Espumas inyectables de hidroxiapatita obtenidas por el método de espumado de la fase líquida de un cemento de fostato tricálcico alfa

Premi extraordinari doctorat curs 2009-2010, àmbit d’Enginyeria IndustrialActualmente existe un gran número de lesiones y enfermedades que afectan el tejido óseo. El origen de estos problemas es diverso y su tratamiento también es diferente en cada caso. Uno de los principales problemas es la pérdida de masa ósea, que puede ser causada por la reabsorción de hueso, fracturas o extirpación de tumores; en estos casos el tratamiento requiere de un material de relleno óseo. Se espera que este material de relleno sea capaz de promover la regeneración de hueso; los materiales que cumplen con este requisito se les denomina injertos óseos. Otras aplicaciones de los injertos óseos son el aumento de hueso para corregir deformaciones o para fijar implantes dentales u ortopédicos. Se estima que en Europa los sustitutos óseos se utilizan en un millón de cirugías anualmente. El mercado mundial de estos materiales se estima en cinco billones de Euros con una tasa de crecimiento anual de 8-15 %.La hidroxiapatita, que corresponde a la fase mineral de hueso y dientes, es uno de los mejores materiales utilizados en el desarrollo de injertos óseos sintéticos. Las bioactividad y osteoconductividad de la hidroxiapatita son la razón de su éxito. Sin embargo, la hidroxiapatita es relativamente estable, por ello, los bloques sólidos no son reabsorbidos a largo plazo. Para incrementar la reabsorción de la hidroxiapatita, y permitir la formación de nuevo hueso hacia su interior, se incorporan macroporos abiertos en el material, mejorando también la osteointegración del implante. Un método para conseguir lo anterior es el espumado de los cementos de fosfatos de calcio; este enfoque tiene la ventaja de que la hidroxiapatita obtenida después del fraguado del cemento es más similar a la hidroxiapatita biológica que las hidroxiapatitas sinterizadas. Además, debido a que los cementos son inyectables cuando son una pasta, es posible obtener injertos óseos inyectables, macroporosos y autoconsolidables. El objetivo de la presente tesis es desarrollar espumas sólidas de hidroxiapatita a través del método de espumado de la fase líquida de un cemento de fosfato de calcio. Se espera que las espumas obtenidas puedan ser utilizadas como injertos óseos inyectables y autoconsolidables bajo condiciones fisiológicas. A lo largo de la tesis se estudian dos tipos de agentes espumantes. En primer lugar, el surfactante no iónico Tween 80 se estudia como agente espumante sintético, en segundo lugar, la gelatina, el alginato de sodio y el extracto de soja se estudian como agentes espumantes naturales. Estos polímeros se proponen como agentes espumantes con la intención de obtener espumas compuestas que imiten la composición y la estructura del nanocompuesto natural que es el tejido óseo.Los resultados mostraron que es posible obtener espumas inyectables de hidroxiapatita empleando contenidos de Tween 80 por debajo de la dosis máxima recomendada en administración parenteral. También se comprobó que la gelatina y el extracto de soja permiten obtener espumas inyectables y autofraguables in situ. Por el contrario, el alginato de sodio no mostró ser un buen agente espumante. Al comparar los dos tipos de agentes espumantes estudiados (sintético y natural) se puede concluir que el espumante sintético Tween 80 es más eficiente que los espumantes naturales; no obstante, la gelatina y el extracto de soja mejoran la Inyectabilidad y/o la cohesión de las espumas, ambas propiedades indispensables para utilizar estos materiales como injertos óseos inyectables y autoconsolidables.Los estudios in vitro e in vivo mostraron que las espumas obtenidas de hidroxiapatita no son toxicas, que pueden ser preparadas bajo condiciones estériles dentro del quirófano sin equipos especiales, y que las espumas seleccionadas tienen cohesión para endurecer in situ bajo condiciones fisiológicas, adaptando la forma y rellenando perfectamente el defecto cuando son implantadas por inyección.Nowadays, there are great number of injuries and illnesses that affect bone tissue. The origin of these diseases is diverse and their treatment is also different in each case. A great problem is bone loss, which can be caused by bone resorption, fractures or bone tumor extirpation; in these cases, a bone filler material will be required. It is expected that the filling material should be able to promote bone healing; materials that meet this properties are known as bone grafts. Other applications of bone grafting materials are the bone mass augmentation to correct deformations or to fix dental and orthopedic implants. It is estimated that in Europe bone substitutes are used in one million surgical procedures annually. The worldwide market of these materials is an estimated of five billion Euros with annual growth rate of 8-15%.One of the most successful materials used in the development of synthetic bone grafting materials is hydroxyapatite, which correspond to the mineral phase of bone and teeth. The bioactivity and the osteoconductivity properties of hydroxyapatite are the reasons of its success. Nevertheless, hydroxyapatite is relatively stable; therefore, solid blocks are not resorbed in the long term. In order to increase the hydroxyapatite resorption, and allow new bone ingrowth, open macropores are incorporated to the material, improving also implant osteointegration. One method to do this is by foaming calcium phosphate cements; this approach has the advantage that the resulting hydroxyapatite after cement setting is more similar to the biological apatite than sintered hydroxyapatite. In addition, since bone cements are injectable when they are a paste, it is possible to develop an injectable, macroporous, and self-setting bone graft.The objective of this thesis was to develop solid hydroxyapatite foams through the liquid phase foaming of a calcium phosphate bone cement. It is expected that the developed foams can be applied as injectable, self-setting, synthetic bone grafts under physiological conditions. Along with this thesis, two types of foaming agent were studied. In first place, non ionic surfactant Tween 80 was tested as syntactic foaming agent; and second, gelatin, sodium alginate and soy extract were tested as natural foaming agents. These biopolymers are proposed as foaming agents with the objective of obtaining composite foams that mimic the composition and structure of the natural nanocomposite that is bone tissue.The results showed that is possible to obtain injectable hydroxyapatite foams using Tween 80 amounts below the maximum dosage recommended for parenteral administration. Also, it was validated that gelatin and soy extract allow obtaining injectable, in situ self-setting foams. In contrast, sodium alginate did not show a good foaming capacity. Comparing the two types of studied foaming agents (synthetic and natural) it can be concluded that the synthetic foaming agent Tween 80 is more efficient than the natural foaming agents; however, gelatin and soy extract improved the injectability and/or the cohesion of the foams, both essential properties to use these materials as injectable and self-setting grafts.The in vitro and in vivo studies showed that the hydroxyapatite foams obtained were not toxic, they could be prepared under sterile conditions in the operating room without special staff, and the selected foams maintained their cohesion to set in situ under physiological conditions, adapting and filling perfectly the shape of the defect when implanted through injection.Award-winningPostprint (published version