Regenerar huesos y dientes

Dentro de las opciones biocerámicas para reparar huesos y dientes existe un amplio abanico de posibilidades, en las que se incluyen fosfatos de calcio, vidrios, vitrocerámicas, híbridos orgánico-inorgánico y materiales mesoporosos ordenados de base silicea.

Utilizando surfactantes en la síntesis sol-gel de vidrios convencionales se pueden obtener con una superficie específica mucho más grandes, dos o tres veces mayor. Sintetizando híbridos star gels, formados por un núcleo orgánico con ramificaciones en cuyos extremos se forma una red inorgánica tipo sílice, se pueden obtener propiedades mecánicas intermedias entre gomas de alto entrecruzamiento y vidrios convencionales. Y las posibilidades de combinación de materiales ya conocidos o el diseño de nuevos materiales, dirigidos a reparar y/o regenerar el tejido óseo, no han acabado, están empezando y abriendo una nueva era.

Los huesos son materiales compuestos naturales, formados por una matriz orgánica en la que se organizan nanocristales inorgánicos de una fase apatita. La fase mineral aporta el 65% de la masa total del hueso siendo el resto materia orgánica y agua. La mayor parte de la matriz orgánica está formada por colágeno. Sus moléculas se asocian formando fibrillas y éstas a su vez se organizan en fibras que dan origen a diversas estructuras macroscópicas. Entre las moléculas quedan, de forma regular, pequeños compartimentos o espacios vacíos donde se depositan los nanocristales de apatita en un proceso de biomineralización controlado en el que intervienen más de doscientas proteínas ácidas diferentes.

Las apatitas biológicas presentes en huesos, dentina y esmalte, son siempre no estequiométricas y sus tamaños son del orden nanométrico. Estas apatitas poseen un amplio margen de composición en sus tres subredes. Son, por tanto, compuestos marcadamente no estequiométricos, siempre deficientes en calcio y con presencia de carbonato en su estructura. Las dimensiones de las apatitas biológicas se encuadran en la escala nanométrica, siendo su tamaño de unos 25 a 50 nanómetros.

Volviendo a la idea de sintetizar un hueso artificial, la primera tarea es obtener nanoapatitas deficientes en calcio con control de la presencia de ciertos elementos minoritarios, en particular de iones de carbonato. Esto puede hacerse por distintas rutas, implicando varios métodos químicos de síntesis, tales como el método pirosol, el de cristalización controlada, o el ya tradicional método sol-gel o cualquiera de sus modificaciones.

Con estas apatitas nanométricas hay que construir piezas implantables que tengan poros de tamaño en el orden de las micras, para que se puedan realizar determinadas funciones biológicas, por tanto es importante utilizar métodos de conformado de piezas donde se mantenga el tamaño nanométrico de la apatita pero logrando porosidad en el orden de las micras.

Otra posibilidad para obtener apatitas similares a las biológicas nos la brinda la alta reactividad de los vidrios, que en contacto con los fluidos fisiológicos son capaces de generarlas. Se están utilizando en la actualidad en diversas sustituciones de huesos y dientes y con ellos también se pueden fabricar recubrimientos, particularmente interesantes sobre sustratos metálicos, ya que de esta forma se pueden combinar las buenas propiedades mecánicas de los metales o sus aleaciones con la excelente biocompatibilidad y bioactividad de los biovidrios. El método de dip-coating, es un buen procedimiento ya que en función de las condiciones de síntesis se puede diseñar la porosidad del recubrimiento, que es un factor particularmente importante para una buena biocompatibilidad con las células.

El descubrimiento de los materiales mesoporosos ordenados, en 1992, por investigadores de la compañía Mobil, permitió expandir enormemente las potencialidades de los sistemas anfitrión-huesped a escala nanométrica. Las aplicaciones de estos materiales son múltiples abarcando desde la catálisis a la liberación controlada de fármacos. Nuestro grupo de investigación ha sido pionero en liberación controlada de sustancias nanométricas confinadas en estas matrices y en regeneración tisular.

Estos materiales tienen una distribución ordenada de canales y cavidades de distinta geometría y constituyen una nueva generación de materiales cuyo armazón puede estar formado exclusivamente por sílice con un elevado volumen de poros en el rango de los mesoporosos, esto es, entre dos y cincuenta manómetros. Tienen además la ventaja de tener un tamaño muy homogéneo y controlable. En estas matrices se pueden alojar distintos fármacos y cederlos de manera sostenida durante periodos de tiempo prolongados a un medio fluido apropiado.

Síntesis de materiales, su caracterización y conformado, estudios de biocompatibilidad y mecanismos de liberación controlada de fármacos, son tareas habituales en nuestro grupo de trabajo.