Química inorgánica

Biocerámicas

Las biocerámicas son un subtipo importante de material biocompatible. Son materiales cerámicos biocompatibles, que están específicamente diseñados para ser utilizados en la fabricación de implantes quirúrgicos, prótesis y órganos artificiales, así como para cumplir una determinada función fisiológica en el cuerpo humano que es la base fundamental de un material biocerámico.

Tipos de biocerámicas

Atendiendo a su actividad química en el organismo humano, se consideran dos tipos de biocerámicas: bioinertes y bioactivas.¹

• Las bioinertes son aquellas que no se unen química o biológicamente con el tejido, por lo tanto, el organismo no las puede absorber y, por consiguiente, no producen ninguna alergia ni reacción secundaria. Son totalmente biocompatibles, resistentes a la corrosión y no son tóxicas. Alúmina y circona son ejemplos de este tipo de materiales.²
• Las bioactivas son aquellas que poseen una reactividad con el tejido vivo, como las vitrocerámicas y las hidroxiapatitas.

Biocerámicas inertes

• Alúmina: La pureza de la alúmina depende del sistema de obtención empleado. Para la fabricación de implantes, la norma ASTM exige una pureza del 99.5% con un contenido máximo de SiO₂ combinado con óxidos alcalinos (principalmente Na₂O) inferior al 1%. La alúmina se ha utilizado con éxito para la elaboración de implantes, como cabezas de fémur, componentes de articulaciones y para implantes dentales. Dado que se acostumbra a obtener por sinterizado, la porosidad juega un papel muy importante en las propiedades mecánicas. Existe una relación entre porosidad y tamaño de grano, de tal manera que cuando la porosidad cae por debajo del 2%, el tamaño de grano acostumbra a crecer considerablemente. La alúmina es así mismo muy dura pudiéndose obtener durezas entre 20 y 30 GPa. Esta elevada pureza combinada con propiedades de baja fricción hacen de éste un material idóneo para prótesis articulares, a pesar de su fragilidad y de las dificultades de fabricación.^3 4
• Zirconia: El interés del uso de las cerámicas de zirconia como biomaterial radica en su alta estabilidad química y dimensional, su excelente resistencia mecánicay tenacidad a la fractura y el valor del módulo de Young del mismo orden de magnitud que las aleaciones de acero inoxidable. Las cerámicas de zirconia superan la limitación que presentaba las cerámicas de alúmina en lo que se refiere a la tenacidad y a la resistencia a la flexión. La zirconia tetragonal policristalina (TZP) posee una microestructura de grano fino, la cual, no es estable, pero la adición de pequeñas cantidades de óxidos estabilizantes tales como Y₂O₃ ó MgO, en tal caso hablamos de Y-TZP ó Mg-TZP, estabilizan la zirconia tetragonal policristalina. La aplicación biomédica más importante de los materiales de circona ha sido la fabricación de cabezas femorales, así como la fabricación de implantes dentales.⁴

Biocerámicas activas

• Hidroxiapatita (HAP): cuya fórmula empírica es Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, es el mineral principal de los huesos, representando alrededor del 43% en peso. También aparece en los dientes: en esmaltes y dentina (tejido intermedio, más blando que el esmalte). Es el segundo tejido más duro del cuerpo. Es amarillento, y su alto grado de elasticidad protege al esmalte suprayacente contra las fracturas. Sus ventajas son que es estable y biocompatible. Su relativa baja resistencia y dureza, hicieron que los investigadores lo rechazaran como biomaterial cuando investigaban piezas de hidroxiapatita pura. Hoy día se emplea como tal en muchos implantes prostéticos en forma de un film delgado que recubre las prótesis, se ha extendido el uso totalmente en las prótesis de cadera. Las demás aplicaciones del hidroxiapatito son como composites, que se verán más adelante. El hidroxiapatito se considera una biocerámica bioactiva reabsorbible.
• Fosfato de calcio (TCP): También llamado fosfato tricálcico (de allí lo de TCP). Fue usado como biocerámica en los años 20, su fórmula molecular es Ca₃(PO₄)₂, y hoy día solo se usa combinado con HAP. Ambos compuestos tienen estructura cristalina hexagonal y su relación Ca/P no es muy diferente. Se considera una biocerámica bioactiva porque se vio que, igual que la HAP, produce osteogénesis ⁵
• Vitrocerámicas: Todas son vidrios, cuya composición hace que tengan en común un bloque de construcción básico: el SiO₄^4-. Hay dos vitrocerámicas que se han desarrollado mucho como biomateriales: Bioglass® y Ceravital®. El uso de éstos se debe más a sus propiedades químicas que físicas: tienen una bajaexpansión térmica, pero sus propiedades mecánicas son inferiores a las que proporciona la alúmina u otras cerámicas bioinertes. La reactividad química de las vitrocerámicas las hace bioactivas con tejidos blandos y duros si se selecciona apropiadamente la composición de estas cerámicas. De este modo, se pueden dividir en dos categorías (A y B) con respecto a su bioactividad. Al grupo A pertenecen las vitrocerámicas que una vez incorporadas en el paciente ayudan al proceso de regeneración ósea llamado osteoinducción (el papel de este grupo es el de ayudar como matriz a la reabsorción de los osteoclastos alrededor suyo, haciendo que el hueso se regenere donde se incorpora esta cerámica). Al grupo B pertenecen las vitrocerámicas que ayudan en la osteoconducción (que se diferencia de la anterior en que el proceso es más lento y prolongado, y las células óseas no crean hueso nuevo alrededor, sino que sustituyen el material por hueso nuevo). Debido a estas propiedades químicas, que se dan en la superficie del biomaterial (en la interfase biomaterial-tejido) se usan como prótesis dentales y ortopédicas. Estas propiedades químicas también se encuentran en el HAP.⁶
• Composites: Los materiales compuestos (composites en inglés), contienen 2 o más materiales constituyentes diferentes o fases, que son capaces de actuar de manera sinérgica para dar propiedades superiores a las establecidas por cada componente por separado. Los materiales biológicos naturales tienden a ser composites (por ejemplo: los huesos, madera, dentina, cartílago, piel…). Cada constituyente del material compuesto debe ser biocompatible, y la interfase entre los constituyentes no debe ser degradada una vez incorporada al paciente por su organismo. Las propiedades del material van a depender de las propiedades de los constituyentes del material compuesto. Si se usan dos cerámicas inertes, que suelen ser muy resistentes, se obtiene un material más resistente que los materiales de partida. Ejemplo: Al₂O₃/ZrO₂, cuya estructura de la alúmina es del corindón. Si se quiere un material resistente a la vez que tenga propiedades bioactivas, se tiene los materiales compuestos HAP/alúmina, entre otros. Para terminar, si se mezclan dos materiales con propiedades bioactivas, el biomaterial resultante combinará las propiedades fisicoquímicas de ambos. El ejemplo: HAP/TCP/colágeno: Se trata de una cerámica bifásica (cuyas dos fases son: el hidroxiapatito y el fosfato de calcio) y colágeno (un polímero natural hecho de aminoácidos, es decir, una proteína). El colágeno es la matriz que contiene a la cerámica (igual que ocurre en los huesos naturales).⁷
• Nanocomposites: Es un material multifase sólido donde una de las fases tiene una, dos o tres dimensiones de menos de 100 nm. En el sentido más amplio, esta definición puede incluir medios porosos, coloides, geles y copolímeros. Las propiedades electroquímicas, mecánicas, eléctricas, térmicas... de los nanocomposites difieren notablemente de la de los materiales constituyentes. Los nanomateriales compuestos difieren de los materiales compuestos convencionales debido a la excepcionalmente alta relación entre la superficie y el volumen de la fase dispersada en la matriz. El área de la interfase entre la fase de la matriz y el refuerzo es típicamente un orden de magnitud mayor que para los materiales compuestos convencionales. Esto hace que una cantidad relativamente pequeña de refuerzo a escala nanométrica pueda tener un efecto observable a escala macroscópica en las propiedades del compuesto.

Aplicaciones

Prótesis de cadera de titanio, con una cabeza cerámica y asa de polietileno

En cuanto a aplicaciones médicas son un interesante campo de investigación y desarrollo para la obtención de biomateriales útiles en la fabricación y la fijación de implantes óseos y dentales.⁷

Los requisitos que deben cumplir las biocerámicas para su uso médicos son las siguientes:

1. Ser compatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo, no provocar que este desarrolle sistemas de rechazo ante la presencia de la biocerámica.
2. No ser tóxico, ni carcinógeno.
3. Químicamente estable e inerte.
4. Tener una resistencia mecánica adecuada.
5. Tener una resistencia a la fatiga adecuada.
6. Tener una densidad y peso adecuados.
7. Tener un diseño de ingeniería perfecto, un implante de tamaño y forma adecuados.
8. Relativamente económico, reproducible y fácil de fabricar y procesar para su producción a gran escala.

Ventajas e inconvenientes de las biocerámicas

En cuanto a las ventajas: tienen baja reactividad química por lo que son generalmente inertes y biocompatibles; se adhieren a los tejidos; tienen resistencia a la corrosión, a la compresión y al desgaste; y mejora la calidad de vida del paciente. Pero a pesar de sus ventajas también tienen inconvenientes: tienen fracturas ante esfuerzos de alto impacto; baja resistencia a la tensión; difícil fabricación; baja resistencia mecánica; carácter rígido y quebradizo que limita su empleo en aquellas aplicaciones que deban soportar grandes cargas y además requieren grandes temperaturas de sinterización.

Evolución de las Biocerámicas: de inertes a regenerativas

María Vallet Regí La evolución de los biomateriales está siendo espectacular. En muy pocos años han cambiado muchos conceptos y formas de trabajar. Todo ello impulsado por la demanda social, las necesidades clínicas, el desarrollo tecnológico, el empuje legislativo junto a los programas de financiación tanto internacionales como españoles. El avance de los biomateriales, que no son otra cosa que materiales que se utilizan en la fabricación de dispositivos que interactúan con los sistemas biológicos y que se aplican en diversas especiales de la medicina y la farmacología no ha cesado de reclutar especialistas de los campos de las ciencias, la ingeniería, la biología y la medicina. Por sistemas biológicos se entienden moléculas de naturaleza bioquímica, tales como células, tejidos, órganos y fluidos corporales. Las especialidades médicas y farmacológicas incluyen la cirugía reparadora y plástica, la medicina regenerativa, la administración de fármacos y la diálisis, entre otros. Y en todo este conjunto no deben olvidarse los dispositivos de diagnóstico y pronóstico clínico en base a sensores o material biológico como el análisis genético y molecular en base a marcadores. Los biomateriales se enmarcan dentro de la ingeniería biomédica, y aglutinan conocimientos del mundo de las ciencias, la ingeniería, la biología y la medicina (figura 1). Figura 1. Biomateriales y relación con las ciencias e ingeniería. Los biomateriales han pasado de utilizar materiales inertes para sustitución de tejidos vivos, al diseño de materiales bioactivos y biodegradables para reparación de los mismos, y esto ha desembocado en la tercera generación de biomateriales donde el objetivo es su regeneración. La regeneración de tejido óseo es un proceso natural que involucra tanto a células como a la matriz ósea. Las células son las responsables de la formación de hueso, y en ese proceso intervienen muchos factores. En efecto, la matriz ósea está formada fundamentalmente por materia orgánica (un 25%), materia inorgánica (60-70%) y agua (5-8%). La parte orgánica está constituida mayoritariamente por fibras de colágeno tipo I (90%), y en menor proporción, pero no por eso con un papel menos importante, por proteínas no colagénicas y factores bioquímicos locales (figura 2). Teniendo en la mente el proceso natural de formación del tejido óseo, no es difícil entender el rumbo que ha tomado el mundo de los biomateriales de tercera generación, donde el papel de las células es prioritario, y la necesidad de funcionalizar la superficie de los biomateriales con diversos grupos funcionales ha pasado a ser una necesidad evidente para poder anclar proteínas y/o factores de crecimiento.    Figura 2. Sustancias que intervienen en la regeneración de tejido óseo. Cuando un biomaterial se implanta en el cuerpo humano es imprescindible tener en cuenta el contexto biológico que se va a encontrar, que es complejo tanto a escala celular como molecular. Se va a poner en contacto con distintos tipos celulares y diferentes biomoléculas, que van a interaccionar y a entrar en contacto directo con el implante. En función de cómo sea ésa interacción célula-biomaterial se producirán situaciones muy diferentes: encapsulación del implante en una cápsula colaginosa acelular, que es lo que ocurre con los biomateriales inertes, o por el contrario, si esa interacción es positiva, el tejido dañado se regenerará, y nos encontraremos por tanto, con implantes de tercera generación. En esta última situación pueden intervenir proteínas y factores de crecimiento, de forma similar a como se produce el proceso natural. Estas sustancias están recogidas en la figura 2. Entre las moléculas de interés para unirse covalentemente a la superficie de los biomateriales se encuentran todas aquellas que favorecen la interacción con la matriz extracelular y con la membrana celular, de tal forma que se faciliten los procesos de adhesión y proliferación celular en la zona del implante. Y no hay que olvidar en este contexto a las moléculas que facilitan y promueven la angeogénesis, para favorecer la formación de vasos sanguíneos. Para lograr las mejores condiciones de interacción entre el implante y el mundo biológico en el que va a ser implantado, una vía que actualmente se está investigando es la adecuada funcionalización de la superficie del implante, que tiene como objetivo la modificación de la superficie de los biomateriales, con diversos grupos funcionales, de tal forma que facilite la interacción con las distintas biomoléculas que están presentes en el entorno celular y molecular del entorno del implante. De esta forma, se lograrán biomateriales con superficies funcionalizadas, que facilitarán la adhesión de las células proporcionándoles un entorno apropiado. Favorecer la interacción de las células que rodean al implante con su superficie las estimulará en sus procesos de adhesión, proliferación y angeogénesis, así como los procesos de mineralización imprescindibles para la regeneración del tejido óseo. Se han utilizado tanto péptidos que contienen una secuencia de aminoácidos presentes en las proteínas implicadas en adhesión celular como otros péptidos no relacionados pero que facilitan la adhesión de las células. Todos ellos contienen una secuencia de aminoácidos con afinidad por los heparán sulfato, que es un componente de los proteoglicanos de la membrana celular. Los factores morfogenéticos (BMPs) son proteínas que se están utilizando para la regeneración ósea, porque estimulan los procesos de proliferación y diferenciación de las células progenitoras pluripotentes, es decir, las células mesenquimales en osteoblastos, que son las células formadoras de hueso. En biocerámicas de tercera generación se busca dar soporte a las células para que ellas desarrollen el trabajo de regeneración. La ingeniería tisular se sustenta en tres pilares fundamentales, las células, las señales y los andamios (en literatura inglesa scaffolds). Así como los biomateriales de primera generación no estaban específicamente diseñados para interactuar con el mundo biológico, los de tercera generación, por el contrario, están diseñados teniendo en cuenta que van a estar en contacto con tejidos vivos y que las propiedades de superficie de dichos materiales, tales como la topografía, la carga superficial y todos los aspectos relacionados con la química de sus superficies, son fundamentales para una respuesta positiva cuando dicho material se ponga en contacto con los tejidos vivos (figura 3). Esto conlleva una funcionalización adecuada de las superficies libres de dichos biomateriales para facilitar la adherencia, proliferación y diferenciación celular en condiciones óptimas, como ya se ha dicho. Figura 3. Biocerámicas de tercera generación y tejidos vivos. Los andamios ideales para ingeniería de tejidos deben proporcionar un soporte mecánico biocompatible, que no induzca a una respuesta tisular adversa y que pueda sostener temporalmente carga mecánica. También debe tener una tasa de degradación apropiada, equivalente a la del proceso de regeneración del tejido, y una porosidad interconectada con una distribución de tamaño de poro apropiada, que promuevan la invasión celular y del tejido, el tráfico de metabolitos y con una elevada área superficial para el anclaje celular. Por supuesto debe propiciar el reconocimiento biológico, de tal forma que dé soporte y promueva adhesión, migración, proliferación y diferenciación celular. Y por supuesto debe constituir un nicho adecuado para el desarrollo de tejido vivo, que permita secuestrar y liberar factores morfogénicos. La reparación del cuerpo humano por tanto tiene dos vías o aproximaciones para abordarla: la aproximación biónica, que utiliza biomateriales de primera y segunda generación para la fabricación de prótesis e implantes útiles para todas las especialidades clínicas, y la aproximación de medicina regenerativa que incluye tanto terapia celular como ingeniería de tejidos, y utiliza biomateriales de tercera generación. El objetivo de la ingeniería tisular es el desarrollo de compuestos biológicos y biomateriales implantables en el organismo, con intención de reparar, mantener o mejorar la función de órganos y tejidos. Intervienen los andamios, las células y las señales, que si actúan coordinadamente consiguen el objetivo propuesto, esto es, la reconstrucción del hueso natural, cuando de regeneración ósea se trata, evitando la necesidad de utilizar injertos óseos. Por tanto, la ingeniería tisular se sustenta en tres pilares, las células madre y células progenitoras, responsables de la osteogénesis, que es la capacidad de producir tejido óseo por la acción de las células, los factores bioquímicos que son las señales y factores de crecimiento responsables de la osteoinducción, que es la capacidad para promover la formación de hueso, y los andamios, fabricados con biomateriales naturales y/o sintéticos, que son los responsables de la osteoconducción, que es la capacidad para permitir y favorecer el crecimiento y organización del tejido óseo. La figura 4 es un esquema de las distintas posibilidades de implantar un andamio. Lo más sencillo es implantar directamente el andamio con los únicos requisitos de ser biocompatible, poroso, biodegradable o reabsorbible, osteoconductor y con unas propiedades mecánicas mínimas. La siguiente opción sería implantar el andamio en el que previamente se hayan sembrado células del propio paciente, que es lo que se conoce como Ingeniería de Tejidos. Pero habría otras dos opciones más, implantar el andamio funcionalizado con señales, o implantar el andamio donde estén incluidas tanto señales como células. Estos andamios tridimensionales deben tener una porosidad que permita la entrada de células, a las que debe alojar. Si se implanta directamente in vivo, las células del paciente deberán poder entrar y alojarse en todos sus poros. Y si previamente se hace un sembrado de células in vitro, las células progenitoras deberán colonizar todo el andamio para posteriormente implantarlo. Figura 4. Distintas posibilidades de implantar un andamio en la reconstrucción de hueso natural. Pero, por suerte, las patologías con defectos óseos irreversibles, pueden solucionarse en una inmensa mayoría con sólo el andamio y un tratamiento adecuado; para una minoría de pacientes es necesario la utilización de soportes combinados con factores osteogénicos y sólo para casos muy severos que constituyen realmente una minoría muy pequeña son necesarias células en combinación con soportes y factores osteogénicos. Las aplicaciones de las biocerámicas se centran en la actualidad en los campos de la cirugía maxilofacial, vertebral y ortopédica fundamentalmente, y la investigación para biomateriales del futuro en ingeniería de tejidos y sistemas de liberación de fármacos. Y por supuesto pueden tener proyección en aplicaciones biotecnológicas. En la actualidad las tendencias en biomateiales están centradas fundamentalmente en matrices para medicina regenerativa, que deben ser biocompatibles y funcionales, y capaces de promover regeneración celular de forma diferenciada para cada aplicación, sistemas de liberación controlada, tales como gelificación o encapsulación de moléculas o células con actividad terapéutica incluido el uso de micro y nanopartículas, sistemas de cultivo y validación, donde se incluyen los soportes para cultivo celular o tisular en la fabricación de material de ingeniería de tejidos,producción de ortobiológicos, esto es, sistemas bacterianos modificados genéticamente para la producción y ensamblaje de unidades polipeptídicas que se repiten y producen materiales de origen biológico, superficies bifuncionales, esto es, materiales modificados para albergar componente biológico, como por ejemplo sangre y enzimas, sin contaminar órganos artificiales y dispositivos de diagnóstico, y por último aplicaciones biónicas, es decir, los implantes de materiales tradicionales, bien mejorados o fabricados con nuevos diseños y materiales.