Vania Caldas - de - Sousa * * * , Luis

Abstract

Nowadays, an important research topic related with medical devices are the materials designed as bone tissues substitutes. Hard tissues have a great capacity of self-regeneration but in front of traumatic or pathologic critical bone defects it is necessary the use of bone substitutes or templates as temporal or permanent grafts. Glasses or glass-ceramics are osteoconductive, osteoinductive and biocompatible materials. In addition, they have the ability to link directly to the living bone tissues without any interface (bioactivity). Also, it has been reported that bioglasses favor the angiogenesis process and the cellular adhesion, proliferation and differentiation necessary features for bone tissue engineering scaffolds. This work refers generalities of the bioactive glasses and glass-ceramics compositions, manufacture processes, properties, advantages, disadvantages as well as the main clinical applications and new developments for tissue engineering. Lizette Morejón-Alonso, José Ángel Delgado-García-Menocal, Nayrim BrizuelaGuerra, Daniel Francisco Correa-Ferrán, Eduardo Mendizábal-Mijares*, Maria Teresa García-Vallés**, Salvador Martínez-Manent**, Vania Caldas-de-Sousa***, Luis Alberto dos-Santos***, Maria Pau Ginebra**** Centro de Biomateriales, Universidad de La Habana. Ave. Universidad e/Ronda y G. Vedado, CP 10400, La Habana, Cuba. *Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías (CUCEI), Universidad de Guadalajara. Ave. Marcelino García Barragán 1451, CP 44430, Guadalajara, Jalisco, México. **Departamento de Cristalografía, Mineralogía y Depósitos Minerales, Facultad de Geología, Universidad de Barcelona, Calle Martí i Franquès, s/n, CP 08028, Barcelona, España. ***Laboratorio de Biomateriales y Cerámicas Avanzadas (LaBiomat), Universidad Federal Rio Grande do Sul (UFRGS). Ave. Bento Gonçalves 9500, Sector 4, Predio 74, CP 91501-970, Porto Alegre, RS, Brasil. ****Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Barcelona. Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), Barcelona, España. Ave. Diagonal, 647, CP 08028, Barcelona, España. lizette@biomat.uh.cu Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 46, pp. 137-147, 2015. 138 INTRODUCCIÓN El hueso es un tejido que se encuentra en constante regeneración y cambio a lo largo de la vida. El mismo se reestructura continuamente para adaptarse a las fuerzas biomecánicas que recibe y también experimenta el proceso que se conoce como remodelación ósea, el cual permite reemplazar el tejido viejo o microdañado por un tejido nuevo y saludable. La remodelación ósea es un proceso que ocurre a consecuencia de la actividad de las células osteoblásticas y osteoclásticas responsables de la deposición y la reabsorción ósea respectivamente. Durante el proceso de curación normal de las fracturas óseas la presencia en el hueso de células osteoprogenitoras capaces de diferenciarse en células osteoblásticas garantiza los procesos de osteosíntesis. Sin embargo, a pesar de la capacidad de autoreparación de los tejidos duros, con frecuencia se requiere de injertos óseos que favorezcan la reparación del sitio dañado. Ello ocurre cuando existen grandes defectos óseos, fracturas severas con desplazamiento o defectos donde no exista una plantilla apropiada para la reparación o regeneración ósea natural. Uno de los campos de investigación más activos en la actualidad sobre materiales sintéticos sustitutivos de los tejidos óseos se refiere a los vidrios bioactivos y las cerámicas vítreas. Ello se debe a que los llamados biovidrios resultan materiales osteoconductivos, osteoinductivos y osteointegrables lo que determina los excelentes resultados que poseen en aplicaciones clínicas. La versatilidad de los vidrios bioactivos también se debe a que su composición química puede ser diseñada con una adecuada compatibilidad estructural con el sitio de la aplicación clínica que se desee, sin que el implante genere efectos perjudiciales a los tejidos circundantes lo que los hace altamente biocompatibles. En 1969 el Prof. Hench consideró la hipótesis de diseñar un nuevo material capaz de generar in vivo en su superficie una capa fosfatocálcica de hidroxiapatita similar a la apatita biológica de los huesos, de tal forma que no fuera rechazado por el cuerpo humano. Hasta ese momento eran de amplia utilización los metales y los polímeros sintéticos en la fabricación de implantes, los cuales a largo plazo, eran rechazados por el tejido viviente mediante la formación de tejido cicatricial dado que no contenían elementos similares a aquellos de los tejidos duros. Así, se diseñó el primer vidrio destinado a sustituir tejido óseo perteneciente al sistema SiO2-Na2O-CaO-P2O5 con alto contenido de iones calcio y cierto contenido de iones fósforo. Éste material demostró excelente biocompatibilidad y la habilidad de enlazarse directamente al hueso (bioactividad) de forma tan fuerte que no podía ser removido del sitio de implante sin romper el hueso. Este descubrimiento motivó al estudio del mecanismo de enlace entre este vidrio (denominado 45S5 Bioglass) y el tejido óseo, detectándose que el proceso transcurre por una serie de reacciones consecutivas que guían a la liberación de especies iónicas solubles y a la formación de una bicapa de sílice de alta área superficial e hidroxicarbonatoapatita (HCA) policristalina sobre la superficie del vidrio. Seguidamente, se incrementa la adsorción y desorción de factores de crecimiento, así como la adhesión, proliferación y diferenciación de osteoblastos que posibilitan la mineralización de la matriz ósea. Finalmente, ocurre la maduración de los osteoblastos a osteocitos, los que quedan encapsulados en la matriz de colágeno-HCA generada por ellos en un proceso que forma parte de la creación de nuevo hueso (osteogénesis). Dada la alta reactividad del 45S5 Bioglass demostrada in vivo, hasta el momento se han llevado a cabo múltiples investigaciones que han permitido el desarrollo de diversos vidrios y vitrocerámicas bioactivas de diferentes composiciones químicas. Actualmente, la investigación en esta temática comprende el estudio de los vidrios convencionales basados en sílice (tipo Bioglass), los vidrios basados en fosfatos, los vidrios basados en boratos, así como los vidrios metálicos. La diversidad en composición y propiedades de los biovidrios y sus derivados vitrocerámicos ha propiciado una gran variedad de aplicaciones en biomedicina. Como piezas (monolitos) estos materiales se han utilizado en la sustitución directa de hueso y en implantes dentales. En forma de partículas, se han empleado principalmente para el relleno directo de cavidades óseas, también como rellenos de matrices poliméricas en el desarrollo de materiales compuestos o como recubrimientos de implantes metálicos para favorecer la unión tejido-implante. Además, estos materiales resultan apropiados para el desarrollo de matrices tridimensionales 3D (andamios) con porosidad interconectada para la Ingeniería de Tejidos obteniéndose sustratos que además de ser bioactivos usualmente poseen mejores propiedades mecánicas que aquellos basados en polímeros biodegradables. Entre otras ventajas de los vidrios bioactivos y de las cerámicas vítreas, ha sido reportado que ellos estimulan la revascularización, la adhesión osteoblástica, la actividad enzimática y la diferenciación de células mesenquimales a células osteoblásticas, aspectos todos necesarios en la formación de nuevo hueso. En este trabajo se hace un resumen del estado del arte de los principales tipos de vidrios bioactivos y vitrocerámicas que se investigan y emplean en la actualidad para la sustitución de los tejidos duros del cuerpo humano. Se exponen también algunos de los métodos más habituales de fabricación, ventajas y desventajas, así como ejemplos de aplicaciones clínicas, desarrollos recientes y perspectivas futuras. Métodos de fabricación de biovidrios y vitrocerámicas Los vidrios son materiales cerámicos no cristalinos por tanto poseen una estructura amorfa. Se obtienen generalmente por fusión de una mezcla de óxidos o carbonatos (en proporciones estequiométricas) y posterior enfriamiento brusco de la masa fundida (melt quenching). El polvo de partida se mezcla apropiadamente y se funde a altas temperaturas, Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 46, pp. 137-147, 2015. 139 luego se vierte en moldes con las geometrías deseadas o se vierte sobre platos metálicos para obtener fritas. Finalmente, se realiza un recocido de las piezas a temperaturas cercanas a la temperatura de transición vítrea para remover las tensiones internas. Los biovidrios también pueden obtenerse a través del método Sol-Gel en el cual se utilizan precursores que se transforman a través de etapas de hidrólisis, policondensación, gelación, secado y deshidratación en la conformación del material amorfo. Los vidrios obtenidos a través del proceso Sol-Gel poseen nanoporos y ello incrementa extraordinariamente el área superficial de las partículas haciéndolas más reactivas. La velocidad de biodegradación de los vidrios Sol-Gel es mayor que la de los vidrios obtenidos por melt quenching de igual composición y poseen la ventaja de que su velocidad de conversión a hidroxiapatita resulta superior (horas) lo cual abre nuevas posibilidades de aplicaciones. Estructuras mesoporosas también pueden ser elaboradas por esta ruta lo que incrementa las opciones para la liberación sostenida de principios activos. Asimismo, la pureza de los vidrios Sol-Gel resulta alta, poseen gran homogeneidad y se requiere una menor temperatura en el proceso de fabricación. Sin embargo, las propiedades mecánicas de los andamios tridimensionales desarrollados a partir de polvos obtenidos por Sol-Gel es baja (2-3 MPa) por lo que sus aplicaciones en este campo se reducen a zonas corporales que reciban pocos esfuerzos mecánicos. La Fig. 1 muestra una representación esquemática de los procesos de melt quenching y Sol-Gel. Otro grupo de vidrios también utilizado en implantología son los llamados vidrios metálicos (glassy metal), lo cual hace referencia a materiales metálicos con una estructura interna sin orden atómico como la de los vidrios. Para lograr una estructura amorfa en una aleación metálica se requiere de una velocidad de enfriamiento suficientemente rápida para “congelar” la estructura desordenada que posee el material fundido, así como, la adición de elementos inhibidores de la cristalización en la composición química a la aleación. La velocidad de enfriamiento debe ser extraordinariamente rápida (más de un millón de grados por segundo) lo que imposibilita la producción de estos materiales a gran escala. Esta forma de obtener los vidrios metálicos permite principalmente la obtención de cintas, bandas o cables dada la posibilidad de extraer de estas formas geométricas el calor a una velocidad suficientemente grande. Dentro de estas tecnologías destaca el hilado de fundidos (melt spinning) donde el enfriamiento de la aleación fundida tiene lugar en un cilindro metálico de alta conductividad térmica y que gira a velocidades tangenciales altas, Fig. 2. Fig. 1. Representación esquemática del método de obtención de vidrios: A) Método Melt quenching, B) Método de Sol-Gel Mezcla A) B) Vidrio Mezcla de Óxidos (Óxidos formadores de red, Ej.: SiO2, P2O5) (Óxidos modificadores de la red, Ej.: CaO, Na2O) (Óxidos intermedios, Ej.: Al2O3, Fe2O3) Fusión Enfriamiento

4 Figures and Tables

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@inproceedings{seos2015VaniaC, title={Vania Caldas - de - Sousa * * * , Luis}, author={tejidos {\'o}seos and Lizette Morej{\'o}n-Alonso and Maria Pau M Ginebra}, year={2015} }