Estrategias biomiméticas para el desarrollo de andamios cerámicos de tercera generación con aplicación en ingeniería de tejido óseo

Abstract

El desarrollo de biomateriales para regeneración ósea, ha atraído un gran interés a lo largo de las últimas décadas, como alternativa a los métodos tradicionales de reparación de defectos óseos. En particular, los materiales cerámicos como el HA y el ß-TCP, han sido extensivamente estudiados para su uso en ingeniería de tejido óseo, gracias a su excelente biocompatibilidad, bioactividad y osteoconductividad, sin embargo, estos materiales poseen una limitada osteoinductividad. Por este motivo, en los últimos años se han desarrollado estrategias biomiméticas basadas en el proceso natural de regeneración ósea, con el fin de mejorar esta propiedad fundamental para su uso como materiales de sustitución.

En base a este objetivo, en la presente Tesis Doctoral, se propone el desarrollo e implementación de diferentes estrategias biomiméticas, con la finalidad de incrementar el potencial osteogénico de andamios cerámicos porosos 3D. En este sentido, se han sintetizado andamios cerámicos multicapa, obtenidos mediante el proceso sol-gel, combinado con la técnica de replicación de esponja polimérica. El núcleo de los andamios fue desarrollado utilizando una composición perteneciente al sistema SiO2-CaO-P2O5 y, posteriormente, fue recubierto con composiciones dopadas con iones de estroncio (1 %) o magnesio (3 %) para las capas externas, con el fin de estimular su bioactividad. Los andamios resultantes presentaban una estructura porosa interconectada, con una porosidad en torno al 37 % y una resistencia a la compresión de 0.46 ¿ 1.98 MPa, valores considerados adecuados para su uso como materiales de sustitución.

La primera de las estrategias biomiméticas investigadas fue la modificación de la topografía superficial de los andamios, ya que numerosos estudios han demostrado que es posible regular el comportamiento celular mediante la implementación de patrones topográficos, con diferentes formas y disposiciones, en la superficie del material. Aplicando la técnica de grabado químico, se logró generar un patrón topográfico en forma de surcos y crestas sobre la superficie de los andamios. Los surcos y las crestas fueron generados a consecuencia de la diferente susceptibilidad al ataque químico de las fases constituyentes (CPP y ß-TCP), así como a la distribución lamelar de las mismas. El tamaño de los surcos y las crestas se encontraba en el rango nano-/micrométrico, con unas dimensiones de 900 nm ¿ 1.5 ¿m de anchura y 200 ¿ 300 nm de profundidad. De acuerdo con estudios previos, estas dimensiones son adecuadas para promover la adhesión, el alineamiento y la diferenciación celular.

La segunda de las estrategias biomiméticas investigadas fue el desarrollo de un sistema de liberación controlada, con aplicación en el transporte de medicamentos osteogénicos, en forma de esferas huecas incorporadas a la superficie de los andamios. Las esferas huecas de SrP fueron sintetizadas utilizando el método hidrotermal, optimizando el proceso de síntesis mediante el ajuste de los principales parámetros de la reacción como la temperatura, el tiempo de reacción y la concentración de los precursores utilizados. Las esferas obtenidas presentaban un tamaño de 600 nm ¿ 1 ¿m, con un área superficial específica de 30.5 m2/g y un tamaño medio de poro de 3.8 nm, características adecuadas para el transporte de diferentes sustancias terapéuticas.

Tras su obtención, las esferas fueron exitosamente incorporadas a los andamios cerámicos, quedando distribuidas de manera homogénea por toda la superficie de los mismos. Además, las esferas mostraron una buena estabilidad in vitro, permaneciendo adheridas tras 14 días de inmersión en SBF. La combinación de la capacidad de los andamios cerámicos para soportar el crecimiento del nuevo tejido, junto con la liberación local de las sustancias terapéuticas contenidas en el interior de las esferas, representa una estrategia prometedora para su uso como materiales de sustitución en ingeniería de tejido óseo.

Independientemente de la estrategia biomimética aplicada, los andamios mostraron bioactividad a los pocos días de inmersión en SBF. Además, cuando estos fueron dopados con iones con capacidad de estimular la bioactividad, como el estroncio y el magnesio, la duración de la misma se incrementó hasta los 21 días. Por tanto, la modificación de la topografía superficial no afectó a la capacidad de intercambio iónico de los andamios, permitiendo la precipitación de apatito sobre la superficie de los mismos, característica esencial para la adecuada osteointegración de los andamios con el tejido nativo.

En conclusión, en esta investigación se obtuvieron andamios cerámicos con mayor potencial osteoinductivo, mediante la implementación de estrategias biomiméticas, basadas en la modificación de la topografía superficial de los andamios. De esta manera, se han desarrollado andamios multifuncionales, que permitirían no solo actuar como soporte físico para el crecimiento del nuevo tejido, si no también promover activamente su formación mediante la estimulación de la proliferación y la diferenciación celular, mejorando de esta manera el proceso de regeneración ósea.