Bioglass 45S5 o fosfosilicato de sodio y calcio , es un vidrio bioactivo compuesto específicamente de 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 . [1] Las aplicaciones típicas de Bioglass 45S5 incluyen: biomateriales de injerto óseo , reparación de defectos periodontales, reparación craneal y maxilofacial, cuidado de heridas, control de la pérdida de sangre, estimulación de la regeneración vascular y reparación de nervios. [2]
El nombre " Bioglass ® " fue registrado por la Universidad de Florida como nombre de la composición original del 45S5. Por lo tanto, solo debe usarse en referencia a la composición 45S5 y no como un término general para vidrios bioactivos. [3] Bioglass 45S5 está disponible comercialmente con el nombre comercial registrado NovaMin , que es propiedad de la compañía farmacéutica GlaxoSmithKline . NovaMin es vidrio bioactivo que se ha molido en partículas finas con un tamaño medio de menos de 20 micrones. Puede reducir la hipersensibilidad de la dentina bloqueando los túbulos dentinarios abiertos y suministrando calcio (Ca 2+ ) y fosfato (PO 43− ) iones para formar hidroxicarbonato apatita (HCA), el principal componente mineral del tejido óseo de los mamíferos. NovaMin es el ingrediente activo de la pasta de dientes Sensodyne "Repair & Protect".
Caracteristicas
El vidrio bioactivo 45S5 es de color blanco y está en forma de polvo, con partículas con un tamaño medio de menos de 20 micrones. Su composición química en peso es: sílice (SiO 2 ) 43-47%, óxido de calcio (CaO) 22,5-26,5%, pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ) 5-7% y óxido de sodio (Na 2 O) 22,5-26,5 %> [2]
Los vidrios son sólidos amorfos no cristalinos que se componen comúnmente de materiales a base de sílice con otros aditivos menores. En comparación con el vidrio de cal sodada (comúnmente utilizado, como en ventanas o botellas), Bioglass 45S5 contiene menos sílice y mayores cantidades de calcio y fósforo. El nombre 45S5 significa vidrio con un 45% en peso de SiO 2 y una relación molar de calcio a fósforo de 5: 1. Esta alta proporción de calcio a fósforo promueve la formación de cristales de apatita ; Los iones de calcio y sílice pueden actuar como núcleos de cristalización. [4] Las proporciones más bajas de Ca: P no se adhieren al hueso. [5] [6] La composición específica de Bioglass 45S5 es óptima en aplicaciones biomédicas debido a su composición similar a la de la hidroxiapatita , el componente mineral del hueso. [6] Esta similitud proporciona la capacidad de Bioglass 45S5 para integrarse con hueso vivo.
Esta composición de vidrio bioactivo es comparativamente suave en comparación con otros vidrios . Se puede mecanizar , preferiblemente con herramientas de diamante, o pulverizar. Bioglass 45S5 debe almacenarse en un ambiente seco, ya que absorbe fácilmente la humedad y reacciona con ella. [5] Bioglass 45S5 es la primera formulación de un material artificial que se une químicamente al hueso, y su descubrimiento condujo a una serie de otros vidrios bioactivos . Una de sus principales ventajas médicas es su biocompatibilidad, que se ve en su capacidad para evitar una reacción inmune y la encapsulación fibrosa. Su aplicación principal es la reparación de lesiones óseas o defectos demasiado grandes para ser regenerados por el proceso natural. [5]
Historia
Bioglass 45S5 es importante para el campo de los materiales biomiméticos como uno de los primeros materiales completamente sintéticos que se adhiere perfectamente al hueso. Fue desarrollado por Larry L. Hench a fines de la década de 1960. La idea del material se le ocurrió durante un viaje en autobús en 1967. Mientras trabajaba como profesor asistente en la Universidad de Florida, el Dr. Hench decidió asistir a la Conferencia de Investigación de Materiales del Ejército de los EE. UU. Celebrada en Sagamore, Nueva York, donde planeaba ir hablar sobre materiales electrónicos resistentes a la radiación. Comenzó a discutir su investigación con un compañero de viaje en el autobús, el coronel Klinker, que había regresado recientemente a los Estados Unidos después de servir como oficial de suministros médicos del ejército en Vietnam. [7]
Después de escuchar la descripción del Dr. Hench de su investigación, el coronel preguntó: "Si puede hacer un material que sobrevivirá a la exposición a radiación de alta energía, ¿puede hacer un material que sobrevivirá a la exposición del cuerpo humano?" [7] Klinker luego pasó a describir las amputaciones que había presenciado en Vietnam, que resultaron del rechazo del cuerpo a los implantes de metal y plástico. Hench se dio cuenta de la necesidad de un material novedoso que pudiera formar un vínculo vivo con los tejidos del cuerpo. [7]
Cuando Hench regresó a Florida después de la conferencia, presentó una propuesta al Comando de Diseño e Investigación Médica del Ejército de EE. UU. Recibió financiación en 1968, y en noviembre de 1969 Hench empezó a sintetizar pequeños rectángulos de lo que llamó vidrio 45S5. Ted Greenlee, profesor asistente de cirugía ortopédica en la Universidad de Florida, los implantó en fémures de rata en el Hospital VA en Gainesville. Seis semanas después, Greenlee llamó a Hench y le preguntó: "Larry, ¿qué muestras me diste? No saldrán del hueso. Las tiré, las empujé, me rompí el hueso y todavía están unidos en su lugar ". [7]
Con este primer experimento exitoso nació Bioglass y se estudiaron las primeras composiciones. Hench publicó su primer artículo sobre el tema en 1971 en el Journal of Biomedical Materials Research, y su laboratorio continuó trabajando en el proyecto durante los siguientes 10 años con la financiación continua del Ejército de EE. UU. En 2006, se habían publicado más de 500 artículos sobre el tema de los vidrios bioactivos de diferentes laboratorios e instituciones de todo el mundo. [7] El primer uso quirúrgico exitoso de Bioglass 45S5 fue en reemplazo de huesecillos en el oído medio como tratamiento de la pérdida auditiva conductiva , y el material continúa usándose en aplicaciones de reconstrucción ósea en la actualidad. [1]
El primer uso quirúrgico exitoso de Bioglass 45S5 fue en reemplazo de huesecillos en el oído medio , como tratamiento de la pérdida auditiva conductiva . Otros usos incluyen conos para la 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. [4] Se están realizando más investigaciones para el desarrollo de nuevas técnicas de procesamiento que permitan más aplicaciones de Bioglass.
Aplicaciones
Bioglass 45S5 se utiliza en aplicaciones de mandíbula y ortopedia, de esta manera se disuelve y puede estimular el hueso natural para que se repare. El vidrio bioactivo ofrece buena osteoconductividad y bioactividad, puede liberar células y es biodegradable. Esto lo convierte en un candidato excelente para su uso en aplicaciones de ingeniería de tejidos. Aunque se sabe que este material es frágil, todavía se usa ampliamente para mejorar el crecimiento del hueso, ya que las nuevas formas de vidrios bioactivos se basan en composiciones de borato y borosilicato. El biovidrio también se puede dopar con cantidades variables de elementos como cobre, zinc o estroncio que pueden permitir el crecimiento y la formación de huesos sanos. La formación de neocartílago también se puede inducir con vidrio bioactivo mediante el uso de un cultivo in vitro de hidrogeles sembrados con condrocitos y puede servir como sustrato subcondral para construcciones osteocondrales modificadas por ingeniería de tejidos. [1]
El vidrio bioactivo a base de borato tiene tasas de degradación controlables para igualar la tasa a la que se forma el hueso real. Se ha demostrado que la formación de hueso mejora cuando se usa este tipo de material. Cuando se implantó en fémures de conejo, el vidrio bioactivo 45S5 mostró que podía inducir la proliferación ósea a un ritmo mucho más rápido que la hidroxiapatita sintética (HA). El vidrio 45S5 también puede ser osteoconductor y osteoinductivo porque permite el crecimiento de hueso nuevo a lo largo de la interfaz hueso-implante, así como dentro de la interfaz hueso-implante. Se han realizado estudios para determinar el proceso mediante el cual puede inducir la formación de hueso. Se demostró que el vidrio 45S5 se degrada y libera iones de sodio, así como sílice soluble; se dice que la combinación de todos estos iones produce hueso nuevo. El biovidrio de borato ha demostrado que puede favorecer la proliferación y diferenciación celular in vitro e in vivo. También ha demostrado que es adecuado para su uso como sustrato para la liberación de fármacos en el tratamiento de infecciones óseas. Sin embargo, ha existido la preocupación de si la liberación de boro en una solución como iones de borato será tóxica para el cuerpo o no. Se ha demostrado que en condiciones de cultivo celular estático, los vidrios de borato eran tóxicos para las células, pero no en condiciones de cultivo dinámico. [8]
Se aplicó vidrio bioactivo a dispositivos médicos para ayudar a restaurar la audición a un paciente sordo usando Bioglass 45S5 en 1984. El paciente se quedó sordo debido a una infección en el oído que degradó dos de los tres huesos de su oído medio. Se diseñó un implante para reemplazar el hueso dañado y llevar el sonido desde el tímpano a la cóclea, restaurando la audición del paciente. Antes de que este material estuviera disponible, se utilizarían plásticos y metales porque no producían una reacción en el cuerpo; sin embargo, eventualmente fallaron porque el tejido crecería alrededor de ellos después de la implantación. Se confeccionó una prótesis compuesta de Bioglass 45S5 a la medida del paciente y la mayoría de las prótesis que se hicieron pudieron mantener la funcionalidad después de 10 años. [9] El implante de mantenimiento de crestas endóseas fabricado con Bioglass 45S5 era otro dispositivo que podía insertarse en los lugares de extracción de los dientes para reparar las raíces de los dientes y permitir una cresta estable para las dentaduras postizas. [10]
Otra área en la que se ha investigado el uso del vidrio bioactivo es la reconstrucción del esmalte dental , que ha demostrado ser una tarea difícil en el campo de la odontología. El esmalte se compone de una microestructura jerárquica muy organizada de nanocristales de hidroxiapatita carbonatada. Se ha informado que la pasta de ácido fosfórico Bioglass 45S5 puede usarse para formar una capa de interacción que puede obstruir los orificios de los túbulos dentinarios y, por lo tanto, puede ser útil en el tratamiento de lesiones de hipersensibilidad dentinaria . [10] Este material en un ambiente acuoso podría tener una propiedad antibacteriana que es ventajosa en procedimientos quirúrgicos periodontales . En un estudio realizado con 45S5 Bioglass, se cultivaron biopelículas de S. sanguis en partículas de vidrio inactivas y la biopelícula cultivada en Bioglass fue significativamente más baja que la del vidrio inactivo. Se concluyó que Bioglass puede reducir la colonización bacteriana, lo que podría ayudar a la osteointegración. Un vidrio bioactivo antibacteriano altamente efectivo es el S53P4, que se ha informado que exhibe una alta actividad antimicrobiana y no pareció seleccionar la resistencia en las cepas microbianas probadas. [11] Los vidrios bioactivos derivados de sol-gel, como CaPSiO y CaPSiO II, también han mostrado propiedades antibacterianas. Los estudios realizados con S. epidermidis y E. coli cultivados con vidrio bioactivo han demostrado que el vidrio bioactivo 45S5 tiene una resistencia antibacteriana muy alta. También se observó en el experimento que había restos de biovidrio en forma de agujas que podrían haber roto las paredes celulares de las bacterias y dejarlas inactivas. [12]
GlaxoSmithKline utiliza este material como ingrediente activo en la pasta de dientes con el nombre comercial de NovaMin , que puede ayudar a reparar pequeños orificios y disminuir la sensibilidad de los dientes . [10] [13] Se han desarrollado formulaciones de Bioglass más avanzadas que contienen flúor, que brindan una protección más fuerte y duradera contra la sensibilidad. Se afirma que la inclusión de fluoruro dentro del vidrio en lugar de una adición soluble, como la pasta de dientes BioMin, [14] optimiza la tasa de desarrollo de apatita, que protege los dientes de la sensibilidad durante hasta 12 horas. [15]
Mecanismo de acción
Cuando se implanta, Bioglass 45S5 reacciona con el fluido fisiológico circundante, provocando la formación de una capa de hidroxil carbonato de apatita (HCA) en la superficie del material. La capa de HCA tiene una composición similar a la hidroxiapatita , la fase mineral del hueso, una cualidad que permite una fuerte interacción e integración con el hueso. El proceso por el cual ocurre esta reacción se puede dividir en 12 pasos. Los primeros 5 pasos están relacionados con la respuesta de Bioglass al medio ambiente dentro del cuerpo y ocurren rápidamente en la superficie del material durante varias horas. [16] Los pasos de reacción 6-10 detallan la reacción del cuerpo a la integración del biomaterial y el proceso de integración con el hueso. Estas etapas ocurren en una escala de varias semanas o meses. [17] Los pasos se dividen de la siguiente manera: [16] [17]
- Los iones alcalinos (por ejemplo, Na + y Ca 2+ ) en la superficie del vidrio se intercambian rápidamente con iones de hidrógeno o hidronio de los fluidos corporales circundantes. La siguiente reacción muestra este proceso, que provoca la hidrólisis de los grupos de sílice. A medida que esto ocurre, aumenta el pH de la solución.
- Si⎯O⎯Na + + H + + OH - → Si⎯OH + + Na + (ac) + OH -
- Debido a un aumento en la concentración de hidroxilo (OH - ) en la superficie (como resultado del paso 1), se produce una disolución de la red de vidrio de sílice, que se observa por la ruptura de los enlaces Si⎯O⎯Si. La sílice soluble se transforma en la forma de Si (OH) 4 y se produce la creación de silanoles (Si )OH) en la superficie del material. La reacción que ocurre en esta etapa se muestra a continuación:
- Si⎯O⎯Si + H 2 O → Si⎯OH + OH⎯Si
- Los grupos silanol en la superficie del material se condensan y se vuelven a polimerizar para formar una capa de gel de sílice en la superficie de Bioglass. Como resultado de los primeros pasos, la superficie contiene muy poco contenido de álcali. La reacción de condensación se muestra a continuación:
- Si⎯OH + Si⎯OH → Si⎯O⎯Si
- El Ca 2+ amorfo y el PO 4 3− se acumulan en la capa rica en sílice (creada en el paso 3) tanto del fluido corporal circundante como de la mayor parte del Biovidrio. Esto crea una capa compuesta principalmente de CaO⎯P 2 O 5 encima de la capa de sílice.
- La película de CaO⎯P 2 O 5 creada en el paso 4 incorpora OH - y CO 3 2 - de la solución corporal, lo que hace que cristalice. Esta capa se llama hidroxil apatita carbonatada mixta (HCA).
- Los factores de crecimiento se adsorben ( adsorción ) en la superficie de Bioglass debido a sus similitudes estructurales y químicas con la hidroxiapatita.
- Los factores de crecimiento adsorbidos provocan la activación de los macrófagos M2 . Los macrófagos M2 tienden a promover la cicatrización de heridas e iniciar la migración de células progenitoras al sitio de la lesión. Por el contrario, los macrófagos M1 se activan cuando se implanta un material no biocompatible, lo que desencadena una respuesta inflamatoria. [18]
- Las células madre mesenquimales y las células osteoprogenitoras, desencadenadas por la activación de los macrófagos M2, migran a la superficie de Bioglass y se adhieren a la capa de HCA.
- Las células madre y las células osteoprogenitoras en la superficie del HCA se diferencian para convertirse en células osteogénicas típicamente presentes en el tejido óseo , particularmente osteoblastos .
- Los osteoblastos unidos y diferenciados generan y depositan componentes de la matriz extracelular (ECM), principalmente colágeno tipo I , el principal componente proteico del hueso.
- La ECM de colágeno se mineraliza como ocurre normalmente en el hueso nativo. Los cristales de hidroxiapatita a nanoescala forman una estructura en capas con el colágeno depositado en la superficie del implante.
- Después de estas reacciones, el crecimiento óseo continúa a medida que las células recién reclutadas continúan funcionando y facilitan el crecimiento y la reparación de los tejidos. El implante Bioglass continúa degradándose y convirtiéndose en un nuevo material ECM.
Fabricación
Hay dos técnicas de fabricación principales que se utilizan para la síntesis de Bioglass. El primero es la síntesis de enfriamiento por fusión, que es la tecnología convencional de fabricación de vidrio utilizada por Larry Hench cuando fabricó el material por primera vez en 1969. Este método incluye la fusión de una mezcla de óxidos como SiO 2 , Na 2 O, CaO y P 2 O 5 a altas temperaturas generalmente por encima de 1100-1300 ° C. [19] Los crisoles de platino o de aleación de platino se utilizan para evitar la contaminación, que interferiría con la reactividad química del producto 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. Sin embargo, los armazones que resultan de las técnicas de enfriamiento por fusión son mucho menos porosos en comparación con otros métodos de fabricación, lo que puede conducir a defectos en la integración del tejido cuando se implantan in vivo. [20]
El segundo método es la síntesis sol-gel de Bioglass. Este proceso se lleva a cabo a temperaturas mucho más bajas que los métodos tradicionales de fusión. Implica la creación de una solución (sol), que se compone de precursores de sales metálicas y organometálicas. A continuación, se forma un gel mediante reacciones de hidrólisis y condensación, y se somete a un tratamiento térmico para el secado, la formación de óxido y la eliminación orgánica. Debido a las temperaturas de fabricación más bajas utilizadas en este método, existe un mayor nivel de control sobre la composición y homogeneidad del producto. Además, los biovidrios sol-gel tienen una porosidad mucho mayor, lo que conduce a una mayor superficie y grado de integración en el cuerpo. [21] [19]
Los métodos más nuevos incluyen la síntesis de Bioglass por llama y microondas, que ha estado ganando atención en los últimos años. La síntesis de llama funciona horneando los polvos directamente en un reactor de llama. [22] La síntesis por microondas es un método de síntesis de polvo rápido y de bajo costo en el que los precursores se disuelven en agua, se transfieren a un baño ultrasónico y se irradian. [23]
Defectos
Un inconveniente del uso de Bioglass 45S5 es que es difícil de procesar en andamios 3D porosos. Estos andamios porosos generalmente se preparan sinterizando partículas de vidrio que ya están formadas en la geometría 3D y permitiéndoles unirse a las partículas en una fase de vidrio fuerte formada por una red de poros. Dado que este tipo particular de biovidrio no puede sinterizar completamente mediante un flujo viscoso por encima de su Tg , y su Tg está cerca del inicio de la cristalización, es difícil sinterizar este material en una red densa. [1]
El vidrio 45S5 también tiene una degradación lenta y una tasa de conversión a un material similar al HA. Este retroceso hace que sea más difícil que la velocidad de degradación del andamio coincida con la velocidad de formación de tejido. Otra limitación es que el entorno biológico puede verse fácilmente influenciado por su degradación. El aumento de los iones de sodio y calcio y el cambio de pH se deben a su degradación. Sin embargo, las funciones de estos iones y su toxicidad para el cuerpo no se han investigado completamente. [1]
Métodos de mejora
Varios estudios han investigado métodos para mejorar la resistencia mecánica y la tenacidad de Bioglass 45S5. Estos incluyen la creación de polímero-vidrio materiales compuestos , que combinan la bioactividad de Bioglass con la flexibilidad y relativa resistencia al desgaste de diferentes polímeros. Otra solución es recubrir un implante metálico con Bioglass, que aprovecha la resistencia mecánica del material a granel del implante al tiempo que conserva los efectos bioactivos en la superficie. Algunas de las modificaciones más notables han utilizado varias formas de carbono para mejorar las propiedades del vidrio 45S5. [24]
Por ejemplo, Touri et al. desarrolló un método para incorporar nanotubos de carbono (CNT) en la estructura sin interferir con las propiedades bioactivas del material. Se eligieron los CNT debido a su gran relación de aspecto y alta resistencia. Al sintetizar Bioglass 45S5 en un andamio de CNT, los investigadores pudieron crear un compuesto que duplicó con creces la resistencia a la compresión y el módulo elástico en comparación con el vidrio puro. [25]
Otro estudio realizado por Li et al. examinó diferentes propiedades, como la tenacidad a la fractura y la resistencia al desgaste de Bioglass 45S5. Los autores cargaron nanoplaquetas de grafeno (GNP) en la estructura de vidrio a través de un método de sinterización por plasma de chispa . Se eligió el grafeno por su alta superficie específica y resistencia, así como por su citocompatibilidad y la falta de interferencia con la bioactividad de Bioglass 45S5. Los compuestos que se crearon en este experimento lograron una tenacidad a la fractura de más del doble del control. Además, se mejoraron enormemente las propiedades tribológicas del material. [24]
Ver también
- Propiedades mecánicas de los biomateriales.
- Síntesis de biovidrio
Referencias
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