Vidrio bioactivo
Biomaterial vitrocerámico reactivo a la superficie
Vidrio bioactivo visto a través de un microscopio electrónico [1]

Los vidrios bioactivos son un grupo de biomateriales vitrocerámicos reactivos en la superficie e incluyen el vidrio bioactivo original, Bioglass . La biocompatibilidad y bioactividad de estos vidrios ha llevado a que se utilicen como dispositivos de implantes en el cuerpo humano para reparar y reemplazar huesos enfermos o dañados . [2] La mayoría de los vidrios bioactivos son vidrios a base de silicato que son degradables en los fluidos corporales y pueden actuar como un vehículo para entregar iones beneficiosos para la curación. El vidrio bioactivo se diferencia de otros biomateriales sintéticos para injertos óseos (por ejemplo, hidroxiapatita , fosfato de calcio bifásico, sulfato de calcio), en que es el único con propiedades antiinfecciosas y angiogénicas . [3]

Historia

Descubrimiento y desarrollo

Larry Hench y sus colegas de la Universidad de Florida desarrollaron por primera vez estos materiales en 1969 [4] y su equipo de investigación en el Imperial College de Londres y otros investigadores de todo el mundo los han seguido desarrollando. Hench comenzó el desarrollo presentando una propuesta de hipótesis al mando de Investigación y Desarrollo Médico del Ejército de los Estados Unidos en 1968 basada en su teoría de que el cuerpo rechaza el material metálico o polimérico a menos que sea capaz de formar una capa de hidroxiapatita que se encuentra en los huesos. [5] Hench y su equipo recibieron financiación durante un año y comenzaron el desarrollo de lo que se convertiría en la composición 45S5. [5] El nombre "Bioglass" fue registrado por la Universidad de Florida como nombre de la composición original 45S5. Por lo tanto, solo debe usarse en referencia a la composición 45S5 y no como un término general para los vidrios bioactivos. [6]

Mediante el uso de un diagrama de fases, Hench eligió una composición de 45% , 24,5% , 24,5% y 6% para permitir una gran cantidad de y algo en una matriz. [5] El vidrio se mezcló, se fundió y se vertió en pequeños implantes rectangulares para insertarlos en el hueso femoral de ratas durante seis semanas según lo desarrollado por el Dr. Ted Greenlee de la Universidad de Florida. [5] Después de seis semanas, el Dr. Greenlee informó "Estos implantes de cerámica no se saldrán del hueso. Están adheridos en su lugar. Puedo empujarlos, puedo empujarlos, puedo golpearlos y no se mueven. Los controles se deslizan fácilmente". [5] Estos hallazgos fueron la base del primer artículo sobre el vidrio bioactivo 45S5 en 1971 que resumió 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. N / A 2 Oh − CaO − SiO 2 {\displaystyle {\ce {Na2O-CaO-SiO2}}} SiO 2 {\displaystyle {\ce {SiO2}}} N / A 2 Oh {\displaystyle {\ce {Na2O}}} CaO {\displaystyle {\ce {CaO}}} PAG 2 Oh 5 {\displaystyle {\ce {P2O5}}} CaO {\displaystyle {\ce {CaO}}} PAG 2 Oh 5 {\displaystyle {\ce {P2O5}}} SiO 2 − N / A 2 Oh {\displaystyle {\ce {SiO2-Na2O}}}

Pruebas con animales

En 1986, científicos de Ámsterdam (Países Bajos) tomaron cubos de vidrio bioactivo y los implantaron en las tibias de cobayas. [7] Después de 8, 12 y 16 semanas de implantación, se sacrificó a los cobayas y se les extrajeron las tibias. [7] A continuación, los implantes y las tibias se sometieron a una prueba de resistencia al corte para determinar las propiedades mecánicas del límite entre el implante y el hueso, donde se encontró que tenía una resistencia al corte de 5 N/mm2 . [ 7] La ​​microscopía electrónica mostró que los implantes cerámicos tenían restos óseos firmemente adheridos a ellos. [7] Una microscopía óptica adicional reveló el crecimiento de células óseas y vasos sanguíneos dentro del área del implante, lo que era una prueba de biocompatibilidad entre el hueso y el implante. [7]

El vidrio bioactivo fue el primer material capaz de crear un vínculo fuerte con el tejido óseo vivo. [8]

Estructura

La espectroscopia RMN de estado sólido ha sido muy útil para determinar la estructura de sólidos amorfos . Los vidrios bioactivos se han estudiado mediante espectroscopia RMN MAS de estado sólido de 29 Si y 31 P. El desplazamiento químico de la RMN MAS es indicativo del tipo de especie química presente en el vidrio. La espectroscopia RMN MAS de 29 Si mostró que el Bioglass 45S5 era una estructura de tipo Q2 con una pequeña cantidad de Q3; es decir, cadenas de silicato con algunos enlaces cruzados. La RMN MAS de 31 P reveló predominantemente especies Q0; es decir, PO 4 3− ; las mediciones de espectroscopia RMN MAS posteriores han demostrado que los enlaces Si-OP están por debajo de los niveles detectables [9]

Composiciones

Se han realizado muchas variaciones de la composición original que fue aprobada por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) y denominada Bioglass. Esta composición se conoce como Bioglass 45S5 . Las composiciones incluyen:

Estructura molecular del biovidrio [10]

Biovidrio 45S5

La composición fue seleccionada originalmente por ser aproximadamente eutéctica . [11]

El nombre 45S5 significa vidrio con 45 % en peso de SiO2 y una relación molar de calcio a fósforo de 5:1. Las relaciones Ca/P más bajas no se adhieren al hueso. [12]

Las características clave de la composición del Bioglass son que contiene menos de 60 mol% de SiO2 , altos contenidos de Na2O y CaO, alta relación CaO/P2O5 , lo que hace que el Bioglass sea altamente reactivo al medio acuoso y bioactivo.

La principal ventaja del biovidrio es su alta bioactividad, mientras que sus desventajas incluyen debilidad mecánica y baja resistencia a la fractura debido a la red de vidrio bidimensional  amorfa . La resistencia a la flexión de la mayoría de los biovidrios 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 a 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 soporten carga, para implantes enterrados cargados ligeramente o de manera compresiva. El biovidrio también se puede utilizar como un componente bioactivo en materiales compuestos o como polvo y se puede utilizar para crear un tabique artificial para tratar perforaciones causadas por el abuso de cocaína. No tiene efectos secundarios conocidos. [11]

El primer uso quirúrgico exitoso del 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 una extracción dental . Los materiales compuestos hechos de Bioglass 45S5 y el propio hueso del paciente se pueden utilizar para la reconstrucción ósea. [11]

El biovidrio es relativamente blando en comparación con otros vidrios. Se puede mecanizar , preferiblemente con herramientas de diamante, o moler hasta convertirlo en polvo. El biovidrio debe almacenarse en un entorno seco, ya que absorbe fácilmente la humedad y reacciona con ella. [12]

El Bioglass 45S5 se fabrica mediante tecnología de fabricación de vidrio convencional, 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 del biovidrio reduce el contenido volátil de óxido de metal alcalino y precipita cristales de apatita en la matriz de vidrio. El material vitrocerámico resultante, llamado Ceravital, tiene mayor resistencia mecánica y menor bioactividad. [13]

Biovidrio S53P4

La fórmula de S53P4 se desarrolló por primera vez a principios de los años 90 en Turku, Finlandia, en la Universidad Åbo Akademi y la Universidad de Turku . En 2011, recibió la solicitud de patente para su uso en el relleno de cavidades óseas en el tratamiento de la osteomielitis crónica. S53P4 es uno de los vidrios bioactivos más estudiados del mercado, con más de 150 publicaciones.

Cuando se coloca el vidrio bioactivo S53P4 en la cavidad ósea, reacciona con los fluidos corporales para activarlo. Durante este período de activación, el vidrio bioactivo pasa por una serie de reacciones químicas que crean las condiciones ideales para que el hueso se reconstruya mediante 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 formada la capa de hidroxiapatita, el vidrio bioactivo interactúa con entidades biológicas, es decir, proteínas sanguíneas, factores de crecimiento y colágeno. Después de esta interacción, los procesos osteoconductivos y osteoestimulantes ayudan al crecimiento de hueso nuevo sobre y entre las estructuras de vidrio bioactivo. [14]

  • El vidrio bioactivo se adhiere al hueso, facilitando 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 postoperatoria.

En la fase final de transformación, continúa el proceso de regeneración y remodelación ósea. Con el tiempo, el hueso se regenera por completo, recuperando la anatomía natural del paciente.

  • Se produce la consolidación ósea.
  • El vidrio bioactivo S53P4 continúa remodelándose en hueso a lo largo de un período de años.

El vidrio bioactivo S53P4 es actualmente el único vidrio bioactivo en el mercado que ha demostrado inhibir el crecimiento bacteriano de manera efectiva. Las propiedades inhibidoras del crecimiento bacteriano del 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 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. [15] [16]

Biovidrio 8625

El Bioglass 8625, también llamado Schott 8625, es un vidrio sódico-cálcico utilizado para la encapsulación de dispositivos implantados . El uso más común del Bioglass 8625 es en las carcasas de los transpondedores RFID para su uso en implantes de microchips humanos y animales . Está patentado y fabricado por Schott AG . [17] El Bioglass 8625 también se utiliza para algunas perforaciones .

El biovidrio 8625 no se adhiere al tejido ni al hueso, sino que se mantiene en su lugar mediante una 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 antimigratorio adicional, está sujeto a migración en el tejido. El recubrimiento antimigratorio es un material que se adhiere tanto al vidrio como al tejido. El parileno , generalmente parileno tipo C, se utiliza a menudo como material de este tipo. [18]

El biovidrio 8625 tiene un contenido significativo de hierro , que proporciona absorción de luz infrarroja y permite el sellado mediante una fuente de luz, por ejemplo, un láser Nd:YAG o una lámpara de vapor de mercurio . [17] El contenido de Fe2O3 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 desde el material. Durante la segunda fase, los enlaces Si-O-Si en la matriz de sílice sufren 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 el seguimiento de muchos tipos de animales y, recientemente, en algunos implantes humanos. La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) aprobó el uso de Bioglass 8625 en humanos en 1994.

Biovidrio 13-93

En comparación con el Bioglass 45S5, el vidrio bioactivo de silicato 13-93 está compuesto por una mayor composición de SiO2 e incluye K2O y MgO . Está disponible comercialmente en Mo-Sci Corp. o se puede preparar directamente fundiendo una mezcla de Na2CO3 , K2CO3 , MgCO3 , CaCO3 , SiO2 y NaH2PO4 · 2H2O en un crisol de platino a 1300 °C y enfriando entre placas de acero inoxidable. [20]

El vidrio 13-93 ha recibido la aprobación para su uso in vivo en los EE. UU. y Europa. Tiene un comportamiento de flujo viscoso más fácil y una menor tendencia a cristalizarse al ser estirado hacia las fibras. El polvo de vidrio bioactivo 13-93 podría dispersarse en un aglutinante para crear tinta para la técnica de impresión 3D con tinta directa o robocasting . Las propiedades mecánicas de los andamios porosos resultantes se han estudiado en varias obras de literatura. [21]

El andamio de vidrio bioactivo 13-93 impreso en el estudio de Liu et al. se secó al aire ambiente, se coció a 600 °C bajo la 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) son cercanos a los valores del hueso cortical . Sin embargo, la tenacidad a la fractura del andamio recién fabricado 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 implantarla subcutáneamente en el dorso de ratas, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión disminuyen drásticamente durante las dos semanas iniciales, pero de manera más gradual 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]

En otro trabajo de Kolan y colaboradores se utilizó sinterización selectiva por láser en lugar del tratamiento térmico convencional. Después de optimizar la potencia del láser, la velocidad de escaneo y la velocidad de calentamiento, la resistencia a la compresión de los andamios sinterizados varió de 41 MPa para un andamio con una porosidad de aproximadamente el 50 % 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]

En el informe de Fu et al., se sintetizaron 13-93 andamios de vidrio poroso utilizando un método de réplica de espuma de poliuretano. Se examinó la relación tensión-deformación obtenida a partir de la prueba de compresión utilizando ocho muestras con una porosidad del 85 ± 2 %. La curva resultante demostró una ruptura progresiva de la estructura del andamio y una resistencia a la compresión promedio de 11 ± 1 MPa, que se encontraba en el rango del hueso trabecular humano y era superior a la de los materiales bioactivos competitivos para la reparación ósea, como los andamios de hidroxiapatita con la misma extensión de poros y los compuestos de polímero y cerámica preparados mediante el método de separación de fases inducida térmicamente (TIPS). [20]

Síntesis

Los vidrios bioactivos se han sintetizado mediante métodos como la fusión convencional , el temple , el proceso sol-gel , la síntesis a la llama y la irradiación por microondas . La síntesis de biovidrio ha sido revisada por varios grupos, siendo la síntesis sol-gel uno de los métodos más utilizados para producir compuestos de biovidrio, en particular para aplicaciones de ingeniería de tejidos . Se han desarrollado otros métodos de síntesis de biovidrio, como la síntesis a la llama y a las microondas, aunque son menos frecuentes en la investigación.

Vidrio metálico bioactivo

El vidrio metálico bioactivo es un subconjunto del vidrio bioactivo, en el que el material a granel está compuesto de un sustrato de metal y vidrio y está recubierto con vidrio bioactivo para que el material sea bioactivo. El motivo detrás de la introducción de la base metálica es crear un material menos frágil y más fuerte que se implantará de forma permanente en el cuerpo. Los vidrios metálicos tienen módulos de Young más bajos y límites elásticos más altos que el vidrio bioactivo [25] y, como tal, permitirán una mayor deformación del material antes de que se produzca la fractura. Esto es muy deseable, ya que un implante permanente tendría que evitar romperse dentro del cuerpo del paciente. Los materiales comunes que componen la masa metálica incluyen Zr y Ti, mientras que algunos ejemplos de los pocos metales clave que no deberían usarse como materiales a granel son Al, Be y Ni [26] .

Revestimiento láser

Si bien los metales no son necesariamente bioactivos por naturaleza, los recubrimientos de vidrio bioactivo que se aplican a sustratos metálicos mediante revestimiento láser introducen la bioactividad que expresaría el vidrio, pero tienen los beneficios adicionales de tener una base de metal.

El revestimiento láser es un método mediante el cual micropartículas de vidrio bioactivo se introducen en una corriente en el material a granel y se someten a un calor lo suficientemente alto como para que se fundan y formen un revestimiento de material. [25]

Procesamiento sol-gel

Los metales también se pueden fijar con vidrio bioactivo mediante un proceso sol-gel , en el que el vidrio bioactivo se sinteriza sobre metales a una temperatura controlada que es lo suficientemente alta para realizar la sinterización, pero lo suficientemente baja para evitar cambios de fase y otros efectos secundarios no deseados. Se han realizado experimentos con la sinterización de vidrio bioactivo de doble capa a base de sílice sobre sustratos de acero inoxidable a 600 °C durante 5 horas. [27] Este método ha demostrado mantener una estructura en gran parte amorfa al tiempo que contiene elementos cristalinos clave, y también logra un nivel notablemente similar de bioactividad al vidrio bioactivo.

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 entorno fisiológico: [28]

  1. Una imagen paso a paso de la integración del vidrio bioactivo con el hueso [29]
    Intercambio iónico en el que los cationes modificadores (principalmente Na + ) en el vidrio se intercambian con iones hidronio en la solución externa.
  2. Hidrólisis en la que se rompen los puentes Si-O-Si, formándose grupos silanol Si-OH, y se interrumpe la red vítrea.
  3. Condensación de silanoles en la que la red vítrea interrumpida cambia su morfología para formar una capa superficial tipo gel, pobre en iones de sodio y calcio.
  4. Precipitación en la que se deposita una capa de fosfato de calcio amorfo sobre el gel.
  5. 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 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 respaldado por estudios sobre vidrios bioactivos derivados del procesamiento sol-gel . Dichos vidrios podrían contener concentraciones significativamente más altas de SiO2 que los vidrios bioactivos tradicionales derivados de la fusión y aún así mantener la bioactividad (es decir, la capacidad de formar una capa de hidroxiapatita mineralizada en la superficie). La porosidad inherente del material derivado del sol-gel se citó como una posible explicación de por qué se conservaba la bioactividad, y a menudo se mejoraba con respecto al vidrio derivado de la fusión.

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. Mediante el uso de microarrays de ADN, los investigadores ahora pueden identificar clases completas de genes que están regulados por los productos de disolución de los vidrios bioactivos, lo que dio lugar a la denominada "teoría genética" de los vidrios bioactivos. Los primeros estudios de microarrays sobre 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 se regulaban positivamente mediante medios de cultivo celular acondicionados que contenían los productos de disolución del vidrio bioactivo.

Usos médicos

El vidrio bioactivo S53P4 se utilizó por primera vez en un entorno clínico como alternativa a los injertos de hueso o cartílago en la cirugía de reconstrucción facial. [30] El uso de materiales artificiales como prótesis óseas tenía la ventaja de ser mucho más versátiles que los autotrasplantes tradicionales , además de tener menos efectos secundarios postoperatorios. [30]

Hay evidencia tentativa de que el vidrio bioactivo con la composición S53P4 también puede ser útil en infecciones de huesos largos . [31] Sin embargo, el respaldo de ensayos controlados aleatorios aún no está disponible a partir de 2015. [32]

Véase también

Referencias

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