Bioglass 45S5 o fosfosilicato de calcio y sodio , es un vidrio bioactivo compuesto específicamente por 45% en peso de SiO2 , 24,5 % en peso de CaO, 24,5% en peso de Na2O y 6,0% en peso de P2O5 . [1] Las aplicaciones típicas de Bioglass 45S5 incluyen: biomateriales para injertos óseos , reparación de defectos periodontales, reparación craneal y maxilofacial, cuidado de heridas, control de la pérdida de sangre, estimulación de la regeneración vascular y reparación de nervios. [2]
El nombre " Bioglass " fue registrado por la Universidad de Florida como nombre de la composición original de 45S5. Por lo tanto, sólo debe utilizarse en referencia a la composición 45S5 y no como término general para los vidrios bioactivos. [3] Bioglass 45S5 está disponible comercialmente con el nombre comercial registrado NovaMin , que es propiedad de la compañía farmacéutica GlaxoSmithKline . NovaMin es vidrio bioactivo que se ha molido hasta obtener partículas finas con un tamaño medio de menos de 20 micrones. Puede reducir la hipersensibilidad de la dentina bloqueando los túbulos dentinarios abiertos y suministrando iones de calcio (Ca 2+ ) y fosfato (PO 4 3− ) para formar apatita de hidroxicarbonato (HCA), el principal componente mineral del tejido óseo en los mamíferos. NovaMin es el ingrediente activo de la pasta de dientes Sensodyne "Repair & Protect", excepto cuando se vende en los Estados Unidos, que contiene fluoruro de estaño . [4]
El vidrio bioactivo 45S5 es de color blanco y está en forma de polvo, con partículas de un tamaño medio inferior a 20 micras. Su composición química en peso es: sílice (SiO 2 ) 43-47%, óxido de calcio (CaO) 22,5-26,5%, pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ) 5-7% y óxido de sodio (Na 2 O) 22,5-26,5 %> [2]
Los vidrios son sólidos desordenados no cristalinos que comúnmente se componen de materiales a base de sílice con otros aditivos menores. En comparación con el vidrio sodocálcico (usado comúnmente, como en ventanas o botellas), Bioglass 45S5 contiene menos sílice y mayores cantidades de calcio y fósforo. El nombre 45S5 significa vidrio con 45 % en peso de SiO 2 y una proporción molar de calcio a fósforo de 5:1. Esta alta proporción de calcio a fósforo promueve la formación de cristales de apatita ; Los iones de calcio y sílice pueden actuar como núcleos de cristalización. [5] Las proporciones más bajas de Ca:P no se adhieren al hueso. [6] [7] La composición específica de Bioglass 45S5 es óptima en aplicaciones biomédicas debido a su composición similar a la de la hidroxiapatita , el componente mineral del hueso. [7] Esta similitud proporciona la capacidad de Bioglass 45S5 de integrarse con hueso vivo.
Esta composición de vidrio bioactivo es mecánicamente blanda en comparación con otros vidrios . Puede mecanizarse , preferiblemente con herramientas de diamante, o molerse hasta convertirlo en polvo. Bioglass 45S5 debe almacenarse en un ambiente seco, ya que absorbe fácilmente la humedad y reacciona con ella. [6] Bioglass 45S5 es la primera formulación de un material artificial que se une químicamente al hueso, y su descubrimiento condujo a una serie de otros vidrios bioactivos . Una de sus principales ventajas médicas es su biocompatibilidad, vista en su capacidad para evitar una reacción inmune y la encapsulación fibrosa. Su principal aplicación es la reparación de lesiones óseas o defectos demasiado grandes para ser regenerados mediante el proceso natural. [6]
Bioglass 45S5 es importante para el campo de los materiales biomiméticos como uno de los primeros materiales completamente sintéticos que se adhiere perfectamente al hueso. Fue desarrollado por Larry L. Hench a finales de los años 1960. La idea del material se le ocurrió durante un viaje en autobús en 1967. Mientras trabajaba como profesor asistente en la Universidad de Florida, el Dr. Hench decidió asistir a la Conferencia de Investigación de Materiales del Ejército de EE. UU. celebrada en Sagamore, Nueva York, donde planeaba hablar sobre materiales electrónicos resistentes a la radiación. Comenzó a hablar de su investigación con un compañero de viaje en el autobús, el coronel Klinker, que había regresado recientemente a los Estados Unidos después de servir como oficial de suministros médicos del ejército en Vietnam. [8]
Después de escuchar la descripción del Dr. Hench de su investigación, el coronel preguntó: "Si se puede fabricar un material que sobreviva a la exposición a radiación de alta energía, ¿podrá fabricar un material que sobreviva a la exposición del cuerpo humano?" [8] Klinker pasó a describir las amputaciones que había presenciado en Vietnam, que resultaron del rechazo del cuerpo a implantes de metal y plástico. Hench se dio cuenta de que se necesitaba un material novedoso que pudiera formar un vínculo vivo con los tejidos del cuerpo. [8]
Cuando Hench regresó a Florida después de la conferencia, presentó una propuesta al Comando de Diseño e Investigación Médica del Ejército de EE. UU. Recibió financiación en 1968 y, en noviembre de 1969, Hench comenzó a sintetizar pequeños rectángulos de lo que llamó vidrio 45S5. Ted Greenlee, profesor asistente de cirugía ortopédica de la Universidad de Florida, los implantó en fémures de ratas en el Hospital VA de Gainesville. Seis semanas después, Greenlee llamó a Hench y le preguntó: "Larry, ¿qué son esas muestras que me diste? No salen del hueso. Las tiré, las empujé, rompí el hueso y todavía están pegado en su lugar." [8]
Con este primer experimento exitoso nació Bioglass y se estudiaron las primeras composiciones. Hench publicó su primer artículo sobre el tema en 1971 en el Journal of Biomedical Materials Research, y su laboratorio continuó trabajando en el proyecto durante los siguientes 10 años con financiación continua del ejército de EE. UU. En 2006, se habían publicado más de 500 artículos sobre el tema de los vidrios bioactivos de diferentes laboratorios e instituciones de todo el mundo. [8] El primer uso quirúrgico exitoso de Bioglass 45S5 fue en el reemplazo de los huesecillos del oído medio como tratamiento de la pérdida auditiva conductiva , y el material continúa utilizándose en aplicaciones de reconstrucción ósea en la actualidad. [1]
Otros usos incluyen conos para implantación en la mandíbula después de la extracción de un diente . Para la reconstrucción ósea se pueden utilizar materiales compuestos hechos de Bioglass 45S5 y hueso del propio paciente. [5] Se están realizando más investigaciones para el desarrollo de nuevas técnicas de procesamiento que permitan más aplicaciones de Bioglass.
Bioglass 45S5 se utiliza en aplicaciones de mandíbula y ortopedia, de esta manera se disuelve y puede estimular el hueso natural para que se repare a sí mismo. El vidrio bioactivo ofrece buena osteoconductividad y bioactividad, puede transportar células y es biodegradable. Esto lo convierte en un excelente candidato para su uso en aplicaciones de ingeniería de tejidos. Aunque se sabe que este material es frágil, todavía se usa ampliamente para mejorar el crecimiento óseo, ya que las nuevas formas de vidrios bioactivos se basan en composiciones de borato y borosilicato. El biovidrio también se puede dopar con cantidades variables de elementos como cobre, zinc o estroncio, que pueden permitir el crecimiento y la formación de hueso sano. La formación de neocartílago también se puede inducir con vidrio bioactivo mediante el uso de un cultivo in vitro de hidrogeles sembrados con condrocitos y puede servir como sustrato subcondral para construcciones osteocondrales obtenidas mediante ingeniería tisular. [1]
El vidrio bioactivo a base de borato tiene tasas de degradación controlables para igualar la velocidad a la que se forma el hueso real. Se ha demostrado que la formación de hueso mejora cuando se utiliza este tipo de material. Cuando se implantó en fémures de conejos, el vidrio bioactivo 45S5 demostró que podía inducir la proliferación ósea a un ritmo mucho más rápido que la hidroxiapatita sintética (HA). El vidrio 45S5 también puede ser osteoconductivo y osteoinductivo porque permite el crecimiento de hueso nuevo a lo largo de la interfaz hueso-implante, así como dentro de la interfaz hueso-implante. Se han realizado estudios para determinar el proceso mediante el cual puede inducir la formación de hueso. Se demostró que el vidrio 45S5 se degrada y libera iones de sodio, así como sílice soluble; se dice que la combinación de todos estos iones produce hueso nuevo. El biovidrio de borato ha demostrado que puede favorecer la proliferación y diferenciación celular in vitro e in vivo. También ha demostrado que es adecuado para usarse como sustrato para la liberación de fármacos en el tratamiento de infecciones óseas. Sin embargo, ha habido preocupación sobre si la liberación de boro en una solución como iones de borato será tóxica para el cuerpo. Se ha demostrado que en condiciones de cultivo celular estáticas, los vidrios de borato eran tóxicos para las células, pero no en condiciones de cultivo dinámicas. [9]
Se aplicó vidrio bioactivo a dispositivos médicos para ayudar a restaurar la audición a un paciente sordo utilizando Bioglass 45S5 en 1984. La paciente quedó sorda debido a una infección del oído que degradó dos de los tres huesos de su oído medio. Se diseñó un implante para reemplazar el hueso dañado y transportar el sonido desde el tímpano a la cóclea, restaurando la audición del paciente. Antes de que este material estuviera disponible, se utilizaban plásticos y metales porque no producían reacción en el cuerpo; sin embargo, finalmente fracasaron porque el tejido crecería a su alrededor después de la implantación. Se fabricó una prótesis compuesta por Bioglass 45S5 a la medida del paciente y la mayoría de las prótesis que se fabricaron lograron mantener su funcionalidad después de 10 años. [10] El implante de mantenimiento de cresta endoósea hecho de Bioglass 45S5 era otro dispositivo que podía insertarse en los sitios de extracción de dientes para reparar las raíces de los dientes y permitir una cresta estable para las dentaduras postizas. [11]
Otro campo en el que se ha investigado el uso del vidrio bioactivo es la reconstrucción del esmalte dental , que ha demostrado ser una tarea difícil en el campo de la odontología. El esmalte está formado por una microestructura jerárquica muy organizada de nanocristales de hidroxiapatita carbonatada. Se ha informado que la pasta de ácido fosfórico Bioglass 45S5 se puede usar para formar una capa de interacción que puede obstruir los orificios de los túbulos dentinarios y, por lo tanto, puede ser útil en el tratamiento de lesiones de hipersensibilidad dentinaria . [11] Este material en un ambiente acuoso podría tener una propiedad antibacteriana que es ventajosa en procedimientos quirúrgicos periodontales . En un estudio realizado con 45S5 Bioglass, se cultivaron biopelículas de S. sanguis en partículas de vidrio inactivo y la biopelícula cultivada en Bioglass fue significativamente menor que la del vidrio inactivo. Se concluyó que Bioglass puede reducir la colonización bacteriana, lo que podría ayudar a la osteointegración. Un vidrio bioactivo antibacteriano altamente eficaz es el S53P4, que se ha informado que exhibe una alta actividad antimicrobiana y no pareció seleccionar resistencia en las cepas microbianas analizadas. [12] Los vidrios bioactivos derivados de sol-gel, como CaPSiO y CaPSiO II, también han exhibido propiedades antibacterianas. Estudios realizados con S. epidermidis y E. coli cultivadas con vidrio bioactivo han demostrado que el vidrio bioactivo 45S5 tiene una resistencia antibacteriana muy alta. En el experimento también se observó que había restos de biovidrio en forma de agujas que podrían haber roto las paredes celulares de las bacterias y dejarlas inactivas. [13]
GlaxoSmithKline utiliza este material como ingrediente activo en la pasta de dientes bajo el nombre comercial NovaMin , que puede ayudar a reparar pequeños agujeros y disminuir la sensibilidad dental . [11] [14] Se han desarrollado formulaciones de Bioglass más avanzadas que contienen fluoruro, que brindan una protección más fuerte y duradera contra la sensibilidad. Se afirma que la inclusión de fluoruro dentro del vidrio en lugar de una adición soluble, como la pasta de dientes BioMin, [15] optimiza la tasa de desarrollo de apatita, que protege los dientes de la sensibilidad por hasta 12 horas. [dieciséis]
Cuando se implanta, Bioglass 45S5 reacciona con el fluido fisiológico circundante, provocando la formación de una capa de apatita carbonatada de hidroxilo (HCA) en la superficie del material. La capa de HCA tiene una composición similar a la hidroxiapatita , la fase mineral del hueso, una cualidad que permite una fuerte interacción e integración con el hueso. El proceso por el cual se produce esta reacción se puede dividir en 12 pasos. Los primeros 5 pasos están relacionados con la respuesta del Bioglass al ambiente dentro del cuerpo y ocurren rápidamente en la superficie del material durante varias horas. [17] Los pasos de reacción 6 a 10 detallan la reacción del cuerpo a la integración del biomaterial y el proceso de integración con el hueso. Estas etapas ocurren a lo largo de varias semanas o meses. [18] Los pasos se separan de la siguiente manera: [17] [18]
Existen dos técnicas de fabricación principales que se utilizan para la síntesis de Bioglass. El primero es la síntesis de enfriamiento por fusión, que es la tecnología de fabricación de vidrio convencional utilizada por Larry Hench cuando fabricó el material por primera vez en 1969. Este método incluye fundir una mezcla de óxidos como SiO 2 , Na 2 O, CaO y P 2 O. 5 a altas temperaturas generalmente superiores a 1100-1300 °C. [20] Se utilizan crisoles de platino o aleación de platino para evitar la contaminación, que interferiría con la reactividad química del producto en el organismo. El recocido es un paso crucial en la formación de piezas a granel, debido a la alta expansión térmica del material. El tratamiento térmico del Bioglass reduce el contenido de óxido de metal alcalino volátil y precipita cristales de apatita en la matriz de vidrio. Sin embargo, los andamios que resultan de las técnicas de enfriamiento rápido son mucho menos porosos en comparación con otros métodos de fabricación, lo que puede provocar defectos en la integración del tejido cuando se implantan in vivo. [21]
El segundo método es la síntesis sol-gel de Bioglass. Este proceso se lleva a cabo a temperaturas mucho más bajas que los métodos de fusión tradicionales. Implica la creación de una solución (sol), que está compuesta de precursores organometálicos y de sales metálicas. Luego se forma un gel mediante reacciones de hidrólisis y condensación, y se somete a un tratamiento térmico para secarlo, formar óxido y eliminar la materia orgánica. Debido a las temperaturas de fabricación más bajas utilizadas en este método, existe un mayor nivel de control sobre la composición y homogeneidad del producto. Además, los biovidrios sol-gel tienen una porosidad mucho mayor, lo que conduce a una mayor superficie y grado de integración en el cuerpo. [22] [20]
Los métodos más nuevos incluyen la síntesis de biovidrio por llama y microondas, que ha estado ganando atención en los últimos años. La síntesis de llama funciona horneando los polvos directamente en un reactor de llama. [23] La síntesis por microondas es un método de síntesis de polvo rápido y de bajo costo en el que los precursores se disuelven en agua, se transfieren a un baño ultrasónico y se irradian. [24]
Una desventaja del uso de Bioglass 45S5 es que es difícil procesarlo en andamios 3D porosos. Estos andamios porosos generalmente se preparan sinterizando partículas de vidrio que ya están formadas en la geometría 3D y permitiéndoles unirse a las partículas en una fuerte fase de vidrio formada por una red de poros. Dado que este tipo particular de biovidrio no puede sinterizarse completamente mediante un flujo viscoso por encima de su Tg , y su Tg está cerca del inicio de la cristalización, es difícil sinterizar este material en una red densa. [1]
El vidrio 45S5 también tiene una degradación lenta y una tasa de conversión a un material similar al HA. Este revés hace que sea más difícil que la tasa de degradación del armazón coincida con la tasa de formación de tejido. Otra limitación es que el entorno biológico puede verse fácilmente influenciado por su degradación. Los aumentos de iones de sodio y calcio y el cambio de pH se deben a su degradación. Sin embargo, no se han investigado completamente las funciones de estos iones y su toxicidad para el cuerpo. [1]
Varios estudios han investigado métodos para mejorar la resistencia mecánica y la tenacidad de Bioglass 45S5. Estos incluyen la creación de compuestos de polímero y vidrio , que combinan la bioactividad del biovidrio con la relativa flexibilidad y resistencia al desgaste de diferentes polímeros. Otra solución es recubrir un implante metálico con Bioglass, que aprovecha la resistencia mecánica del material a granel del implante y al mismo tiempo conserva los efectos bioactivos en la superficie. Algunas de las modificaciones más notables han utilizado diversas formas de carbono para mejorar las propiedades del vidrio 45S5. [25]
Por ejemplo, Touri et al. desarrolló un método para incorporar nanotubos de carbono (CNT) en la estructura sin interferir con las propiedades bioactivas del material. Se eligieron los CNT por su gran relación de aspecto y su alta resistencia. Al sintetizar Bioglass 45S5 en un andamio de CNT, los investigadores pudieron crear un compuesto que duplicó con creces la resistencia a la compresión y el módulo elástico en comparación con el vidrio puro. [26]
Otro estudio realizado por Li et al. examinó diferentes propiedades, como la tenacidad a la fractura y la resistencia al desgaste de Bioglass 45S5. Los autores cargaron nanoplaquetas de grafeno (GNP) en la estructura de vidrio mediante un método de sinterización por plasma por chispa . Se eligió el grafeno debido a su alta superficie específica y resistencia, así como por su citocompatibilidad y falta de interferencia con la bioactividad de Bioglass 45S5. Los compuestos que se crearon en este experimento lograron una tenacidad a la fractura de más del doble que el control. Además, se mejoraron enormemente las propiedades tribológicas del material. [25]