Desarrollo de un scaffold para regeneración ósea mediante impresión 3D de una pasta cerámica compuesta de una mezcla de fosfatos de calcio y biovidrio.

Abstract

La enfermedades, lesiones y traumatismos pueden provocar degeneración y daños irreversibles en los tejidos del cuerpo humano, lo que hace necesario recurrir a tratamientos y/o procedimientos que faciliten su reparación, reemplazo o regeneración, en especial los trastornos óseos que van aumentando con la edad de la población. Los procedimientos realizados a nivel mundial se fundamentan principalmente en recuperar la pérdida de tejido óseo o reparar su funcionalidad mediante inclusión de materiales que suplan la función original. Los más utilizados han sido los injertos óseos para tratar las fracturas, reemplazar o regenerar el tejido óseo dañado, así como el uso de biomateriales, los cuales poseen propiedades biomecánicas, bioactividad y capacidad de reabsorción atractivas. Los sustitutos óseos requieren del conocimiento del ambiente donde ocurrirá el reemplazo. Sin embargo, la evolución de éstos ha dado lugar a cambios en los requisitos y propiedades de los materiales a utilizar. Aun cuando los scaffolds para regeneración ósea han sido ampliamente estudiados, aún quedan inconvenientes por superar tales como la correcta combinación de sus propiedades mecánicas, velocidad de degradación, porosidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad, osteoconductividad e integración funcional al hueso. Con el ánimo de proveer una alternativa diferente a los implantes óseos ya existentes, en el presente trabajo se muestra la síntesis del fosfato de calcio (β-TCP) y posterior con inclusión de iones de Mg (con el fin de observar su efecto bacteriostático) y un biovidrio de boro (BGB) dentro del sistema X B2O3 [100-X] (61SiO2 • 9 P2O5 • 30CaO) controlando las variables físico-químicas que influyen en la estructura obtenida. Para la síntesis de estos materiales se exploraron diferentes técnicas como: auto combustión o combustión en solución, fusión, hidrotermal y sol gel, de estos métodos fue escogido el que presentó un mejor resultado en cuanto a degradabilidad, obtención del material cerámico y vítreo apto para la producción del scaffold. La pasta cerámica para la conformación del scaffold por manufactura aditiva (Impresión 3D) fue formulada basados en el diseño de experimentos (DOE). La caracterización de los polvos cerámicos, la pasta cerámica y los scaffolds fue realizada estructuralmente por difracción de rayos X (DRX), morfología, porosidad e interconectividad de los poros por microscopía electrónica de barrido (SEM), tamaño de partícula por distribución de tamaño de partícula, espectroscopia infrarroja (FTIR), degradabilidad (norma ISO 10993-14), en especial para los scaffolds la bioactividad in vitro mediante pruebas de inmersión en SBF dispuestas por Kokubo en diferentes intervalos de tiempo. Los scaffolds fueron caracterizados de manera biológica con el fin de evaluar la capacidad del material para interactuar con células madre mesenquimales provenientes de tejido adiposo y pulpa dental con posterior diferenciación osteogénica. También fueron evaluados el comportamiento de este frente a bacterias comunes presentes en el cuerpo humano principalmente en la cavidad bucal. (Tomado de la fuente)

Diseases, injuries and traumas can cause degeneration and irreversible damage to the tissues of the human body, which makes it necessary to resort to treatments and / or procedures that facilitate their repair, replacement or regeneration, especially bone disorders that increase with age of the population. The procedures performed worldwide are mainly based on recovering the loss of bone tissue or repair its functionality by including materials that meet the original function. The most used have been bone grafts to treat fractures, replace or regenerate damaged bone tissue, as well as the use of biomaterials, which have attractive biomechanical properties, bioactivity and reabsorption capacity. Bone substitutes require knowledge of the environment where the replacement will occur. However, the evolution of these has led to changes in the requirements and properties of the materials to be used. Even though scaffolds for bone regeneration have been widely studied, there are still disadvantages to overcome such as the correct combination of their mechanical properties, rate of degradation, porosity, biocompatibility, biodegradability, osteoconductivity and functional integration to bone. With the aim of providing a different alternative to existing bone implants, the present work shows the synthesis of bactericidal calcium phosphate (β-TCP) with the inclusion of Mg ions ((in order to observe its bacteriostatic effect) and a boron bioglass (BGB) within the system X B2O3 [100-X] (61SiO2 • 9 P2O5 • 30CaO) controlling the physicochemical variables that influence the obtained structure. For the synthesis of these materials, 3 Contenido X methods were explored, such as combustion solution, Fusion, hydrothermal and sol gel. Of these methods, the one that presented the best results in terms of biodegradability and obtaining ceramic and vitreous materials suitable for the production of the scaffolds was chosen. The ceramic paste for the conformation of the scaffolds by additive manufacturing (3D printing) was formulated based on the design of experiments (DOE) The characterization of the ceramic powders, the ceramic paste, and the scaffolds were carried out structurally by X-ray diffraction (XRD), morphology, porosity, and interconnectivity of the pores by scanning electron microscopy (SEM), particle size by the size distribution of particle, infrared spectroscopy (FTIR), degradability (ISO 10993-14), especially for in vitro bioactivity scaffolds using immersion tests in SBF arranged by Kokubo at different time intervals. The scaffolds were biologically characterized to evaluate the material's ability to interact with mesenchymal stem cells from adipose tissue and dental pulp with subsequent osteogenic differentiation. The behavior of this against common bacteria present in the human body, mainly in the oral cavity, was also evaluated. The results evidenced the obtaining of Boron Bioglass (BGBS) by the sol-gel technique and calcium phosphate associated with the β phase by self-combustion, demonstrating the amorphous nature of the bioglass and the crystalline phases associated with β-TCP, BGBS with 30 %w boron and (β –TCP) and 5%w Mg (β –TCP) exhibit better degradability. For the ceramic paste formulation, select a DOE whose best response is a mixture by weight of 66.5% of calcium phosphate β-TCP and 28.5% of BGBS, 3% of Attapulgite and 2% of water. 3D printing for the scaffolding is carried out in a Wasp Delta 20 × 40 printers, using a 2 ml syringe with a 23G needle (0.8 mm diameter), the scaffold has a geometry type Schwartz D (diamond) ideal for simulating native bone. The scaffolds selected have good properties degradability, bioactivity, porosity, and interconnectivity pores. Regarding antibacterial activity, BGBS and β –TCP / Mg, inhibitory effects against S. mutans. Mesenchymal stem cells from adipose tissue and dental pulp showed good adhesion and cell proliferation in contact with the scaffolds, with Mg-doped scaffolds being a better promoter of cell proliferation, in addition to this; there are no cytotoxic effects in the cells, the differentiation in an osteogenic environment was verified by means of alkaline phosphatase activity. (Tomado de la fuente)