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.