Síntesis y caracterización de estructuras cerámicas porosas 3d multicapa obtenidas mediante el proceso sol-gel para aplicación en ingeniería de tejido óseo

Abstract

El uso de injertos óseos se ha convertido en una práctica habitual en la regeneración de hueso enfermo, o hueso con problemas derivados de traumatismos. Estos injertos se han desarrollado en base a diferentes tipos de materiales, siendo los cerámicos los más destacados por su similitud con el componente mineral del hueso. Sin embargo, debido a la complejidad estructural y funcional del hueso, estructuras formadas por una única composición química, difícilmente pueden desempeñar la función de injerto óseo. Ante esta necesidad, en la presente Tesis Doctoral se propone el desarrollo de estructuras o andamios cerámicos, porosos, tridimensionales, multicapa, constituidos por un núcleo cuya composición química aporte resistencia mecánica y recubrimientos externos con composiciones que aporten bioactividad y biocompatibilidad.

El núcleo del andamio fue desarrollado con la siguiente composición química SiO2-68CaO-25P2O5-6LiO2 (% molar) y los recubrimientos externos con la siguiente composición química 29SiO2-68CaO-3P2O5 (% molar). Adicionalmente, los recubrimientos externos fueron dopados con iones de zinc, estroncio, hierro y magnesio en diferentes concentraciones y configuraciones, para estimular la bioactividad y respuesta celular. Las técnicas empleadas para la obtención de los andamios multicapa fueron el proceso sol-gel y la técnica de réplica de esponja polimérica.

Gracias a la versatilidad del proceso sol-gel, se obtuvieron tres núcleos para los andamios, partiendo de la misma composición química y variando el tiempo de calentamiento de la disolución. El primer núcleo, constituido principalmente por una mezcla de las fases CPP y TCP, se obtuvo mediante el calentamiento, durante 30 minutos, de la disolución descrita anteriormente para el núcleo. Mientras que esta disolución, calentada durante 15 minutos y 1 hora, dió lugar al segundo y tercer núcleo, formados principalmente por las fases individuales de CPP y TCP, respectivamente. La caracterización física de estos núcleos, determinó que la resistencia a la compresión y macroporosidad varía entre 0.38-2.87 MPa y 42-77.6%, dependiendo de la proporción de cada fase cristalina y la cantidad de inmersiones de la esponja de poliuretano en las distintas disoluciones.

Posteriormente, con el primer núcleo, se desarrollaron andamios multicapa, recubiertos y dopados con zinc, estroncio e hierro. Los andamios dopados con 1% zinc, presentaron un aumento de la bioactividad in vitro, en comparación con el núcleo y el recubrimiento sin dopante. No obstante, dicha bioactividad disminuyó al aumentar el dopaje al 30% zinc. En base a estos resultados, se estudiaron diferentes concentraciones de dopaje, utilizando en este caso iones de estroncio. Con estos nuevos andamios, se determinó que el dopaje entre 1% y 10% aumenta la bioactividad del andamio. Por el contrario, los dopajes mayores al 10% provocan la pérdida de la bioactividad. Por último, se observó que en el caso particular de los andamios dopados con hierro, presentaban un comportamiento variable en el tiempo, en relación a la bioactividad, con dopaje del 1%, mientras que para dopaje del 3% presentaban un comportamiento continuo.

Seguidamente, se desarrollaron andamios multicapa dopados con 1%, 3% y 10 % de magnesio, empleando los núcleos constituidos individualmente por las fases de CPP y TCP. Con estos andamios, se realizó un estudio comparativo de la influencia de las fases cristalinas del núcleo en el comportamiento general de los andamios. Los resultados demostraron que los andamios elaborados con el núcleo de CPP presentaron un comportamiento bioactivo variable en el tiempo, con apatitos que precipitan y se disuelven continuamente. Mientras que los andamios elaborados con el núcleo de TCP presentaron bioactividad constante desde el día 3 de inmersión en SBF, independientemente del porcentaje de dopaje con magnesio.

Por último, una vez conocido el comportamiento individual de los iones dopantes, se desarrollaron nuevos andamios multicapa con dopaje simultáneo de hierro, estroncio y magnesio. Además se estudió la influencia de la disposición de los iones en las propiedades de los andamios. Para ello se desarrollaron dos andamios, el primero llamado 3J, con el 3% de los iones en el mismo recubrimiento externo, y el segundo llamado 3S, con el 3% de los iones en recubrimientos externos separados. Con estos andamios se realizaron ensayos de biocompatibilidad en presencia de células MG-63, mostrando un aumento de la viabilidad celular mayor al 100%, en comparación con el núcleo de CPP. Así como también una mejor adherencia y proliferación de las células en la superficie. No obstante, a pesar de que los andamios 3J y 3S no presentaron diferencias en cuanto a la respuesta celular, la bioactividad in vitro fue distinta, el andamio 3J fue bioactivo a los 21 días, mientras que el andamio 3S fue bioactivo a los 3 días.

En conclusión, en esta investigación debido al diseño multicapa y la introducción de iones que juegan un papel fundamental en la biología del hueso, se logró obtener andamios que unifican en una única estructura diferentes propiedades. Algunas de estas propiedades son la porosidad y resistencia a la compresión comparables a las del hueso trabecular, pero además bioactividad y biocompatibilidad. Todas estas características convierten a los andamios multicapa en futuras alternativas para aplicaciones en ingeniería de tejido óseo.