Biomateriales porosos de hidroxiapatito y compuestos de HA/TCP/colágeno para regeneración ósea: obtención, caracterización y estudios experimentales in vivo

Abstract

This research work for doctoral thesis was performed using the compendium of three articles: Based on the phase equilibrium diagram P2O5-CaO, a porous single phase of hydroxyapatite (HA) prepared in three ways (amorphous low and high crystallinity) was obtained. HA is a material highly used in clinical practice and has been used as reference material in front of composite materials also developed in this PhD thesis. HA composites were mixtures thereof with tricalcium phosphate (TCP) and collagen in the proportions 40/30/30 to 50/20/30 and 60/20/20 (in% by weight) and with different granulometry: Group I (2000-4000 microns), Group II (1000-2000 microns) and Group III (600-1000 m). All materials have been synthesized in the laboratory and characterized from the point of view, physical, chemical, mechanical and mineralogical. After the characterization we proceeded to study its osteoinductive potential in an animal model of New Zealand rabbits by histological and histomorphometric studies at various stages of time after implantation. The results show that depending on the degree of crystallinity, porosity and particle size, the reference material comprising HA, behaved differently in vivo. Thus HA material with greater porosity, low crystallinity and low grain is the one with lower stability and increased rate of resorption. The porosity and pore interconnectivity has been required for diffusion of nutrients and gases into the material and the elimination of metabolic waste from the cells which have colonized the implant outward. However, the porosity adversely affects the strength of the material, so you have to reach a suitable compromise for each speciGic clinical application. All HA composites exhibit a microporous morphology in the form of aggregates of nanoparticles. Depending on their physical characteristics the in vivo behavior of the reference material has been different. Histomorphometric analysis showed that Group A greater BIC (%) at 15, 30, and 60 days (43.12 ± 0.14, 52.49 ± 1.08 and 67.23 ± 0.34) than Group B (38.84 ± 1.32; 47.64 ± 1.21 and 54.87 ± 0.32), followed by the C group (28.92 ± 2.41, 35.94 ± 1.92 and 48.53 ± 0.31). SEM analysis showed that the group III presented numerous regions of resorption, whereas group II showed a level intermediate resorption with respect to the other two study groups. Group I showed the characteristics of smoother surface as compared to the other two groups. Also, the presence of collagen in biomaterials studied succeeded in raising the bioactivity of these materials compared with a lower proportion of collagen and especially compared with the reference material without the presence of collagen. As a general conclusion of the work done in this Doctoral Thesis we can say that the data from this study show that changing the size, porosity and crystallinity of a bone substitute material based on HA can inGluence the integration of biomaterials at the site of implantation and new bone formation. So that we can design individualized biomaterials depending on the condition to being treated.

Este trabajo de investigación para Tesis Doctoral fue realizado mediante el compendio de tres artículos: En base al diagrama de equilibrio de fases P2O5-CaO, se obtuvo un material sintético poroso monofásico de hidroxiapatita (HA) que se preparó en tres formas (amorfo, de baja cristalinidado y de alta cristalinidad). El HA es un material altamente utilizado en clínica y se ha utilizado como material de referencia frente a los materiales compuestos de HA también desarrollados en la presente Tesis Doctoral. Los materiales compuestos de HA fueron mezclas de éste con fosfato tricalcico (TCP) y colágeno en las proporciones 40/30/30 a 50/20/30 y 60/20/20 (en % en peso) y con distinta granulometria: Grupo I (2000 hasta 4000 micras), Grupo II (1000-2000 micras ) y Grupo III (600-1000 m). Todos los materiales han sido sintetizados en el laboratorio y caracterizados desde el punto de vista, Gisico, quimico, mecánico y mineralogico. Una vez caracterizados se ha procedido a estudiar su potencial osteoinductivo en un modelo animal de conejos de Nueva Zelanda mediante estudios histológicos e histomorfométrico en diversas etapas de tiempo después de su implantación. Los resultados ponen de maniGiesto que dependiendo del grado de cristalinidad, porosidad y granulometría, el material de referencia compuesto por HA, se ha comportado in vivo de diferente forma. Así el material de HA con mayor porosidad, baja cristalinidad y baja granulometría es el que presenta menor estabilidad y la mayor tasa de reabsorción. La porosidad e interconectividad de poros ha sido necesaria para la difusión de nutrientes y gases hacia el interior del material y la eliminación de los residuos metabólicos de las células que han colonizado el implante hacia el exterior. Sin embargo, la porosidad inGluye negativamente sobre la resistencia mecánica del material, de modo que hay que alcanzar un compromiso adecuado para cada aplicación clínica concreta. En cuanto a los materiales compuestos de HA, todos ellos presentan una morfología micro porosa en forma de agregados de nanoparticulas. Dependiendo de sus características Gísicas el comportamiento in vivo, al igual que ha pasado el material de referencia, ha sido distinto. El análisis histomorfométrico que el Grupo A mostró un mayor BIC (%) a los 15, 30, y 60 días (43.12 ± 0,14; 52,49 ± 1.08 y 67.23 ± 0.34) que el Grupo B (38.84 ± 1.32; 47.64 ± 1,21 y 54,87 ± 0,32), seguido por el Grupo C (28,92 ± 2,41; 35,94 ± 1,92 y 48,53 ± 0,31). El análisis por SEM mostró que el grupo III presentó numerosas regiones de resorción, mientras que el grupo II presentó un índice de resorción intermedio con respecto a los otros dos grupos de estudio. El grupo I mostró las características de superGicie más lisas, en comparación con los otros dos grupos. Así mismo, la presencia del colágeno en los biomateriales estudiados consiguió elevar la bioactividad de éstos en comparación con los materiales con menor proporción de colágeno y sobre todo en comparación con el material de referencia sin presencia alguna de colágeno. Como conclusión general de los trabajos realizados en la presente Tesis Doctoral se puede aGirmar que los datos de este estudio muestran que cambiando el tamaño, la porosidad y la cristalinidad de un material de sustitución ósea basado en HA se puede inGluir en la integración de los biomateriales en el sitio de implantación y la nueva formación de hueso.Con lo que podemos diseñar biomateriales a la carta dependiendo del tipo de patología a tratar.