Los vidrios bioactivos son un grupo de biomateriales vitrocerámicos reactivos en superficie e incluyen el vidrio bioactivo original, Bioglass . La biocompatibilidad y bioactividad de estos vidrios ha llevado a que se utilicen como dispositivos de implante en el cuerpo humano para reparar y reemplazar huesos enfermos o dañados . [2] La mayoría de los vidrios bioactivos son vidrios a base de silicato que son degradables en los fluidos corporales y pueden actuar como vehículo para liberar iones beneficiosos para la curación. El vidrio bioactivo se diferencia de otros biomateriales sintéticos para injertos óseos (p. ej., hidroxiapatita , fosfato cálcico bifásico, sulfato de calcio), en que es el único con propiedades antiinfecciosas y angiogénicas . [3]
Larry Hench y sus colegas de la Universidad de Florida desarrollaron por primera vez estos materiales en 1969 [4] y su equipo de investigación del Imperial College de Londres y otros investigadores de todo el mundo los desarrollaron aún más . Hench comenzó el desarrollo presentando una propuesta de hipótesis al comando de Investigación y Desarrollo Médico del Ejército de los Estados Unidos en 1968 basada en su teoría de que el cuerpo rechaza el material metálico o polimérico a menos que sea capaz de formar una capa de hidroxiapatita que se encuentra en el hueso. [5] Hench y su equipo recibieron financiación por un año y comenzaron el desarrollo de lo que se convertiría en la composición 45S5. [5] 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. [6]
Mediante el uso de un diagrama de fases, Hench eligió una composición de 45% , 24,5% , 24,5% y 6% para permitir una gran cantidad y algo en una matriz. [5] El vidrio se mezcló, se fundió y se moldeó en pequeños implantes rectangulares para ser insertados en el hueso femoral de ratas durante seis semanas, según lo desarrollado por el Dr. Ted Greenlee de la Universidad de Florida. [5] Después de seis semanas, el Dr. Greenlee informó: "Estos implantes cerámicos no se salen del hueso. Están adheridos en su lugar. Puedo empujarlos, puedo empujarlos, puedo golpearlos y no se mueven. Los controles se deslizan fácilmente." [5] Estos hallazgos fueron la base del primer artículo sobre el vidrio bioactivo 45S5 en 1971, que resumía que los experimentos in vitro en una solución deficiente en iones calcio y fosfato mostraban una capa desarrollada de hidroxiapatita similar a la hidroxiapatita observada más tarde in vivo por el Dr. Greenlee. .
Científicos de Ámsterdam, Países Bajos, tomaron cubos de vidrio bioactivo y los implantaron en las tibias de conejillos de indias en 1986. [7] Después de 8, 12 y 16 semanas de implantación, los conejillos de indias fueron sacrificados y se extrajeron sus tibias. [7] Luego, los implantes y las tibias se sometieron a una prueba de resistencia al corte para determinar las propiedades mecánicas del implante al límite óseo, donde se encontró que tenía una resistencia al corte de 5 N/mm 2 . [7] La microscopía electrónica mostró que los implantes cerámicos tenían restos óseos firmemente adheridos a ellos. [7] Una microscopía óptica adicional reveló un crecimiento de células óseas y vasos sanguíneos dentro del área del implante, lo que era una prueba de biocompatibilidad entre el hueso y el implante. [7]
El vidrio bioactivo fue el primer material que creó un fuerte vínculo con el tejido óseo vivo. [8]
La espectroscopía de RMN de estado sólido ha resultado muy útil para determinar la estructura de sólidos amorfos . Los vidrios bioactivos se han estudiado mediante espectroscopia de RMN MAS de estado sólido de 29 Si y 31 P. El cambio químico de MAS NMR es indicativo del tipo de especies químicas presentes en el vidrio. La espectroscopia de RMN MAS de 29 Si mostró que Bioglass 45S5 era una estructura de tipo Q2 con una pequeña cantidad de Q3; es decir, cadenas de silicato con algunos enlaces cruzados. La RMN 31 P MAS reveló especies predominantemente Q0; es decir , PO43- ; mediciones posteriores de espectroscopía MAS NMR han demostrado que los enlaces Si-OP están por debajo de niveles detectables [9]
Ha habido muchas variaciones de la composición original que fue aprobada por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) y denominada Bioglass. Esta composición se conoce como Bioglass 45S5 . Las composiciones incluyen:
La composición se seleccionó originalmente por ser aproximadamente eutéctica . [11]
El nombre 45S5 significa vidrio con 45% en peso de SiO 2 y una proporción molar de calcio a fósforo de 5:1. Las proporciones Ca/P más bajas no se adhieren al hueso. [12]
Las características clave de la composición del Bioglass es que contiene menos del 60% en moles de SiO 2 , altos contenidos de Na 2 O y CaO, alta relación CaO/P 2 O 5 , lo que hace que el Bioglass sea altamente reactivo al medio acuoso y bioactivo.
La alta bioactividad es la principal ventaja del Bioglass, mientras que sus desventajas incluyen debilidad mecánica y baja resistencia a la fractura debido a la red de vidrio bidimensional amorfa . La resistencia a la flexión de la mayoría de los biovidrios está en el rango de 40 a 60 MPa , lo que no es suficiente para aplicaciones de carga. Su módulo de Young es de 30 a 35 GPa, muy cercano al del hueso cortical , lo que puede ser una ventaja. Los implantes de biovidrio se pueden utilizar en aplicaciones sin carga, para implantes enterrados cargados ligeramente o compresivamente. El biovidrio también se puede utilizar como componente bioactivo en materiales compuestos o en polvo y se puede utilizar para crear un tabique artificial para tratar perforaciones causadas por el abuso de cocaína. No tiene efectos secundarios conocidos. [11]
El primer uso quirúrgico exitoso de Bioglass 45S5 fue para reemplazar los huesecillos del oído medio , como tratamiento de la pérdida auditiva conductiva . La ventaja del 45S5 es que no tiene tendencia a formar tejido fibroso. Otros usos son los conos para su 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. [11]
El biovidrio es comparativamente blando en comparación con otros vasos. Puede mecanizarse , preferiblemente con herramientas de diamante, o molerse hasta convertirlo en polvo. El biovidrio debe almacenarse en un ambiente seco, ya que absorbe fácilmente la humedad y reacciona con ella. [12]
Bioglass 45S5 se fabrica mediante tecnología de fabricación de vidrio convencional, utilizando crisoles de platino o aleación de platino para evitar la contaminación. Los contaminantes interferirían con la reactividad química 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. El material vitrocerámico resultante, denominado Ceravital, tiene mayor resistencia mecánica y menor bioactividad. [13]
La fórmula de S53P4 se desarrolló por primera vez a principios de la década de 1990 en Turku, Finlandia, en la Universidad Åbo Akademi y la Universidad de Turku . Recibió la declaración de producto para su uso en el relleno de cavidades óseas en el tratamiento de la osteomielitis crónica en 2011. S53P4 se encuentra entre los vidrios bioactivos más estudiados del mercado con más de 150 publicaciones.
Cuando se coloca vidrio bioactivo S53P4 en la cavidad ósea, reacciona con los fluidos corporales para activar el vidrio. Durante este período de activación, el vidrio bioactivo pasa por una serie de reacciones químicas, creando las condiciones ideales para que el hueso se reconstruya mediante la osteoconducción.
Una vez que se forma la capa de hidroxiapatita, el vidrio bioactivo interactúa con entidades biológicas, es decir, proteínas sanguíneas, factores de crecimiento y colágeno. Después de este proceso interactivo, osteoconductivo y osteoestimulante, crece hueso nuevo sobre y entre las estructuras de vidrio bioactivo.
En la fase transformadora final continúa el proceso de regeneración y remodelación ósea. Con el tiempo el hueso se regenera completamente, restaurando la anatomía natural del paciente.
El vidrio bioactivo S53P4 es actualmente el único vidrio bioactivo en el mercado que ha demostrado inhibir eficazmente el crecimiento bacteriano. Las propiedades inhibidoras del crecimiento bacteriano del S53P4 se derivan de dos procesos químicos y físicos simultáneos, que ocurren una vez que el vidrio bioactivo reacciona con los fluidos corporales. El sodio (Na) se libera de la superficie del vidrio bioactivo e induce un aumento del pH (ambiente alcalino), lo que no es favorable para las bacterias, inhibiendo así su crecimiento. Los iones Na, Ca, Si y P liberados dan lugar a un aumento de la presión osmótica debido a una elevación de la concentración de sal, es decir, un entorno donde las bacterias no pueden crecer. [14] [15]
Bioglass 8625, también llamado Schott 8625, es un vidrio sodocálcico que se utiliza para la encapsulación de dispositivos implantados . El uso más común de Bioglass 8625 es en carcasas de transpondedores RFID para uso en implantes de microchips humanos y animales . Está patentado y fabricado por Schott AG . [16] Bioglass 8625 también se utiliza para algunos piercings .
Bioglass 8625 no se adhiere al tejido ni al hueso; se mantiene en su lugar mediante encapsulación de tejido fibroso . Después de la implantación, se forma una capa rica en calcio en la interfaz entre el vidrio y el tejido. Sin un recubrimiento antimigración adicional, está sujeto a migración en el tejido. El revestimiento antimigración es un material que se adhiere tanto al vidrio como al tejido. Como material se utiliza a menudo parileno , normalmente parileno tipo C. [17]
Bioglass 8625 tiene un contenido significativo de hierro , que proporciona absorción de luz infrarroja y permite el sellado mediante una fuente de luz, por ejemplo, un láser Nd:YAG o una lámpara de vapor de mercurio . [16] El contenido de Fe 2 O 3 produce una alta absorción con un máximo a 1100 nm y le da al vidrio un tinte verde. El uso de radiación infrarroja en lugar de llama o calentamiento por contacto ayuda a prevenir la contaminación del dispositivo. [18]
Después de la implantación, el vidrio reacciona con el medio ambiente en dos fases, en el lapso de aproximadamente dos semanas. En la primera fase, los iones de metales alcalinos se lixivian del vidrio y se reemplazan con iones de hidrógeno ; Una pequeña cantidad de iones de calcio también se difunde del material. Durante la segunda fase, los enlaces Si-O-Si en la matriz de sílice se someten a hidrólisis , produciendo una capa superficial similar a un gel rica en grupos Si-OH. Gradualmente se forma una capa de pasivación rica en fosfato cálcico sobre la superficie del vidrio, evitando una mayor lixiviación.
Se utiliza en microchips para el seguimiento de muchos tipos de animales y, recientemente, en algunos implantes humanos. La Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) aprobó el uso de Bioglass 8625 en humanos en 1994.
En comparación con Bioglass 45S5, el vidrio bioactivo de silicato 13-93 tiene una mayor composición de SiO 2 e incluye K 2 O y MgO. Está disponible comercialmente en Mo-Sci Corp. o puede prepararse directamente fundiendo una mezcla de Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , MgCO 3 , CaCO 3 , SiO 2 y NaH 2 PO 4 · 2H 2 O en un recipiente de platino. crisol a 1300 °C y enfriamiento entre placas de acero inoxidable. [19]
El vidrio 13-93 ha recibido aprobación para uso in vivo en EE.UU. y Europa. Tiene un comportamiento de flujo viscoso más fácil y una menor tendencia a cristalizar al convertirse en fibras. El polvo de vidrio bioactivo 13-93 podría dispersarse en un aglutinante para crear tinta para robocasting o técnica de impresión 3D con tinta directa. Las propiedades mecánicas de los andamios porosos resultantes se han estudiado en diversas obras literarias. [20]
El andamio de vidrio bioactivo impreso 13-93 en el estudio de Liu et al. Se secó al aire ambiente, se coció a 600 °C bajo una atmósfera de O 2 para eliminar los aditivos del procesamiento y se sinterizó al aire durante 1 hora a 700 °C. En la muestra prístina, la resistencia a la flexión (11 ± 3 MPa) y el módulo de flexión (13 ± 2 MPa) son comparables al valor mínimo de los de los huesos trabeculares, mientras que la resistencia a la compresión (86 ± 9 MPa) y el módulo de compresión (13 ± 9 MPa) 2 GPa) están próximos a los valores del hueso cortical . Sin embargo, la resistencia a la fractura del andamio fabricado fue de 0,48 ± 0,04 MPa·m 1/2 , lo que indica que es más frágil que el hueso cortical humano cuya resistencia a la fractura es de 2 a 12 MPa·m 1/2 . Después de sumergir la muestra en un fluido corporal simulado (SBF) o de implantación subcutánea en el dorso de ratas, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión disminuyen bruscamente durante las dos semanas iniciales, pero más gradualmente después de dos semanas. La disminución de las propiedades mecánicas se atribuyó a la conversión parcial de los filamentos de vidrio de los andamios en una capa compuesta principalmente de un material poroso similar a la hidroxiapatita. [21]
Otro trabajo de Kolan y sus colaboradores utilizó sinterización selectiva por láser en lugar del tratamiento térmico convencional. Después de optimizar la potencia del láser, la velocidad de escaneo y la velocidad de calentamiento, la resistencia a la compresión de los andamios sinterizados varió de 41 MPa para un andamio con ~50 % de porosidad a 157 MPa para andamios densos. El estudio in vitro utilizando SBF resultó en una disminución en la resistencia a la compresión, pero el valor final fue similar al del hueso trabecular humano. [22] [23]
En el informe de Fu et al. se sintetizaron entre 13 y 93 andamios de vidrio poroso utilizando un método de replicación de espuma de poliuretano. La relación tensión-deformación se examinó a partir de la prueba de compresión utilizando ocho muestras con 85 ± 2% de porosidad. La curva resultante demostró una ruptura progresiva de la estructura del armazón y una resistencia a la compresión promedio de 11 ± 1 MPa, que estaba en el rango del hueso trabecular humano y superior a los materiales bioactivos competitivos para la reparación ósea, como los armazones de hidroxiapatita con la misma extensión de poros y compuestos poliméricos-cerámicos preparados mediante el método de separación de fases inducida térmicamente (TIPS). [19]
El vidrio metálico bioactivo es un subconjunto del vidrio bioactivo, en el que el material a granel está compuesto de un sustrato de vidrio metálico y está recubierto con vidrio bioactivo para hacer que el material sea bioactivo. El motivo detrás de la introducción de la base metálica es crear un material menos quebradizo y más fuerte que se implantará permanentemente dentro del cuerpo. Los vidrios metálicos cuentan con módulos de Young más bajos y límites elásticos más altos que el vidrio bioactivo [24] y, como tal, permitirán una mayor deformación del material antes de que se produzca la fractura. Esto es muy deseable, ya que un implante permanente debería evitar romperse dentro del cuerpo del paciente. Los materiales comunes que componen la masa metálica incluyen Zr y Ti, mientras que algunos ejemplos de los pocos metales clave que no deberían usarse como materiales a granel son Al, Be y Ni. [25]
Si bien los metales no son necesariamente bioactivos inherentemente, los recubrimientos de vidrio bioactivo que se aplican a sustratos metálicos mediante revestimiento láser introducen la bioactividad que expresaría el vidrio, pero tienen los beneficios adicionales de tener una base metálica.
El revestimiento láser es un método mediante el cual micropartículas de vidrio bioactivo se empujan en una corriente hacia el material a granel y se introducen a un calor lo suficientemente alto como para que se fundan en una capa de material. [24]
Los metales también se pueden fijar con vidrio bioactivo mediante un proceso Sol-Gel , en el que el vidrio bioactivo se sinteriza sobre metales a una temperatura controlada que es lo suficientemente alta para realizar la sinterización, pero lo suficientemente baja para evitar cambios de fase y otros efectos secundarios no deseados. . Se han realizado experimentos sinterizando vidrio bioactivo a base de sílice de doble capa sobre sustratos de acero inoxidable a 600 °C durante 5 horas. [26] Este método ha demostrado mantener una estructura en gran medida amorfa al tiempo que contiene elementos cristalinos clave, y también logra un nivel de bioactividad notablemente similar al del vidrio bioactivo.
Los mecanismos subyacentes que permiten que los vidrios bioactivos actúen como materiales para la reparación ósea han sido investigados desde el primer trabajo de Hench et al. en la Universidad de Florida . Desde el principio se prestó atención a los cambios en la superficie del vidrio bioactivo. Comúnmente se cree que ocurren cinco etapas de reacción inorgánica cuando un vidrio bioactivo se sumerge en un ambiente fisiológico: [27]
Posteriormente, se descubrió que la morfología de la capa superficial del gel era un componente clave para determinar la respuesta bioactiva. Esto fue respaldado por estudios sobre vidrios bioactivos derivados del procesamiento sol-gel . Dichos vidrios podrían contener concentraciones significativamente más altas de SiO 2 que los vidrios bioactivos tradicionales derivados de la fusión y aun así mantener la bioactividad (es decir, la capacidad de formar una capa de hidroxiapatita mineralizada en la superficie). La porosidad inherente del material derivado del sol-gel se citó como una posible explicación de por qué se retuvo la bioactividad y, a menudo, se mejoró con respecto al vidrio derivado del fundido.
Los avances posteriores en la tecnología de microarrays de ADN permitieron una perspectiva completamente nueva sobre los mecanismos de bioactividad en los vidrios bioactivos. Hasta ahora se sabía que existía una interacción compleja entre los vidrios bioactivos y la biología molecular del huésped del implante, pero las herramientas disponibles no proporcionaban suficiente información para desarrollar una imagen holística. Utilizando micromatrices de ADN, los investigadores ahora pueden identificar clases enteras de genes que están regulados por los productos de disolución de los vidrios bioactivos, lo que dio como resultado la llamada "teoría genética" de los vidrios bioactivos. Los primeros estudios de microarrays sobre vidrios bioactivos demostraron que los genes asociados con el crecimiento y la diferenciación de los osteoblastos , el mantenimiento de la matriz extracelular y la promoción de la adhesión célula-célula y de la matriz celular estaban regulados positivamente por medios de cultivo celulares condicionados que contenían los productos de disolución del vidrio bioactivo.
El vidrio bioactivo S53P4 se utilizó por primera vez en un entorno clínico como alternativa a los injertos de hueso o cartílago en la cirugía de reconstrucción facial. [29] El uso de materiales artificiales como prótesis óseas tenía la ventaja de ser mucho más versátil que los autotrasplantes tradicionales , además de tener menos efectos secundarios postoperatorios. [29]
Hay pruebas provisionales de que el vidrio bioactivo de composición S53P4 también puede ser útil en infecciones de huesos largos . [30] Sin embargo, el apoyo de ensayos controlados aleatorios todavía no está disponible en 2015. [31]
