Los vidrios bioactivos son un grupo de biomateriales vitrocerámicos de superficie reactiva e incluyen el vidrio bioactivo original, Bioglass . La biocompatibilidad y bioactividad de estos vidrios los ha llevado a ser investigados ampliamente para su uso como dispositivos de implante en el cuerpo humano para reparar y reemplazar huesos enfermos o dañados . [2]
Historia
Larry Hench y sus colegas de la Universidad de Florida desarrollaron por primera vez estos materiales en 1969 [3] y han sido desarrollados por su equipo de investigación en el Imperial College de Londres y otros investigadores de todo el mundo. Hench comenzó el desarrollo presentando una propuesta de hipótesis al comando de Investigación y Desarrollo Medial del Ejército de los Estados Unidos en 1968 basada en su teoría de que el cuerpo rechaza material metálico o polimérico a menos que sea capaz de formar una capa de hidroxiapatita que se encuentra en el hueso. [4] Hench y su equipo recibieron financiación durante un año y comenzaron a desarrollar lo que se convertiría en la composición 45S5. [4] Mediante el uso de un diagrama de fases, Hench eligió una composición del 45% , 24,5% , 24,5% y 6% para permitir una gran cantidad de y algo en un matriz. [4] El vidrio se mezcló, fundió y moldeó en pequeños implantes rectangulares para ser insertados en el hueso femoral de ratas durante seis semanas, tal como lo desarrolló el Dr. Ted Greenlee de la Universidad de Florida. [4] Después de que pasaron las seis semanas, el Dr. Greenlee informó: " Estos implantes de cerámica no saldrán del hueso. Están adheridos en su lugar. Puedo empujarlos, puedo empujarlos, puedo golpearlos y lo hacen no se mueva. Los controles se deslizan fácilmente ". [4] Estos hallazgos fueron la base del primer artículo sobre vidrio bioactivo 45S5 en 1971 que resumía que los experimentos in vitro en una solución deficiente en iones de calcio y fosfato mostraron una capa desarrollada de hidroxiapatita similar a la hidroxiapatita observada más tarde in vivo por el Dr. Greenlee .
Pruebas en animales
Científicos en Amsterdam, Holanda, tomaron cubos de vidrio bioactivo y los implantaron en las tibias de cobayas en 1986. [5] Después de 8, 12 y 16 semanas de implantación, las cobayas fueron sacrificadas y sus tibias fueron recolectadas. [5] A continuación, los implantes y las tibias se sometieron a una prueba de resistencia al cizallamiento para determinar las propiedades mecánicas del implante al límite óseo, donde se encontró que tenía una resistencia al cizallamiento de 5 N / mm 2 . [5] La microscopía electrónica mostró que los implantes de cerámica tenían restos óseos firmemente adheridos a ellos. [5] La microscopía óptica adicional reveló el crecimiento de células óseas y vasos sanguíneos dentro del área del implante, lo que fue una prueba de biocompatibilidad entre el hueso y el implante. [5]
El vidrio bioactivo fue el primer material que se encontró para crear un vínculo fuerte con el tejido óseo vivo. [6]
Estructura
La espectroscopia de RMN de estado sólido ha sido muy útil para dilucidar la estructura de los sólidos amorfos . Los vidrios bioactivos se han estudiado mediante espectroscopía de RMN MAS de estado sólido 29 Si y 31 P. El cambio químico de MAS NMR es indicativo del tipo de especies químicas presentes en el vidrio. La espectroscopía 29 Si MAS NMR mostró que Bioglass 45S5 era una estructura de tipo Q2 con una pequeña cantidad de Q3; es decir, cadenas de silicato con algunas reticulaciones. El 31 P MAS RMN reveló especies Q0 predominantemente; es decir, PO 4 3 - ; Las mediciones posteriores de espectroscopía MAS NMR han demostrado que los enlaces Si-OP están por debajo de los niveles detectables [7]
Composiciones
Ha habido muchas variaciones en la composición original que fue aprobada por la Administración de Drogas y Alimentos (FDA) y denominada Bioglass. Esta composición se conoce como 45S5. Otras composiciones se encuentran en la lista a continuación.
- 45S5: 45% en peso de SiO 2 , 24,5% en peso de CaO , 24,5% en peso de Na 2 O y 6,0% en peso de P 2 O 5 . Biovidrio
- S53P4: 53% en peso de SiO 2 , 23% en peso de Na 2 O , 20% en peso de CaO y 4% en peso de P 2 O 5 . (S53P4 es el único vidrio bioactivo que inhibe el crecimiento bacteriano).
- 58S: 58% en peso de SiO 2 , 33% en peso de CaO y 9% en peso de P 2 O 5 .
- 70S30C: 70% en peso de SiO 2 , 30% en peso de CaO .
- 13 - 93: 53% en peso de SiO _ { 2} , 6% en peso de Na _ { 2} O , 12% en peso de K _ { 2} O , 5% en peso de MgO , 20% en peso de CaO , 4% en peso de P _ { 2} O _ { 5} .
Composición
Biovidrio 45S5
La composición se seleccionó originalmente por ser más o menos eutéctica . [9]
El nombre 45S5 significa vidrio con un 45% en peso de SiO 2 y una relación molar de calcio a fósforo de 5: 1. Las proporciones más bajas de Ca / P no se adhieren al hueso. [10]
Las características clave de la composición de Bioglass es que contiene menos del 60% en moles de SiO 2 , altos contenidos de Na 2 O y CaO, alta relación CaO / P 2 O 5 , lo que hace que Bioglass sea altamente reactivo al medio acuoso y bioactivo.
La alta bioactividad es la principal ventaja de Bioglass, mientras que sus desventajas incluyen debilidad mecánica, baja resistencia a la fractura debido a la red de vidrio amorfo bidimensional. La resistencia a la flexión de la mayoría de Bioglass está en el rango de 40 a 60 MPa , lo que no es suficiente para aplicaciones de soporte de carga. Su módulo de Young es de 30-35 GPa, muy cercano al del hueso cortical , lo que puede ser una ventaja. Los implantes de biovidrio se pueden utilizar en aplicaciones que no soportan carga, para implantes enterrados cargados de forma ligera o compresiva. El biovidrio también se puede utilizar como componente bioactivo en materiales compuestos o como polvo. A veces, Bioglass se puede convertir en cocaína artificial. Esto no tiene efectos secundarios conocidos. [9]
El primer uso quirúrgico exitoso de Bioglass 45S5 fue en reemplazo de huesecillos en el oído medio , como tratamiento de la pérdida auditiva conductiva . La ventaja del 45S5 es que no tiende a formar tejido fibroso. Otros usos son en conos para implantación en la mandíbula después de la extracción de un diente . Los materiales compuestos hechos de Bioglass 45S5 y el propio hueso del paciente se pueden utilizar para la reconstrucción ósea. [9]
Bioglass es comparativamente blando en comparación con otros vasos. Se puede mecanizar , preferiblemente con herramientas de diamante, o pulverizar. El biovidrio debe almacenarse en un ambiente seco, ya que absorbe fácilmente la humedad y reacciona con ella. [10]
Bioglass 45S5 se fabrica mediante tecnología convencional de fabricación de vidrio, utilizando crisoles de platino o de aleación de platino para evitar la contaminación. Los contaminantes interferirían con la reactividad química en el organismo. El recocido es un paso crucial en la formación de piezas a granel, debido a la alta expansión térmica del material.
El tratamiento térmico de Bioglass reduce el contenido de óxido de metal alcalino volátil y precipita cristales de apatita en la matriz de vidrio. El material vitrocerámico resultante, denominado Ceravital, tiene mayor resistencia mecánica y menor bioactividad. [11]
Biovidrio S53P4
La fórmula de S53P4 se desarrolló por primera vez a principios de la década de 1990 en Turku, Finlandia, en la Universidad Åbo Akademi y la Universidad de Turku. Ha recibido la declaración de producto para su uso en el relleno de cavidades óseas en el tratamiento de la osteomielitis crónica en 2011. El S53P4 se encuentra entre los vidrios bioactivos más estudiados del mercado con más de 150 publicaciones.
Cuando se coloca vidrio bioactivo S53P4 en la cavidad ósea, reacciona con los fluidos corporales para activar el vidrio. Durante este período de activación, el vidrio bioactivo pasa por una serie de reacciones químicas, creando las condiciones ideales para que el hueso se reconstruya a través de la osteoconducción.
- Se liberan iones Na, Si, Ca y P.
- Se forma una capa de gel de sílice sobre la superficie del vidrio bioactivo.
- El CaP cristaliza formando una capa de hidroxiapatita en la superficie del vidrio bioactivo.
Una vez que se forma la capa de hidroxiapatita, el vidrio bioactivo interactúa con entidades biológicas, es decir, proteínas sanguíneas, factores de crecimiento y colágeno. Después de este proceso interactivo, osteoconductor y osteestimulativo, crece hueso nuevo sobre y entre las estructuras de vidrio bioactivo.
- El vidrio bioactivo se adhiere al hueso, lo que facilita la formación de hueso nuevo.
- La osteoestimulación comienza estimulando las células osteogénicas para aumentar la tasa de remodelación del hueso.
- La calidad radiodensa del vidrio bioactivo permite la evaluación posoperatoria.
En la última fase de transformación, continúa el proceso de regeneración y remodelación ósea. Con el tiempo, el hueso se regenera por completo, restaurando la anatomía natural del paciente.
- Se produce la consolidación ósea.
- El vidrio bioactivo S53P4 continúa transformándose en hueso durante un período de años.
El vidrio bioactivo S53P4 es actualmente el único vidrio bioactivo en el mercado que se ha demostrado que inhibe el crecimiento bacteriano de manera efectiva. Las propiedades inhibidoras del crecimiento bacteriano de S53P4 se derivan de dos procesos químicos y físicos simultáneos, que ocurren una vez que el vidrio bioactivo reacciona con los fluidos corporales. El sodio (Na) se libera de la superficie del vidrio bioactivo e induce un aumento del pH (ambiente alcalino), que no es favorable para las bacterias, inhibiendo así su crecimiento. Los iones de Na, Ca, Si y P liberados dan lugar a un aumento de la presión osmótica debido a una elevación de la concentración de sal, es decir, un entorno en el que las bacterias no pueden crecer. [12] [13]
En la actualidad, el vidrio bioactivo S53P4 es fabricado y distribuido por Bonalive Biomaterials (Turku, Finlandia) con el nombre de producto Bonalive® granules. Los productos se utilizan tanto en pacientes adultos como pediátricos para el relleno de cavidades óseas, huecos y huecos, así como para la reconstrucción o regeneración de defectos óseos El vidrio bioactivo S53P4 se ha utilizado con éxito en infecciones óseas (p. Ej., Seudoartrosis séptica y osteomielitis crónica ), traumatismos, cirugía de columna, tumores óseos benignos y cirugía mastoidea. [14] El vidrio bioactivo S53P4 también se utiliza en implantes compuestos reforzados con fibra de vidrio para cirugía ósea producidos por Skulle Implants Corporation en Turku, Finlandia (www.skulleimplants.com) [15] . [dieciséis]
Biovidrio 8625
Bioglass 8625, también llamado Schott 8625, es un vidrio de cal sodada que se utiliza para encapsular dispositivos implantados . El uso más común de Bioglass 8625 es en las carcasas de transpondedores RFID para su uso en implantes de microchips humanos y animales . Está patentado y fabricado por Schott AG . [17] Bioglass 8625 también se utiliza para algunas perforaciones .
Bioglass 8625 no se adhiere al tejido ni al hueso, se mantiene en su lugar mediante la encapsulación de tejido fibroso . Después de la implantación, se forma una capa rica en calcio en la interfaz entre el vidrio y el tejido. Sin un recubrimiento antimigración adicional, está sujeto a migración en el tejido. El revestimiento antimigración es un material que se adhiere tanto al vidrio como al tejido. El parileno , generalmente parileno tipo C, se usa a menudo como tal material. [18]
Bioglass 8625 tiene un contenido significativo de hierro , que proporciona absorción de luz infrarroja y permite sellar mediante una fuente de luz, por ejemplo, un láser Nd: YAG o una lámpara de vapor de mercurio . [17] El contenido de Fe 2 O 3 produce una alta absorción con un máximo a 1100 nm y le da al vidrio un tinte verde. El uso de radiación infrarroja en lugar de llama o calentamiento por contacto ayuda a prevenir la contaminación del dispositivo. [19]
Después de la implantación, el vidrio reacciona con el medio ambiente en dos fases, en un lapso de aproximadamente dos semanas. En la primera fase, los iones de metales alcalinos se lixivian del vidrio y se reemplazan con iones de hidrógeno ; una pequeña cantidad de iones de calcio también se difunde del material. Durante la segunda fase, los enlaces Si-O-Si en la matriz de sílice se someten a hidrólisis , produciendo una capa superficial similar a un gel rica en grupos Si-OH. Una capa de pasivación rica en fosfato de calcio se forma gradualmente sobre la superficie del vidrio, evitando una mayor lixiviación.
Se utiliza en microchips para rastrear muchos tipos de animales y, recientemente, en algunos implantes humanos. La Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) aprobó el uso de Bioglass 8625 en humanos en 1994.
Biovidrio 13-93
En comparación con Bioglass 45S5, el vidrio bioactivo de silicato 13-93 está compuesto por una composición más alta de SiO 2 e incluye K 2 O y MgO. Está disponible comercialmente de Mo-Sci Corp. o puede prepararse directamente fundiendo una mezcla de Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , MgCO 3 , CaCO 3 , SiO 2 y NaH 2 PO 4 · 2H 2 O en un platino. crisol a 1300 ° C y enfriamiento entre placas de acero inoxidable. [20]
El vidrio 13-93 ha recibido la aprobación para uso in vivo en EE. UU. Y Europa. Tiene un comportamiento de flujo viscoso más fácil y una menor tendencia a cristalizar al ser atraído hacia las fibras. El polvo de vidrio bioactivo 13-93 podría dispersarse en un aglutinante para crear tinta para robocasting o técnica de impresión 3D con tinta directa. Las propiedades mecánicas de los andamios porosos resultantes se han estudiado en varios trabajos de literatura. [21]
El andamio de vidrio bioactivo 13-93 impreso en el estudio de Liu et al. se secó al aire ambiente, se quemó a 600 ° C bajo atmósfera de O 2 para eliminar los aditivos de procesamiento y se sinterizó al aire durante 1 hora a 700 ° C. En la muestra prístina, la resistencia a la flexión (11 ± 3 MPa) y el módulo de flexión (13 ± 2 MPa) son comparables al valor mínimo de los de los huesos trabeculares mientras que la resistencia a la compresión (86 ± 9 MPa) y el módulo de compresión (13 ± 2 GPa) están cerca de los valores del hueso cortical . Sin embargo, la tenacidad a la fractura del armazón tal como se fabricó fue de 0,48 ± 0,04 MPa · m 1/2 , lo que indica que es más frágil que el hueso cortical humano cuya tenacidad a la fractura es de 2-12 MPa · m 1/2 . Después de sumergir la muestra en un fluido corporal simulado (SBF) o de la implantación subcutánea en el dorso de ratas, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión disminuyen bruscamente durante las dos semanas iniciales, pero más gradualmente después de dos semanas. La disminución de las propiedades mecánicas se atribuyó a la conversión parcial de los filamentos de vidrio en los andamios en una capa compuesta principalmente de un material poroso similar a la hidroxiapatita. [22]
Otro trabajo de Kolan y colaboradores utilizó la sinterización selectiva por láser en lugar del tratamiento térmico convencional. Después de la optimización de la potencia del láser, la velocidad de escaneo y la tasa de calentamiento, la resistencia a la compresión de los andamios sinterizados varió de 41 MPa para un andamio con ~ 50% de porosidad a 157 MPa para andamios densos. El estudio in vitro con SBF dio como resultado una disminución de la resistencia a la compresión, pero el valor final fue similar al del hueso trabecular humano. [23] [24]
Se sintetizaron 13-93 andamios de vidrio poroso usando un método de replicación de espuma de poliuretano en el informe de Fu et al. Se examinó la relación tensión-deformación obtenida de la prueba de compresión utilizando ocho muestras con 85 ± 2% de porosidad. La curva resultante demostró una ruptura progresiva de la estructura del andamio y la resistencia a la compresión promedio de 11 ± 1 MPa, que estaba en el rango del hueso trabecular humano y superior a los materiales bioactivos competitivos para la reparación ósea, como los andamios de hidroxiapatita con la misma extensión de poros y compuestos de polímero-cerámica preparados por el método de separación de fases inducida térmicamente (TIPS). [20]
Mecanismo de actividad
Los mecanismos subyacentes que permiten que los vidrios bioactivos actúen como materiales para la reparación ósea se han investigado desde el primer trabajo de Hench et al. en la Universidad de Florida . Se prestó atención temprana a los cambios en la superficie del vidrio bioactivo. Se cree comúnmente que ocurren cinco etapas de reacción inorgánica cuando un vidrio bioactivo se sumerge en un ambiente fisiológico: [25]
- Intercambio de iones en el que los cationes modificadores (principalmente Na + ) en el vidrio se intercambian con iones de hidronio en la solución externa.
- Hidrólisis en la que se rompen los puentes Si-O-Si, formando grupos Si-OH silanol y se rompe la red vítrea.
- Condensación de silanoles en los que la red de vidrio rota cambia su morfología para formar una capa superficial similar a un gel, empobrecida en iones de sodio y calcio.
- Precipitación en la que se deposita una capa de fosfato cálcico amorfo sobre el gel.
- Mineralización en la que la capa de fosfato de calcio se transforma gradualmente en hidroxiapatita cristalina, que imita la fase mineral contenida naturalmente en los huesos de los vertebrados.
Más tarde, se descubrió que la morfología de la capa superficial del gel era un componente clave para determinar la respuesta bioactiva. Esto fue apoyado por estudios sobre vidrios bioactivos derivados del procesamiento sol-gel . Dichos vidrios podrían contener concentraciones significativamente más altas de SiO 2 que los vidrios bioactivos tradicionales derivados de la fusión y aún mantener la bioactividad (es decir, la capacidad de formar una capa de hidroxiapatita mineralizada en la superficie). La porosidad inherente del material derivado de sol-gel se citó como una posible explicación de por qué se retuvo la bioactividad y, a menudo, se mejoró con respecto al vidrio derivado de la masa fundida.
Los avances posteriores en la tecnología de microarrays de ADN permitieron una perspectiva completamente nueva sobre los mecanismos de bioactividad en los vidrios bioactivos. Anteriormente, se sabía que existía una interacción compleja entre los vidrios bioactivos y la biología molecular del huésped del implante, pero las herramientas disponibles no proporcionaban una cantidad suficiente de información para desarrollar una imagen holística. Usando microarrays de ADN, los investigadores ahora pueden identificar clases enteras de genes que están regulados por los productos de disolución de los vidrios bioactivos, lo que da como resultado la llamada "teoría genética" de los vidrios bioactivos. Los primeros estudios de microarrays en vidrios bioactivos demostraron que los genes asociados con el crecimiento y la diferenciación de osteoblastos , el mantenimiento de la matriz extracelular y la promoción de la adhesión célula-célula y célula-matriz estaban regulados positivamente por medio de cultivo celular acondicionado que contenía los productos de disolución del vidrio bioactivo.
Usos médicos
El vidrio bioactivo S53P4 se utilizó por primera vez en un entorno clínico como una alternativa a los injertos de hueso o cartílago en la cirugía de reconstrucción facial. [27] El uso de materiales artificiales como prótesis óseas tenía la ventaja de ser mucho más versátil que los autotrasplantes tradicionales , además de tener menos efectos secundarios posoperatorios. [27]
Existe evidencia tentativa de que el vidrio bioactivo de la composición S53P4 también puede ser útil en infecciones de huesos largos . [28] Sin embargo, el apoyo de los ensayos controlados aleatorios aún no está disponible en 2015. [29]
Ver también
- Espuma de cerámica
- Nanofoam
- Espuma de metal
- Osteointegración
- Medio poroso
- Síntesis de biovidrio
Referencias
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