerámica porosa bioactiva utilizando una técnica de conformado libre, y la infiltración de la misma parcial o totalmente con un polímero biodegradable obtenido por polimerización in situ de un monómero precursor del mismo. La invención describe asimismo al andamiaje híbrido obtenido mediante este procedimiento. Además la invención describe un método ex vivo para generar o regenerar un tejido óseo usando el andamiaje híbrido de la invención y uso del andamiaje híbrido, opcionalmente tratado mediante dicho método ex vivo para su uso en un tratamiento de generación o regeneración de tejido óseo.

Andamiaje híbrido bioactivo, método de fabricación y uso para ingeniería de tejido óseo

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra dentro del campo de la ingeniería tisular, y más particularmente se refiere a un método de fabricación de un andamiaje híbrido bioactivo inorgánico-orgánico que comprende una estructura biocerámica porosa bioactiva con geometría controlada a partir de un modelo de diseño controlado por ordenador, estando dicha estructura infiltrada parcial o totalmente por una composición de polímero orgánico biodegradable. La invención se refiere asimismo al andamiaje híbrido obtenible mediante este procedimiento. Además la invención se refiere a un método ex vivo para generar o regenerar un tejido óseo usando el andamiaje híbrido de la invención y al uso del andamiaje híbrido, opcionalmente tratado mediante dicho método ex vivo para su transplante a la zona a regenerar del paciente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La pérdida de tejido óseo debido a distintas causas como son accidentes, o enfermedades graves, como por ejemplo el cáncer, necesita a menudo de un implante o sustituto óseo para la reparación de dichas lesiones óseas.

En la actualidad un nuevo enfoque del tratamiento de las lesiones óseas no trata tanto ya de “reparar” en el sentido clásico del término, sino de “estimular” los procesos celulares naturales de autoregeneración ósea, para permitir su extensión a defectos de tamaño superior al crítico, de forma que no sean necesarios los tratamientos quirúrgicos sustitutorios. Para ello se han desarrollado materiales artificiales biorresorbibles que se asemejan al hueso no sólo en sus propiedades mecánicas sino también en su capacidad de interacción con los tejidos, de manera que induzcan activamente la regeneración ósea.

Una manera de conseguir esta interacción con el tejido circundante y estimular la penetración y el crecimiento celular es utilizar materiales osteofílicos en forma de matriz porosa. Estos sustratos porosos pueden ser fabricados a partir de polímeros biodegradables como los ácidos poliláctico (PLA) y poliglicólico (PGA) , la poli £caprolactona (PCL) , etc., o a partir de biocerámicos y otros materiales inorgánicos de composición similar a la apatita del hueso natural, que pueden ser disueltos lentamente por los osteoclastos y transformados en hueso vivo. Sin embargo, el bajo módulo elástico y la rápida degradación de los biopolímeros y la elevada fragilidad de los materiales inorgánicos bioactivos limitan su aplicación a regiones del esqueleto libres de tensiones.

Uno de los motivos de la escasa resistencia mecánica de los andamiajes inorgánicos bioactivos estriba en que la porosidad debe ser interconectada y con un tamaño de interconexión mínimo, para permitir la penetración celular, así como la vascularización y difusión de nutrientes hacia el interior. Los métodos tradicionales para la fabricación de sustratos porosos (disolución y colada seguido de filtrado de partículas, espumado, secado por congelación, etc.) no permiten controlar de forma precisa la geometría, tamaño y distribución espacial de los poros y, por tanto, para lograr ese grado de interconectividad es necesario producir porosidades muy elevadas (Hutmacher DW. Biomaterials 2000; 21:2529-2543) en detrimento de la resistencia mecánica. Además, estos métodos tradicionales tampoco permiten reproducir las complejas formas tridimensionales de las estructuras óseas que se pretende sustituir.

Las técnicas de prototipado rápido (rapid prototyping) o conformado libre (Solid Free-form Fabrication o SFF) (Sachlos E, Czernuszka JT. European Cells and Materials 2003; 5:29-40 y Evans, J.R.G. Journal of the European Ceramic Society 2008; 28:1421-1432) resuelven estos problemas, al permitir fabricar sustratos con la estructura de poros y forma exterior deseadas, de manera reproducible y sin necesidad de mecanizado. Las tecnologías SFF, (impresión 3-D, estereolitografía, conformado por moldeo robotizado (robocasting) , etc.) permiten la construcción de objetos tridimensionales complejos a partir de un modelo computacional de diseño asistido por ordenador (DAO) , mediante un proceso de deposición por capas. Por lo tanto, es posible mediante las tecnologías SFF obtener altos grados de interconectividad incluso con porosidades reducidas, lo que permite mejorar significativamente las propiedades mecánicas de los andamiajes (Miranda P, Pajares A, Saiz E, Tomsia AP, Guiberteau F. J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2008; 85A:218–227) .

A pesar de la mejora de prestaciones mecánicas asociadas al preciso control de la arquitectura de poros proporcionado por técnicas SFF la fragilidad de estas estructuras porosas inorgánicas bioactivas persiste. Como se ha puesto de manifiesto en un trabajo previo (F.J. Martínez-Vázquez, F. H. Perera, P. Miranda, A. Pajares, F. Guiberteau. Acta Biomaterialia. 6, 4361-4368 (2010) ) , un procedimiento para paliar este problema es infiltrar estas estructuras con polímeros biodegradables, tales como el ácido poliláctico (PLA) o poliglicólico (PGA) , la poli £-caprolactona (PCL) , etc. Sin embargo, el método de infiltración utilizado en ese trabajo requiere de altas temperaturas para la fusión de los biopolímeros, y presenta, entre otras desventajas, que imposibilita la incorporación de fármacos o biomoléculas a la composición de éstos.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN

A la vista de lo expuesto la presente invención se enfrenta al problema de proporcionar un procedimiento alternativo para la obtención de estructuras porosas inorgánicas bioactivas infiltradas con polímeros biodegradables que superen al menos en parte las desventajas anteriormente mencionadas.

El método propuesto por la presente invención se basa en que los inventores han descubierto que es posible fabricar nuevos andamiajes híbridos parcial o totalmente infiltrados con un polímero biodegradable, en el que éste se obtiene por polimerización in situ. La polimerización in situ comprende poner en contacto una estructura biocerámica porosa bioactiva obtenida de forma previa, por cualquier técnica de conformado libre (SFF) por ejemplo mediante conformado por moldeo robotizado (robocasting) , con una composición del correspondiente monómero precursor de dicho polímero biodegradable que puede asimismo contener uno o más fármacos sin que éstos se degraden ya que la polimerización in situ tiene lugar sin necesidad de emplear elevadas temperaturas.

Por tanto en un aspecto la invención se refiere a un método de fabricación de un andamiaje híbrido que comprende una estructura biocerámica porosa bioactiva infiltrada parcial o totalmente por una composición de polímero orgánico biodegradable que comprende las siguientes etapas:

1) obtención de una estructura biocerámica porosa bioactiva sinterizada anhidra, fabricada utilizando una técnica de conformado libre,

2) impregnación de la estructura resultante de la etapa 1) con una composición de un polímero orgánico biodegradable que comprende las etapas de a) Poner en contacto la estructura obtenida en la etapa anterior 1) anhidra con una composición anhidra precursora de dicho polímero orgánico biodegradable que comprende un monómero,

b) Adicionar un catalizador anhidro, y opcionalmente un iniciador anhidro c) Calentar la mezcla resultante hasta la temperatura de reacción d) opcionalmente añadir un disolvente anhidro,

f) Polimerización y

g) Recuperación del andamiaje híbrido.

El método de la invención presenta la ventaja de que posibilita la incorporación de uno o más fármacos, incluidas biomoléculas, en la parte infiltrada del andamiaje híbrido obtenido, tales como agentes osteoinductores, por ejemplo proteínas morfogenéticas óseas humanas recombinantes (rhBMP-2, rhBMP-4 y rhBMP-7) , agentes antiinflamatorios, antibióticos, agentes anticancerígenos, agentes antivirales, hormonas, vacunas, agentes antioxidantes, etc. que mejoran substancialmente la bioactividad, acelerando el proceso de fijación del implante y el de regeneración ósea. Estos fármacos son liberados al entorno en la zona a tratar del paciente conforme progresa la biodegradación del polímero, pudiendo controlarse su velocidad de liberación mediante el control de la velocidad de degradación del polímero a través de su composición y peso molecular, así como de la propia geometría del andamiaje híbrido, que controla la difusividad de dichos fármacos.

Además el método de la presente invención presenta la ventaja de que permite controlar la cantidad de polímero que se infiltra de forma que puede conseguirse desde un rellenado completo de la estructura biocerámica... [Seguir leyendo]

1. Método de fabricación de andamiaje híbrido que comprende una estructura biocerámica porosa bioactiva infiltrada parcial o totalmente por una composición de polímero orgánico biodegradable que comprende las siguientes etapas:

1) obtención de una estructura biocerámica porosa bioactiva sinterizada anhidra utilizando una técnica de conformado libre, 2) impregnación de la estructura resultante de la etapa 1) con una composición de un polímero orgánico biodegradable que comprende las etapas de:

a) Poner en contacto la estructura obtenida en 1) con una composición anhidra precursora de dicho polímero orgánico biodegradable que comprende un monómero, b) Adicionar un catalizador anhidro, y opcionalmente un iniciador anhidro, c) Calentar la mezcla resultante hasta la temperatura de reacción d) opcionalmente añadir un disolvente anhidro f) Polimerización y g) Recuperar el andamiaje híbrido.

2. Método de fabricación de andamiaje híbrido según la reivindicación 1 en el que el monómero precursor del polímero orgánico biodegradable se selecciona del grupo constituido por s-caprolactona, 1, 5-dioxepan-2-ona, glicolida, lactida (L y D) , 8-valerolactona, hidroxibutirato, 1-butirolactona, hidroxivalerato, dioxanona, 1-propiolactona, octanolida, undecanolida, pentadecanolida, hexadecanolida, pentadecalactona, hexadecalactona, y sus mezclas.

3. Método de fabricación de andamiaje híbrido según la reivindicación 1 o 2 en el que el catalizador se selecciona del grupo constituido por octanoato de estaño (II) , terc-butóxido de potasio, terc-butóxido de litio, 1, 5, 7- triazabiciclo[4.4.0]dec-5-eno y sus mezclas.

4. Método de fabricación de andamiaje híbrido según la reivindicación 1 o 2 en el que el catalizador se selecciona del grupo constituido por enzimas lipasas.

5. Método de fabricación de andamiaje híbrido según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende la etapa d) de adición de un disolvente anhidro y una etapa posterior de evaporación del mismo después de la etapa f) de polimerización.

6. Método de fabricación de andamiaje híbrido según la reivindicación 5, en el que el disolvente anhidro es tolueno.

7. Método de fabricación de andamiaje híbrido según la reivindicación 6, en el que el tolueno anhidro se incorpora en una proporción en volumen monómero: tolueno anhidro comprendida entre 1:1 y 1:2.

8. Método de fabricación de andamiaje híbrido según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la temperatura de reacción alcanzada por calentamiento en la etapa c) está comprendida entre 20 y 200 ºC .

9. Método de fabricación de andamiaje híbrido según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la polimerización in situ transcurre durante un tiempo comprendido entre 1 minuto y 1 mes, preferentemente entre 24 y 72 horas.

10. Método de fabricación de andamiaje híbrido según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la composición anhidra precursora de dicho polímero orgánico biodegradable comprende además un fármaco.

11. Método de fabricación de andamiaje híbrido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la etapa 1) de obtención de una estructura biocerámica porosa bioactiva sinterizada anhidra se realiza utilizando la técnica de conformado libre por moldeo robotizado que comprende las siguientes etapas:

(a) Preparación de una tinta,

(b) Diseño de una geometría tridimensional de la estructura inorgánica porosa bioactiva a obtener utilizando un software implementado por un ordenador

(c) Extrusión de dicha tinta a través de una punta extrusora y deposición de la misma en un baño de aceite como barras discretas en dicha geometría tridimensional,

(d) Secado y sinterización de dicha estructura.

12. Andamiaje híbrido obtenido mediante el método de fabricación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende una estructura biocerámica porosa bioactiva infiltrada parcial o totalmente por una composición de polímero orgánico biodegradable.

13. Andamiaje híbrido según la reivindicación 12, que comprende una estructura biocerámica porosa bioactiva infiltrada parcialmente por una composición de polímero orgánico biodegradable obtenida mediante el método de fabricación que comprende la etapa de adición de un disolvente anhidro.

14. Andamiaje híbrido según la reivindicación 13, que comprende una estructura biocerámica porosa bioactiva infiltrada totalmente por una composición de polímero orgánico biodegradable obtenida mediante el método de 10 fabricación sin adición de disolvente anhidro.

15. Método ex vivo para generar o regenerar un tejido óseo que comprende: a) sembrar células precursoras de tejido óseo en el andamiaje híbrido de la reivindicación 13; b) incubación de dichas células en un medio de cultivo dentro de una estufa o biorreactor hasta el

momento del implante. 15 16. Andamiaje híbrido según la reivindicación 13, que comprende además células precursoras de tejido óseo.

17. Andamiaje híbrido según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, o 16, para su uso en un tratamiento de generación o regeneración de tejido óseo dañado.