Bioglass 45S5 o fosfosilicato de sodio y calcio , es un vidrio bioactivo compuesto específicamente de 45 % en peso de SiO 2 , 24,5 % en peso de CaO, 24,5 % en peso de Na 2 O y 6,0 % en peso de P 2 O 5 . [1] Las aplicaciones típicas de Bioglass 45S5 incluyen: biomateriales de injerto óseo , reparación de defectos periodontales, reparación craneal y maxilofacial, cuidado de heridas, control de 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 para la composición original 45S5. Por lo tanto, solo debe usarse en referencia a la composición 45S5 y no como un término general para los vidrios bioactivos. [3] Bioglass 45S5 está disponible comercialmente bajo el nombre comercial registrado NovaMin , que es propiedad de la compañía farmacéutica GlaxoSmithKline . NovaMin es un vidrio bioactivo que se ha molido en una partícula fina con un tamaño medio de menos de 20 μm. Puede reducir la hipersensibilidad de la dentina al bloquear los túbulos dentinarios abiertos y al suministrar calcio (Ca 2+ ) y fosfato ( PO3−4) 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 en su lugar. [4]
El vidrio bioactivo 45S5 es de color blanco y se presenta en forma de polvo, con partículas con un tamaño medio de menos de 20 μm. 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 se componen comúnmente de materiales a base de sílice con otros aditivos menores. En comparación con el vidrio sódico-cálcico (comúnmente utilizado, 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 SiO2 y una relación molar de 5:1 de calcio a fósforo. Esta alta relación 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 relaciones Ca:P más bajas no se unen 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 el hueso vivo.
Esta composición de vidrio bioactivo es mecánicamente blanda en comparación con otros vidrios . Se puede mecanizar , preferiblemente con herramientas de diamante, o moler hasta convertirlo en polvo. El biovidrio 45S5 debe almacenarse en un entorno seco, ya que absorbe fácilmente la humedad y reacciona con ella. [6] El biovidrio 45S5 es la primera formulación de un material artificial que se descubrió que se unía químicamente al hueso, y su descubrimiento condujo a una serie de otros vidrios bioactivos . Una de sus principales ventajas médicas es su biocompatibilidad, que se ve en su capacidad para evitar una reacción inmune y la encapsulación fibrosa. Su aplicación principal es la reparación de lesiones o defectos óseos demasiado grandes para ser regenerados por el proceso natural. [6]
El biovidrio 45S5 es importante en el campo de los materiales biomiméticos , ya que es uno de los primeros materiales completamente sintéticos que se adhieren al hueso sin problemas. Fue desarrollado por Larry L. Hench a fines de la década de 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, Hench decidió asistir a la Conferencia de Investigación de Materiales del Ejército de los EE. UU. que se celebraba en Sagamore, Nueva York, donde planeaba hablar sobre materiales electrónicos resistentes a la radiación. Comenzó a hablar sobre 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 de Hench sobre su investigación, el coronel preguntó: “Si se puede fabricar un material que sobreviva a la exposición a la radiación de alta energía, ¿se puede fabricar un material que sobreviva a la exposición del cuerpo humano?” [8] Klinker luego pasó a describir las amputaciones que había presenciado en Vietnam, que eran resultado del rechazo del cuerpo a los implantes de metal y plástico. Hench se dio cuenta de que existía la necesidad de un nuevo material 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 los Estados Unidos. Recibió financiación en 1968 y en noviembre de 1969 Hench comenzó a sintetizar pequeños rectángulos de lo que llamó vidrio 45S5. Ted Greenlee, profesor adjunto de cirugía ortopédica en la Universidad de Florida, los implantó en fémures de ratas en el Hospital de Veteranos 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 he tirado, las he empujado, he roto el hueso y todavía están adheridas 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 los 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 reemplazo de huesecillos en el 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 una extracción dental . Los materiales compuestos hechos de Bioglass 45S5 y el propio hueso del paciente se pueden utilizar para la reconstrucción ósea. [5] Se están realizando más investigaciones para el desarrollo de nuevas técnicas de procesamiento que permitan más aplicaciones del Bioglass.
El biovidrio 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 candidato excelente para ser utilizado en aplicaciones de ingeniería de tejidos. Aunque se sabe que este material es frágil, todavía se utiliza ampliamente para mejorar el crecimiento del hueso, 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 diseñadas por tejidos. [1]
El vidrio bioactivo a base de borato tiene tasas de degradación controlables para que coincidan con la velocidad a la que se forma el hueso real. Se ha demostrado que la formación ósea mejora cuando se utiliza este tipo de material. Cuando se implantó en fémures de conejo, 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 osteoconductor y osteoinductor 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 por el cual puede inducir la formación ósea. 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 existido la preocupación de si la liberación de boro en una solución en forma de iones de borato sería tóxica para el cuerpo. Se ha demostrado que en condiciones de cultivo celular estático, los vidrios de borato eran tóxicos para las células, pero no en condiciones de cultivo dinámico. [9]
En 1984, se aplicó el vidrio bioactivo a dispositivos médicos para ayudar a restaurar la audición de un paciente sordo que utilizaba Bioglass 45S5. El paciente se quedó sordo debido a una infección de oído que degradó dos de los tres huesos de su oído medio. Se diseñó un implante para reemplazar el hueso dañado y llevar el sonido desde el tímpano hasta la cóclea, restaurando la audición del paciente. Antes de que este material estuviera disponible, se utilizaban plásticos y metales porque no producían una reacción en el cuerpo; sin embargo, finalmente fallaban porque el tejido crecía alrededor de ellos después de la implantación. Se fabricó una prótesis hecha de Bioglass 45S5 para adaptarse al paciente y la mayoría de las prótesis que se fabricaron pudieron mantener la 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 que repararía las raíces de los dientes y permitiría 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 45S5 de Bioglass se puede utilizar 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 entorno acuoso podría tener una propiedad antibacteriana que es ventajosa en los procedimientos quirúrgicos periodontales . En un estudio realizado con Bioglass 45S5, se cultivaron biopelículas de Streptococcus sanguinis en partículas de vidrio inactivas y la biopelícula cultivada en Bioglass fue significativamente menor que las que estaban en el vidrio inactivo. Se concluyó que Bioglass puede reducir la colonización bacteriana, lo que podría ayudar a la osteointegración. Un vidrio bioactivo antibacteriano altamente efectivo es el S53P4, que según se ha informado exhibe una alta actividad antimicrobiana y no pareció seleccionar resistencia en las cepas microbianas probadas. [12] Los vidrios bioactivos que se derivan de sol-gel, como CaPSiO y CaPSiO II, también han exhibido propiedades antibacterianas. Los 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. También se observó en el experimento que había restos de biovidrio en forma de agujas que podrían haber roto las paredes celulares de las bacterias y haberlas vuelto 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 reducir la sensibilidad dental . [11] [14] Se han desarrollado formulaciones más avanzadas de Bioglass que contienen flúor, que proporcionan una protección más fuerte y duradera contra la sensibilidad. Se afirma que la inclusión de flúor dentro del vidrio en lugar de como un añadido soluble, como en la pasta de dientes BioMin, [15] optimiza la velocidad de desarrollo de la apatita, que protege los dientes de la sensibilidad durante hasta 12 horas. [16]
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 ocurre esta reacción se puede separar en 12 pasos. Los primeros 5 pasos están relacionados con la respuesta de Bioglass al entorno 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 en una escala 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 biovidrio. La primera es la síntesis por temple en 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 la fusión de una mezcla de óxidos como SiO2 , Na2O , CaO y P2O5 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 biovidrio 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 temple en fusión son mucho menos porosos en comparación con otros métodos de fabricación, lo que puede provocar defectos en la integración tisular cuando se implantan in vivo. [21]
El segundo método es la síntesis sol-gel de biovidrio. Este proceso se lleva a cabo a temperaturas mucho más bajas que los métodos tradicionales de fusión. Implica la creación de una solución (sol), que se compone de precursores metalorgánicos y de sales metálicas. Luego se forma un gel a través de reacciones de hidrólisis y condensación, y se somete a un tratamiento térmico para el secado, la formación de óxido y la eliminación de 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 área de superficie y grado de integración en el cuerpo. [22] [20]
Entre los métodos más nuevos se encuentran la síntesis de biovidrio por llama y microondas, que ha ido ganando atención en los últimos años. La síntesis por 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 estructuras porosas 3D. Estas estructuras porosas generalmente se preparan sinterizando partículas de vidrio que ya están formadas en la geometría 3D y permitiendo que se adhieran a las partículas en una fase de vidrio fuerte formada por una red de poros. Dado que este tipo particular de biovidrio no puede sinterizarse completamente mediante 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 inconveniente hace que sea más difícil que la tasa de degradación del andamio 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 los iones de sodio y calcio y los cambios de pH se deben a su degradación. Sin embargo, las funciones de estos iones y su toxicidad para el cuerpo no se han investigado por completo. [1]
Varios estudios han investigado métodos para mejorar la resistencia mecánica y la tenacidad del Bioglass 45S5. Estos incluyen la creación de compuestos de polímero y vidrio , que combinan la bioactividad del Bioglass con la flexibilidad relativa y la 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 al tiempo que conserva los efectos bioactivos en la superficie. Algunas de las modificaciones más notables han utilizado varias formas de carbono para mejorar las propiedades del vidrio 45S5. [25]
Por ejemplo, Touri et al. desarrollaron un método para incorporar nanotubos de carbono (CNT) en la estructura sin interferir con las propiedades bioactivas del material. Se eligieron los CNT debido a su gran relación de aspecto y alta resistencia. Al sintetizar Bioglass 45S5 en un andamio de CNT, los investigadores pudieron crear un compuesto que duplicaba 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. analizó diferentes propiedades, como la tenacidad a la fractura y la resistencia al desgaste del Bioglass 45S5. Los autores cargaron nanoplaquetas de grafeno (GNP) en la estructura de vidrio a través de un método de sinterización por plasma de chispa . Se eligió el grafeno debido a su gran área de superficie específica y resistencia, así como a su citocompatibilidad y falta de interferencia con la bioactividad del Bioglass 45S5. Los compuestos que se crearon en este experimento lograron una tenacidad a la fractura de más del doble del control. Además, las propiedades tribológicas del material mejoraron considerablemente. [25]