Propuesta novedosos biomateriales de quitosana y nanoapatita para la regeneración del tejido óseo



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CONVOCATORIA ANUAL PARA PREMIOS NACIONALES DE LA ACADEMIA DE CIENCIAS DE CUBA 2015

PROPUESTA

NOVEDOSOS BIOMATERIALES DE QUITOSANA Y NANOAPATITA PARA LA REGENERACIÓN DEL TEJIDO ÓSEO

AUTORES

Yaimara Solís Moré, Carlos A, Peniche Covas, Raúl García Carrodeguas, Natalia Davidenko

Comisión: Ciencias Naturales y Exactas

Centro de Biomateriales

Universidad de La Habana



TÍTULO: Novedosos biomateriales de quitosana y nanoapatita para la regeneración del tejido óseo.
AUTORES: Yaimara Solís Moré, Carlos A, Peniche Covas, Raúl García Carrodeguas, Natalia Davidenko.
FILIACIÓN: Centro de Biomateriales, Universidad de La Habana
Descripción científico-técnica del resultado
RESUMEN

En los últimos 20 años se ha observado una tendencia creciente hacia el desarrollo de nuevas formulaciones compuestas (composites) constituidas por fosfatos de calcio y biopolímeros para la regeneración tisular ósea. Estos composites evitan la migración frecuente de las partículas biocerámicas fuera del sitio de implantación, disminuyen la posibilidad de daños a los tejidos blandos próximos al implante y mejoran la biodegradación de los biomateriales cerámicos desarrollados hasta el momento.

Con este fin, en la presente obra científica se prepararon composites basados en quitosana/apatita (CHI/Ap) y quitosana/apatita parcialmente sustituida con silicato (CHI/Ap-Si) mediante una nueva metodología de obtención in situ de la fase inorgánica en la matriz polimérica de quitosana. Se realizó la caracterización físico-química y biológica de los sistemas obtenidos.

Se confirmó la formación, dentro de la matriz de CHI, de cristales de apatita sustituida con sodio y carbonato con diámetros inferiores a 20 nm. Los composites de CHI/Ap y CHI/Ap-Si presentaron tamaños de partícula superiores a los correspondientes materiales inorgánicos. Se observó una adecuada correspondencia entre el contenido inorgánico determinado y el teórico esperado. Se evidenció la disminución del tamaño de cristalita y los parámetros de la celda de la apatita, con el incremento del contenido de CHI. Los composites con apatita dopada con silicato y con quitosana de bajo peso molecular, mostraron la menor estabilidad fisiológica y la mayor degradación enzimática. Fue verificada la deposición de una capa de apatita sobre la superficie de los composites después de su inmersión en fluido biológico simulado (SBF). Fue demostrada la citocompatibilidad de los sistemas estudiados en condiciones fisiológicas. Los resultados sugieren que los composites obtenidos son materiales promisorios para aplicaciones de regeneración ósea.


INTRODUCCIÓN


En la actualidad, las afecciones óseas constituyen uno de los problemas fundamentales que enfrenta la medicina regenerativa, debido al incremento de la longevidad de la población y al número de traumas ocasionados por accidentes de diversa índole, como accidentes de tránsito, conflictos bélicos, desastres naturales, entre otros .

La osteoporosis es un problema sanitario global cuya importancia va en aumento con el envejecimiento de la población. Se define como un trastorno esquelético sistémico caracterizado por una masa ósea baja y un deterioro de la microarquitectura del tejido óseo, con el consecuente incremento de la fragilidad ósea y una mayor susceptibilidad a las fracturas . Estas afecciones que inciden sobre el campo ortopédico, por lo general no son fatales, pero sí pueden afectar seriamente la calidad de vida de los pacientes al provocar cuadros de dolor crónico, incapacidad física y problemas estéticos maxilofaciales.

En este sentido, una de las soluciones a estas patologías es el empleo de sustitutos óseos, ya sea para reemplazar el tejido afectado o para favorecer su regeneración. Los biomateriales empleados como sustitutos del tejido óseo han abarcado desde hueso autógeno (hueso propio del paciente) hasta matrices tridimensionales (scaffolds) basadas en fosfatos de calcio y biopolímeros, combinados en algunos casos con sustancias biológicas para mejorar las propiedades de los sistemas resultantes . Hoy la investigación se orienta cada vez más hacia el desarrollo y diseño de materiales formados por polímeros cargados con sustancias inorgánicas, empleando condiciones de reacción más suaves para lograr composiciones y propiedades más parecidas al tejido óseo, que estimulen la regeneración y reparación de los tejidos óseos dañados, faciliten la rápida recuperación del paciente y reduzcan los elevados costos quirúrgicos y de los materiales que oferta el mercado internacional.

En Cuba se ha desarrollado una hidroxiapatita de origen natural (Coralina, HAP-200), que durante más de 20 años se ha aplicado con éxito como sustituto óseo y como implante ocular integrado . También se produce una hidroxiapatita sintética (Apafill-G), que se ha utilizado en implantes de defectos óseos con buenos resultados . Se ha registrado recientemente un granulado cerámico denso de β-Fosfato Tricálcico (β-TCP) bioactivo, osteoconductivo y biodegradable. No obstante, pese a las ventajas de estos biomateriales, que son implantados de forma gratuita en nuestro país y comercializados en el mercado internacional, aún la cinética de reabsorción de los mismos es lenta con relación al tejido que reemplazan. Cabe aclarar que el β-TCP aunque no está presente de forma natural en el tejido óseo, se reabsorbe en el organismo, a diferencia de los restantes materiales comercializados a base de hidroxiapatita, los cuales son estables en condiciones fisiológicas. Estos biomateriales cerámicos requieren por lo general de altas temperaturas para su obtención y son frecuentemente preparados en forma de granulados o bloques, ocurriendo con frecuencia la migración fuera del sitio del implantación de los primeros o insuficiente adaptación al defecto a tratar de los materiales en forma de bloques, provocando inflamación a los tejidos blandos circundantes.

Sin embargo, aún en los casos en que se logra una buena adaptación, el costo de estos biomateriales en el mercado internacional es elevado debido al alto valor agregado de los mismos, de modo que continúa existiendo la necesidad de diseñar materiales cada vez más similares al tejido óseo a sustituir, capaces de mejorar las propiedades biológicas e inconvenientes en la práctica clínica presentados por los biomateriales empleados hasta el momento como sustitutos óseos, todo lo cual justifica el problema científico que se pretende resolver en esta obra científica y que se formula de la manera siguiente: Los biomateriales que han sido utilizados hasta el momento como sustitutos óseos en el campo ortopédico, no satisfacen completamente las exigencias finales requeridas en la práctica clínica, por lo que es necesario el desarrollo de nuevos biomateriales compuestos a base de hidroxiapatita y quitosana que reúnan las propiedades biológicas adecuadas para su empleo como material soporte en la regeneración tisular ósea.

Teniendo en cuenta la amplia literatura consultada dedicada al desarrollo de composites basados en biopolímeros y fosfatos de calcio y con vistas a resolver la problemática presentada en este campo biomédico, el principal impacto social de esta obra científica está dedicada a la obtención a escala de laboratorio de novedosos composites bioactivos basados en quitosana/apatita mediante una metodología de precipitación e hidrólisis in situ con suaves condiciones de reacción, para obtener una fase mineral que presente sustitución parcial de diversos iones y mayor similitud a la apatita biológica, homogéneamente distribuida y recubierta por una matriz biopolimérica (con mayor analogía al tejido óseo a remplazar) para su potencial aplicación como biomaterial de regeneración ósea con propiedades similares o superiores a los materiales precedentes diseñados para este fin.

En este trabajo se presentan los resultados que ha obtenido el Centro de Biomateriales de la Universidad de La Habana durante los últimos 8 años en la investigación acerca del desarrollo de nuevo materiales compuestos para lograr su acción como restaurador del tejido óseo (además de ser un potencial sistema de liberación controlada de fármacos, principios activos y moléculas biológicamente activas) y así lograr su posible aplicación en Ortopedia, Estomatología y Cirugía Maxilofacial. Se resumen además los descubrimientos fundamentales en la temática así como se detalla el aporte al conocimiento científico expresado fundamentalmente por publicaciones en diversas revistas internacionales haciendo énfasis en la caracterización físico-química y evaluación biológica in vitro de los biomateriales desarrollados.

La originalidad y novedad del trabajo está basada en el desarrollo de un nuevo procedimiento de síntesis de tres pasos que por primera vez, incluye un paso intermedio que permite la oclusión del material inorgánico precursor de la apatita (brushita) dentro de la matriz polimérica de quitosana, seguido de su posterior hidrólisis in situ para su total conversión a cristales de una hidroxiapatita no estequiométrica sustituida con varios iones y dispersa homogéneamente en la matriz biopolimérica. El empleo de otras sales solubles precursoras no anteriormente empleadas en la literatura especializada (acetato de calcio) y la sustitución de hidróxido de sodio por una disolución tampón de fosfato de sodio en el paso de hidrólisis representan aspectos novedosos de este procedimiento inspirado en la naturaleza (bio-mimético). Esta metodología experimental fue también aplicada para obtener un novedoso material basado en composites de quitosana/apatita con sustitución de fosfato por silicato en la red cristalina de la apatita formada, con vistas a modificar las propiedades biológicas del material sintetizado.




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