REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. II.1.1. Biomateriales

Transcripción

1 II. II.1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Antecedentes II.1.1. Biomateriales El tejido óseo es uno de los más resistentes y rígidos del cuerpo humano. Es el constituyente principal del esqueleto. Cuando se presenta una deficiencia ósea debida a trauma, tumores o desarrollo anormal, generalmente se requiere un injerto de hueso para promover o completar la reparación, y así restaurar la función normal del tejido. Sin embargo, cuando no es posible la utilización de injertos óseos, hay otros materiales que cumplen con esta función. Los materiales de implante utilizados como auxiliares o sustitutos en la reparación ósea son llamados biomateriales. Un biomaterial, es un material no vivo usado como dispositivo médico dirigido a interactuar con el sistema biológico [1]. Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus funciones [2]. En cuanto a la permanencia y la forma de interacción que se establece con el organismo, los biomateriales se clasifican como de uso temporal o permanente y de colocación intra o extracorpórea. Desde el punto de vista de su función se pueden distinguir los dispositivos destinados al soporte, al diagnóstico o al tratamiento [3]. Los requisitos que debe cumplir un biomaterial son: Ser biocompatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo, no provocar que éste desarrolle sistemas de rechazo ante su presencia. No ser tóxico, ni carcinógeno. Ser químicamente estable e inerte. Tener una resistencia mecánica adecuada. Tener densidad y peso adecuados. Tener un diseño de ingeniería adecuado, es decir, el tamaño y la forma del implante deben ser los apropiados. Ser relativamente económico, reproducible y fácil de procesar, para hacer eficiente su producción en gran escala [4,5]. 4

2 Los biomateriales naturales o sintéticos utilizados actualmente, están constituidos de materiales biológicos, metálicos, poliméricos, cerámicos y compuestos. Estos son elegidos dependiendo de la función y al ambiente al cual serán expuestos. Existen muchos biomateriales utilizados en la actualidad y algunos otros aún se encuentran en desarrollo para superar las deficiencias de los actuales y mejorar sus aplicaciones en el futuro [6]. Tanto los biomateriales cerámicos como los poliméricos pueden combinarse para producir materiales compuestos o compósitos, los cuales permiten la obtención de implantes que reúnen las mejores características biológicas y mecánicas de los materiales originales, resultando en implantes óseos más eficientes. II.1.2. Biomateriales Cerámicos Los cerámicos son sólidos inorgánicos compuestos de varias combinaciones de enlaces iónicos y covalentes. Los materiales cerámicos que son biocompatibles son llamados biocerámicos. Estos compuestos minerales son resistentes al desgaste y a la compresión. Por lo general, tienen la ventaja de presentar una baja reactividad química, lo que les proporciona su carácter inerte, volviéndolos más biocompatibles; además su estructura es muy parecida al componente mineral del hueso, por lo que sus expectativas de aplicación son mayores. Las propiedades mecánicas de la cerámica dependen del tamaño de grano, porosidad, densidad y estructura cristalina. Sin embargo, dado que tienden a ser materiales porosos, casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, restringiendo en gran medida su campo de aplicación para ser usados en funciones que no requieran de elevados esfuerzos mecánicos. Ante este enfoque, se ha abierto un campo de investigación muy importante, encaminado a la obtención de biocerámicos basados en fostatos de calcio, que posean una buena resistencia mecánica y una adecuada respuesta biológica. 5

3 II.1.3. Biocerámicos de Fosfatos de Calcio Aunque hay una gran cantidad de biocerámicos, los compuestos basados en fosfatos de calcio, los cuales engloban compuestos tales como hidroxiapatita (HA), fosfatos tricálcicos (α-tcp y β-tcp), fosfato dicálcico dihidratado (DCPD), fosfato dicálcico anhidro (DCPA) y fosfato tetracálcico (TTCP), son los más comúnmente utilizados, en especial HA, β-tcp y los compuestos bifásicos constituidos por una mezcla en proporción variable de HA y β-tcp. La razón principal es que presentan casi la misma composición química que el esqueleto de los vertebrados, permitiendo el intercambio de algunos iones cuando se encuentran en contacto con fluidos biológicos. Asimismo, presentan una excelente biocompatibilidad, y una vez que son introducidos en el organismo, después de un cierto tiempo, ejercen una unión química con el hueso, llegando a incorporarse al tejido óseo [7,8]. II.1.4. Hidroxiapatita Los componentes inorgánicos del tejido óseo representan en el adulto, alrededor del 75% en peso, y están compuestos en su mayor parte por depósitos de fosfatos de calcio cristalino y amorfo en pequeñas cantidades. El fosfato tribásico de calcio [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ], también denominado Hidroxiapatita, es un mineral cristalino. Los cristales tienen forma de varas finas, de unos 3 nm de espesor y hasta 60 nm de largo. Este material, además de ser el componente principal de los huesos, el esmalte dental y la dentina, tiene la habilidad de actuar como andamiaje pasivo, apoyando la nueva formación y crecimiento del hueso, es decir, tiene la propiedad de ser un buen osteoconductor. Además, presenta características de biocompatibilidad, no toxicidad y estabilidad química. La combinación de estas características, le confieren a la hidroxiapatita la cualidad de ser bioactiva. Un compuesto bioactivo es aquel que posee la habilidad para inducir, estimular o modular una acción biológica definida en el tejido receptor. Así, un material bioactivo es aquel que posibilita una respuesta biológica específica en su interfase con los tejidos, favoreciendo el enlace de 6

4 ambos [9]. Es por ello, que este fosfato de calcio ha sido de gran interés para usos médicos. A pesar de que la hidroxiapatita sintética presenta buenas propiedades mecánicas estáticas, una vez impuesta en condiciones fisiológicas su resistencia a la fatiga es baja. Por tanto, la mayor parte de la hidroxiapatita sintética no es apta para aplicaciones que precisen carga mecánica. Pese a esto, se utiliza exitosamente como sustituto de injerto óseo para rellenar defectos metafisiarios y como recubrimiento de sustratos de otros materiales con mejores propiedades mecánicas [7]. Actualmente se estudian diferentes minerales que proporcionen a la hidroxiapatita una fase de refuerzo que aumenten sus propiedades mecánicas sin afectar sus propiedades biológicas. Tabla 1. Propiedades mecánicas típicas de la hidroxiapatita Propiedad Característica Densidad Teórica g/ml Dureza 5 mohs Esfuerzo de Tensión MPa Esfuerzo de Flexión MPa Esfuerzo de Compresión MPa Fractura Aprox. 1 MPa m 0.5 Modulo de Young GPa II.1.5. Wollastonita La wollastonita es un mineral natural no metálico, cuya fórmula química es CaSiO 3. Tiene una composición en peso teórica de 48.3% de óxido de calcio (CaO) y 51.7% de dióxido de silicio (SiO 2 ). Es químicamente inerte con otros compuestos, pero reacciona ante el ácido clorhídrico y el agua, haciendo que la wollastonita se hidrolice y se comporte como una solución buffer, favoreciendo el ph básico. Es de color blanco y tiene una estructura acicular (forma de agujas). Esta morfología acicular le confiere mayor eficiencia mecánica cuando se une a otros materiales. 7

5 Respecto a su geología económica, México es uno de los principales países productores a nivel mundial, conjuntamente con EUA, India, Finlandia y China. Prácticamente, la totalidad de la producción nacional se destina a la exportación. Los principales yacimientos se encuentran en el estado de Sonora (Hermosillo, NYCO-Minerals), Zacatecas (Pánfilo Natera) e Hidalgo (Villa Juárez), siendo el depósito de Hermosillo de gran escala y los de Pánfilo Natera y Villa Juárez, de pequeña y mediana producción [10]. Por otro lado, investigaciones anteriores se han encargado de comprobar el carácter biocompatible y bioactivo de este mineral. Es por ello que es ampliamente utilizado en la innovación de nuevos materiales, ya que la combinación con otros compuestos promueve la formación de nuevos compósitos, a los que les concede mayor resistencia mecánica, química y térmica; propiedades que lo vuelven óptimo para su uso como biomaterial. Asimismo, tiene la ventaja de ser un material de bajo costo y bastante accesible, además de ser un producto de importancia regional. Sumándose esto a las ventajas anteriormente mencionadas. Tabla 2. Propiedades físicas de la wollastonita Propiedad Característica Densidad 2,8-3,1 g/ml Punto de fusión 1.540ºC Dureza según la escala de Mohs 4,5-5,0 Sistema cristalino Triclínico Color Blanco a grisáceo traslúcido Color de raya en placa de porcelana Blanca Expansión Térmica 6.5X10-6 mm/mm/ºc Modulo de Elasticidad GPa Esfuerzo Tensil GPa Conductividad Eléctrica mho/m Solubilidad g/100 cc agua 8

6 II.1.6. Quitosana La quitina es uno de los constituyentes principales del exoesqueleto de los artrópodos y de las paredes celulares de los hongos y algunos otros animales. Este polisacárido está compuesto de N-acetilglucosamina (N-acetil-D-glucos-2- amina) unidas entre sí por enlaces β-1,4. A partir de la desacetilación de la qutitina se produce la quitosana., la cual es un polisacárido natural bidegradable, compuesto de glucosamina y N-acetil glucosamina. Estos poliésteres se caracterizan por poseer propiedades de interés práctico: pueden ser obtenidos a partir de materias primas renovables, poseen una permeabilidad muy pequeña al oxígeno, son resistentes al agua y son biocompatibles. En el área de los biomateriales, ha sido de gran aplicación debido a que es un biopolímero natural biodegradable; biocompatible, no tóxico y se puede utilizar para producir películas. La quitosana se comporta como un policatión capaz de atraer moléculas cargadas negativamente, que da como resultado su naturaleza antibacteriana, debido al entrecruzamiento de la quitosana policatiónica y los aniones sobre la superficie bacteriana, alterando la permeabilidad de la membrana celular [11]. Su comportamiento policatiónico se debe al puente de hidrógeno que se establece entre el grupo amino y el hidroximetilo que le proporciona a la molécula una carga neta positiva, de ahí que la quitosana es soluble en medio ácido donde la concentración de iones hidronio es mayor, provocando el rompimiento de dicho puente de hidrógeno y el establecimiento de uno nuevo con las moléculas de agua, lo que trae consigo la solvatación de la quitosana. La quitosana es insoluble en agua, soluciones alcalinas y disolventes orgánicos puros, es soluble en todos los ácidos orgánicos e inorgánicos (excepto el sulfúrico). Asimismo, durante el proceso químico preparativo, es posible lograr que adopte la forma de moldes específicos y conferirle características particulares de tenacidad [12]. 9

7 Figura 1. Estructura química de la quitosana. 13 El interés en la quitosana se debe en gran parte a su propiedad de formar sales solubles e insolubles. Ya que esto le permite ser modificado químicamente de tal modo que se produce en diferentes presentaciones, ya sea como fibras, película, cápsulas, polvos, entre otras. Su solubilidad depende del ph, pero se ha observado que a ph comienza la precipitación. II.1.7 Proceso Sol-Gel Los biomateriales cerámicos pueden combinarse para producir materiales compuestos, y de esta forma obtener implantes con mejores características que los materiales en su forma original. A estos materiales compuestos se les denomina compósitos, los cuales son materiales formados por dos o más constituyentes cuyas propiedades físicas y/o químicas se mantienen individuales. Para llevar a cabo la síntesis del compósito de interés, se utilizó la técnica solgel. Este procedimiento químico consiste de cuatro etapas: Preparación del sol. Gelificación. Envejecimiento. Secado y tratamiento térmico. Esta técnica nos permite formar materiales puros con la ventaja de ser una ruta económica y relativamente sencilla de llevar a cabo. Un sol es una suspensión coloidal de partículas sólidas en una fase líquida, donde las partículas dispersas son lo suficientemente pequeñas para permanecer suspendidas por el movimiento Browniano. Un gel es una red de 10

8 material sólido conteniendo un componente líquido, ambos componentes se encuentran en un estado altamente disperso [13]. Preparación del Sol Un sol es una suspensión coloidal de partículas sólidas en un líquido, existen dos vías básicas para obtener los soles: los sistemas acuosos y los sistemas orgánicos. En los sistemas acuosos se utilizan como precursores óxidos, hidróxidos y sales tanto orgánicas como inorgánicas, estos compuestos se dispersan o se disuelven en agua. Los sistemas orgánicos se obtienen a partir de compuestos metal-orgánicos (principalmente alcóxidos) disueltos en un solvente orgánico, que generalmente es un alcohol. Durante esta etapa se desarrollan reacciones de hidrólisis de los alcóxidos metálicos (M-OR) con el agua, formándose hidróxidos metálicos (M-OH). Asimismo, los hidróxidos metálicos se combinan (M-OH + HO-M ó M-OR + HO-M) para producir un óxido metálico (M-O-M), liberando además una molécula de agua o de alcohol, razón por la cual, esta segunda reacción recibe el nombre de condensación. Gelificación Las reacciones de hidrólisis y condensación del proceso anterior, conducen a la formación de agregados, que se enlazan hasta formar un único agregado gigante denominado gel. En el momento de formación del gel hay muchos agregados en el sol que se unen entre sí para formar una red sólida, responsable de la elasticidad, ocurriendo un cambio abrupto de la viscosidad. Envejecimiento Luego de la gelificación el sistema continúa reaccionando, dando lugar a reacciones como: 1) Polimerización, con la cual se aumenta la interconexión del esqueleto sólido, en consecuencia aumenta la densidad y la resistencia mecánica del sólido, 2) Sinéresis, en la cual ocurre la contracción del esqueleto sólido del gel, acompañada de la expulsión de la fase líquida contenida en los poros, 3) Maduración, el cual se debe a la disolución y precipitación producida por la diferencia de solubilidad entre las partículas, y finalmente, 4) Cambios de 11

9 fase, los cuales pueden ocurrir en todo el proceso de envejecimiento, por ejemplo, puede ocurrir que la fase líquida se divida en dos fases, también puede ocurrir la cristalización de sales utilizadas en sistemas multicomponentes. Secado y Tratamiento Térmico El secado de la fase líquida la cual constituye la mayor parte del volumen del gel húmedo, (70-90%), ocurre mediante evaporación, la cual causa una contracción acompañada de endurecimiento del gel, estos geles secos también reciben el nombre de xerogeles. Durante el tratamiento térmico ocurren una serie de cambios físicos y químicos en los materiales, los cuales pueden llevar a la transformación de fases existentes y la aparición de nuevos compuestos. Estos cambios pueden ser analizados mediante técnicas como el análisis térmico, entre otras [8]. II.1.8. Evaluación de las Propiedades Bioactivas de Materiales en Fluidos Fisiológicos Simulados (SBF) Los biomateriales, tanto naturales como sintéticos, poseen características en masa y superficie que definen su biocompatibilidad y bioestabilidad, las cuales deben conocerse para efectos de predecir su comportamiento durante el periodo de aplicación clínica [14]. Es por ello que, para evaluar las propiedades bioactivas del compósito se utilizó una estrategia biomimética, que consiste en preparar un fluido fisiológico semejante al plasma sanguíneo del cuerpo humano, consistente en una solución metaestable que contiene calcio y iones fosfato en una solución supersaturada con respecto a la apatita. A esta solución salina se le denomina Fluido Fisiológico Simulado. La cual se mantiene en condiciones semejantes a las del cuerpo humano, es decir, a una temperatura de 37 C y un ph que puede variar entre 7.25 y Esta técnica fue desarrollada por Kokubo y colaboradores con el objetivo de estandarizar una solución acelular que tuviera concentración de iones inorgánicos similares a los que se encuentran en los fluidos extracelulares del 12

10 cuerpo humano y de esta forma producir la formación de apatita en materiales bioactivos colocados in vitro. Estos fluidos corporales simulados, comúnmente se abrevian FFS o SBF por sus siglas en inglés (Simulated Body Fluids). La concentración de iones se presenta a continuación en la siguiente tabla [15]. Tabla 3. Concentración de iones de la solución SBF y del plasma sanguíneo humano. Concentración (mmol/dm 3 ) Ion Fluido Fisiológico Simulado Plasma Sanguíneo Humano Na K Mg Ca Cl HCO HPO SO ph ajustado a 7.42 por adición de Tris-(Hidroximetil)-aminometano (CH 2OH) 3CNH 2) y HCl 1M a 37 o C. 13