ANDAMIO MACROPOROSO CERÁMICO PURO BASADO EN APATITA NANOCRISTALINA, MÉTODO DE PREPARACIÓN Y APLICACIONES.

La invención describe un andamio cerámico puro, de cerámica nanocristalina,

en el que la cerámica comprende apatita no sustituida o apatita sustituida con silicio. Dicho andamio combina la excelente biocompatibilidad de la apatita, con la mejora de la bioactividad debida a la presencia del silicio, con la estructura nanocristalina de la cerámica, idónea para el tejido donde se pretende implantar, y con el control sobre la macroporosidad que se consigue empleando la técnica del prototipado rápido.

La invención también incluye el método de preparación de dicho andamio. Este método comprende: preparación de la biocerámica, molienda de la biocerámica hasta obtener una granulometría multimodal, preparación de la tinta cerámica en medio acuoso estabilizada con una mezcla constituida por un componente monomérico y un surfactante, fabricación del andamio macroporoso por impresión tridimensional (3D), consolidación y calcinación del mismo.

La finalidad preferente de este andamio es su aplicación como implante para regeneración ósea.

Andamio macroporoso cerámico puro basado en apatita nano cristalina, método de

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se encuadra dentro del campo técnico de fabricación de materiales para la regeneración de tejido óseo. De forma más concreta, la invención se refiere a un andamio bioactivo, biocompatible y biodegradable, macroporoso, de porosidad tridimensional controlada y ordenada, así como a su método de preparación a través de la técnica de prototipado rápido.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

La necesidad de tratar los defectos en el tejido óseo, causados por traumas, defectos congénitos o degenerativos, tumores, etc. es un problema que va en aumento debido a la mayor expectativa de vida de la sociedad actual. De especial incidencia son las fracturas osteoporóticas, que afectan a una de cada tres mujeres y a uno de cada doce hombres de edades superiores a los 50 años. Los síntomas de la osteoporosis son silenciosos en su fase temprana, pero en fases más avanzadas causa dolor en la zona afectada, pérdida de estatura con el tiempo, y por último fractura de algún hueso que conlleva la hospitalización. Como consecuencia de esas fracturas, la necesidad de diseñar andamios 3D con propiedades químico-estructurales similares al hueso y que aceleren la regeneración del tejido dañado está cobrando una enorme importancia. Una de las estrategias más habituales en clínica para tratar las fracturas o defectos óseos consiste en el autotransplante del propio paciente. Sin embargo, esta técnica plantea incrementar el proceso quirúrgico y por tanto, puede ocasionar mayor número de complicaciones post-operatorias. Por otro lado, el transplante de otro donante implica un coste elevado en tiempo y material, ya que es necesario disponer de bancos de donantes, y además conlleva el riesgo añadido de transmisión de agentes patógenos (virus o bacterias) . Por esta razón es necesario trabajar en la creación de nuevos materiales alternativos que se comporten de igual forma que el hueso, y sean fáciles de producir, esterilizar y almacenar para su posterior uso. Los materiales tradicionales para reemplazo óseo presentan varias desventajas, como son las propiedades físicas no acordes con el hueso natural, escasa bioactividad o baja tolerancia a las condiciones fisiológicas, entre otras. Por consiguiente, una buena alternativa consiste en desarrollar andamios artificiales, bioactivos, de composición y microestructura similares al hueso. Estos implantes son reconocidos por el organismo receptor como material propio en una fase inicial, estableciéndose una unión fuerte al hueso sin respuesta a cuerpo extraño. Una vez integrados en el tejido óseo, son posteriormente absorbidos de forma controlada presentando además actividad osteogénica.

El término "andamio" se refiere a estructuras artificiales capaces de soportar el crecimiento de tejidos vivos en tres dimensiones. Se trata de materiales porosos sobre los que se colocarán las células óseas y que actúan como andamios o moldes. Con las condiciones fisiológicas adecuadas, se logra que las células produzcan o regeneren el nuevo tejido óseo de modo que, a medida que el andamio se degrada, es reemplazado por la nueva estructura ósea. Se considera como andamio o molde ideal aquel que sea altamente poroso, sin toxicidad y biodegradable, pero lo bastante resistente para soportar la carga estructural del hueso que lo ha de reemplazar.

Los andamios destinados a actuar como implantes para la regeneración ósea deben cumplir ciertos requisitos que incluyen: unas propiedades mecánicas similares a aquellas del sitio óseo a reparar, biocompatibilidad con el tejido óseo y biodegradabilidad.

Entre los parámetros que más influyen en las propiedades mecánicas, la biocompatibilidad y la bioreabsorción de los andamios están la macroporosidad, composición química y cristalinidad. Las condiciones específicas de macroporosidad, composición química y cristalinidad que optimizan las cualidades osteogénicas de un andamio son las siguientes:

• Respecto a la macroporosidad: El andamio debe presentar una porosidad elevada (incluyendo un tamaño adecuado de poro) que permita la colonización del material implantado por parte de las células, la migración de éstas, y la difusión y transporte de nutrientes y productos de desecho dentro y fuera de la pieza implantada. Para que se produzca el proceso de colonización por tejido óseo neoformado es necesario que los poros tengan un tamaño superior a 200 flm. Asimismo, el andamio debe favorecer el anclaje de las células en su superficie y ser biocompatible para prevenir la respuesta inflamatoria, propiciando una buena integración con el tejido anfitrión.

• Respecto a la composición química: El andamio debe estar constituido por materiales adecuados para la función osteogénica. Los materiales utilizados para la regeneración de tejido óseo incluyen materiales inorgánicos cerámicos tanto sintéticos como naturales, como la hidroxiapatita y el fosfato tricálcico, ya que estas cerámicas tienen características muy similares a la hidroxiapatita biológica que compone el hueso natural, es decir, presentan carácter nano cristalino, no son estequiométricas, son deficientes en calcio y son capaces de incorporar diferentes iones en función de la naturaleza de los reactivos y el medio, y además están caracterizadas como materiales biocompatibles, bioactivos y osteoconductivos.

Asimismo, en los últimos años, ha cobrado una gran importancia la sustitución de los materiales cerámicos con silicio. El interés de introducir iones de silicio (Si) en las cerámicas 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].

La sustitución iónica del fósforo por silicio se ha estudiado en hidroxiapatita (HA) , fosfato tri cálcico-u (u-TCP) y cementos basados en hidroxiapatita. Se ha comprobado que el modelo más sencillo que explica la incorporación del silicio en dichas estructuras consiste en la sustitución del grupo pol-por el grupo Si04 -[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 que es necesario compensar para recuperar la neutralidad y evitar un elevado coste energético. Como mecanismos de compensación se han propuesto fórmulas químicas de hidroxiapatita sustituida con silicio (representado abreviadamente como Si-HA) [eaS (P04) 3x (Si04) x (OH) 1-x] y de fosfato tricálcico-a sustituido con silicio (representado abreviadamente como Si-a-Tep) [ea3 (Pl-xSix04-xl2) 2] considerando vacantes de (OH) l-y de 0 2-[Pietak AM, Reid JW, Stott MJ, Sayer M., Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics, Biomaterials 2007;28:4023-4032].

Existe evidencia científica sobre la mejora en la bioactividad de las cerámicas de fosfato cálcico sustituidas con silicio y dicha mejora se atribuye a varios factores que actúan sinérgicamente. En primer lugar, la sustitución iónica con silicio facilita la precipitación de HA biológica in vivo y esto favorece la adsorción de proteínas, y la adhesión y proliferación de los osteoblastos [Sayer M, Stratilatov A, Reid J, ealderin L, Stott M, Yin X, et al., Structure and composition ofsilicon stabilized tricalcium phosphate, Biomaterials 2002;24:369-382; Vandiver J, Dean D, Patel N, Botelho e, 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 silicato liberado en la matriz extracelular o presente en la superficie del implante podría influir directamente en los osteoblastos, osteoc1astos y en 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, 1. Biomed. Mater. Res. 1992;7:1281-1289; Xynos 1, Edger A, Butter y D, Hench L, Polak J., Gene-expression projiling 01 human osteoblasts following treatment with the ionic products ofBioglass 45S5 dissolution, J. Biomed. Mater. Res. 2001;55:151-157]. Asimismo, se ha demostrado que la implantación in vivo de Si-HA ha incrementado el crecimiento óseo un 14, 5% más en comparación con 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... [Seguir leyendo]

l. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable que comprende las siguientes etapas:

(a) Preparación de una biocerámica de estructura nano cristalina a partir del a precipitación controlada de disoluciones acuosas de sales precursoras de los componentes principales de la cerámica de forma que se obtenga una distribución de tamaño de grano multimodal en la cerámica.

(b) Molienda de la biocerámica nanocristalina en polvo obtenida en el apartado anterior hasta obtener una granulometría con al menos dos distribuciones diferentes de tamaño de partícula.

(c) Preparación de la tinta cerámica suspendida en medio acuoso y estabilizada con una mezcla comprendida por un componente monomérico al que se le añade un agente surfactante donde el contenido total de dicha mezcla debe ser inferior o igual al 5% en peso respecto a la masa total de la suspensión que constituye la tinta cerámica.

(d) Fabricación del andamio macroporoso por prototipado rápido mediante impresión tridimensional.

(e) Consolidación del andamio por secado de la tinta cerámica.

(f) Calcinación del andamio sometiendo la pieza a una temperatura entre 300°C y 600°C,

2. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según la reivindicación 11, en el que la biocerámica preparada en la etapa (a) comprende apatita no sustituida o apatita sustituida con silicio.

3. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según la reivindicación 12, en el que la biocerámica preparada en la etapa (a) comprende un compuesto de fórmula: CalO (P04kx (Si04) x (OH) 2-x donde O ::; x ::; 0, 5.

4. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 11-13, en el que en la etapa (a) la biocerámica se obtiene con una distribución de tamaño de partícula multimodal por medio de la variación gradual de la temperatura durante el proceso de síntesis.

5. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según la reivindicación 14, en el que en la etapa (a) se hace variar la temperatura dentro de un intervalo entre 10°C y 95°C durante un intervalo de tiempo entre 30 minutos y tres horas.

6. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según la reivindicación 15, en el que en la etapa (a) la temperatura al inicio de la reacción es de 20°C y se incrementa a una velocidad de 1°C por minuto hasta 80°C (temperatura al término de una hora) .

7. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 14-16, en el que la distribución del tamaño de partícula menor obtenida en la etapa (b) está centrada en un valor de tamaño de partícula comprendido entre 1 y 20 micrómetros y la distribución del tamaño de partícula mayor obtenida en la etapa (b) está centrada en un valores de tamaño superiores a 25 micrómetros.

8. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 11-17, en el que el componente monomérico de la mezcla empleada para estabilizar la tinta cerámica en la etapa (c) se selecciona entre acrilamidas, metacrilamidas, metilenbisacrilamidas, dimetacrilato de polietilenglicol o

combinaciones de los mismos, aunque también pueden utilizarse polisacáridos como agar, agarosa, carragenina, alginato o combinaciones de los mismos, y la proporción de componente monomérico respecto a la mezcla total constituida por componente monomérico, surfactante y componente cerámico está comprendida entre 2 y 4% en peso.

9. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 11-18, en el que en la etapa (c) el surfactante que se añade sobre la disolución monomérica se selecciona entre polimetacrilato de amonio, polimetacrilato de sodio, poliacrilato de amomo, poliacrilato de sodio, hexametafosfato de sodio y pirofosfato de sodio decahidratado o combinaciones de los mismos, y la proporción de surfactante respecto a la mezcla total constituida por componente monomérico, surfactante y componente cerámico está comprendida entre 2 Y 4% en peso.

10. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según las reivindicaciones 18 y 19, en el que la carga cerámica final de la tinta preparada en la etapa (c) es superior al 30% (v/v) .

11. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 11-20, en el que en la etapa (d) de fabricación del andamio la tinta cerámica se introduce en un inyector manteniéndose a una temperatura entre 5°e y 200e mientras está en el interior del inyector y se deposita capa a capa sobre una placa calentada a temperaturas entre 500 e y 900 e teniendo en cuenta que el periodo de depósito transcurrido entre capas sucesivas debe ser igualo superior a 30 segundos.

12. Método para la preparación de un andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 11-21, en el que en la etapa (e) de consolidación del andamio

las piezas se secan en estufa a temperaturas entre 60°C y 90°C durante un período igualo superior a 12 horas.

13. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, biocativo, biocompatible y biodegradable obtenible por un procedimiento de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

14. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable, según reivindicación 13, en el que la cerámica preparada en la etapa (a) comprende apatita no sustituida o apatita sustituida con silicio.

15. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según reivindicación 14, en el que la cerámica comprende un compuesto de fórmula: CalO (P04kx (Si04) x (OH) 2-x donde O ~ x ~ 0, 5.

16. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según la reivindicación 14, en el que la cerámica comprende un compuesto de fórmula: CalO (P04) s, 7 (Si04) O, 3 (OH) J, 7.

17. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 13-16, en el que el tamaño medio del cristal de la cerámica es inferior a 50 nm.

18. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según la reivindicación 17, en el que el tamaño medio del cristal de la cerámica está dentro del intervalo entre 10 nm y 30 nm.

19. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 13-18, en el que la morfología del cristal de la cerámica es acicular, estando comprendida la longitud promedio del cristal entre 15 y 50 nm y la anchura promedio entre 5 y 10 nm.

20. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicacione.

13. 19, en el que el volumen de porosidad del andamio es del 35% o superior.

21. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 13-20, en el que la tensión máxima previa a la fractura del andamio está dentro del intervalo entre 0, 556 MPa y 1, 060 MPa.

22. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nano cristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 13-21, en el que la deformación máxima previa a la fractura del andamio está dentro del intervalo entre un 2, 85% y un 6, 54%.

23. Andamio tridimensional cerámico puro, de cerámica nanocristalina, bioactivo, biocompatible y biodegradable según cualquiera de las reivindicaciones 13-22, en el que el módulo elástico del andamio está dentro del intervalo entre 100 Y 200 MPa.

24. Uso del andamio según cualquiera de las reivindicaciones 13-23 para la fabricación de implantes para su aplicación en biomedicina.

25. Uso según la reivindicación 24 donde las aplicaciones biomédicas del andamio se seleccionan entre cirugía traumatológica, cirugía maxilofacial, cirugía periodontal, cirugía ortognática, cirugía oral, cirugía de fisura palatina, tratamientos dentales, hueso osteoporótico, regeneración alveolar, fisuras óseas, fusiones óseas, relleno y regeneración ósea vertical y horizontal y técnicas de ingeniería de tejidos, así como para la liberación de sustancias con fines terapéuticos.

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