Silicofofatos Cálcicos para Ingeniería de Tejidos

Abstract

La esperanza de vida de nuestra sociedad se ha visto incrementada en los últimos años gracias a las mejoras sanitarias que se han desarrollado. Sin embargo, este aumento va ligado a un incremento en la incidencia de problemas relacionados con la degeneración músculo-esquelética. También se ha aumentado el número de traumatismos de elevada energía cinética, como los ocasionados por los accidentes de tráfico, en los que se producen múltiples y complejas fracturas esqueléticas, suponiendo una pérdida significativa en la calidad de vida de las personas que los sufren. Si un tejido está dañado, la solución más rápida es sustituirlo utilizando implantes protésicos, siendo los más utilizados hoy en día los metálicos. Sin embargo, este tipo de implantes tienen una serie de inconvenientes, como la liberación de iones tóxicos para el organismo y el stress shielding. Por otra parte, determinadas lesiones pueden repararse utilizando injertos óseos alogénicos o autólogos, siendo éste último el biomaterial “gold standard”, en cuanto a regeneración del tejido óseo se refiere. Estos injertos tampoco están exentos de inconvenientes: los aloinjertos pueden transmitir enfermedades y los autoinjertos necesitan 2 intervenciones quirúrgicas, además de la falta de disponibilidad de tejido cuando se requieren grandes cantidades de tejido. Por lo tanto, debido a los problemas que surgen como consecuencia del uso de implantes metálicos e injertos óseos, ha sido necesario el desarrollo de una nueva disciplina científica: la ingeniería de tejidos. Según ésta, un biomaterial puede ser definido como una matriz tridimensional temporal, que proporciona un ambiente específico que permita el crecimiento y desarrollo del hueso. Un ejemplo de estos biomateriales pueden ser las biocerámicas, que se definen como materiales cerámicos diseñados para lograr un comportamiento fisiológico específico al ser usados en la construcción de prótesis u órganos artificiales internos, según normativa ISO/TR 10993-9 de 1994. Las cerámicas basadas en fosfatos cálcicos han sido utilizadas durante los últimos 30 años en diferentes áreas médico-quirúrgicas, como la traumatología, odontología y cirugía maxilofacial para la regeneración tejido óseo. Los iones calcio, silicio y fósforo participan en la adhesión, proliferación y diferenciación de las células madre mesenquimales adultas de humano, en la bioactividad de las biocerámicas y en la regulación de la expresión de genes responsables de controlar el ciclo celular de osteoblastos. Además, una vez desarrollada la matriz tridimensional, es necesario determinar su influencia sobre células osteoprecursoras y su comportamiento en un sistema biológico. Para llevar a cabo este tipo de ensayos, se pueden utilizar células madre mesenquimales adultas humanas y conejos de raza Nueva Zelanda. En base a todo esto, la hipótesis de trabajo establecida fue que diferentes cerámicas, obtenidas a partir de los diagramas de fases C2S-TCP, CaO-P2O-SiO2, CaO-SiO2-K2O-MgO y CaO-SiO2-K2O-Na2O, son capaces de interaccionar con el medio que les rodea, facilitando la proliferación y diferenciación de células madre mesenquimales adultas de humanos en células de estirpe osteoblástica, favoreciendo la interacción del implante con el tejido óseo circundante. Para confirmar esta hipótesis, se desarrolló una nueva metodología para obtener materiales cerámicos porosos tridimensionales estratificados, pudiendo modificar sus fases mineralógicas y su resistencia mecánica en función de la temperatura de sinterización. De este modo, se podrían crear nuevos materiales de acuerdo con las necesidades de cada situación. Utilizando esta metodología, se desarrollaron matrices tridimensionales con porosidad interconectada de composición MgO - K2O – CaO - SiO2 y Na2O - K2O – CaO - SiO2, mostrando una elevada bioactividad tras cortos periodos de tiempo de inmersión en suero fisiológico artificial. Además, se revisó el subsistema fase A – Silicocarnotita, dentro del sistema de fases C2S-TCP, propuesto por Fix y colaboradores, para confirmar las temperaturas y concentraciones de reactivos necesarias para obtener cada una de las fases y microestructuras indicadas en el diagrama. Se modificó el punto eutectoide establecido por Fix y colaboradores, situándose en una composición de 28,39% en peso de fase A y 71,61% en peso de Silicocarnotita, a una temperatura de 1366 ± 4ºC. Una vez obtenida y caracterizada la cerámica eutectoide, se estudió su biocompatibilidad y citotoxicidad, en términos de adhesión y proliferación celular, además de su capacidad osteoinductora utilizando cultivos de células madre mesenquimales adultas de humano. Se demostró que la biocerámica eutectoide bifásica no es citotóxica, permitiendo una adecuada adhesión y proliferación celular sobre la superficie de la biocerámica, además de iniciar la diferenciación osteogénica. Finalmente, se obtuvieron cerámicas porosas bifásicas de silicofosfato cálcico, utilizando la replicación polimérica con barbotina. Éstas no provocaron respuesta inflamatoria local ni reacción sistémica después de su implantación en tibias de conejos de raza Nueva Zelanda, demostrando que proporciona un microambiente óptimo para la diferenciación osteogénica de células precursoras indiferenciadas de la médula ósea hematopoyética, además de favorecer su integración en el hueso gracias a su estructura porosa interconectada. Por lo tanto, las cerámicas porosas de silicofosfato cálcico desarrolladas podrían ser consideradas como posibles sustitutos óseos para aplicaciones clínicas, como rellenos óseos o como matrices tridimensionales en ingeniería del tejido óseo.