II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 6 II.1. Biomateriales. Los biomateriales naturales o sintéticos utilizados actualmente, pueden estar constituidos de materiales biológicos, metálicos, poliméricos, cerámicos y compuestos. Estos son elegidos dependiendo de la función y al ambiente al cual serán expuestos. Existen muchos biomateriales utilizados hoy en día y algunos otros aún se encuentran en desarrollo para superar las deficiencias de los actuales y mejorar sus aplicaciones en el futuro. II.1.1. Biomateriales Biológicos. Los injertos biológicos también son considerados biomateriales por algunos miembros de la comunidad científica. Los transplantes biológicos se han caracterizados como autoinjertos, aloinjertos y xenoinjertos. Los autoinjertos son aquellos que vienen del cuerpo del mismo paciente. Los aloinjertos son materiales biológicos provenientes de otros individuos de la misma especie. orgánicos En esta rama de injertos también se pueden considerar los tejidos artificiales producidos de células huésped, reproducidas en biorreactores especializados. Los xenoinjertos son los implantes provenientes de especies biológicas diferentes al huésped de estudio. En el uso de materiales biológicos en lesiones del tejido óseo se destaca el autoinjerto proveniente del propio paciente, o bien el aloinjerto obtenido de un donante. II.1.2. Biomateriales Metálicos. Los biomateriales metálicos se han usado casi exclusivamente para implantes sometidos a esfuerzos mecánicos, como prótesis para rodilla y cadera, cables, clavos, tornillos y placas para fijación de fracturas. 7 Generalmente no se usan metales puros, sino aleaciones que frecuentemente proveen al material de mejores propiedades, como resistencia mecánica y a la corrosión5. II.1.3. Biomateriales Poliméricos. Los biomateriales poliméricos son los más usados a nivel medico-quirúrgico. Entre estos materiales tienen particular importancia los cementos óseos acrílicos, debido a su fácil aplicación y rápida polimerización. Sin embargo, presentan desventajas, tales como citotoxicidad producida por el calor generado durante la polimerización, además, la contracción que sufren una vez endurecidos, origina micromovilidad de la prótesis fijada y, frecuentemente, conduce a problemas de ruptura y/o desgaste. Sin embargo, pese a estos problemas, su utilización es prácticamente insustituible5. Los polímeros pueden ser de origen natural, como la celulosa, goma, quitina, etcétera. También, pueden ser de origen sintético como el nylon, el teflón, polietileno, quitosana, etcétera. II.1.4. Biomateriales Cerámicos. Los cerámicos son aquellos materiales que incluyen a las composiciones inorgánicas y no metálicas. Los materiales cerámicos que son biocompatibles son denominados biocerámicos. Generalmente son usadas como implantes de cadera e implantes dentales entre otros. A diferencia de los metálicos, estos no sufren los efectos de la corrosión, y aunque algunos pueden llegar a degradarse, los productos de tal degradación pueden ser reabsorbidos por las células sin causar mayores problemas al huésped. Los biocerámicos pueden dividirse dependiendo del tipo de reacción con el huésped en bioinertes, bioactivos y biodegradables. 8 Los bioinertes son aquellos que no tienen ninguna reacción con el sistema del huésped, generalmente son usados para recubrir superficies o reemplazar partes desgastadas normalmente sometidas a altos esfuerzos. Estos materiales tienen la cualidad de no reaccionar con el huésped, aun que su adherencia se debe principalmente a la porosidad que tiene el material. Entre los más usados se encuentra la alúmina Al2O3 y el oxido de titanio TiO2 Los bioactivos son aquellos que reaccionan de alguna manera con el sistema. Su reacción esta dada por la formación de capas de apatitas o proteínas en su superficie que facilita la unión con el huésped; esta propiedad también esta dada por la porosidad del el material. El ejemplo más común en el caso de algunas cerámicas que llegan a formar uniones con los huesos como la hidroxiapatita, vidrios bioactivos (Bioglass Na2O-CaO-P2O5-SiO23) y vitrocerámicos. Los biodegradables son aquellos que reaccionan biológica y químicamente, ya sea degradándose bajo los efectos químicos de la sangre o por efecto de enzimas. Estos materiales al ser degradados por el sistema, sus residuos sirven como material de reconstrucción celular, es decir, que estos materiales fungen como soporte mecánico y de andamiaje, los cuales después de un periodo de tiempo variable se desintegran dejando atrás un sistema biológico regenerado. El caso más usual son las prótesis óseas de β-Tricalcio fosfatos (β-TCP), que al desintegrarse, los osteoclastos utilizan los residuos degradados para reemplazar la anterior prótesis con masa ósea natural. II.1.5. Biomateriales Compuestos. Se conocen como materiales compuestos o compósitos a aquellos que son una combinación de dos o más materiales (conocidos como fases) que se diferencian en función, forma o composición a escala macroscópica. Las fases mantienen sus identidades, es decir, no se disuelven o se mezclan completamente. Tanto los biomateriales cerámicos como los poliméricos pueden combinarse para constituir materiales compuestos, los que permiten la obtención de implantes que reúnen las 9 mejores características biológicas y mecánicas de los materiales originales para su empleo como sustitutos óseos ventajosos. El hueso es un compósito natural donde la unión de pequeños cristales de hidroxiapatita, fase mineral con la que soporta las cargas mecánicas, es reforzada efectivamente por fibras de colágeno orgánico, lo cual le proporciona flexibilidad y movimiento. Debido a esto, se han intentado preparar materiales compuestos similares mediante diversos procesos, con el fin de incorporar a la matriz de hidroxiapatita una fase de refuerzo que le permita aumentar sus propiedades mecánicas sin el deterioro de sus propiedades biológicas. II.2. Wollastonita. La wollastonita es un mineral no metálico de origen natural, de formula química CaSiO3, es un mineral de color blanco con una estructura acicular (forma de agujas). Químicamente se considera un mineral inerte dado a su baja o nula reactividad con otros compuestos, con excepción del acido clorhídrico (HCl) concentrado y el agua (H2O). Estos hacen que la wollastonita se hidrolice y se comporte como solución buffer, manteniendo el pH básico. Es uno de los materiales no metálicos más ampliamente utilizado en la formulación de materiales compuestos, ya que su estructura y su baja reactividad dotan a los compósitos de resistencia térmica, mecánica y química6. Algunas de las propiedades físicas de la wollastonita se presentan en la Tabla I. Asimismo, la Figura 1 muestra su morfología acicular típica, la cual confiere mayor eficiencia mecánica en los materiales compuestos donde se encuentra presente. Por otro lado, numerosos estudios toxicológicos han demostrado que la wollastonita es un material totalmente biocompatible, con lo cual se ha demostrado que no presenta propiedades adversas para la salud7. 10 Tabla I: Propiedades físicas de la wollastonita Propiedad Característica Densidad 2,8 - 3,1 g/ml Punto de fusión 1.540 ºC Dureza según la escala de Mohs 4,5 - 5,0 Sistema cristalino Triclínico Color Blanco a grisáceo traslúcido Color de raya en placa de porcelana Blanca Expansión Térmica 6.5X10-6 mm/mm/ºC Modulo de Elasticidad 303-530 GPa Esfuerzo Tensil 2700-4100 GPa Conductividad Eléctrica 1.5-11 mho/m Solubilidad 0.0095 g/100 cc agua Figura 1. Imagen microscópica de la wollastonita En estudios posteriores, se ha intentado el uso de diferentes polímeros como biomateriales para ayudar a la regeneración de tejidos. Aunque el mayor problema que presentan es la falta de resistencia mecánica, por lo que han tenido una pobre 11 aplicación en la regeneración de tejido duro, lo que ha obligado a la fabricación de compósitos a base de polímeros y materiales inorgánicos. Se ha demostrado que la wollastonita tiene propiedades bioactivas, ya que al ser sumergida en Fluidos Corporales Simulados (Simulated Body Fluids, SBF) se precipitan sales que forman hidroxiapatitas en su superficie. Otros estudios han demostrado que su formulación en materiales compuestos con polímeros como el poli(butileno-tereftalato) aumenta significativamente la resistencia mecánica de estos materiales8. Asimismo, se ha usado la wollastonita como refuerzo de diferentes tipos de cerámicos, ya sea tanto para uso industrial como para uso biomédico. II.3. Hidroxiapatita. La hidroxiapatita sintética (Ca10(PO4)6(OH)2) es un fosfato de calcio con una composición química muy similar a la del hueso, lo cual la hace biocompatible con los tejidos vivos. Es el principal componente inorgánico del hueso de los vertebrados; también la encontramos en la dentina y el esmalte dental. Este fosfato de calcio presenta características de biocompatibilidad, no toxicidad, estabilidad química, osteoconducción y bioactividad; tales propiedades hacen a este material muy práctico para usos médicos. La hidroxiapatita se puede usar como reemplazo de partes pequeñas de hueso, relleno de cavidades en odontología y recubrimiento de superficies de metales para implantes entre otras aplicaciones. Por tal razón, se han desarrollado un gran número de investigaciones para producir hidroxiapatita sintética, ya sea por precipitación acuosa, síntesis hidrotermica, procesado en sólido, hidrólisis y sol-gel entre otras. Los procedimientos o condiciones bajo las cuales se sintetiza pueden influir en sus características físicas y químicas3. Por lo anterior, sus propiedades pueden variar ampliamente, los rangos promedios se observan en la Tabla II. Estos datos son 12 importantes, ya que al compararlos con las propiedades mecánicas de la mayoría de las prótesis metálicas o polimétricas, estas pueden ajustarse a condiciones más similares a las del tejido óseo. Tabla II. Propiedades mecánicas típicas de la hidroxiapatita Propiedad Característica Densidad Teórica 3.156 g/ml Dureza 5 mohs Esfuerzo de Tensión 40 - 100 MPa Esfuerzo de Flexión 20 – 80 MPa Esfuerzo de Compresión 100 – 900 MPa Fractura Aprox. 1 MPa m0.5 Modulo de Young 70 – 120 GPa La aplicación clínica de este material esta muy limitada por su baja resistencia mecánica, por lo que se ha investigado la producción de compósitos de hidroxiapatita y wollastonita con potenciales aplicaciones en el campo de los biomateriales. Estas investigaciones han dado como resultado material con mejores propiedades mecánicas sin deteriorar sus propiedades bioactivas10. II.4. Quitosana. La quitosana [poli (1-4)-β-D-glucosamina] es un biopolímero resultante de la Ndesacetilación de la quitina11. La quitosana es manufacturada principalmente a partir de crustáceos (cáscara de camarón) y puede obtenerse en diferentes formas físicas: solución, hojuelas, polvo, gotas, fibras, microesferas, etcétera. 13 Figura 2. Hojuelas de quitosana de grado biomédico. La quitina, es después de la celulosa, el polímero más abundante en la naturaleza ya que se encuentra en los exoesqueletos de todos los crustáceos así como en insectos y en hongos12. La mayor parte de la quitina que sintetizan los organismos vivos no es aprovechada por el hombre. Los crustáceos, como los camarones, cangrejos, langostas, etcétera, se aprovechan como alimento, pero su exoesqueleto se desperdicia. Dicho exoesqueleto está formado en su mayor parte de quitina, proteínas y sales de calcio, que se pueden aislar, y así se obtendrían productos útiles a partir de lo que comúnmente se considera desecho. Figura 3. Estructura química de la quitina.13 14 Figura 4. Estructura química de la quitosana.13 La quitosana se comporta como un policatión capaz de atraer moléculas cargadas negativamente, que da como resultado su naturaleza antibacteriana, debido al entrecruzamiento de la quitosana policatiónica y los aniones sobre la superficie bacteriana, alterando la permeabilidad de la membrana celular14. Su comportamiento policatiónico se debe al puente de hidrógeno que se establece entre el grupo amino y el hidroximetilo que le proporciona a la molécula una carga neta positiva, de ahí que la quitosana es soluble en medio ácido donde la concentración de iones hidronio es mayor, provocando el rompimiento de dicho puente de hidrógeno y el establecimiento de uno nuevo con las moléculas de agua, lo que trae consigo la solvatación de la quitosana. La quitosana es insoluble en agua, soluciones alcalinas y disolventes orgánicos puros, es soluble en todos los ácidos orgánicos e inorgánicos (excepto el sulfúrico). Asimismo, durante el proceso químico preparativo, es posible lograr que adopte la forma de moldes específicos y conferirle características particulares de tenacidad15. El interés en la quitosana se debe en gran parte a su propiedad de formar sales solubles e insolubles. Su solubilidad depende del pH, pero se ha observado que a pH 5.8-5.9 comienza la precipitación. II.5. II.5.1. Proceso Sol-gel. Conceptos básicos. El proceso sol-gel es uno de los métodos más importantes para la producción de nuevos materiales. Este proceso se puede dividir en cuatro grandes etapas fundamentales: 15 • Preparación del sol • Gelificación • Envejecimiento • Secado y tratamiento térmico Preparación del Sol Un sol es una suspensión coloidal de partículas sólidas en un líquido, existen dos vías básicas para obtener los soles: los sistemas acuosos y los sistemas orgánicos. En los sistemas acuosos se utilizan como precursores óxidos, hidróxidos y sales tanto orgánicas, como inorgánicas, estos compuestos se dispersan o se disuelven en agua. Los sistemas orgánicos se obtienen a partir de compuestos metal-orgánicos (principalmente alcóxidos) disueltos en un solvente orgánico, que generalmente es un alcohol. Durante esta etapa se desarrollan reacciones de “hidrólisis” de los alcóxidos metálicos con el agua, formándose hidróxidos metálicos. Asimismo, los hidróxidos metálicos se combinan para producir óxidos metálicos, liberando además una molécula de agua o de alcohol, razón por la cual, esta segunda reacción recibe el nombre de “condensación”. Gelificación Las reacciones de hidrólisis y condensación del proceso anterior, conducen a la formación de agregados, que se enlazan hasta formar un único agregado gigante denominado gel. Envejecimiento Luego de la gelificación el sistema continúa reaccionando, dando lugar a reacciones de “polimerización”, en consecuencia aumenta la densidad y la resistencia mecánica del sólido. 16 Secado y Tratamiento Térmico El secado de la fase líquida la cual constituye la mayor parte del volumen del gel húmedo, ocurre mediante evaporación, la cual causa una contracción acompañada de endurecimiento del gel, estos geles secos también reciben el nombre de “xerogeles”16-18. Durante el tratamiento térmico ocurren una serie de cambios físicos y químicos en los materiales, los cuales pueden llevar a la transformación de fases existentes y la aparición de nuevos compuestos. Estos cambios pueden ser analizados mediante técnicas como el análisis termogravimétrico y dilatometría entre otras. II.5.2. Química del alcóxido. El reactivo más importante en este caso es un organometálico hidrolizable conocido como alcóxido metálico M(OR)x, donde M es un metal del grupo IV y OR es un grupo alcoxilo en el que R es un radical hidrocarbonado. En el proceso SolGel, el sistema modelo es la sílice. De los alcóxidos de silicio disponibles, el tetraetil ortosilicato, al que en lo sucesivo se hará referencia como TEOS, es el más utilizado. Los otros dos reactivos necesarios para que se lleve a cabo el proceso son el etanol y el agua. El etanol analítico (al que se le denominará como ETOH) y el agua destilada son los de uso más común. El ETOH y otros solventes orgánicos, sirven como un solvente mutuo tanto para el TEOS como para el agua, ya que este y el agua son inmiscibles y solamente con el solvente pueden reaccionar entre sí. II.5.3. Reacciones involucradas en el proceso. Tan pronto como el TEOS es disuelto en el ETOH para hacerlo soluble en agua, empiezan a llevarse a cabo las reacciones de hidrolización y condensación, las cuales se representan en las ecuaciones siguientes: 17 Hidrólisis: Si(OC2H5)4 + TEOS 4H2O Æ Agua Si(OH)4 + Silanol 4C2H5OH ETOH Condensación: Si(OH)4 Æ + 2H2O Silanol Oxido de Silicio Agua SiO2 Después de la reacción de hidrólisis se realiza la polimerización o condensación, en la cual se forman monómeros, dímeros, trímeros, trímeros cíclicos y tetrámeros, todos ellos de SiO2, los cuales se estarán enlazando hasta formar cadenas de bajo peso molecular. La unión de las moléculas, se lleva acabo entre las cadenas de menor a mayor tamaño hasta que el crecimiento de esta sea tal que se detiene su crecimiento, quedando una cadena de alto peso molecular, que al intercruzarse con otras cadenas, propicia que la solución empiece a formar el gel. II.5.4 Diagrama ternario del sistema TEOS-H2O-ETOH. La zona de trabajo para obtener fibras, monolitos o recubrimientos se determinan por medio del diagrama ternario TEOS-H2O-ETOH, que se muestra en la Figura 5. Según las combinaciones de los reactivos se pueden obtener diferentes tipos de geles, como fibras, monolitos o recubrimientos. Las fibras se pueden formar con la relación molar H2O:TEOS alrededor 1:1; las películas o recubrimientos con una relación alrededor de 4:1 y los monolitos con una relación alrededor de 16:1, todos ellos manteniendo constante la relación molar ETOH:TEOS = 4:116. En las reacciones involucradas en el proceso Sol-Gel, los parámetros más importantes a controlar son: tipo y concentración del catalizador, pH y temperatura. 18 Figura 5. Diagrama ternario que muestra las líneas de trabajo para la obtención de fibras, recubrimientos y monolitos.16 19