Dr. Ing. Jesús Eduardo González Ruiz Centro Nacional de Investigaciones Científicas
RECUBRIMIENTOS BIOMIMÉTICOS DE PRÓTESIS E IMPLANTES: ACTUALIDAD Y PERSPECTIVAS
DEL MÉTODO DE TRATAMIENTO
IMPLANTES Y PRÓTESIS MÉTALICOS
INSUFICIENCIAS DE LOS IMPLANTES METÁLICOS
Pueden deteriorarse con el decursar del tiempo, haciendo necesario su reemplazo
Pueden incorporar elementos nocivos al tejido circundante
No forman enlace químico con el componen-te inorgánico del hueso
MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE RECUBRIMIENTOS BIOACTIVOS
Físicos Químicos
Combinación de métodos
Electroquímicos
RECUBRIMIENTOS BIOMIMÉTICOS
Desarrollado por Tadashi Kokubo y colaboradores a finales de los años 80
Uso de disoluciones con similar composición química que la componente inorgánica del plasma humano
Permite obtener recubrimientos con composición química y de fases similar a la componente inorgánica ósea
M. Vallet Regí. Liberación de fármacos en matrices biocerámicas: Avances y perspectivas. Cap. Matrices vítreas bioactivas pp 89 -110, 2003.
Variantes estática y dinámica del método biomimético
METALES POLÍMEROS
CERÁMICAS
POSIBLES MATERIALES A RECUBRIR
MATERIALES COMPUESTOS
VENTAJAS DEL MÉTODO BIOMIMÉTICO
No requiere de instalaciones especiales y es relativamente simple su implementación
Posibilita recubrir superficies irregularesProduce un enlace químico directo con la matriz
inorgánica del tejido óseoLos recubrimientos son homogéneos y de espesor
controlado Permite obtener cerámicas reabsorbibles No requiere de temperaturas elevadasPueden servir como soporte para la liberación
controlada de fármacos y de polímeros bioactivos
DESVENTAJAS DEL MÉTODO BIOMIMÉTICO
Requiere de superficies bioactivas
Procesos relativamente largos en algunos casos
CONCENTRACIONES DE IONES EN DIFERENTES SBF
Ion Concentración (mmoldm_3) Plasma C-SBF R-SBF I-SBF M-SBF S-SBF Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3
- HPO4
2-
SO42-
Buffer
142,0 5,0 1,5 2,5 103,0 27,0 1,0 0,5 ------
142 5,0 1,5 2,5 187,8 4,2 1,0 0,5 6,063
142 5,0 1,5 2,5 103,0 27,0 1,0 0,5 11,928
142 5,0 1,0 1,6 103,0 27,0 1,0 0,5 11,928
157a 5,0 1,5 2,5 103,0 4,2 1,0 0,5 17,892
142 5,0 1,5 2,5 165,0 27,0 1,0 0,5 6,063
A. Oyane, H.M. Kim, T. Furuya, T. Kokubo, T. Miyazaki and T. Nakamura, “Preparation and assessment of revised simulated body fluids”, J. Biomed.
Mater. Res., vol. 65A, pp. 188–195, (2003).H.M. Kim, F. Miyaji, T. Kokubo and T. Nakamura, “Preparation of bioactive
Ti and its alloys via simple chemical surface treatment”, J. Biomed. Mater. Res., vol. 32, pp. 409- 417, (1996).
Esquema de la nucleación de fosfatos de calcio en una superficie metálica sometida a tratamiento alcalino durante su inmersión en SBF
R. L Perez and et al. “Calcium Phosphate Formation on Alkali-TreatedTitanium Alloy and Stainless Steel”. Materials Research, Vol. 7, No. 2, 299-303, (2004).
Microscopia electrónica de barrido de la superficie de Ti6Al4Vatacado y posteriormente inmerso en 1.5 SBF por 7 (a) y 14 días
(b, c).
Adriana Adriana BigiBigi, et al. , et al. ““NanocrystallineNanocrystalline hydroxyapatitehydroxyapatite coatings coatings on titanium: a new fast on titanium: a new fast biomimeticbiomimetic methodmethod””. . Biomaterials. 26,
19 , 4085-4089 (2005)
10 µm 5 µm10 µm
M. Vallet Regí. Liberación de fármacos en matrices biocerámicas: Avances y perspectivas. Cap. Matrices vítreas bioactivas pp 89 -110, 2003.
Micrografía de la sección transversal de recubrimiento biomimético y EDX de su superficie
Wang X.X. et al. “A comparative study of in vitro apatite deposition on heat-, H2O2-, and NaOH-treated titanium surfaces.” J. Biomed. Mater. Res. Feb;
54(2), pp. 172-8. (2001)
Difractogramas de muestras deTitanio.
Tratamiento: H2O2/HCl, 80°C - 30 min + 400°C - 1h
+ inmersión en SBF por períodos de hasta siete días
Microscopia de fuerza atómica de substratos de Ti6Al4Vinmersos en flujo biológico simulado (SBF X 5) por: (A) 10 min
y (B) 4 h
Nano-scale study of the nucleation and growth of calciumphosphate coating on titanium implants. F. Barrere and et al.
Biomaterials 25, 2901 – 2910, (2004).
A B
CrestaValle
A
Cresta
PRINCIPALES LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN EN LOS RECUBRIMIENTOS BIOMIMÉTICOS
1. Deposición conjunta de apatitas con polímeros bioactivos
2. Uso de los recubrimientos como sistema de liberación fármacos
3. Combinación de los recubrimientos con ingeniería de tejidos
4. Intensificación
del proceso
Activación de las superficies a recubrir
Composición de las disolucio-nes y parámetros del proceso
DISOLUCIONES SOBRESATURADAS EN CALCIO Y FÓSFORO
F. Barrere, C.A. van Blitterswijk, K. de Groot and P. Layrolle, “Influence of ionic strength and carbonate on the Ca-P coating formation from SBF X 5
solution”, Biomaterials, vol. 23, pp. 1921–1930, (2002).F. Barrere, C.A. van Blitterswijk, K. de Groot and P. Layrolle, “Nucleation of
biomimetic Ca–P coatings on Ti6Al4V from a SBF×5 solution: influence of magnesium”, Biomaterials, vol. 23(10), pp. 2211-2220, (2002).
Solución NaCl MgCl2_ 6H2O
CaCl2 _2H2O
Na2HPO4 _2H2O
NaHCO3
SBF X 5 SBF X 5 (NaCl X 3) SBF X 5 (HCO3
- X 3)
733.5 440.1 33.5
7.5 7.5 7.5
12.5 12.5 12.5
5.0 5.0 5.0
21.0 21.0 0.0
Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- HPO4
2- SO4 SBF X 3 426 15,0 4,5 7,5 443,8 12,6 3,0 1,5
DISOLUCIONES SOBRESATURADAS EN CALCIO Y FÓSFORO
Masa de sales en un litro de disolución (mg)
Solución CaCl2 NaH2PO4 NaHCO3 SCS1 SCS2 SCS3
555 555 1110
600 300 300
126 126 126
F. Li, Q.L. Feng , F.Z. Cui, H.D. Li , H. Schubert, “A simple biomimetic method for calcium phosphate coating”,
Surface and Coatings Technology, 154, 88–93, (2002).
Bio
activ
idad
Capa activadora
Esquema de la sección transversal de un recubrimiento bicapa - multicomponentes
Fosfato de calcio
ACTIVACIÓN DE LAS SUPERFICIES
Substrato
Substrato a recubrir
ACTIVACIÓN DE LAS SUPERFICIES
Método de tratamiento
Fases activadoras
Qiyi Zhang, et al. A comparative study of electrochemical deposition and biomimetic deposition of calcium phosphate on porous titanium.
Biomaterials. Volume 26, Issue 16,, 2857-2865 (2005).
Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X de superficie de recubrimiento bioactivo
Difractograma de muestra de titanio después de tratada en NaOH durante 24 horas a 60 oC
T. T. KokuboKokubo et al. et al. ““SpontaneousSpontaneous FormationFormation ofof BonelikeBonelike ApatiteApatite LayerLayer ononChemicallyChemically TreatedTreated TitaniumTitanium MetalsMetals”” J. Am. Ceram. Soc.,79 (4),1127-29 (1996).
Sección transversal de recubrimiento después de
24 h de exposición en SCS
F. Li et al. “A simple biomimetic method for calcium phosphate coating”. Surface and Coatings Technology, 154, 88–93, (2002).
RESULTADOS EN LA INTENSIFICACIÓN DE LOS PROCESOS BIOMIMÉTICOS
Disminución del tiempo de formación del recubrimiento desde ≈ 1 – 3 meses hasta
3 – 24 h
CODEPOSICIÓN DE FOSFATOS DE CALCIO Y DE MEDICAMENTOS EN SBF
TOBRAMICINA
M. Stitger, K. De groot, P.L. Ayrolle: «Incorporation oftobramycin into biomimetic hydroxyapatite coating on titanium».
Biomaterials, 23, 4143-4153, (2002).
VANCOMICINA
S. Radin, J.T. Campbell, P. Ducheyne and J. Cuckler: «Calciumphosphate ceramic coatings as carrier of vancomycin».
Biomaterials, 18, 777-782, (1997).
GENTAMICINA, CEFALEXINA, AMOXICILINA
M.. Stigter and et al. “Incorporation of different antibiotics intocarbonated hydroxyapatite coatings on titanium implants, release
and antibiotic efficacy”. Journal of Controlled ReleaseVolume 99, Issue 1, 127-137, (2004).
USO DE BIOMOLÉCULAS
ALBÚMINAY. Liu and et al, “Biomimetic coprecipitation of calcium phosphateand bovine serum albumin in calciumphosphate on titanium alloy”.
J. Biomed. Mater. Res., 57, 327-335, (2001).H.B. Wen and et al: “Incorporation of bovine serum albumin in calcium phosphate coating on titanium alloy”. J. Biomed. Mater.
Res., 46 (2), 245-252, (1999).COLÁGENO
Chen Y, Mak A, Wang M, Li J. “Composite coating of bonelike apatite particles and collagen fibers on poly L-lactic acid formed through an accelerated biomimetic coprecipitation process”. J
Biomed Mater Res B Appl Biomater 77(2), 315-22 (2006)PROTEÍNA MORFOGENETICA DEL HUESO
Liu Y, de Groot K, Hunziker E. “BMP-2 liberated from biomimeticimplant coatings induces and sustains direct ossification in an
ectopic rat model. Bone”. Epub 36(5), 745-57, (2005).
Microscopia electrónica de barrido de capa biomimética de fosfato de calcio. A) En ausencia de albúmina. B) En presencia de albúmina
(concentración de 0,01 µg/ml)
Y. Liu and et al: “Biomimetic coprecipitation of calcium phosphate andbovine serum albumin in calcium phosphate on titanium alloy”. J. Biomed.
Mater. Res., 57, 327-335, (2001).
A B
Microfotografía de la sección transversal de implante recubierto mediante el método biomimético y del tejido óseo circundante
E.C.S. Rigo et al. “Evaluation in vitro and in vivo of biomimetichydroxyapatite coated on titanium dental implants. ” Materials Science andEngineering C 24, 647–651, (2004).
Capa biomimética
Hueso nuevo
EL FUTUROIncremento de los substratos a tratar
mediante procesos de activación superficialOptimización de los procesos de codeposición de fosfatos de calcio con medicamentos o con polímeros bioactivosProcesos de deposición conjunta de fosfatos de calcio – medicamento – polímero(s) bioactivo(s)Incrementos en el uso de combinaciones de
los recubrimientos con ingeniería de tejidos
M. Vallet Regí y col. Liberación de fármacos en matrices biocerámicas: Avances y perspectivas. Cap. Liberación de fármacos a partir de recubrimientos biocerámicos sobre metales pp 171 -202, 2003.
M. Vallet Regí y col. Liberación de fármacos en matrices biocerámicas: Avances y perspectivas. Cap. Liberación de fármacos a partir de recubrimientos biocerámicos sobre metales pp 171 -202 , 2003.