BIOMATERIALES CERÁMICOS PARA REGENERACIÓN ÓSEA

Universidad Complutense de Madrid, Facultad de farmaciaTrabajo de fin de grado

Carlos Huélamo Moruno

OBJETIVOS

El objetivo de este trabajo es el estudio de los diferentes tipos de biomateriales cerámicos usados actualmente para la regeneración del tejido óseo.:• Características principales• Aplicaciones de los biomateriales• Perspectivas futuras

Se ha realizado una búsqueda bibliográfica en fuentes como:

MATERIALES Y MÉTODO

INTRODUCCIÓN

• TEJIDO ÓSEO.

MATRIZ EXTRACELULAR

COMPONENTES CELULARES

• Célula madre mesenquimal: células no diferenciadas y localizadas en la medula ósea. Diferenciación a célulasosteopregenitoras gracias a factores de trascripción RUNX 2 y BMPs

• Osteoblasto: presentan diferentes funciones como secreción de colágeno tipo I y osteoide, dirigir ladisposición de fibrillas de la matriz extracelular, mineralización de osteoide y mediar la reabsorción llevada acabo por los osteoclastos.

• Osteocito: son las células maduras del hueso. Se encuentran en lagunas osteocíticas. Comunicadasentre sí a través de conductos calcóforos. Implicadas en el remodelado osteocítico.

• Osteoclasto: derivan de ”Unidades Formadoras de Colonias de Granulocitos y Macrófagos”. Su principal función esla reabsorción ósea.

25% Parte Orgánica

65% Parte Inorgánica

5-10% Agua

• Colágeno tipo 1 (90%)

• Proteínas no colágenas (10%)

• BIOMATERIALES PARA SUSTITUCIÓN ÓSEA

- “Cualquier sustancia o combinación de sustancias diseñadas para interaccionar con componentes de sistemas biológicos vivos en el curso de cualquier procedimiento diagnóstico o terapéutico”

- Clasificación:

• Biocompatibilidad• Propiedades mecánicas similares al hueso• Esterilizabilidad

• Biodegradación• Funcionalidad• Manufacturabilidad

BIOMATERIALES CERÁMICOS PARA REGENERACIÓN ÓSEA

METALES- Tolerancia- Resistencia corrosión- Buenas propiedadesmecánicas

Titanio, acero

POLÍMEROS

- Similitud con tejidos- Buenas propiedades- Estables

PMMA, UHMWPE

CERÁMICOS- Inertes químicamente-Buenaosteointegración- BiocompatiblesAlúmina, HA, biovidrios

COMPOSITES

• SINTESIS GENERAL DE BIOMATERIALES CERÁMICOS

BAUXITA

Sosa caustica

Hidróxido de Aluminio

Proceso de Bayer

ALÚMINAImpurezas 0,1%

ü RIGIDEZ elevada mantiene una geometría muy precisaü DUREZA elevadaü ADSORCIÓN agua en la superficie Hace que sean biomateriales más

hidrófilos, presentando una mejor lubricación de las articulaciones.ü Resistencia a la CORROSIÓNü Resistencia al DESGASTE Menor riesgo de osteolísisX ELEVADA FRAGILIDAD

Baja capacidad de deformación y

absorción de impactos

Aplicación pionera en cúpulas acetabulares y cabezas femorales de PROTESIS DE CADERA

Restricción a implantes de cadera con requerimientos mecánicos moderados ya que la alúmina no es suficientemente resistente. Debido a esto se empezó a trabajar con pares alúmina-polietileno

alúmina

polietileno

ALÚMINA (Al2O3)

Privación de agua por calcinación

Hasta 5 millones de cabezas femorales y más de 500.000 acetábulos implantados en todo el mundo

Fuente principal:ZIRCÓN (ZrSiO4)

Interés del uso de estas cerámicas radica en:

ZIRCONIA

Cerámicas caracterizadas por ser un material polimorfo existiendo tres fases cristalinas

Cubica Tetragonal Monoclínica

zirconia estabilizada con óxidos

Zirconia parcialmente estabilizada (PSZ) + 10%-8% MgO

• Formada por una mezcla de fase cúbica con precipitados micrométricos de fase tetragonal.

• Aumento de la tenacidad a la fractura

Zirconia totalmente tetragonal (TZP)+ 3% Y2O3

• Policristales de zirconia tetragonal (0,1-1nm)

• PROBLEMA: degradación hidrotérmica, induciendo microgrietas rotura del material

Alúmina Zirconia

Mejora de propiedades:• Tenacidad• Inestabilidad hidrotérimca

ATZ: Alúmina retiene fase tetragonal de zirconia

Inestabilidad hidrotérmica

ZTA: zirconia tetragonal refuerza propiedades mecánicas de alúmina

Campo de aplicación: ODONTOLOGÍA

TITANIOX Alergias indeseablesX Sensibilización celularX Tonos gris estéticos

ZIRCONIA

ü Respuesta superior de los tejidos blandos

ü Biocompatibilidadü Osteointegración y

mejor estéticaAlternativa

2370ºC 850ºC-1150ºC

• Estabilidad química• Resistencia mecánica

• Elevada tenacidad a la fractura• Valor módulo Young

VIDRIOS Y VITROCERÁMICASRed de sílice ordenada Na+ y Ca2+

Discontinuidad en la red a través de la ruptura de enlaces siloxano (Si-O-Si)

Oxígenos no enlazantes

Red de sílice desordenadaVidrio de sílice

• Comportamiento bioactivoH3O Ca2+ Na+

1) Intercambio iónico

SiO2

2) Formación capa de SiO2 3) Formación capa rica en Ca y P

Ca2+ PO

4) Formación capa de HA cristalizada

HA cristalizada

• Síntesis de biovidrios activos1) Mecanismo de fusión y enfriamiento rápido

o Décadas de los 70 y 80o Baja superficie específicao Pequeña porosidad

2) Método Sol-Gelo Temperatura ambienteo Porosidad inherenteo Duplicación del área superficialo Ampliación rango bioactividad 90% SiO2

• Vitrocerámicaso Cerámicas policristalinas cristalización controlada de vidrioso Fases amorfas + fases cristalinaso Mejorar propiedades mecánicas de vidrios sin que el tratamiento

térmico o adición de óxidos afecte la bioactividado Principales representantes:

Ceravitalâ

Ceraboneâ

• Nuevos estudios para biovidriosINTRODUCCIÓN MODIFICADORESGracias a la técnica Sol-Gel se pueden incorporar metales con propiedades antibacterianas

Cu

Ag Biofilm bacterias infecciosas

Causa más común de fallo de un biomaterial

NITRIBIOGLASSES

NH2 NH

Elevada proliferacióny diferenciación de células osteoblásticas

- Andamiajes en ingeniería de tejidos

- Cirugía reconstructiva de malformaciones congénitas

FOSFATOS CÁLCICOS

SOLUBLES Ca/P Bioabsorción Relación de Ca/P entre

• HIDROXIAPATITA (Ca/P= 1,67)ü Estabilidad a Tº y pH fisiológicoü Biocompatibilidadü Osteoconductividadü Osteointegración

HA biológica(carbonato apatitas)

• No estequiométrico• Deficiente de calcio• Presencia de carbonatos en su

estructura

Es posible sintetizar apatitas consimilares características a las biológicas,residiendo su mayor dificultad encontrolar la cantidad y ubicación decarbonatos OBTENCIÓN

HA densa

Prensado + siterizado (1300ºC)

Hot Isostatic Pressing ( 900ºC)

HA porosa

Sinterización + NAFTALENO

corales

• FOSFATOS TRICÁLCICOS (Ca/P= 1,50)

Hidroxiapatita BIOACTIVA= componente del tejido óseoB- TCP BIOABSORBIBLE= no es un componente del hueso

1,671,5

- Forma de baja temperatura b-TCP- Forma de alta temperatura a-TCP

A pesar de tener una composición química igual, difieren en estructura, densidad y solubilidad

b- TCP: componente de cerámicas densas y porosas

a- TCP: componente de polvo de cementos óseos Más bioabsorbible = reemplazo por hueso más rápidamente

Vehículo biodegradable para liberación fármacos…

• AplicacionesImplantes porosos en forma de polvos para relleno de cavidades óseas

Se generará nuevo hueso donde se colocará el implante del nuevo diente

Recubrimientos de prótesis metálicas

Producción y síntesis de polvos cerámicos Conformado Secado

Sinterizado a altas

Temperaturas

• PROPIEDADES

• Altos valores de dureza• Rígidos• Baja conductividad térmica/eléctrica

• Alta resistencia al ataque químico• Resistencia a altas temperaturas• FRAGILES

• CLASIFICACIÓN DE BIOMATERIALES CERÁMICOS

1) BIOINERTES

2) BIOACTIVOS

ü No reaccionan con el medio al ser implantadosü Estabilidad in vivoü Buenas propiedades mecánicas

ALÚMINA

ZIRCONIA

ü Reaccionan con fluidos fisiológicosü Unión directa con tejido óseo

Biovidrios

Fosfatos cálcicosHA

TCP

INGENIERÍA DE TEJIDOS CONCLUSIONES

1) Scafffolds

Hidroxiapatita

Biovidrios

2) Generación de señales rhBMP-2, Plasma rico en Plaquetas (PRP)

3) Células Células madre mesenquimales (MSC)

Cerámicos Buena biocompatibilidadBaja reactividad

Pobres propiedades mecánicas

Reducción de campo de uso

BIBLIOGRAFIA

Mezcla de elementos

Elevada Fragilidad

Elevado Modulo elástico

Nuevas investigaciones han perseguido el objetivo de desarrollar biomateriales lo más parecidos al hueso e incluso permitiendo crecimiento de hueso in situ

Ingeniería de tejidos

Campo futuro de gran importancia

Scaffolds

Generación de señales

Células