ES2227719T3

ES2227719T3 - Procedimiento de preparacion de fosfato de calcio poco cristalino y tecnicas de utilizacion.

Info

Publication number: ES2227719T3
Application number: ES97945578T
Authority: ES
Inventors: Dosuk D. Lee; Christian Rey; Maria Aiolova; Aliassghar Tofighi
Original assignee: Etex Corp
Current assignee: Etex Corp
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 2005-04-01
Anticipated expiration: 2017-10-16
Also published as: DE69729647D1; EP0936929B1; DE69729647T2; JP4781494B2; AU4674697A; CA2270185C; WO1998016268A2; CA2270185A1; JP2001502215A; EP0936929A2; WO1998016268A3; DK0936929T3; AU742748B2; ATE269720T1

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO DE PRODUCCION DE CEMENTO O DE MATERIA DE CARGA A BASE DE FOSFATO DE CALCIO QUE SE ENDURECE SEGUN LA TEMPERATURA Y ELLO, EN COMBINACION CON UNA REACCION ENDOTERMICA. DURANTE ESTA REACCION, SE MEZCLA UNA CANTIDAD LIMITADA DE AGUA CON PRECURSORES DE FOSFATO DE CALCIO SECO PARA PRODUCIR UNA PASTA HIDRATADA DE DICHO PRECURSOR. EL ENDURECIMIENTO DE LA PASTA, QUE SE HACE RAPIDAMENTE A LA TEMPERATURA DEL CUERPO, ESTA ACOMPAÑADO POR LA CONVERSION DE UNO DE LOS REACTIVOS O DE VARIOS REACTIVOS EN FOSFATO DE CALCIO APATITICO, ALTAMENTE BIORREASORBIBLE Y POCO CRISTALINO, ASI COMO UN MATERIAL COMPLEMENTARIO. ESTE, QUE ESTA EN ESTRECHO CONTACTO CON EL HIDROXI-APATITA SEGUN CANTIDADES SUFICIENTES PARA CONFERIR UNA PROPIEDAD ESCOGIDA PARA EL COMPOSITO, PUEDE SER BIOCOMPATIBLE, BIORREASORBIBLE O NO REASORBIBLE. ESTA INVENCION TAMBIEN SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO QUE PERMITE TRATAR UN DEFECTO DE TIPO OSEO QUE CONSISTE EN IDENTIFICAR UN SITIO OSEO QUE SE PRESTE A LA RECEPCION DE UN IMPLANTE, Y EN APLICAR SOBRE ESTE SITIO DE IMPLANTACION DEL FOSFATO DE CALCIO APATITICO, ALTAMENTE BIORREASORBIBLE Y POCO CRISTALINO, DEL HUESO QUE SE FORMA ENTONCES EN DICHO SITIO. PUEDEN VARIARSE LOS SITIOS, A SABER UNA ALVEOLA DENTAL, UN HUESO DESPROVISTO DE CONSOLIDACION DESPUES DE UNA FRACTURA, UNA PROTESIS OSEA, UN HUESO OSTEOPOROTICO, UN ESPACIO INTERVERTEBRAL, UNA CRESTA ALVEOLAR O UNA ZONA DE FRACTURA OSEA.

Description

Procedimiento de preparación de fosfato de calcio poco cristalino y técnica de utilización.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a materiales de implante de tejido duro que contienen fosfato cálcico apatítico poco cristalino útiles como materiales biocerámicos implantables humanos o animales para usar en aplicaciones ortopédicas y dentales y para otros propósitos. Adicionalmente, la invención se refiere a materiales compuestos bioreabsorbibles, terapia celular y dispositivos de administración de sustancias terapéuticas útiles para tratamientos terapéuticos humanos y animales.

Antecedentes de la invención

Los fosfatos cálcicos son los constituyentes principales de los tejidos duros (hueso, cartílago, esmalte dental y dentina). Los fosfatos cálcicos cuando se encuentran en tejidos biológicos generalmente aparecen en forma apatítica. Por ejemplo, la composición del mineral óseo se puede representar por la siguiente fórmula:

Ca_{8,3} (PO_{4})_{4,3} (HPO_{4}, CO_{3})_{17} (OH, CO_{3})_{0,3}

A diferencia del hidroxiapatito cristalino de estequiometría ideal (Ca_{10}(PO_{4})_{6}(OH)_{2}), o de los apatitos estequiométricos en general (Ca_{5}(PO_{4})_{3}X), que tienen una relación calcio a fosfato (Ca/P) de 1,67, el mineral óseo es un apatito no estequiométrico. Su no estequiometría se debe principalmente a la presencia de iones divalentes, tales como CO_{3}^{2-} y HPO_{4}^{2-}, que sustituyen a los iones trivalentes PO_{4}^{3-}. La sustitución por iones HPO_{4}^{2-} y CO_{3}^{2-} produce un cambio en la relación Ca/P, que da lugar a relación Ca/P que puede variar entre 1,50 a 1,70, dependiendo de la edad y del sitio óseo. Generalmente, la relación Ca/P aumenta durante la edad del hueso, sugiriendo que la cantidad de especies de carbonato aumenta para los huesos más viejos. Es mineral óseo que aparece naturalmente está hecho de fosfato cálcico con tamaño de partículas de nanómetros, poco cristalino, con estructura apatítica. El fosfato cálcico apatítico poco cristalino del hueso se distingue de los hidroxiapatitos más cristalinos y de los hidroxiapatitos no estequiométricos por su diagrama de difracción de rayos X (DRX) característico como se muestra en la Figura 7. Es su relación Ca/P junto con su tamaño de partículas nanocristalino y su naturaleza poco cristalina lo que produce las propiedades de solubilidad específicas de los minerales óseos. Y debido a que los tejidos óseos reciben reparación constante de tejidos regulado por las células de reabsorción mineral (osteoclastos) y las células de producción mineral (osteoblastos), el comportamiento de solubilidad de los minerales es importante para mantener un delicado balance metabólico entre estas actividades celulares.

El material de injerto óseo sintético, fabricado para que se parezca estrechamente a los minerales óseos naturales puede ser un reemplazo útil del hueso natural. El hueso sintético aceptable puede evitar el problema de disponibilidad y recogida de hueso autólogo (hueso del propio paciente) y los riesgos y complicaciones asociados con el hueso de aloinjerto (hueso procedente de un cadáver), tal como el riesgo de transmisión viral. Un injerto óseo sintético ideal poseería como mínimo las cuatro propiedades siguientes: (1) debería ser químicamente biocompatible; (2) debería proporcionar cierto grado de integridad estructural con el fin de mantener el injerto en su lugar e intacto hasta que el hueso del propio paciente cicatrice alrededor de él; (3) debería ser reabsorbible de manera que el hueso del propio paciente finalmente sustituya al injerto; y (4) debido a que puede ser necesario incorporar células y/o biomoléculas en el material óseo sintético, es deseable que el procedimiento usado para formar el material emplee bajas temperaturas y condiciones químicamente suaves. Criterios similares son también importantes para otros injertos de tejidos duros (por ejemplo, cartílago).

Estos criterios se pueden conseguir con un material en los que se controlan parámetros, tales como relaciones Ca/P, tamaño cristalino, cristalinidad, porosidad, densidad, estabilidad térmica, y pureza de materiales. Aunque ha habido esfuerzos considerables para sintetizar un material cerámico para usarlo como implantes, los hidroxiapatitos sintéticos han sido con frecuencia los más usados debido a que su fórmula química es muy similar a la del mineral que aparece naturalmente en el hueso. LeGeros R.Z., en "Calcium Phosphates in Oral Biology and Medicine", Karger Pub. Co., New York, 1991 muestra formas sumamente cristalinas de hidroxiapatito producidas por precipitación de disoluciones seguida de sinterización a altas temperaturas (800-1200ºC). El tratamiento a altas temperaturas produce un hidroxiapatito sumamente estequiométrico con tamaños de cristales del orden de varios micrómetros con una relación Ca/P de 1,67. Tal hidroxiapatito sumamente cristalino es esencialmente no reabsorbible en vivo. No se reemplaza por tejido óseo vivo y permanece intacto en el paciente durante un periodo de tiempo indeseablemente extenso.

Otros enfoques distintos para la producción de material óseo sustituto han empleado hidroxiapatito producido por una reacción ácido-base de estado sólido de reactivos de fosfato cálcico primordialmente cristalino. Estos materiales óseos sustitutos de hidroxiapatito a veces han reaccionado poco, son no homogéneos, y tiene contenido significativo de hidroxiapatito cristalino.

Constantz en la patente de EE.UU. número 4.880.610 informa sobre la preparación de minerales de fosfato cálcico por reacción de un ácido fosfórico sumamente concentrado con una fuente de calcio en presencia de una base y de cristales de hidroxiapatito. El producto resultante es un material policristalino que contiene una forma cristalina de minerales de hidroxiapatito. Asimismo, la patente de EE.UU. número 5.053.212 de Constantz et al. describe el uso de una fuente de ácido en polvo para mejorar la trabajabilidad y mezclabilidad de la mezcla ácido/base; sin embargo, se informa de un material de fosfato cálcico con mezcla de fases similar al del documento US 4.880.610. Recientemente, Constantz et al. informaron en Science (volumen 267, páginas 1796-9 (24 de marzo de 1995)) de la formación de un apatito carbonatado procedente de la reacción de fosfato monocálcico monohidrato, \beta-fosfato tricálcico, á-fosfato tricálcico, y carbonato cálcico en una disolución de fosfato sódico, para dar un material de fosfato cálcico que es todavía sustancialmente más cristalino en carácter que los minerales óseos que aparecen naturalmente.

Similarmente, Brown et al. en U.S. Reissue número 33.221 informa sobre la reacción de fosfato tetracálcico cristalino (Ca/P de 2,0) con fosfatos ácidos de calcio. Liu et al. en la patente de EE.UU. número 5.149.368 describe la reacción de sales de fosfato cálcico cristalino con un citrato ácido.

Se han descrito varios agentes de relleno y cementos óseos de fosfato cálcico como "reabsorbible". Generalmente, son compuestos que comprenden o derivan de fosfato tricálcico, fosfato tetracálcico o hidroxiapatito. Como mucho, estos materiales pueden considerarse sólo como débilmente reabsorbibles. De ellos, los compuestos de fosfato tricálcico (TCP) han demostrado ser los más reabsorbibles y después de muchos años de estudio todavía no se usan ampliamente en montajes clínicos. Se sabe que los fosfatos tricálcicos tienen perfiles de reabsorción largos y algo impredecibles, requiriendo generalmente más de un año para la reabsorción. Además, a no ser que se tomen medidas para producir muestras extremadamente porosas o canalizadas, los fosfatos tricálcicos no se reemplazan por hueso. Recientemente, se ha llegado a la conclusión de que "la biodegradación del TCP, que es mayor que la del Hap (hidroxiapatito) no es suficiente" (Berger et al., Biomaterials, 16:1241 (1995)). Los compuestos derivados de fosfato tetracálcico y de hidroxiapatito también son sólo débilmente reabsorbibles. Los agentes de relleno de fosfato tetracálcico exhiben generalmente reabsorción parcial durante largos periodos de tiempo, tal como 80% de reabsorción después de 30 meses (Horioglu et al., Soc. for Biomaterials, March 18-22, página 198 (1995)). Aproximadamente 30% del hidroxiapatito microcristalino implantado en el seno frontal de gatos permaneció después de 18 meses.

Todas estas referencias describen una reacción química que da lugar a la forma cristalina de sólidos de hidroxiapatito que se obtuvieron haciendo reaccionar sólidos cristalinos de fosfato cálcico. Se ha informado poco sobre el uso de fosfato cálcico amorfo (Ca/P de aproximadamente 1,5) como uno de los reactivos debido a que los fosfatos cálcicos amorfos son los sólidos menos conocidos entre los fosfatos cálcicos, y el fosfato cálcico amorfo tradicionalmente se han considerado que es un sólido relativamente inerte y no reactivo.

El material de fosfato cálcico amorfo se ha usado como un precursor directo para la formación de compuestos de hidroxiapatito sumamente cristalinos en tratamientos generalmente a alta temperatura. Un material sumamente cristalino tal es inapropiado como hueso sintético debido a que es sumamente insoluble en condiciones fisiológicas. Chow et al. en la patente de EE.UU. número 5.525,148 informa de ensayos de precursores de ACP en varios esquemas de reacción pero afirma que las suspensiones de una variedad de fosfatos cálcicos cristalinos que incluyen ACP solo o en mezclas no producen un cemento de fraguado ni actúa como un agente efectivo de remineralización.

Brown et al. en U.S. Reissue número 33.221 informa sobre la formación de hidroxiapatito cristalino para cemento dental por reacción de una fase amorfa restringida específicamente a fosfato tetracálcico (Ca/P de 2,0) con al menos uno de los fosfatos cálcicos más ácidos. Además, Brown et al., no describe la preparación ni las propiedades de un fosfato tetracálcico tal en estado amorfo. Tung en la patente de EE.UU. número 5.037.639 describe el uso y aplicación de pasta de fosfato cálcico amorfo estándar para la remineralización de los dientes. Tung propone el uso de fosfato cálcico amorfo inerte estándar mezclado y administrado con goma de mascar, enjuague bucal o pasta de dientes, que al contactar con los fluidos orales se transforma en hidroxiapatito cristalino conteniendo fluoruro que es útil para remineralizar el esmalte dental. Simkiss en el documento PCT/GB93/01519 describe el uso de inhibidores, tales como iones Mg o pirofosfato, mezclados con fosfato cálcico amorfo e implantado en tejidos vivos. Después de lixiviarlo, por ejemplo con iones Mg, en fluidos corporales circundantes, el fosfato de calcio y magnesio amorfo se transforma en una forma más cristalina.

Continua siendo una necesidad desarrollar nuevos materiales sintéticos que imiten más estrechamente las propiedades de los minerales que se dan naturalmente en el tejido duro. En particular, continua siendo una necesidad proporcionar materiales óseos sintéticos que sean completamente bioreabsorbibles, que se puedan formar a bajas temperaturas y sean poco cristalinos, con cristales de tamaño de nanómetros.

Compendio de la invención

La presente invención proporciona un material cerámico bioactivo que es biocompatible, bioreabsorbible y trabajable durante un largo periodo de tiempo a temperatura ambiente. El material cerámico bioactivo se puede formar a bajas temperaturas, es fácilmente conformable y/o inyectable, y todavía se puede endurecer a resistencia alta por reacción posterior. El material cerámico bioactivo contiene sólidos fosfato cálcico apatítico poco cristalino con relaciones Ca/P comparables a los minerales óseos que aparecen naturalmente y tiene elasticidad y resistencia a la fractura similar al hueso natural. El material compuesto cerámico bioactivo es fuertemente bioreabsorbible y su bioabsorbilidad y reactividad se puede ajustar para cumplir las demandas de la terapia particular y/o del sitio de implante. El material se puede preparar como placas óseas, tornillos óseos y otros objetos de unión y dispositivos médicos, incluyendo aplicaciones veterinarias, los cuales son fuertemente bioreabsorbibles y/u osificantes.

Estas y otras características de la invención se alcanzan por una composición biocerámica de auto-endurecimiento, que incluye un precursor hidratado de un fosfato cálcico y un líquido con base acuosa en una cantidad suficiente para hidratar el fosfato cálcico para formar una pasta o masilla, caracterizada porque el endurecimiento del precursor hidratado esta asociado con una reacción de fraguado endotérmico. Alternativamente, una composición biocerámica de auto-endurecimiento, incluye un precursor hidratado de un fosfato cálcico amorfo y un líquido con base acuosa en una cantidad suficiente para hidratar el fosfato cálcico para formar una pasta o masilla, caracterizada porque el endurecimiento del precursor hidratado tiene lugar en más de diez minutos.

En otro aspecto de la invención, se proporciona una composición biocerámica que incluye un fosfato cálcico poco cristalino preparado promoviendo el endurecimiento de un precursor hidratado que comprende un fosfato cálcico amorfo y un líquido con base acuosa en una cantidad suficiente para hidratar el fosfato cálcico amorfo para formar una pasta o masilla, en el que el endurecimiento está asociado con una reacción endotérmica y la transformación del fosfato cálcico amorfo en el fosfato cálcico poco cristalino.

La composición biocerámica de la invención se puede preparar mezclando en cualquier orden, (a) un fosfato cálcico amorfo, (b) un agente activador, (c) un material suplementario y (d) un líquido con base acusa en una cantidad suficiente para formar una pasta o masilla, en la que la pasta o masilla se transforma en un fosfato cálcico apatítico poco cristalino y dicha transformación está asociada con el endurecimiento de la pasta en una reacción endotérmica.

Definiciones

"Amorfo" - Por "amorfo" como se usa aquí ese término, significa un material con un carácter amorfo significativo. El carácter amorfo significativo contempla contenido amorfo superior a 75%, preferiblemente contenido amorfo superior a 90%, y se caracteriza por un diagrama de difracción de rayos X ancho y sin características. Se reconoce que puede existir un pequeño grado de cristalinidad en el material. Sin embargo, para los materiales precursores amorfos de la presente invención, es preferible que el grado de cristalinidad sea menor que el deseado en el material del producto.

"Bioactivo" - "Bioactivo" se refiere a un material que induce la formación de tejido duro en y alrededor del implante. Cuando el implante es en tejido blando, la bioactividad puede requerir también la presencia de un factor de crecimiento o trófico, o la siembra del implante con un tipo de células formadoras de tejido duro.

"Biocompatible" - El término "biocompatible", como se usa en la presente memoria, significa que el material no despierta una respuesta perjudicial sustancial en el huésped. Siempre hay la preocupación, cuando se introduce un objeto foráneo en un cuerpo vivo, de que el objeto puede inducir una reacción inmune, tal como una respuesta inflamatoria que puede tener efectos negativos en el huésped. Por ejemplo, aunque se considera que el hidroxiapatito es generalmente "biocompatible", se ha observado inflamación y necrosis tisular significativa cuando se han insertado intramuscularmente microsoportes de hidroxiapatito en animales (véase, por ejemplo, IJntema et al., Int. J. Pharm 112:215 (1994)).

"Bioreabsorbible" - "Bioreabsorbible" se refiere a la capacidad de un material para reabsorberse in vivo. "Reabsorción total" significa que no quedan fragmentos extracelulares significativos. El proceso de reabsorción implica la eliminación de los materiales del implante original por la acción de los fluidos, enzimas o células corporales. El fosfato cálcico reabsorbido puede ser, por ejemplo, redepositado como mineral óseo, o puede ser reutilizado de otra manera en el cuerpo, o excretado. "Fuertemente bioreabsorbible", como se usa ese término en la presente memoria, significa que al menos 80%, preferiblemente 95-99% y lo más preferiblemente > 99%, de la masa total del material implantado intramuscularmente o subcutáneamente se reabsorbe en un año. En las realizaciones preferidas de la invención, el fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA) fuertemente reabsorbible se caracteriza por que cuando se implanta al menos 1 g (preferiblemente 1-5 g) de material PCA en un sitio subcutáneo o intramuscular, se reabsorbe al menos 80% del material en un año. En realizaciones más preferidas, el material se reabsorberá en nueve meses, seis meses, tres meses, e idealmente en un mes. Además, los materiales particularmente preferidos se caracterizan por que se pueden reabsorber completamente en los periodos de tiempo establecidos. Para los propósitos de esta descripción, "débilmente" reabsorbible significa que menos del 80% del material de partida se reabsorbe después de un
año.

"Cantidad efectiva" - Una cantidad efectiva de un material suplementario es una cantidad suficiente para otorgar la propiedad mecánica o química deseada al material compuesto.

"Endurecimiento" - "Endurecimiento" se refiere al procedimiento por el cual el precursor hidratado se transforma en un material PCA endurecido. El material PCA se considera que se ha endurecido cuando es un sólido sustancialmente no conformable. Un material PCA endurecido tal tiene compresibilidad mínima y tiende a ser plástico en oposición a la deformación elástica.

"Precursor hidratado" - La expresión "precursor hidratado", como se usa en la presente memoria, se refiere a la pasta o masilla formada por hidratación de los precursores secos en presencia de una cantidad limitada de disolución acuosa (es decir, menos de aproximadamente 1 ml de disolución acuosa/1 g de polvo de precursor). El precursor hidratado puede comprender tanto reactivos como productos, en diversas combinaciones, que dependen de la extensión a la que ha progresado la transformación. Tanto las pastas de precursor "inyectable" como "conformable" descritas en la presente memoria son precursores hidratados. Los precursores hidratados "inyectables" preferidos tienen una consistencia apropiada para administrarlos a través de una aguja de calibre 18.

"Fosfato cálcico apatítico poco cristalino", "fosfato cálcico PCA" y "material PCA", como se usan esos términos en la presente memoria, describen un fosfato cálcico apatítico sintético poco cristalino. El material PCA no se restringe necesariamente a una fase simple de fosfato cálcico siempre que tenga el diagrama de DRX y FTIR característico. Un fosfato cálcico PCA tiene sustancialmente el mismo espectro de difracción de rayos X que el hueso. El espectro se caracteriza generalmente por sólo dos picos anchos en la región de 20-35º con uno centrado a 26º y el otro centrado a 32º. Adicionalmente, se caracteriza por los picos de FTIR a 563 cm^{-1}, 1034 cm^{-1}, 1638 cm^{-1}, y 3432 cm^{-1} (\pm 2 cm^{-1}). Se observan hombros agudos a 603 cm^{-1} y 875 cm^{-1}, con un doblete que tiene los máximos a 1422 cm^{-1} y 1457 cm^{-1}.

"Agente activador" - El térmico "agente activador", como se usa en la presente memoria, describe un material o tratamiento que promueve el endurecimiento de un precursor hidratado y puede aumentar la transformación de fosfato cálcico ACP a PCA. Algunos agentes activadores participan en la transformación y se incorporan en el material del producto PCA; otros, conocidos como agentes activadores "pasivos", no participan.

"Reactivo" - "Reactivo" se usa en la presente memoria para referirse a la capacidad de un fosfato cálcico amorfo, cuando se mezcla con líquido, de formar un precursor hidratado para transformarse al material PCA de la presente invención en presencia de un agente activador asociado con el endurecimiento de los materiales precursores. Los ACPs preferidos se caracterizan por una capacidad para transformarse completamente, una capacidad para transformarse rápidamente con endurecimiento, una capacidad para sufrir la transformación con compuestos de otra manera inertes y/o una capacidad para transformarse en un material PCA sustancialmente homogéneo. Cuando el ACP reacciona con un segundo fosfato cálcico, la "transformación" puede abarcar la transformación tanto del ACP como del segundo fosfato cálcico. El grado de endurecimiento y la cinética del procedimiento de endurecimiento también son elementos de reactividad importantes. Algunos ACPs son más reactivos que otros. Un ACP se considera "sumamente reactivo" si sufre transformación y endurecimiento a material PCA en presencia de un agente activador débil, tal como fosfato dicálcico dihidrato ("DCPD") con una distribución de tamaño de granos que contienen una fracción significativa de granos mayores de 100 \mum. Los ACPs sumamente reactivos preferidos producen un material PCA endurecido en presencia de DCPD débilmente agente activador y agua a 37ºC en menos de doce horas, siendo el endurecimiento sustancialmente completo en aproximadamente una a cinco horas, e idealmente en 10-30 minutos.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una micrografía electrónica de transmisión de alta resolución de fosfato cálcico amorfo reactivo, que ilustra los granos de tamaños de nanómetros en racimos con límites de separación relativamente poco claros y parcialmente inmerso en forma amorfa (flechas);

La Figura 2 es un espectro de microscopía electrónica de energía dispersiva del fosfato cálcico amorfo reactivo de la presente invención después de procedimiento de calentamiento a vacío que produjo que la relación Ca/P fuese 1,58;

La Figura 3 es una curva de solubilidad de un producto de fosfato cálcico apatítico poco cristalino derivado del fosfato cálcico amorfo de la presente invención, comparado con un hidroxiapatito cristalino. Nótese la mayor solubilidad relativa del material de la presente invención frente a la forma más cristalina del hidroxiapatito, medido por la cantidad de iones calcio liberados a la disolución a 37ºC;

La Figura 4 son diagramas de difracción de rayos X de (a) fosfato cálcico amorfo reactivo; y (b) difosfato dicálcico usado en una reacción para formar un material sustituto óseo de la invención.

La Figura 5a-d son diagramas de difracción de rayos X siguiendo el progreso de la reacción de una mezcla de fosfato cálcico amorfo reactivo y difosfato dicálcico para formar un material PCA de la presente invención.

La Figura 6 es el espectro infrarrojo de (a) fosfato dicálcico dihidrato, (b) el ACP activado de la invención, y (c) el material PCA de la presente invención;

La Figura 7 es un diagrama de difracción de rayos X de hueso formado naturalmente;

La Figura 8 es un diagrama de barras que muestra la distribución de tamaño de partículas para diversas formulaciones descritas en el Ejemplo 10;

La Figura 9 presenta fotomicrografías de defectos de la tibia sin tratar (9a) o tratada (9b) con un vehículo de administración de la presente invención; en la Figura 9a, las flechas pequeñas indican un borde del defecto; la flecha grande esta en defecto aun sin cubrir; en la Figura 9b, las flechas grandes indican un borde del defecto; y en ambas Figuras, la magnificación es 4x, el hueso está descalcificado, y los portaobjetos se trataron con hematoxilina y eosina.

La Figura 10 es una fotomicrografía de hueso trabecular canino que ha crecido con un defecto, tratado con el material PCA de la presente invención (magnificación 10x; descalcificado; hematoxilina y eosina);

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La Figura 11 es una fotomicrografía de un defecto de hueso cortical canino que fue tratado con el material PCA de la presente invención (magnificación 4x; sin descalcificar, fucsina básica verde brillante);

La Figura 12 presenta fotomicrografías de defectos de tibias de conejos sin tratar (Figura 12a) y tratada (Figura 12b) cuatro semanas después de cirugía (magnificación 4x, descalcificado; tricromo de Masson);

La Figura 13 es un diagrama de difracción de rayos X de fosfato cálcico PCA preparado a partir del agente activador pasivo Al_{2}O_{3}, en el que los picos del Al_{2}O_{3} se indican con líneas; La Figura 4 es un diagrama de difracción de rayos X de fosfato cálcico PCA preparado como se describe en el Ejemplo 1-2;

La Figura 15 es un diagrama de difracción de rayos X de fosfato cálcico PCA preparado como se describe en el Ejemplo 1-4;

La Figura 16 es una representación gráfica de calorimetría diferencial de barrido (DSC) de la reacción de ACP reactivo con DCPD, mostrando la naturaleza endotérmica de la reacción;

La Figura 17 es el espectro infrarrojo del material de fosfato cálcico amorfo antes del tratamiento térmico (Figura 17a) y después del tratamiento térmico (Figura 17b); y

Figura 18 es un DRX en toda la escala del fosfato cálcico PCA de la invención.

La Figura 19 es una ilustración pictórica de un implante de la invención introducido en un sitio óseo sin unión;

La Figura 20 es una ilustración pictórica de un implante de la invención introducido en un sitio óseo fragmentado;

La Figura 21 es una ilustración pictórica de un implante introducido mediante jeringa en un sitio óseo osteoporótico;

La Figura 22 es una ilustración pictórica de un implante introducido mediante jeringa en una vértebra osteoporótica;

La Figura 23 es una ilustración pictórica de un implante de la invención usado como un cemento óseo para asegurar una prótesis de cadera;

La Figura 24 es una ilustración pictórica de un implante de la invención introducido en un alveolo dental;

La Figura 25 es una ilustración pictórica de un implante de la invención introducido en un borde alveolar;

La Figura 26 es una fotomicrografía de un defecto de alveolo dental canino que fue tratado con el fosfato cálcico PCA de la presente invención (magnificación 4x; sin descalcificar, fucsina básica verde brillante); y

La Figura 27 es una radiografía de rayos X de la columna vertebral osteoporótica de un cadáver humano que muestra la colocación de la aguja antes de la inyección de fosfato cálcico PCA; y

La Figura 28 es una fotografía de la vista desde arriba de una vértebra individual de un cadáver humano antes de la inyección del fosfato cálcico PCA (Fig. 28a) y después de la inyección (Fíg. 28b).

Descripción detallada de la invención

La presente invención se dirige a composiciones cerámicas biocompatibles adaptadas para usar en promover la reparación y el crecimiento del tejido duro incluyendo la fabricación de objetos de unión ortopédicos y dentales reabsorbibles. Las composiciones comprenden un fosfato cálcico apatítico poco cristalino biocompatible y sumamente reabsorbible (fosfato cálcico PCA) combinado a veces con una matriz o aditivo biocompatible adecuado. El fosfato cálcico PCA se ha utilizado en terapia dental, ortopédica, de administración de fármacos, celular y en otras aplicaciones terapéuticas.

La composición de la invención se puede aplicar como un cemento óseo a las superficies de dispositivos protésicos en contacto con el hueso. Se puede aplicar directamente a los defectos óseos como un relleno, en los que es capaz de promover el crecimiento de nuevo tejido óseo. Similarmente, la composición se puede aplicar para la reparación, crecimiento o producción de tejido cartilaginoso. Alternativamente, se puede usar la composición para la fabricación de objetos de unión o dispositivos tales como tornillos y placas, que en circunstancias apropiadas se reabsorberán y sustituirán por hueso o cartílago. La composición también se puede usar suelta en tejido blando. Cuando se añade un agente farmacéuticamente activo a la composición, sirve como un dispositivo de administración del fármaco, y la liberación del agente puede tener lugar durante un extenso periodo de tiempo después de la implantación conforme la composición se degrada lentamente.

La invención también proporciona métodos para promover la transformación de fosfato cálcico ACP a PCA, de una forma controlada, en forma de una pasta o masilla que se endurece de forma previsible.

El material biocerámico de fosfato cálcico PCA de la invención generalmente es deficiente en calcio con una relación calcio a fosfato menor que 1,5 comparado con el valor estequiométrico ideal de aproximadamente 1,67 para el hidroxiapatito. Se caracterizan además por su capacidad de bioreabsorción biológica y mínima cristalinidad. Pueden ser rápidamente bioreabsorbibles y poseer alta porosidad y/o baja densidad o lentamente bioreabsorbibles y poseer porosidad reducida y/o alta densidad. Su carácter cristalino es sustancialmente el mismo que el del hueso natural sin el mayor grado de cristalinidad visto en los materiales óseos sustitutos conocidos en la técnica. El fosfato cálcico PCA de la invención también es biocompatible, esto es, no hay reacción perjudicial significativa (por ejemplo, inflamación o fibrosis) inducida en el huésped por el material implantado. Los materiales que inducen un nivel de inflamación o fibrosis médicamente aceptable se consideran biocompatibles. El fosfato cálcico PCA se puede usar en forma de precursor húmedo (es decir, precursor hidratado) y aplicarlo como un cemento directamente en el sitio quirúrgico, tal como una fractura, o se puede endurecer ex vivo e implantarlo posteriormente.

La capacidad de reabsorción del fosfato cálcico PCA de la invención se atribuye a una combinación de densidad, porosidad, composición química y estructura cristalina. La baja cristalinidad en los apatitos se asocia con la solubilidad algo aumentada en sistemas acuosos comparado con otras especies más cristalinas, y así la baja cristalinidad y/o presencia de apatitos amorfos estables dominantes en el fosfato cálcico PCA de la invención se cree que está asociado con su capacidad de reabsorción en sistemas biológicos. La porosidad facilita tanto la penetración celular y los procesos celulares en la matriz biocerámica y la difusión de sustancias hacia y desde el interior de la matriz. Por consiguiente, las composiciones de fosfato cálcico PCA de baja porosidad se reabsorben más lentamente in vivo que las de alta porosidad. En una realización, el uso de reactivos de tamaño de partículas controlado conduce a un material de fosfato cálcico PCA de porosidad controlada. Se pueden emplear otros métodos de promover la porosidad, tales como el ataque y lixiviado químico o físico.

El fosfato cálcico PCA de la invención se puede fabricar con una variedad de velocidades de reabsorción que se extienden desde tiempos lentos de reabsorción de más de un año (típico de agentes de relleno óseo y sustitutos óseos de hidroxiapatitos de reabsorción débil conocidos en la técnica) a las velocidades de reabsorción tan rápidas como varios gramos, por ejemplo, 1-5 g, en 1 a 2 meses. Así, dependiendo de la densidad, porosidad reactivos usados, cristalinidad final del producto de reacción, y cantidad de inhibidores de cristalización usados, se pueden preparar formulaciones en las que un dispositivo de un gramo se reabsorberá totalmente en cualquier periodo de tiempo deseado - de 2 semanas a 1, 3 o 6 meses a 1, 2 o tres años. Un fosfato cálcico PCA fuertemente reabsorbible de la actual invención posee una velocidad de reabsorción in vivo en la que el 80% (preferiblemente 95-99% y más preferiblemente >99%) o más de al menos un gramo (preferiblemente 1-5 g) del material de partida se reabsorbe en un año, preferiblemente en 6 meses, más preferiblemente en menos de 3 meses, y lo más preferiblemente en 1-2 meses.

Para la producción de hueso nuevo en situaciones de carga se ha encontrado que las preparaciones que se han reabsorbido y sustituidas completamente por hueso en aproximadamente seis a ocho semanas producen hueso histológicamente normal en 12 semanas. En algunas situaciones de carga puede ser deseable que la reabsorción tenga lugar más lentamente. Adicionalmente, cuando el tejido duro se prepara ectópicamente o se debe aumentar la forma de un tejido duro existente, puede ser deseable emplear fosfato cálcico PCA de reabsorción más lenta.

El ajuste de la densidad o porosidad del fosfato cálcico PCA resultante o el uso de parámetros de reacción que afectan la velocidad y dureza de los montajes son también enfoques útiles para cambiar el tiempo de reabsorción in vivo del fosfato cálcico PCA de la invención. Estos parámetros se pueden ajustar solos o en combinación tal como se requiera en las aplicaciones especificas.

La reabsorción lenta (mayor de tres meses) se favorece con el uso de fosfato cálcico PCA de alta densidad y baja porosidad y/o tiempos de reacción y endurecimiento rápidos. La reabsorción rápida (tres meses o menos) se favorece con el uso de fosfato cálcico PCA de baja porosidad y alta densidad, y/o tiempos de reacción y fraguado lentos. En otra parte de la presente memoria se dan orientaciones para ajustar la velocidad y acabado de la reacción para formar el fosfato cálcico PCA. Lo siguiente describe la producción de precursores preferidos de fosfato cálcico PCA que producen unos cementos de fosfato cálcico PCA endurecidos de diferentes cinéticas de reabsorción in vivo.

Un fosfato cálcico PCA de reabsorción rápida se obtiene por transformación del ACP sumamente reactivo del Ejemplo 5 usando como agente activador un DCPD con una distribución de tamaño de granos que tiene un contenido considerable de tamaño de granos mayores que 100 \mum (por ejemplo, correspondientes a la distribución B1 en la Tabla 3). Los polvos se preparan como precursores hidratados como se describe en el Ejemplo 8.

Un fosfato cálcico PCA de reabsorción lenta se obtiene por transformación del ACP sumamente reactivo del Ejemplo 5 usando como un agente activador DCPD con una distribución de tamaño de granos que tiene un contenido mínimo de tamaño de granos mayores que 100 \mum (por ejemplo, correspondiente a la distribución B3 en la Tabla 3). Los polvos se prepararon como precursores hidratados como se describe en el Ejemplo 9.

El fosfato cálcico PCA de la invención sufre osificación. La osificación se refiere a la sustitución del fosfato cálcico sintético implantado por hueso que es histológicamente parecido o idéntico al hueso natural. La osificación del fosfato cálcico PCA de la invención tiende a tener lugar en las etapas de más aparición ósea desorganizada anteriores al establecimiento de tejidos de apariencia más natural. El fosfato cálcico PCA de la invención es diferente de los materiales de relleno y cementos óseos anteriores porque la formación ósea no tiene lugar sólo en el borde exterior del implante, sino que se inicia simultáneamente por todo el implante, presumiblemente en asociación con el proceso de reabsorción. En una o dos semanas después de la implantación del material de PCA en una región de carga, tal como la tibia o el radio, se observa osificación preliminar por la formación de pequeños focos de formación de osteoides mineralizados (espículas). En cuatro semanas, las espículas han dado lugar a la aparición de hueso trabecular reticulado delgado con apariencia de encaje y a hueso cortical delgado. A las seis semanas se observa hueso cortical compacto ordenado normal o más grueso de lo normal con lagunas que contienen osteocitos. En los puntos temporales después de seis semanas, tienen lugar la remodelación final, de modo que a las doce semanas el hueso nuevamente osificado es indistinguible del hueso natural.

Así, la osificación en presencia de fosfato cálcico PCA generalmente llega a la conclusión y parece que tiene lugar más rápidamente que el crecimiento óseo normal. La rápida velocidad de osificación sugiere que el fosfato cálcico PCA de la invención potencia la curación ósea. Se observa el hueso nuevo tan pronto como en dos semanas y puede alcanzar el estado totalmente organizado histológicamente en seis semanas, y en cualquier caso en 3-6 meses. En modelos de fractura de defecto segmentario en ovejas que emplean implantes de hasta 3 g de precursor hidratado, se halló hueso que tenía 100% de la resistencia del hueso sin fracturar en tres meses. En presencia de factores tróficos o de crecimiento tales como proteínas morfogénicas óseas, se puede acelerar este proceso.

En realizaciones preferidas, con el fin de optimizar la osificación, se pueden sembrar los dispositivos, pastas y masillas de la invención con células formadoras de huesos. Esto se realiza más fácilmente colocando el dispositivo (que contienen fosfato cálcico PCA o un precursor hidratado de él) en contacto con una fuente de células formadoras de huesos del propio paciente. Tales células se pueden encontrar en sangre o fluidos asociado al hueso, incluyendo fluidos exógenos que han estado en contacto con hueso o materiales o regiones óseas, incluyendo el periósteo, hueso cortical, hueso reticulado o médula. También están presentes en tejidos, incluyendo hueso cortical o reticulado, médula ósea o periósteo. En el caso de dispositivos tales como tornillos y pernos, cuya introducción en el hueso va acompañado de sangrado, no se requiere sembrado adicional. Para placas, que sólo se oponen a hueso cortical, se recomienda la inducción de una lesión periosteal que pondrá en contacto el dispositivo. Podría ser útil preparar quirúrgicamente un asiento en el hueso eliminando una porción de hueso cortical en el lugar del implante. También se pueden dar otros pasos para aumentar la osificación, incluyendo la introducción en el injerto de células formadoras de hueso recogidas del paciente, o la incorporación de factores tróficos o proteínas inductoras del crecimiento óseo dentro o sobre el dispositivo. Las células óseas no autólogas también están dentro del alcance de la invención si tiene lugar la cantidad deseada de regeneración ósea antes del rechazo del huésped a las células formadoras de hueso. De ese modo, en ciertas realizaciones pueden ser útiles las células o tejidos obtenidos de fuentes primarias, líneas celulares o bancos celulares. Consideraciones parecidas se aplican para la formación y curación de cartílagos y el sembrado del fosfato cálcico PCA de la invención con condrocitos y/o otras células formadoras de cartílago.

Debido a la naturaleza de la reacción usada para producir las formulaciones preferidas del fosfato cálcico PCA de la invención, la facilidad de usarlo como un material de implante en un encuadre quirúrgico es significativamente mejor con respecto a otros materiales sustitutos óseos conocidos en la técnica. Específicamente, la reacción se inicia fuera del cuerpo y progresa lentamente a temperatura ambiente, minimizando de ese modo la posibilidad de que el material se pueda "armar" y se vuelva inutilizable antes de su aplicación en el sitio quirúrgico. La reacción se acelera significativamente a la temperatura corporal y el material se endurece en el lugar. Además, la consistencia y conformabilidad del fosfato cálcico de la invención así como la velocidad de reacción se puede variar según la necesidad terapéutica, modificando unos pocos parámetros simples.

Preparación del Fosfato cálcico PCA. Muchos fosfatos cálcicos amorfos tienden espontáneamente a transformarse a una forma más cristalina con el tiempo. El hidroxiapatito es una forma favorecida termodinámicamente de fosfato cálcico y con frecuencia es el producto de tal transformación. La invención actual ha reconocido el valor de controlar la transformación controlada de un ACP a una forma más cristalina (por ejemplo, fosfato cálcico PCA) sin cristalización adicional significativa, particularmente cuando la transformación se lleva a cabo en presencia de una cantidad limitada de agua y se acompaña con una reacción de endurecimiento. La invención actual proporciona reacciones que producen la formación de fosfato cálcico PCA. Estas reacciones se pueden iniciar ventajosamente fuera del cuerpo, usando un precursor que tiene una consistencia de pasta o masilla y que se puede acelerar significativamente a 37ºC produciendo un producto de fosfato cálcico endurecido. En algunas realizaciones, el fosfato cálcico PCA endurecido solo tiene un módulo durométrico y volumétrico parecido al de la tiza tradicional para pizarra. En algunos casos, los materiales de PCA endurecidos estarán asociados con la presencia de precursores sin reaccionar, agentes activadores, y/o materiales suplementarios, productos secundarios y subproductos.

Según el método de la invención, se forma un precursor hidratado parecido a pasta o masilla por adición de agua a un precursor de fosfato cálcico. El precursor hidratado se calienta después a aproximadamente 37ºC, iniciándose de ese modo una reacción sustancialmente endotérmica neta que se caracteriza por el endurecimiento de la pasta o masilla, como se refleja por los datos de calorimetría diferencial de barrido (DSC) mostrados en la Figura 16. El material de fosfato cálcico PCA se produce a partir de un precursor hidratado por transformación de un fosfato cálcico amorfo reactivo a fosfato cálcico PCA en presencia de un agente activador. También se considera que está dentro del alcance de la invención promover la transformación de ACP en forma de una pasta a hidroxiapatito bien cristalizado, acompañado por endurecimiento de la pasta mediante una reacción endotérmica.

Un cemento óseo de fraguado endotérmico proporciona varias ventajas importantes sobre los cementos y agentes de relleno óseos de fosfato cálcico conocidos en la técnica. Debido a que la reacción no libera calor no hay peligro de que el calor relacionado dañe a las células y tejidos en el área del implante. Adicionalmente, la naturaleza endotérmica de la reacción significa que el progreso de la reacción se puede controlar regulando la cantidad de calor disponible para soportar la reacción. El precursor hidratado reacciona mínimamente a temperatura ambiente y por debajo. Esto significa que se evitan muchos de los problemas de manipulación asociados con cementos y agentes de relleno quirúrgicos conocidos en la técnica.

En realizaciones preferidas, los reactivos se mezclan fuera del cuerpo, produciendo un material precursor de fosfato cálcico PCA hidratado adecuado para la aplicación en un sitio quirúrgico. La reacción generalmente se completa después de la aplicación en el sitio quirúrgico, aunque en algunas realizaciones la reacción se completa ex vivo. Las reacciones del fosfato cálcico PCA de la invención generalmente producen el endurecimiento del precursor hidratado en menos de cinco horas, endurecimiento sustancial en aproximadamente una a cinco horas en condiciones fisiológicas, y preferiblemente en aproximadamente 10-30 minutos. En una realización preferida, la reacción se inicia añadiendo disolución salina fisiológica a una mezcla de dos componentes secos para formar una pasta espesa que se endurece asociada con una reacción endotérmica a 37ºC en aproximadamente media hora. Pueden usarse en lugar de disolución salina otros agentes acuosos tales como, pero sin limitarse a, agua, disoluciones tampón, suero o medio de cultivo de tejidos.

En cualquier esquema de reacción es importante que el ACP retenga el carácter significativamente amorfo antes de la transformación. Específicamente, la cristalinidad global del ACP de partida no puede sobrepasar la deseada en el producto final. Así, ciertos esquemas de reacción pueden requerir la estabilización de la naturaleza amorfa del ACP durante todo el periodo de reacción. Ejemplos de inhibidores adecuados de formación cristalina conocidos en la técnica incluyen carbonato, pirofosfato y magnesio. Se puede hallar orientación adicional sobre el uso de inhibidores de cristalización en Elliot, Stucture and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates, Elsevier, The Netherlands, 1994.

Tipos de agentes activadores. El propósito de los agentes activadores es promover el endurecimiento del precursor hidratado y preferiblemente acelerar la transformación del fosfato cálcico ACP a PCA. Cualquier material o método que sirva para este propósito se considera que está dentro del alcance de la reacción. Esto incluye el caso límite en el que el endurecimiento tiene lugar en ausencia de transformación, esto es, cuando el precursor de fosfato cálcico PCA se usa como material de partida.

Con respecto a la transformación del ACP, un agente activador puede promover la reacción global o cualquier reacción intermedia implicada en el procedimiento de transformación o endurecimiento. A este respecto, los agentes activadores preferidos reducirán la energía de activación de una o más etapas específicas en el procedimiento de transformación o endurecimiento.

El agente activador usado para transformar un ACP reactivo al fosfato cálcico PCA de la invención puede el mismo transformarse en fosfato cálcico PCA o participar de otra manera en una reacción química o física durante el procedimiento de transformación. Tales agentes activadores se denominan en la presente memoria como agentes activadores "participativos".

Alternativamente, un agente activador puede permanecer sustancialmente inalterado durante la transformación del ACP reactivo sirviendo esencialmente para catalizar o para iniciar o aumentar la nucleación y endurecimiento del PCA. Estos agentes activadores se denominan agentes activadores "pasivos".

La promoción del endurecimiento y transformación de un ACP reactivo a fosfato cálcico PCA mediante el uso de otros medios tales como el uso de calor, presión, gases reactivos, disolventes, disoluciones iónicas, o radioquímica también se consideran dentro del alcance de la invención. Tales medios de promoción son llamados potenciadores de reacción o agentes activadores "potenciadores".

Loa agentes activadores pueden tener diferentes capacidades o fuerzas en la promoción de la producción de un fosfato cálcico PCA endurecido a partir de ACP. Así mismo, no todos los ACPs son igualmente reactivos. Así, los agentes activadores débiles no serán siempre efectivos en reaccionar con ACPs de baja reactividad. En tales circunstancias, se preferirán agentes activadores más fuertes. La fuerza del agente activador se puede ensayar convenientemente comparando la reactividad de un agente activador dado con el ACP carbonatado preferido de la invención tanto en su forma sumamente reactiva activada por calor como en su forma no activada por calor usando el método descritos en el Ejemplo 8. El uso del mezclado manual de los reactivos es particularmente adecuado para la identificación de agentes activadores sumamente reactivos. Los agentes activadores menos reactivos pueden beneficiarse del mezclado en un molino automático como el descrito en el Ejemplo 9. Usando estos métodos, el DCPD con la distribución de tamaño de granos de B1 en el ejemplo 10 demostró ser un agente activador débil, mientras que con tamaños de granos en el intervalo <100 \mum se encontró que era un agente activador fuerte de reacción.

Además de las orientaciones dadas anteriormente para la compatibilización de un agente activador particular a un ACP dado, tal compatibilización puede hacerse empíricamente mezclando un ACP dado con un agente activador seleccionado en presencia de aproximadamente 1,0 ml de agua/g de polvo y calentando la mezcla a 37ºC en un ambiente húmedo. Un agente activador adecuado exhibe en estas condiciones formación de fosfato cálcico PCA y endurecimiento de la pasta.

El método de preparación del agente activador y/o del ACP afectará a la facilidad por la que el precursor hidratado se transforme en el material PCA. Como se anotó anteriormente, el método de mezclar los reactivos en polvo antes de la adición del líquido afecta a la reactividad del sistema. Así, el mezclado manual usando un mortero y un mazo no da lugar a un sistema tan reactivo como una molienda prolongada a máquina de los polvos de los reactivos. Por lo tanto, cuando se comparan agentes activadores es importante usar condiciones de preparación estandarizadas.

Se hacen hipótesis de que el endurecimiento con la transformación asociada de ACP al fosfato cálcico PCA reactivo es un fenómeno catalizado superficialmente. Si es así, puede ser deseable producir un agente activador particular con una superficie específica reproducible. Se puede controlar la superficie específica de los polvos de ACP y de los agentes activadores controlando las condiciones de la reacción y las propiedades el material PCA final. Así, para controlar la reproducibilidad de la reacción es ventajoso proporcionar un agente activador con una distribución de tamaño de granos conocida. Las técnicas de tamizado estándar son adecuadas para la selección de tamaños de granos específicos. Se ha demostrado que la superficie específica está correlacionada con la resistencia a la compresión, y posiblemente con la porosidad y la capacidad de reabsorción, del material PCA.

Se pueden usar muchos compuestos que contienen calcio o fosfato como agentes activadores participativos en la reacción de endurecimiento. Un agente activador de fosfato cálcico puede ser de cualquier estructura cristalina y se elegiría de manera que sea reactivo con ACP directamente o mediante el uso de agentes activadores potenciadores. Los agentes activadores participativos preferidos son aquellos que tienden por si mismos a sufrir la transformación a hidroxiapatito a través de una fase intermedia de fosfato cálcico PCA.

Agentes activadores apropiados de fosfato cálcico participativo incluyen fosfatos cálcicos neutros, básicos y ácidos, preferiblemente fosfatos apatíticos, que proporcionan la estequiometría apropiada para la reacción de obtención de un fosfato cálcico apatítico. Los agentes activadores adecuados de fosfato cálcico incluyen, pero no se limitan de ninguna manera a, metafosfato cálcico, fosfato dicálcico dihidrato, monetita, fosfato heptacálcico, fosfatos tricálcicos, pirofosfato cálcico dihidrato, hidroxiapatito, fosfato cálcico apatítico poco cristalino, fosfato tetracálcico, pirofosfato cálcico, fosfato octacálcico, y un segundo ACP. Otras fuentes de fosfato o calcio, tales como, sólo con propósito de ejemplo, CaO, CaCO_{3}, acetato cálcico, y H_{3}PO_{4}, pueden mezclarse para formar un producto final que produzca una relación deseada Ca/P próxima a la del hueso natural. También puede ser deseable proporcionar el segundo componente en estado amorfo o poco cristalino.

En una realización preferida, se usa DCPD como un agente activador participativo con un tamaño de granos menor que 200\mum, en realizaciones más preferidas con un tamaño de granos promedio < 95 \mum, y en las realizaciones más preferidas con un tamaño de granos promedio de aproximadamente 35-45 \mum y un tamaño de granos máximo menor que aproximadamente 110 \mum.

En aquellos casos en los que se usa fosfato cálcico amorfo como único precursor para producir el fosfato cálcico PCA de la invención, es importante controlar la tendencia natural del ACP de transformarse en hidroxiapatito sumamente cristalino. Por otra parte, la velocidad de transformación y endurecimiento debería ser suficientemente rápida para tener utilidad quirúrgica. Un método es combinar un precursor ACP que contienen un inhibidor de formación cristalino (por ejemplo, el ACP del Ejemplo 5) con un ACP que no contenga un inhibidor de formación cristalino (por ejemplo, un agente activador). Los reactivos se pueden mezclar en estado seco, con el tamaño de partículas apropiado y un exceso del ACP que contiene el inhibidor. Los reactivos se pueden después exponer a las condiciones de formación cristalina, tales como la adición de agua, seguido por una elevación de la temperatura, tal como la que tiene lugar como resultado de la introducción en el cuerpo, para transformar los reactivos en el fosfato cálcico PCA de la invención. A menos que se tomen medidas para promover adicionalmente esta reacción, el uso de ACP solo como agente activador produce un fosfato cálcico PCA que no tiende a endurecerse excepcionalmente bien.

Una característica interesante e inesperada de la reacción de la invención es que, junto con el ACP, un agente activador participativo puede igualmente convertirse en fosfato cálcico PCA. Esto se ha demostrado experimentalmente tanto para DCPD como para hidroxiapatito estequiométrico. Así, se ha mostrado por primera vez la transformación de un fosfato cálcico cristalino a un estado menos cristalino en una reacción sustancialmente endotérmica.

Aunque la transformación de ACP a fosfato cálcico PCA se ha demostrado anteriormente en la presente memoria, se reconoce que materiales alternativos también se pueden transformar en fosfato cálcico PCA. Así, se considera dentro del alcance de la invención la producción de una pasta precursora hidratada a partir de fosfato cálcico cristalino (incluyendo fosfato cálcico PCA) en presencia de una cantidad limitada de agua en asociación con una reacción endotérmica neta a 37ºC y acompañado por endurecimiento de la pasta. Una realización preferida de este método presenta un fosfato cálcico PCA y un DCPD como reactivos para producir un material biocerámico de fosfato cálcico PCA.

El hidroxiapatito es una forma favorecida termodinámicamente de fosfato cálcico. Por lo tanto, también está dentro del alcance de la invención promover la transformación del ACP reactivo en un fosfato cálcico PCA en asociación con el endurecimiento de un precursor hidratado, mediante el uso de agentes activadores que por si mismos no se convierten en fosfato cálcico PCA (o hidroxiapatito). Tales agentes activadores adecuados se denominan "pasivos" e incluyen, pero no se limitan a sustancias que provocan la nucleación y catalizadores. Particularmente adecuadas a este respecto son las sustancias que proporcionan superficies reactivas que promueven débilmente la cristalización apatítica para producir un fosfato cálcico apatítico poco cristalino.

En un aspecto, la invención presenta el uso de agentes activadores pasivos que son de solubilidad limitada o insolubles en el líquido acuoso usado para hidratar el ACP. Los agentes activadores adecuados incluyen, pero no se limitan a, metales, óxidos metálicos, cerámicas, silicatos, azúcares, sales, o partículas polímeras. Para muchas aplicaciones los agentes activadores preferidos serán biodegradables por sí mismos. En general, estas sustancias se proporcionan en forma granular con un tamaño de granos en el intervalo de 1 a 500 \mum, preferiblemente 1 a 300 \mum, y lo más preferiblemente 1 a 200 \mum. Se puede cambiar el tamaño de granos actual usado para mejorar las características de promoción de la reacción de la sustancia particular.

La Tabla 2 del Ejemplo 3 indica el efecto de una diversidad de agentes activadores pasivos en la transformación de fosfato cálcico ACP a PCA en presencia de un volumen limitado de agua. Generalmente el agente activador está presente en una cantidad menor o igual que el ACP, y específicamente en el intervalo ACP:agente activador de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 5:1. Se usa una cantidad de agua (aquí, peso = volumen, ya que la densidad del agua es uno) aproximadamente igual al peso total de los dos componentes secos para preparar una pasta. Las proporciones actuales de ACP, agente activador y agua se pueden determinar convenientemente mezclando los componentes en varias cantidades y seleccionando la formulación que conduce a un fosfato cálcico PCA endurecido a 37ºC en la cantidad deseada de tiempo. Los agentes activadores pasivos preferidos incluyen, pero no se limitan a, formas granulares de SiO_{2}, mica, Al_{2}O_{3}, poli(L-láctido) (PLLA), poliglicólido (PGA), y copolímeros pol(láctido-co-glicólido) (PLGA).

Finalmente, los agentes activadores de potenciación adecuados incluyen, pero no se limitan a, agua, calor, sales y fuentes adicionales de fosfato cálcico. En general, estas sustancias actúan para potenciar la reactividad del ACP con un segundo fosfato cálcico, promoviendo con ello la transformación de fosfato cálcico ACP a PCA. Las reacciones de transformación pueden incluir reacciones ácido/base, de desplazamiento, sustitución e hidrólisis.

La reacción de la invención permite a uno diseñar y modificar la composición química del producto resultante, proporcionando con ello un modo adicional de controlar la bioactividad del producto final. Debido a que el fosfato cálcico amorfo tiende a reaccionar completamente con los otros sólidos, la relación Ca/P del sólido resultante estará determinado por el calcio y los fosfatos totales presentes como materiales de partida. Esto permite la fabricación fiable de productos de fosfato cálcico PCA simplemente por selección de las proporciones relativas de los fosfatos cálcicos amorfo y secundario de partida. Generalmente es deseable mantener una relación de calcio a fosfato de aproximadamente 1,1-1,9, preferiblemente menor que 1,5, y lo más preferiblemente aproximadamente 1,4.

Un método particularmente útil es formar la pasta de precursor en la forma o tamaño aproximado y después endurecer el material in vitro en un ambiente húmedo a 37ºC. Si se desea, el material endurecido se puede después fresar o elaborar a máquina de manera precisa a la forma deseada antes de usarlo en el encuadre quirúrgico. En aquellos casos en los que se desea almacenar el material endurecido, puede ser útil mejorar la estabilidad del fosfato cálcico PCA de la invención. En tales casos, puede ser útil la exposición del objeto pre-formado a inhibidores de cristalización del hidroxiapatito. Los inhibidores se pueden añadir al medio acuoso usado para preparar el fosfato cálcico PCA de la invención. Alternativamente, el material u objeto terminado fabricado a partir de él se puede exponer a una sustancia inhibidora. Tales inhibidores adecuados incluyen, pero no se limitan a, magnesio, carbonato, pirofosfato, poli L-glutamato, poliacrilato, fosvitina, caseina, y proteína-polisacáridos. Se puede hallar orientación para el uso de tales compuestos en Termine et al., Arch. Biochem. Biophys. 140:318-325 (1970). El almacenamiento a 4ºC o preferiblemente a temperaturas más frías tales como -20ºC o -75ºC también retrasarán la cristalización.

En las realizaciones descritas anteriormente, la pasta o masilla se endurece a 37ºC. El endurecimiento a 37ºC es importante para aplicación in vivo del precursor hidratado; sin embargo, la reacción transcurre tanto a altas como a bajas temperaturas. Este intervalo de reactividad puede ser ventajoso cuando la pasta o masilla tiene que endurecerse fuera del cuerpo. En tales casos, se pueden emplear temperaturas más altas para acelerar adicionalmente el procedimiento de endurecimiento. A este respecto, se prefieren temperaturas menores que 48ºC.

Para el endurecimiento in vitro, es útil el uso de un ambiente húmedo (aunque no es crítico) porque la reacción tiende a consumir agua. Además, es deseable evitar la pérdida de agua de la muestra por evaporación mientras se endurece. Así, se prefiere el uso de una cámara de reacción con una alta humedad ambiental (>80%, preferiblemente 100% de humedad). Alternativamente, la reacción y el procedimiento de endurecimiento se puede llevar a cabo con frecuencia bajo agua.

Los materiales y materiales compuestos de fosfato cálcico PCA de la invención son porosos. Las muestras secadas al aire pueden generalmente absorber agua a un grado de 20% o más de su volumen total. En muchas realizaciones, se pueden absorber cantidades de agua superiores a 30% del volumen de muestra total y en algunas realizaciones preferidas, se puede absorber agua en cantidades superiores a 40%, preferiblemente superiores a 50% del volumen de muestra.

Se puede emplear cualquier método que afecte la porosidad de la muestra endurecida, aunque los métodos preferidos incluyen el uso de moldeado por compresión controlada para la fabricación ex vivo y el uso de tamaños de granos específicos del agente activador para el endurecimiento tanto ex vivo como in vivo. La reacción se puede llevar a cabo en una cámara o moldear a cualquier presión de al menos cinco toneladas.

Cuando se establecen nuevas formulaciones del material de la invención, será útil conocer la naturaleza y extensión de la reacción. Se pueden usar varios ensayos para la identificación de los productos de reacción y la finalización de la reacción.

El endurecimiento se puede determinar por una simple inspección o manualmente sondeando el producto de reacción. Sin embargo, se prefiere el uso de medidas cuantitativas que emplean células de carga y transductores de carga. El endurecimiento sólo no confirma necesariamente la transformación, aunque las reacciones de la invención se han diseñado de manera que el endurecimiento esté acompañado por transformación.

El espectro de rayos X del fosfato cálcico PCA de la invención se presenta en la Figura 18. Como puede verse por la figura del espectro, se caracteriza por picos anchos a aproximadamente 2\theta = 26 y 32. Un hombro ancho adicional aparece a aproximadamente 2\theta = 29 y otro puede presentarse a 2\theta = 33,6. Están ausentes del espectro picos agudos adicionales u hombros agudos cualesquiera característicos de apatitos más cristalinos que aparecen en el intervalo de 2\theta = 27-34. En particular, no hay picos u hombros agudos correspondientes a índices de Miller de 210, 112, o 300 para el hidroxiapatito.

El espectro FTIR se caracteriza por picos a 563 cm^{-1}, 1034 cm^{-1}, 1638 cm^{-1} y 3432 cm^{-1} (\pm2 cm^{-1}). Se observan hombros agudos a 603 cm^{-1} y 875 cm^{-1}, con un doblete que tiene máximos a 1422 cm^{-1} y 1457 cm^{-1} (véase Fig. 6c).

Para algunas realizaciones puede ser deseable tener realmente presencia de algún fosfato cálcico cristalino sin reaccionar después de la transformación (por ejemplo, DCPD o hidroxiapatito). En tales circunstancias, se pueden ajustar las cantidades del segundo fosfato cálcico con relación a la cantidad de ACP presente. Alternativamente, las reacciones que usan un agente activador débil o ACP menos reactivo también pueden dar lugar a algunos materiales de partida sin reaccionar. Las mezclas de fosfato cálcico PCA y DCPD, o fosfato cálcico PCA e hidroxiapatito o fosfato cálcico PCA y otros reactivos están dentro del alcance de la invención. En algunos casos limitados, es posible el uso del propio fosfato cálcico PCA (a condición de que tenga un carácter amorfo significativo) en lugar de ACP.

Se puede preparar un material biocerámico implantable en forma de precursor como una pasta o masilla por adición de un fluido a los materiales precursores y mezclando. Los materiales precursores pueden incluir un ACP, un agente activador y materiales suplementarios adicionales si se requieren (en algunos casos, algunos o todos de estos constituyentes se pre-hidratan parcialmente). El mezclado de los componentes puede tener lugar en cualquier orden conveniente. Los componentes se pueden mezclar y/o moler físicamente antes de la adición del fluido. Alternativamente, el fluido se puede añadir a un único componente seco, y después añadir los componentes adicionales para completar la pasta.

Se pueden usar una amplia variedad de proporciones de reactivos, en la mayoría de los casos la relación absoluta de constituyentes dependerá de las circunstancias del uso deseado. Para sistemas que emplean sólo un ACP y un agente activador participativo, los reactivos se usarán generalmente en cantidades iguales en peso. El agua también se añadirá en un peso aproximadamente igual al peso combinado de los otros reactivos secos.

En una realización preferida, un DCPD con una distribución de tamaño de granos parecida a la distribución B3 del Ejemplo 10 y un ACP carbonatado sumamente reactivo del Ejemplo 5 con una relación ACP:DCPD de 0,5g:0,5g se pueden combinar con agua en cantidades en el intervalo de 0,7 a 1,3 ml.

En el caso de reacciones que implican agentes activadores pasivos y ACP solo, se ha encontrado que las proporciones ACP:agente activador en el intervalo de aproximadamente 5:1 a 1: 1 funcionan bien. Para un peso total de reactivos de 1 g, se pueden usar 0,5 a 1,5 ml de agua.

La determinación empírica de las cantidades apropiadas de reactivos y agua se puede hacer (a) estableciendo las relaciones de los componentes secos y agua que dan lugar a la formación de pasta o masilla trabajable; (b) seleccionando aquellas formulaciones que dan lugar a endurecimiento en una cantidad de tiempo adecuada (lo más frecuentemente 20 a 60 minutos) a 37ºC; y/o (c) ensayando el comportamiento de las formulaciones seleccionadas en un sistema modelo adecuado (por ejemplo, modelos de reabsorción subcutánea in vivo o de reabsorción de cultivo celular in vitro).

En algunas realizaciones preferidas (por ejemplo, Ejemplos 8-10), la reacción tiene lugar lentamente a temperatura ambiente y es casi indetectable por debajo de 18 ó 19ºC (véase el ejemplo de DSC). La reacción se acelera a temperaturas más altas, y particularmente a temperatura corporal. Esta propiedad es particularmente útil en una situación quirúrgica, ya que la pasta de precursor hidratado formada mezclando los reactivos con un volumen limitado de agua se mantiene en estado inyectable y/o conformable durante un periodo considerable de tiempo (hasta varias horas) mientras se mantiene a temperatura ambiente, con tal de que se tenga cuidado para evitar la pérdida de humedad por evaporación. Así, a temperatura ambiente en aire (aproximadamente 22ºC) la pasta se endurece después de un tiempo mayor que una hora, y permanece conformable y/o inyectable durante más de 10 minutos, y preferiblemente durante más de una hora y lo más preferiblemente durante más de tres horas. A continuación de la inyección en el sitio del implante (aproximadamente a 37ºC), la pasta se endurece en menos de aproximadamente una hora, preferiblemente en aproximadamente 10-30 minutos. Cuando se mantiene a 4ºC, la pasta no se endurece incluso después de varios días, con tal de que se tenga cuidado de evitar la pérdida de la humedad por evaporación. Alternativamente, una vez el material se ha implantado, el endurecimiento se puede acelerar por aplicación de calor al implante. El calor puede aplicarse mediante el uso de láseres, ultrasonidos, y similar, o por otros medios incluyendo el uso de productos farmacéuticos para subir o bajar localmente la temperatura corporal.

Dependiendo de la cantidad de fluido añadido, la mezcla de un ACP y un agente activador produce una mezcla de precursor hidratado con consistencia variable. Seleccionando la cantidad apropiada de líquido que se ha de añadir a los reactivos, se puede ajustar la viscosidad de la pasta del precursor según la necesidad. La pasta se puede preparar con una consistencia inyectable o conformable o se puede preparar con exactamente el líquido suficiente para ser tanto inyectable como conformable.

La pasta inyectable generalmente se prepara por mezcla de los reactivos con una cantidad de agua o tampón suficiente para producir la consistencia deseada para la inyección. Lo más frecuentemente posible, ésta será tan espesa como sea posible mientras todavía se pueda pasar a través de una jeringa de calibre 16-18. Para algunas formulaciones que requieren inyección directamente en el tejido sólido (por ejemplo, en el hueso cortical de un paciente de osteoporosis) pueden ser deseables consistencias más fluidas (por ejemplo, 1,5 ml de H_{2}O/g de precursores secos). Debido a la baja cristalinidad de los componentes sólidos en la pasta, los materiales tienen características de flujo marcadamente mejoradas sobre las composiciones de las técnicas anteriores. Las características de flujo de la pasta resultante son parecidas a la de la pasta de dientes, mientras que los materiales de las técnicas anteriores arrastraban una consistencia granular o parecida a la harina de avena. La pasta se puede preparar antes de usar, hasta un periodo de varias horas si se mantiene a temperatura ambiente y se minimiza la pérdida de agua por evaporación. Incluso cuando se toman medidas para minimizar la evaporación, manteniéndola a temperatura ambiente a veces se acompaña por secado de los materiales hidratados. En tales casos, se puede añadir y mezclar una pequeña cantidad de agua para devolver la consistencia deseada. El tiempo de almacenamiento se puede prolongar manteniendo la pasta a temperaturas reducidas en el intervalo de 1-10ºC en el frigorífico a condición de que se tomen medidas para minimizar la pérdida de agua por evaporación.

En otra realización preferida, se puede preparar una pasta o masilla conformable, que se puede introducir en el sitio del implante. El precursor conformable se prepara generalmente por mezcla de los reactivos secos en una cantidad de agua o tampón suficiente para producir la consistencia deseada para conformarlo. Lo más frecuentemente posible, ésta será tan espesa como sea posible mientras que todavía sea conformable a mano, aunque pueden ser deseables para muchas aplicaciones consistencias más fluidas. En muchas realizaciones la consistencia preferida será parecida a la de la arcilla o del compuesto para bruñir. El material hidratado se puede preparar antes de usar, hasta un periodo de varias horas si se mantiene a temperatura ambiente o inferior y se minimiza la pérdida de agua por evaporación. El tiempo de almacenamiento se puede prolongar manteniendo el material hidratado a temperaturas reducidas en el intervalo de 1-10ºC en el frigorífico a condición de que se tomen medidas para minimizar la pérdida de agua por evaporación.

La aplicación en el sitio del implante se llevará a cabo según la naturaleza de las indicaciones específicas y las preferencias del cirujano. Consideraciones parecidas aplican para implantes cartilaginosos como para huesos. Se emplearán técnicas de inyección para administrar los precursores de fosfato cálcico PCA de la invención directamente en el tejido duro (por ejemplo, para pacientes de osteoporosis) o dentro de pequeñas fracturas. Para fracturas grandes se preferirán consistencias parecidas a la masilla y se implantarán a mano o con espátula o similar. La reconstrucción a menudo usará formas parecidas a masilla pero en algunos casos será más ventajoso pre-conformar, endurecer, y dar forma al material ex-vivo e implantar la forma endurecida. La exposición o mezclado del material con sangre o fluidos corporales es aceptable y en muchos casos se preferirá como método para promover la osteo o condrogénesis. La implantación en tejidos blandos puede emplear cualquiera de los métodos anteriores.

Formación del fosfato cálcico amorfo reactivo. En realizaciones preferidas, un ACP se transforma en presencia de un agente activador y agua en fosfato cálcico PCA. El uso de un fosfato cálcico amorfo que puede reaccionar rápidamente y completamente a producto de fosfato cálcico PCA sin cristalización adicional significativa, proporciona una nueva ruta a un fosfato cálcico sumamente reabsorbible, con una diversidad de usos médicos. Los agentes agentes activadores de la actual invención promueven la transformación y el endurecimiento por participación directa como un reactivo junto con ACP, o pasivamente sirviendo como catalizadores, agentes de nucleación o agentes potenciadores de la reacción, o en una combinación de modos.

No todos los ACPs tienen la misma reactividad con un agente activador dado, y su reactividad generalmente se compara con relación a su reactividad con un DCPD de distribución de tamaño de granos parecida a B1 en la Tabla 3. Los Ejemplos 10 y 11 describen una variedad de ACP a los que se ha ensayado la reactividad con un DCPD tal. El uso de un agente activador DCPD mas fuerte con un tamaño de granos más pequeño facilita la reacción con ACPs débilmente reactivos o de algún modo no reactivos. Generalmente, los ACPs menos reactivos requerirán el uso de agentes activadores más fuertes y en algunos casos combinaciones de agentes activadores.

En una realización preferida, se emplea un ACP sumamente reactivo. Los precursores hidratados que componen este ACP son capaces de sufrir endurecimiento y transformación en presencia de un agente activador fuerte tal como un DCPD con tamaño de granos pequeños (por ejemplo <63 \mum) o en presencia de un agente activador relativamente débil tal como una muestra de DCPD que comprende una cantidad sustancial de granos mayores que 100 \mum. (por ejemplo, distribución B1). Un ACP sumamente reactivo es un ACP carbonatado que se ha activado por tratamiento térmico durante aproximadamente una hora a 460ºC.

La invención también proporciona un ensayo para identificar precursores reactivos adecuados para el fosfato cálcico de la invención. El ensayo comprende combinar un fosfato cálcico amorfo, DCPD, y agua, produciendo una sustancia precursora de fosfato cálcico PCA hidratado y demostrando su capacidad para endurecerse en aproximadamente 10 a 60 minutos a o aproximadamente a temperatura ambiente. Los reactivos que se encuentra que producen fosfato cálcico PCA endurecido en este ensayo se pueden después colocar intramuscularmente en un animal de ensayo y controlar la capacidad de reabsorción biológica. Cien miligramos (100 mg), y preferiblemente trescientos miligramos (300 mg), de fosfato cálcico PCA así preparado se reabsorberán en menos de 12 meses, preferiblemente en menos de 6 meses y lo más preferiblemente en menos de 2 meses en un músculo de rata. Adicionalmente, 80% de un gramo colocado intramuscularmente se reabsorberá en el mismo marco temporal. Alternativamente, al menos 2 g colocados subcutáneamente se reabsorberán completamente en rata en menos de 12 meses, preferiblemente en menos de 6 meses y lo más preferiblemente en menos de 2 meses. Para la identificación de formas menos reactivas de ACP es preferible usar un agente activador de DCPD débil. También se pueden realizar ensayos parecidos usando otros agentes agentes activadores participativos o pasivos.

El método de la presente invención permite la formación inicial de partículas de fosfato cálcico amorfo menores que 100\ring{A}, preferiblemente 200-500\ring{A}, y lo más preferiblemente 300\ring{A}, cuyo crecimiento adicional se corta por precipitación rápida del producto en disolución. En la Figura 1, se muestra una micrografía electrónica de transmisión de alta resolución para ilustrar las características morfológicas y la naturaleza a escala de ángstrom del fosfato cálcico amorfo reactivo preferido de la invención. Nótese las líneas de separación poco claras que separan los racimos parecidos a glóbulos, careciendo de bordes y superficies claras, en contraste con el material cristalino.

Durante la reacción de las fuentes de iones calcio y fosfato para formar un fosfato cálcico amorfo, se puede introducir un tercer ión en la disolución de manera que estos iones se incorporan en la estructura amorfa precipitada en lugar de el (los) grupo(s) PO_{4}^{3-} trivalente(s). Debido a que algunos PO_{4}^{3-} se sustituyen por un tercer ión, el PO_{4}^{3-} global disminuye, aumentando así la relación Ca/P del precipitado amorfo (comparado con el fosfato cálcico amorfo estándar) y modificando la valencia o el estado de cargas del fosfato cálcico. Los sólidos amorfos se pueden después liofilizar rápidamente para conservar las propiedades químicas y físicas del material. Los sólidos amorfos se pueden después tratar en condiciones específicas seleccionadas para promover la eliminación de al menos algo del tercer ión. En el caso de carbonato, las condiciones específicas de temperatura y presión conducen a la reducción del carbono total, presumiblemente como dióxido de carbono gaseoso del sólido amorfo, mientras mantiene el carácter amorfo.

La fuente de la reactividad aumentada no se entiende completamente; sin embargo, se cree que está asociada con el grado de carácter amorfo (falta de cristalinidad) y, en algunas realizaciones, sitios vacíos en el material, creados por el procedimiento de la presente invención. Sitios vacíos, como se imaginan en la presente memoria, se refieren a la falta de un par de un par de iones (por ejemplo CO_{3}^{2-}) perdidos de un CaCO_{3} en un material que contiene muchos pares de iones. La presencia de sitios vacíos puede proporcionar sitios reactivos para reacciones posteriores. Este desequilibrio estequiométrico puede ser responsable de la reactividad aumentada del fosfato cálcico amorfo .

El ACP reactivo es un sólido sustancialmente amorfo con una relación Ca/P mayor que la que se encuentra típicamente en los fosfatos cálcicos amorfos, la cual se ha informado generalmente en el pasado que es aproximadamente 1,50.

El estado amorfo se induce controlando la velocidad y duración del procedimiento de precipitación. El hidroxiapatito amorfo de la presente invención se precipita de disolución en condiciones en las que la precipitación inicial es rápida. El crecimiento rápido del cristal o de grano aumenta el número de defectos en cada grano, aumentando de ese modo la solubilidad. En el extremo final del espectro, el crecimiento del cristal o del grano es tan rápido y la densidad de defectos es tan significativa que da lugar a un fosfato cálcico amorfo. El fosfato cálcico amorfo es parecido a gel e incluye disoluciones sólidas con composiciones variables. Estos geles no tienen estructuras amplias, pero son homogéneas cuando se miden a escala de Ángstrom. En condiciones fisiológicas, estos compuestos amorfos tienen alta solubilidad, altas velocidades de formación y altas velocidades de transformación a fosfato cálcico PCA.

Los sólidos de fosfato cálcico amorfo producidos por este método retienen su naturaleza amorfa durante el tiempo suficiente para introducirlas en la reacción final como sólidos sustancialmente amorfos.

En una realización de la presente invención, se prepara una disolución que contienen iones calcio y fosfato y un tercer ión en una concentración, a un pH y a una temperatura que promoverá la rápida nucleación y precipitación del fosfato cálcico. Cuando la precipitación es suficientemente rápida, se forma un fosfato cálcico amorfo parecido a gel. Debido a que la forma cristalina favorecida termodinámicamente del hidroxiapatito se favorece reduciendo la velocidad de reacción, se pueden tomar ciertas medidas de procesamiento de aumento de la velocidad de reacción para asegurarse que se obtiene un compuesto amorfo. Los siguientes factores, entre otros, se han de considerar cuando se diseña una disolución para la precipitación rápida del fosfato cálcico amorfo de la presente invención.

Condiciones preferidas. Mezcla rápida de fuentes de calcio y fosfatos para aumentar la velocidad de reacción. La velocidad de reacción se aumenta para favorecer como producto las fases no estables. Permitiendo más tiempo de reacción para que cada uno de los iones se yuxtaponga correctamente para formar un sólido dará lugar a una estructura cristalina más favorecida termodinámicamente y estable.

Fuentes preferidas de calcio y fosfato: El uso de disoluciones sumamente concentradas o cercanas a la supersaturación asegura que tendrá lugar una reacción más rápida.

Temperatura preferida: Aunque la reacción se puede llevar a cabo a temperatura ambiente, las temperaturas cercanas al punto de ebullición para aumentar la concentración de uno de los reactivos es un medio posible de aumentar la velocidad de reacción.

En una realización, se mezclan juntas rápidamente una disolución acuosa de iones calcio, iones fosfato e iones carbonato para obtener un carbonato que contiene sólido de fosfato cálcico amorfo. Se seleccionan las concentraciones relativas de los iones para dar un precipitado que tiene la relación deseada de Ca/P. El ión carbonato sustituye a un ión fosfato en el fosfato cálcico amorfo. El fosfato cálcico carbonatado amorfo se puede obtener por precipitación a partir de la disolución de carbonato acuoso. Disoluciones de carbonato acuoso adecuadas incluyen, solo a modo de ejemplo, disolución de bicarbonato, disolución de carbonato sódico, disolución de carbonato potásico. Se contempla adicionalmente dentro el alcance de la invención el uso de disoluciones no acuosas.

El uso de materiales carbonatados es deseable porque permite la manipulación de la relación Ca/P por sustitución de PO_{4}^{2-} por CO_{3}^{2-}. Adicionalmente, se sabe que la presencia de CO_{3}^{2-} retrasa el desarrollo de la cristalinidad en el fosfato cálcico amorfo. Sin embargo, se reconoce que otros iones o una mezcla de iones puede ser adecuado en lugar del o además del ión carbonato en modificar la relación Ca/P y en la introducción de sitios vacíos de reactivo en el fosfato cálcico amorfo, tal como sólo a modo de ejemplo, iones nitrato, nitrito, acetato, Mg^{2+} y P_{2}O_{7}^{4-}.

El precipitado de fosfato cálcico amorfo puede recogerse y filtrarse antes de la activación. Es preferible llevar a cabo esta etapa en una sala fría o a temperaturas sub-ambiente para mantener el estado amorfo del precipitado recogido. Típicamente, la recogida puede realizarse por cualquier medio convencional, incluyendo, pero sin limitarse a, filtración por gravedad, filtración a vacío o centrifugación. El precipitado recogido es gelatinoso y se lava más de una vez con agua destilada.

El precipitado lavado después se seca en cualquiera de las condiciones que mantengan el carácter amorfo del material. La liofilización es una técnica adecuada pero no exclusiva. Al congelarlo, mientras se mantiene el precipitado congelado, se seca para eliminar la mayoría del líquido arrastrado. Este procedimiento se puede llevar a cabo colocando el precipitado congelado en una cámara a vacío durante un periodo dado de tiempo. Típicamente, el liofilizado tiene lugar a temperaturas de nitrógeno líquido durante un tiempo en el intervalo de 12-78 h, preferiblemente aproximadamente 24 h, y a vacío en el intervalo de 10^{-1}-10^{-4}, preferiblemente 10^{-2} torr. Un método preferido incluye la liofilización porque las temperaturas criogénicas que típicamente se usan en la liofilización inhiben la cristalización adicional del material. Como resultado, el fosfato cálcico amorfo obtenido de ese modo es un polvo de flujo libre extremadamente fino.

El ACP seco se puede después activar a un ACP sumamente reactivo. En una realización preferida, cuando el carbonato está presente en el ACP, el polvo de ACP se calienta para expulsar el agua libre remanente, agua de hidratación, y para eliminar el carbono, presumiblemente a través de la descomposición del CO_{3}^{2-} en CO_{2} y oxígeno. La etapa de calentamiento se lleva a cabo a una temperatura menor que 500ºC pero mayor que 425ºC, para evitar la transformación del fosfato cálcico amorfo en hidroxiapatito cristalino. Preferiblemente, el calentamiento se lleva a cabo a una temperatura en el intervalo de 450-460ºC durante 1 a 6 horas, preferiblemente durante 50 a 90 minutos.

Por conveniencia, se usa presión atmosférica en la mayoría de las realizaciones para la producción de ACP descritas en la presente memoria. Sin embargo, el uso de vacío con temperaturas apropiadas se considera que está dentro del alcance de la invención.

Para producir un ACP sumamente reactivo es deseable mantener la propiedad amorfa del material a lo largo de toda la síntesis del ACP. Si se introduce cristalinidad significativa en su integridad (regiones cristalinas simples) o incluso en dominios locales (regiones microcristalinas) durante el procedimiento o en el producto final, se ha encontrado que el sólido se hace menos reactivo. El fosfato cálcico sumamente reactivo resultante es amorfo en carácter y tiene una relación calcio a fósforo en el intervalo de 1,55 a 1,65. En una realización preferida, el fosfato cálcico amorfo tiene una relación Ca/P de aproximadamente 1,58

La baja cristalinidad y los sitios vacíos (cambios en la porosidad y /o estequiometría) pueden explicar la alta reactividad observada del fosfato cálcico amorfo de la presente invención. Esto se apoya por las siguientes observaciones: a.) Un fosfato cálcico amorfo conteniendo carbonato que se había calentado a 525ºC se observa que tiene un contenido cristalino aumentado y que tiene una disminución correspondiente en la reactividad. b.) El fosfato cálcico amorfo que se calienta sólo a 400ºC mantiene su característica amorfa, pero exhibe una reactividad disminuida. c.) Se han estudiado ACPs no carbonatados calentados a 460ºC usando la reacción de DCPD (como se describe en el ejemplo 8) y aunque era reactivo con un agente activador de DCPD fuerte no era reactivo con un agente activador de DCPD débil.

Estas observaciones sugieren que tanto el carácter amorfo como el contenido de carbono reducido (sitios reactivos vacíos) son un factor en la reactividad. Esto no se pretende que sea de ninguna manera una explicación exclusiva para las bases de la reactividad. Otras bases para la reactividad observada se consideran que están dentro del alcance de la invención.

El polvo de fosfato cálcico amorfo resultante es un material de fosfato cálcico amorfo sumamente reactivo con una relación Ca/P entre 1,1-1,9, preferiblemente aproximadamente 1,55 a 1,65, y lo más preferiblemente aproximadamente 1,58. Las Figuras 17a y 17b ilustran el espectro infrarrojo del fosfato cálcico amorfo después del procedimiento de liofilización (Fig. 17a) y después del tratamiento térmico posterior a 450ºC durante 1 h (Fig. 17b). Los picos del infrarrojo que ilustran la presencia de grupos químicos locales en el material muestran que la presencia del grupo H-O-H (a aproximadamente 3.400 cm^{-1} y 1640 cm^{-1}) y CO_{3}^{2-} (a 1420-1450 cm^{-1}) se reducen significativamente después del tratamiento térmico. Sin embargo, los diagramas de difracción de rayos X en la Figura 4a del ACP activado térmicamente demuestra que se mantienen el estado amorfo después del calentamiento y la liofilización. El diagrama de DRX se caracteriza por picos anchos y fondo indefinido con ausencia de picos agudos entre 2\theta = 20 a 35 o a cualquiera de los ángulos de difracción que corresponden a fosfatos cálcicos cristalinos conocidos.

La medida de la relación Ca/P, realizada usando un análisis por rayos X dispersivo de longitud de onda en un microsonda electrónica, del mismo material después del tratamiento térmico da que la relación Ca/P es 1,58 (Fig. 2).

Estas caracterizaciones demuestran que aunque hay un cambio en el resto local de ciertos grupos en los sólidos de fosfato cálcico amorfo, el grado amorfo global se mantiene a lo largo de todo el procedimiento.

El fosfato cálcico PCA de la invención se puede usar en una variedad de formulaciones y en una variedad de aplicaciones, algunas de las cuales se describen más adelante en la presente memoria.

Materiales compuestos

Se puede usar una composición cerámica fuertemente bioreabsorbible en la reparación y promoción del crecimiento de tejidos corporales (un material compuesto sustituto del hueso). El material compuesto comprende un fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA) biocompatible y fuertemente bioreabsorbible combinado con una matriz o aditivo biocompatible adecuado.

En un aspecto, la invención proporciona un material compuesto fuertemente bioreabsorbible que comprende un fosfato cálcico PCA bioreabsorbible y materiales suplementarios adicionales bioreabsorbibles que se pueden preparar en condiciones suaves a temperatura ambiente o corporal (por ejemplo, 20-40ºC). El material compuesto puede aplicarse a superficies en contacto con el hueso o a dispositivos protésicos, usándolo como un cemento óseo. Se puede aplicar directamente a defectos óseos como un agente de relleno, en donde es capaz de promover el crecimiento de tejido óseo nuevo. Alternativamente, el material compuesto se puede usar para fabricar objetos de unión o dispositivos tales como tornillos y placas, que en circunstancias apropiadas se reabsorberán y reemplazarán por hueso. El material compuesto se puede también usar suelto o en tejido no óseo. Cuando se añade un componente farmacéuticamente activo al material compuesto, sirve como un dispositivo de administración del fármaco. La liberación del agente puede tener lugar durante un periodo largo de tiempo después de la implantación conforme el material compuesto se biodegrada lentamente. Véase, la solicitud pendiente de tramitación relacionada U.S.S.N. 08/729.342 titulada "Delivery Vehicle".

La invención actual emplea un fosfato cálcico PCA fuertemente bioreabsorbible y osificante útil como una biocerámica implantable para el tratamiento de desórdenes y heridas óseas y otras aplicaciones biológicas que requieren fosfato cálcico reabsorbible. La reabsorción "total" significa que quedan fragmentos extracelulares significativos. El procedimiento de reabsorción implica la eliminación de los materiales del implante original por la acción de los fluidos corporales, enzimas o células. El fosfato cálcico reabsorbido puede, por ejemplo, redepositarse como mineral óseo, o ser reutilizado de otra manera en el cuerpo o excretado. Los materiales compuestos descritos en la presente memoria pueden sufrir reabsorción (es decir, al menos 80%, preferiblemente 95-99% y lo más preferiblemente >99%) de la masa total (al menos 1 g y preferiblemente 1-5 gramos) del material PCA implantado preferiblemente en un año, más preferiblemente en 9 meses o 6 meses, más preferiblemente en menos de 3 meses, y lo más preferiblemente en 1 mes.

El fosfato cálcico PCA de la invención se caracteriza por su capacidad de reabsorción biológica y ausencia sustancial de cristalinidad, como se trató anteriormente en la presente memoria. Su carácter cristalino es sustancialmente el mismo que el del hueso natural, comparado con el mayor grado de cristalinidad que se ve en los materiales sustitutos óseos conocidos en la técnica. El fosfato cálcico PCA de la invención también es biocompatible, esto es, no se induce reacción perjudicial significativa (por ejemplo, inflamación o fibrosis) en el paciente por el material compuesto implantado. Los materiales que inducen un nivel médicamente aceptable de inflamación o fibrosis se consideran biocompatibles. Además, el material también es bioactivo, que tiene lugar en esa aposición de la interfase hueso nuevo en el huésped/material compuesto.

En un aspecto importante de la invención, la facilidad de uso del material biocerámico implantable de la invención en un marco quirúrgico o de fabricación se mejora significativamente sobre otros materiales compuestos sustitutos óseos conocidos en la técnica. Específicamente, la reacción de fraguado asociado con la formación del fosfato cálcico PCA se puede iniciar fuera del cuerpo y transcurre lentamente a temperatura ambiente minimizando de ese modo cualquier posibilidad de que el material se pueda "armar" antes del calentamiento (por ejemplo, antes de la aplicación en el sitio quirúrgico o en la incubación de fabricación). El fraguado se acelera significativamente a aproximadamente 37ºC provocando que el material se endurezca. El fosfato cálcico PCA endurecido solo tiene un módulo durométrico y volumétrico parecido al de la tiza tradicional para pizarra. En algunos casos, el materiale PCA endurecido estará asociado con la presencia de precursores sin reaccionar, agentes activadores, y/o materiales suplementarios, productos secundarios y subproductos.

Formulando el material de PCA como un material compuesto, se pueden mejorar las propiedades mecánicas del material. En algunas formulaciones, el fosfato cálcico PCA endurecido solo es quebradizo y tiene un módulo durométrico y volumétrico parecido al de la tiza tradicional para pizarra. Es deseable la preparación de fosfato cálcico PCA como un material compuesto con el fin de alterar las propiedades mecánicas para alguno usos médicos. Además, la consistencia, conformabilidad y dureza del fosfato cálcico PCA, así como la velocidad de reacción, de puede varias según la necesidad terapéutica seleccionando los materiales suplementarios apropiados a partir de los cuales se prepara el material compuesto biocerámico implantable de la invención.

Preparación del material compuesto biocerámico implantable. El material compuesto de la presente invención se prepara combinando el fosfato cálcico PCA de la invención con un material suplementario seleccionado. El fosfato cálcico PCA puede servir como el material de refuerzo, la matriz o ambos. El fosfato cálcico PCA de la invención en su forma de pasta inicial (es decir, como un precursor hidratado) mantiene típicamente un pH de aproximadamente 6-7 y es por lo tanto compatible con una amplia variedad de aditivos sin efectos deletéreos. El material suplementario se selecciona sobre la base de su compatibilidad con fosfato cálcico y su capacidad para comunicar propiedades (biológicas, químicas o mecánicas) al material compuesto, que son deseables para un propósito terapéutico particular. Por ejemplo, el material suplementario se puede seleccionar para mejorar la resistencia a la tracción y la dureza, aumentar la resistencia a la fractura, alterar la elasticidad, proporcionar capacidad de imagen, y/o alterar las propiedades de flujo y los tiempos de fraguado del fosfato cálcico PCA.

El material suplementario se puede añadir al fosfato cálcico PCA en cantidades variables y en una variedad de formas físicas, dependiendo del uso terapéutico esperado. Solo a modo de ejemplo, el material suplementario puede estar en forma esponjas (estructura porosa), mallas, películas, fibras, geles, filamentos o partículas, incluyendo micro y nanopartículas. El material suplementario puede ser el mismo un material compuesto. El material suplementario se puede usar como un aditivo en partículas o líquido o agente dopante que se mezcla íntimamente con el fosfato cálcico PCA reabsorbible. El material suplementario puede servir como una matriz para el fosfato cálcico PCA, el cual se embebe o dispersa en la matriz. Alternativamente, el fosfato cálcico PCA puede servir como una matriz para el material suplementario, que se dispersa en él. El material suplementario se puede aplicar como un revestimiento sobre el cuerpo del fosfato cálcico PCA, por ejemplo, como un revestimiento de post-fabricación para retrasar el tiempo de reabsorción o afectar de otro modo a las propiedades del material biocerámico. Por último, el material suplementario se puede revestir con fosfato cálcico PCA.

Los materiales suplementarios son deseablemente biocompatibles, esto es, no hay reacción perjudicial inducida por el material cuando se introduce en el huésped. En muchos casos, es deseable que el material suplementario también sea bioreabsorbible. En muchas realizaciones preferidas, el material suplementario tendrá una afinidad por el calcio, fosfato o fosfatos cálcicos que mejorará la resistencia de la interfase fosfato cálcico PCA/material suplementario. La afinidad puede ser específica o mediada por interacciones iónicas no específicas. Sólo a modo de ejemplo, polímeros bioerosionables adecuados para usar como una matriz en el material compuesto incluyen, pero no se limitan a, colágeno, glicógeno, quitina, celulosas, almidón, queratinas, seda, ácidos nucleicos, matriz ósea desmineralizada, ácido hilaurónico derivatizado, polianhídridos, poliortoésteres, ácido poliglicólico, ácido poliláctico, y sus copolímeros. En particular, se sabe que los poliésteres de ácidos \alpha-hidroxicarboxílicos, tales como poli(L-láctido) (PLLA), poli(D,L-lactido) (PDLLA), poliglicólido (PGA), poli(lactido-co-glicólido) (PLGA), poli(D,L-lactido-co-carbonato de trimetileno), y polihidroxibutirato (PHB), y polianhídridos tales como poli(anhídrido-co-imida) y sus copolímeros se bioerosionan y son adecuados para usar en la presente invención. Además, se pueden usar composiciones de vidrio bioactivas, tales como las composiciones que incluyen SiO_{2}, Na_{2}O, CaO, P_{2}O_{5}, Al_{2}O_{3} y/o CaF_{2} en combinación con el fosfato cálcico PCA de la invención. Otros polímeros bioerosionables útiles pueden incluir polisacáridos, péptidos y ácidos grasos.

Los polímeros bioerosionables se usan ventajosamente en la preparación de quincalla bioreabsorbible, tales como, pero sin limitarse a, clavos, pernos, tornillos, placas y anclajes intermedulares para implantar en un sitio óseo. En realizaciones preferidas de quincalla bioreabsorbible, el propio material suplementario es bioreabsorbible y se añade al fosfato cálcico PCA en forma de partículas o fibras en fracciones de volumen de 1-50% y preferiblemente 1-20%. En algunas realizaciones preferidas, la fibra reabsorbible está en forma de pelos que interactúan con fosfato cálcico según los principios de diseño y fabricación de materiales compuestos conocidos en la técnica. Tal quincalla se puede formar prensando una mezcla de partículas en polvo de fosfato cálcico PCA y polímero. En una realización, se refuerza una matriz de fosfato cálcico PCA con fibras de PLLA, usando fibras de PLLA parecidas a las descritas por Törmälä et al. para la fabricación de materiales compuestos de autorefuerzo biodegradable (Clin. Mater. 10:29-34 (1992)).

El material compuesto biocerámico implantable se puede preparar como una pasta por adición de un fluido, tal como agua o un fluido fisiológico, a una mezcla de un fosfato cálcico PCA y un material suplementario. Alternativamente, se puede preparar una mezcla del material suplementario con polvos del precursor hidratado de fosfato cálcico PCA como una pasta o masilla. En los casos en los que el material suplementario se disperse en o reaccione con una matriz de fosfato cálcico PCA, se puede añadir agua a uno de los fosfatos cálcicos precursores para formar una pasta de precursor hidratado, la pasta resultante se mezcla con el material suplementario, y después se añade la segunda fuente de fosfato cálcico. Alternativamente, las fuentes de fosfato cálcico que forma polvo precursor de fosfato cálcico PCA se pueden premezclar, se puede después añadir agua y añadir después el material suplementario. En aquellos casos en los que es deseable que el material suplementario sirva como matriz, el fosfato cálcico PCA totalmente endurecido se preparará con la forma deseada, que la mayoría de las veces será de tamaño de partículas controlado, y se añadirá directamente a la reacción de formación de la matriz (por ejemplo, a colágeno gelificante). Estos materiales se pueden después introducir en moldes o conformarse de otro modo en las formas deseadas y endurecerse a temperaturas en el intervalo de aproximadamente 35-100ºC. Un método particularmente útil es formar la pasta de precursor de material compuesto en la forma o tamaño aproximado y después endurecer el material en un ambiente húmedo a 37ºC. El material compuesto endurecido se puede después fresar o elaborar a máquina con precisión a la forma deseada para usarlo en el encuadre quirúrgico. La cantidad de fosfato cálcico PCA particular que se ha de incorporar en la matriz del material suplementario se determinará la mayoría de las veces empíricamente ensayando las propiedades físicas del material compuesto endurecido según los estándares conocidos en la técnica.

En realizaciones preferidas, los reactivos se mezclan fuera del cuerpo, produciendo un material compuesto conformable que comprende un material precursor hidratado que tienen una integridad física adecuada para aplicarlo en el sitio quirúrgico. La transformación a material PCA generalmente es completa después de la aplicación al sitio quirúrgico. Los materiales suplementarios estarán generalmente en su forma final cuando se añadan a la pasta de fosfato cálcico PCA o de precursor hidratado, aunque el uso de monómeros de polímeros y precursores añadidos a la pasta se considera dentro del alcance de la invención. En una realización preferida, la reacción de transformación se inicia añadiendo agua destilada a una mezcla de los componentes precursores secos para formar un precursor hidratado espeso en forma de una pasta o masilla. Otros agentes acuosos tales como tampones, disolución salina, suero o medio de cultivo celular se pueden usar en lugar de agua destilada. En otras realizaciones preferidas, se puede añadir suficiente agua a los polvos del precursor para formar una pasta que es fácilmente inyectable con una aguja de calibre 18. Los materiales compuestos biocerámicos de la invención generalmente se endurecen en menos de cinco horas y sustancialmente se endurecen en aproximadamente una a cinco horas en condiciones fisiológicas, y preferiblemente en aproximadamente 10-30 minutos. Con mucha frecuencia, el fosfato cálcico PCA bioreabsorbible resultante será deficiente en calcio, con una relación calcio a fosfato de menos de 1,5 comparado con el valor estequiométrico ideal de aproximadamente 1,67 para el hidroxiapatito.

La invención también proporciona un ensayo para identificar fosfato cálcico PCA reactivo y precursores reactivos adecuados para usarlos en los materiales compuestos de la invención. Específicamente, se combinan los precursores, se hidratan con una cantidad limitada de agua(de manera que se forma la pasta o masilla), y se deja endurecer en un material PCA. Los precursores deseables son capaces de endurecerse en un ambiente húmedo a, o aproximadamente a, la temperatura corporal en menos de 5 horas y preferiblemente en 10-30 minutos. Los componentes que se endurecen de esta forma se pueden después colocar intramuscularmente o subcutáneamente en un animal de ensayo y controlar la capacidad de reabsorción biológica. Los materiales deseables son aquellos que, cuando se implantan como un gránulo de 1-5 g, se reabsorbe al menos 80% (preferiblemente 95-99% y más preferiblemente >99%) en un año. Generalmente, es fácil ensayar la reabsorción de cantidades de gramos de material en sitios subcutáneos.

Los dispositivos médicos preparados a partir de los materiales compuestos de la invención usando materiales suplementarios completamente bioreabsorbibles serán ellos mismos reabsorbibles y en las realizaciones preferidas, fuertemente bioreabsorbibles. Los materiales compuestos usados en estos dispositivos de pueden diseñar para comunicarle a los dispositivos las propiedades mecánicas deseadas, haciéndolos útiles en el montaje quirúrgico (por ejemplo, pernos y tornillos ortopédicos). Después de la colocación en el paciente, los dispositivos se reemplazarán gradualmente por hueso, es decir, tiene lugar la osificación del sitio óseo. Esto contrasta con los materiales simplemente biocompatibles en los que el dispositivo promueve la aposición del hueso y su superficie, pero no se reabsorbe con el fin de que se osifique el sitio del implante. Aunque el tiempo de reabsorción in vivo generalmente dependerá de la identidad real del material suplementario, así como del tamaño y localización del injerto, para aquellos materiales compuestos con menos de 20% v/v de material suplementario, la reabsorción del fosfato cálcico PCA y osificación en el sitio del implante se completará generalmente en menos de seis meses y con mucha frecuencia en aproximadamente un mes. En algunos casos, el material suplementario reabsorbible todavía estará presente embebido en el hueso recién formado, siendo así reabsorbido durante un periodo de tiempo más largo que para el fosfato cálcico PCA. El uso de quincalla reabsorbible evita la necesidad del procedimiento quirúrgico posterior para retirar el dispositivo.

La capacidad de reabsorción del material compuesto biocerámico implantable de la actual invención es atribuible en parte a la porosidad, cristalinidad y composición química de sus materiales componentes. El material compuesto biocerámico de la invención comprende un fosfato cálcico apatítico poco cristalino, sustancialmente parecido al que se encuentra en el hueso natural. La falta de cristalinidad en los apatitos se asocia con la solubilidad algo aumentada en sistemas acuosos comparado con otras especies más cristalinas, y así la baja cristalinidad y/o presencia de apatitos amorfos estables dominantes se cree que promueve su capacidad de reabsorción en sistemas biológicos. La porosidad facilita tanto la penetración de las células como los procesos celulares en la matriz del material sustituto óseo y la difusión de sustancias hacia y desde el interior de la matriz. Por consiguiente, los materiales compuestos de baja porosidad se reabsorben más lentamente in vivo que los de alta porosidad.

En las realizaciones preferidas, con el fin de optimizar la osificación, los dispositivos y objetos se pueden sembrar con células formadoras de hueso. Esto se realiza más fácilmente poniendo el dispositivo en contacto con una fuente de células formadoras de huesos del propio paciente. Tales células se pueden encontrar en tejidos, sangre o fluidos asociados a huesos, incluyendo fluidos exógenos que han estado en contacto con hueso o materiales o regiones óseas, incluyendo el periósteo, hueso reticulado o médula. En el caso de dispositivos tales como tornillos y pernos, cuya introducción en el hueso va acompañado por rotura del periósteo y/o sangrado, no se requiere sembrado adicional. Para placas, que sólo se oponen a hueso cortical, se recomienda la inducción de una lesión periosteal que pondrá en contacto el dispositivo. Todavía en otras realizaciones, será útil preparar quirúrgicamente un asiento en el hueso eliminando una porción del hueso cortical en el sitio del implante. También se pueden tomar otras medidas para aumentar la osificación, incluyendo la introducción en el injerto de células formadoras de huesos recogidas del paciente, o la incorporación de factores tróficos o proteínas inductoras del crecimiento óseo dentro o sobre el dispositivo. El uso de células óseas no autólogas también está dentro del alcance de la invención si tiene lugar la cantidad deseada de regeneración ósea antes del rechazo del paciente a las células formadoras de hueso. De ese modo, en ciertas realizaciones pueden ser útiles las células o tejidos obtenidos de fuentes primarias, líneas celulares o bancos celulares. Véase la solicitud de Estados Unidos U.S.S.N. 08/729.354 titulada "Cell Seeding in Ceramic Compositions".

También se pueden usar polímeros bioreabsorbibles en la preparación de pegamentos o masillas óseas para usarlas en situaciones de carga. Se pueden añadir materiales suplementarios al material compuesto para aumentar las propiedades de compresibilidad y carga del pegamento óseo. En particular, se pueden añadir fibras de carbono u otras fibras de refuerzo al material compuesto. En la producción de pegamentos sustitutos óseos reforzados con fibras, puede ser ventajoso decapar con plasma las fibras para mejorar la calidad y la resistencia de la interfase fosfato cálcico/fibra. El fosfato cálcico PCA también se puede endurecer a 37ºC, pulverizar o fragmentar de otra manera, y mezclar con agentes ligantes conocidos tales como cementos cola óseos, agentes de carga, yesos, epóxidos, otros fosfatos cálcicos, o geles tales como, pero sin limitarse a, sulfato cálcico, fosfato tricálcico, fosfato tetracálcico, alginato, colágeno o productos comercialmente disponibles como Endobone (Merck), Hapset (Lifecore Biomedical), SRS (Norian), Bonesourse (Leibinger), Collograft (Zimmer), Osteograf (CereMed), y Simplex (Howmedica). Para las aplicaciones en las que el fosfato cálcico PCA endurecido se dispersará en la sustancia ligante, con mucha frecuencia el agente ligante se preparará por métodos conocidos en la técnica y se mezclará con el fosfato cálcico PCA en partículas en volúmenes aproximadamente iguales, aunque las proporciones reales variarán de maneras conocidas en la técnica para producir composiciones con la consistencia, trabajabilidad y adherencia deseadas.

Todavía en otra realización, se pueden revestir las suturas trenzadas, preparadas típicamente de poliéster, con el fosfato cálcico PCA de la invención, para mejorar su biocompatibilidad. Las suturas revestidas se pueden preparar sumergiendo la sutura en una suspensión que contienen fosfato cálcico PCA en partículas finamente divididas. La afinidad de la sutura por el revestimiento de fosfato cálcico PCA se puede mejorar por tratamiento superficial de la sutura, la partícula del fosfato cálcico PCA o de ambos. Los tratamientos superficiales incluyen el decapado por plasma y/o el injerto químico.

En otras realizaciones, se proporciona un material compuesto que comprende fosfato cálcico PCA y un material no reabsorbible o poco reabsorbible. Materiales adecuados no reabsorbibles o poco reabsorbibles incluyen dextranos, polietileno, polimetilmetacrilato (PMMA), fibras de carbono, alcohol polivinílico (PVA), poli(tereftalato de etileno), poliamida, biovidrios, y aquellos compuestos listados previamente para uso en pegamentos y masillas óseas. En una realización, se pueden usar fibras de carbono para reforzar el fosfato cálcico PCA. En tales aplicaciones, se usan longitudes de fibra de 0,05 \mum - 20 cm y contenidos en fibra típicamente en el intervalo de 0,01 - 50% en volumen dependiendo del uso deseado.

Otro uso es para encastrar permanentemente objetos útiles, tales como un perno o malla de refuerzo, en el propio hueso. El objeto sirve como un anclaje para la fijación estable al hueso natural. Esto es particularmente útil en la fijación de ligamentos y tendones al hueso. Los objetos que comprenden prótesis bioreabsorbibles y osificantes o dentales engarzando fosfato cálcico PCA y una quincalla adecuada no reabsorbible se pueden colocar en un hueso y asegurarlo adicionalmente con material de fosfato cálcico PCA o material compuesto adicional con una formulación de pegamento óseo. La quincalla después se embebe en el hueso seguido de reosificación del fosfato cálcico PCA.

Los fosfatos cálcicos, incluyendo hidroxiapatitos, fosfato tricálcico y fosfato tetracálcico, se pueden usar como materiales suplementarios no reabsorbibles de los materiales compuestos de la invención, en particular para mantener la biocompatibilidad del material compuesto. En estas realizaciones, los fosfatos cálcicos muy probablemente no son reabsorbibles y tienen que ser pre-endurecidos en forma de partículas, como fibras o preformados. Estos aditivos sólidos de fosfato cálcico se pueden comprimir, sinterizar, o modificar de otra manera adicionalmente antes de mezclarlos con el fosfato cálcico PCA.

Todavía en otra realización de la invención, se prepara una composición mezclando íntimamente el fosfato cálcico PCA con un aditivo que altera las propiedades de reabsorción, características de tiempo de fraguado y/o de flujo del material compuesto. Por ejemplo, se puede añadir aceite de silicona u otros polímeros o líquidos lubricantes al material compuesto para mejorar las características de flujo del material compuesto para administrarlo al huésped mediante jeringa. Preferiblemente el agente lubricante es biocompatible y capaz de permear rápidamente del material compuesto sustituto óseo resultante de la solidificación del fosfato cálcico PCA in vivo. Lubricantes adecuados incluyen, sólo a modo de ejemplo, ceras polímeras, lípidos, agentes tensioactivos y ácidos grasos. Se pueden usar los agentes lubricantes a una concentración de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 30% en peso.

Todavía en otra realización de la invención, el material compuesto contiene un fosfato cálcico PCA y un material suplementario radiográfico para ver la imagen del implante in vivo. Los materiales densos electrónicamente adecuados incluyen materiales conocidos en la técnica, tales como titanio y óxido de bario, en concentraciones clínicamente relevantes.

En una realización preferida, se puede preparar un material biocerámico con un módulo de Young parecido al del hueso preparando un material compuesto de polietileno que contiene el fosfato cálcico PCA reabsorbible de la invención. En otras realizaciones preferidas, se puede usar un polímero reabsorbible, tal como poli(L-lactido) o colágeno para preparar un material compuesto con propiedades parecidas a la del hueso normal. En otra realización preferida, el fosfato cálcico PCA en partículas se prensa en la forma deseada y el cuerpo prensado se impregna con el material suplementario. Todavía en otra realización preferida, los materiales precursores hidratados del fosfato cálcico PCA se mezclan con el material suplementario y la transformación al material biocerámico se inicia en presencia del material suplementario. Generalmente, el fosfato cálcico de la invención estará presente en el material compuesto a una fracción en volumen menor que 0,7 y preferiblemente menor que 0,5.

La composición de la invención se puede preparar de cualquier manera convencional útil en la preparación de materiales compuestos, incluyendo pero sin limitarse a mezclado, mixturado, aleado, laminado, bobinado de filamentos y pultrusión. Son útiles una variedad de estrategias para el diseño y fabricación de materiales compuestos polímero/inorgánico, fibras y resinas matrices y otras tecnologías de refuerzo y se conocerán en la técnica. Se pueden encontrar orientaciones con respecto a la preparación de materiales compuestos HA/polietileno en Bonfield, Introduction of Bioceramics en las páginas 299-303 y en sus referencias. Se pueden obtener orientaciones adicionales de las siguientes fuentes: Jang, Advanced Polymer Composites: Principles and Applications, ASTM Int'1, Materials Park, OH (1994); Opila et al. Eds., Polymer/Inorganic Interfaces, Materials Research Soc., Pittsburgh, PA (1993); Saifullin, Physical Chemistry on Inorganic, Polymeric and Composite Materials, Ellis Horwood, N.Y. (1992); Ducheyne et al. en Introduction to Bioceramics, Hench and Wilson, Eds. World Scientific Publishing, N.J. páginas 281-298 (1993); y TOrm1I1, Clin. Materials 10:29-34 (1992).

Los materiales compuestos biocerámicos también se pueden preparar con grados variables de porosidad. En una realización, el uso de una mezcla seca de reactivos de tamaño de partículas controlado produce un material compuesto poroso. Se pueden emplear otros métodos para promover la porosidad, tales como el grabado o lixiviado químico o físico.

Todavía en otra realización, se puede extruir una mezcla de fosfato cálcico PCA y un material polímero suplementario por técnicas convencionales de extrusión de polímeros para formar tubos, fibras y otras formas. Para los propósitos de la extrusión, el material suplementario es preferiblemente un polímero orgánico. El algunas situaciones, cuando son deseables resistencia y módulo de resistencia a la tracción y elasticidad aumentados, el material compuesto se puede extruir o deformar mecánicamente de otra manera para alinear las cadenas de polímero para aumentar la resistencia del material compuesto. El material compuesto se puede también endurecer a presión y/o calor para proporcionar un material compuesto que es más denso, más tenaz y se reabsorba a una velocidad más lenta in vivo. En general, se deberían evitar las condiciones que producen la transformación rápida del fosfato cálcico PCA al HA más cristalino.

En algunas realizaciones, puede ser deseable modificar la superficie del fosfato cálcico PCA y/o del material suplementario con el fin de mejorar la interfase entre los dos materiales y/o mejorar la afinidad de los agentes farmacéuticamente activos, por ejemplo, proteínas, al material compuesto. Por ejemplo, el fosfato cálcico de la invención se puede injertar con restos que muestren afinidad a las proteínas y a otras moléculas orgánicas. Alternativamente, el material compuesto se puede someter a tratamientos superficiales, tales como grabado con plasma, para mejorar las interfases entre las dos fases como se conoce en la técnica.

Para algunas realizaciones en las que el material compuesto se prepara y se endurece antes de su uso quirúrgico, y cuando se desea almacenarlo, puede ser deseable aumentar la estabilidad del estado poco cristalino del material compuesto. En tales casos, puede ser útil la exposición del material compuesto pre-formado a inhibidores de cristalización. Los inhibidores se pueden añadir al medio acuoso usado para preparar el fosfato cálcico PCA de la invención, o el material compuesto u objeto final fabricado a partir de él se puede exponer a las sustancias inhibidoras posteriormente a la fabricación. Tales inhibidores adecuados incluyen, pero no se limitan a, ión magnesio, ión carbonato, poli(L-glutamato), poliacrilato, fosvitina, caseina, y proteína-polisacáridos. Se puede encontrar orientación para el uso de tales compuestos en LeGeros en Monographs in Oral Science, Vol. 15 páginas 84-107; LeGeros Prog. Crystal Growth Charact. 4:1-45 (1981); y Termine et al. Arch. Biochem. Biophys. 140:318-325 (1970).

El material compuesto de la invención también se puede usar como un sistema de administración de fármacos incorporando un material biológicamente activo en el material compuesto. Se encuentran detalles adicionales en la solicitud pendiente de tramitación U.S.S.N. 08/72.342 titulada "Drug Delivery Device".

Dispositivos ortopédicos y dentales

El material cerámico fuertemente bioreabsorbible también se puede usar para reparar y promover el crecimiento de tejido óseo, es decir, como un material sustituto óseo. En un aspecto, un implante ortopédico o dental se introduce dentro de un sitio de implante y demuestra que exhibe fuerte capacidad de bioreabsorción, excelente reosificación y crecimiento óseo tanto del hueso cortical como del trabecular en el sitio del implante. El implante ortopédico o dental de la presente invención se compone de un material sintético de fosfato cálcico apatítico poco cristalino fuertemente bioreabsorbible. En realizaciones preferidas, es el material descrito en las solicitudes pendientes de tramitación U.S.S.N. 08/650.764 y/o U.S.S.N. 08/446.182, expedidas ahora como las patentes de EE.UU. número 5.650.176 y/o la solicitud titulada "Method and Products Related to the Physical Transformación of Reactive Amorphous Calcium Phosphate", U.S.S.N. 08/729.344.

Se puede emplear un fosfato cálcico PCA fuertemente bioreabsorbible y reosificante como un material biocerámico implantable para el tratamiento de desordenes y heridas óseas y dentales y otras aplicaciones biológicas. El implante es útil en una variedad de tratamientos. A modo de ejemplo y no limitando de ninguna manera la invención, el material cerámico se puede aplicar a las superficies en contacto con el hueso de los dispositivos protésicos para usarlo como un cemento óseo. Se puede aplicar directamente a los defectos óseos como un agente de relleno, en donde es capaz de promover el crecimiento de nuevo tejido óseo. Se puede aplicar a un alveolo dental para evitar los problemas asociados con la extracción dental, tal como el alveolo seco y/o proporcionar un sustrato fijo al cual anclar un diente de recambio. Alternativamente, el material PCA se puede usar para fabricar objetos de unión o dispositivos tales como tornillos y placas, que se reabsorberán y sustituirán por hueso. Cuando se añada al material compuesto un componente farmacéuticamente activo, tales como factores de crecimiento o antibióticos, sirve como un dispositivo de administración de fármacos. La liberación del agente puede tener lugar durante un largo periodo de tiempo después de la implantación conforme el material PCA se biodegrada lentamente. Véase la solicitud relacionada pendiente de tramitación con la presente U.S.S.N. 08/729.342 titulada "Delivery Vehicle".

Un implante preparado usando el material PCA de la invención es fuertemente reabsorbible, esto es, al menos el 80% (preferiblemente 95-99% y lo más preferiblemente >99%) de la masa del material PCA implantado se reabsorbe en un año desde la implantación. Modificando las características del material PCA, es decir, porosidad, composición, cristalinidad, etc., se puede modificar el perfil de reabsorción, de manera que al menos un gramo (preferiblemente 1-5 gramos) del material PCA se reabsorbe al menos el 80% en 12 meses, 9 meses, 6 meses, 3 meses o idealmente, 1 mes, desde la implantación.

Además el implante preparado a partir del fosfato cálcico PCA de la invención promueve fuertemente el crecimiento de hueso nuevo en el sitio del implante. Muchos materiales actuales de implante óseo, por ejemplo, polímero orgánico bioreabsorbible, sólo promueven la aposición ósea en la superficie del implante. En contraste, el implante de la presente invención promueve el crecimiento de hueso nuevo dentro del propio implante. Se ha demostrado que tiene lugar el crecimiento tanto del hueso trabecular como cortical (capa ósea externa). Tiene lugar crecimiento significativo a los días de la implantación. Sustancialmente, la totalidad del sitio del implante se ha sustituido por hueso nuevo a los seis meses, e idealmente al mes, de la implantación. Los huesos que soportan peso tienden a regenerar hueso más rápidamente que los huesos que no soportan carga. Así, el crecimiento de los últimos puede tener lugar algo mas lentamente.

El fosfato cálcico PCA de la invención sufre osificación. La osificación se refiere a la sustitución del fosfato cálcico sintético implantado con hueso que es histológicamente parecido o idéntico al hueso natural. La osificación del fosfato cálcico PCA de la invención tiende a tener lugar en las etapas de más aparición ósea desorganizada anteriores al establecimiento de tejidos de apariencia más natural. El fosfato cálcico PCA de la invención es diferente de los materiales de relleno y cementos óseos anteriores porque la formación ósea no tiene lugar sólo en el borde exterior del implante, sino que se inicia simultáneamente por todo el implante, presumiblemente en asociación con el proceso de reabsorción. En dos a tres semanas después de la implantación del material PCA en una región de carga, tal como la tibia o el radio, se observa osificación preliminar por la formación de pequeños focos de formación de osteoides mineralizados (espículas). En cuatro semanas, las espículas han dado lugar a la aparición de hueso trabecular reticulado delgado con apariencia de encaje y a hueso cortical delgado. A las seis semanas se observa hueso cortical compacto ordenado normal o más grueso de lo normal con lagunas que contienen osteocitos. En los puntos temporales después de seis semanas, tienen lugar la remodelación final, de modo que a las doce semanas el hueso nuevamente osificado es indistinguible del hueso natural.

En realizaciones preferidas, con el fin de optimizar la osificación, se pueden sembrar los dispositivos, pastas y masillas de la invención con células formadoras de huesos. Esto se puede realizar más fácilmente colocando el dispositivo (que contienen fosfato cálcico PCA o un precursor hidratado de él) en contacto con una fuente de células formadoras de huesos del propio paciente. Tales células se pueden encontrar en sangre o fluidos asociado al hueso, incluyendo fluidos exógenos que han estado en contacto con hueso o con materiales o regiones óseas, incluyendo el periósteo, hueso cortical, hueso reticulado o médula. También están presentes en tejidos, incluyendo hueso cortical o reticulado, médula ósea, endósteo o periósteo. En el caso de dispositivos tales como tornillos y pernos, cuya introducción en el hueso va acompañado de sangrado, no se requiere sembrado adicional. Para placas, que sólo se oponen a hueso cortical, se recomienda la inducción de una lesión periosteal que pondrá en contacto el dispositivo. Podría ser útil preparar quirúrgicamente un asiento en el hueso eliminando una porción de hueso cortical en el lugar del implante. También se pueden dar otros pasos para aumentar la osificación, incluyendo la introducción en el injerto de células formadoras de hueso recogidas del paciente, o la incorporación de factores tróficos o proteínas inductoras del crecimiento óseo dentro o sobre el dispositivo. Las células óseas no autólogas también están dentro del alcance de la invención si tiene lugar la cantidad deseada de regeneración ósea antes del rechazo del huésped a las células formadoras de hueso. De ese modo, en ciertas realizaciones pueden ser útiles las células o tejidos obtenidos de fuentes primarias, líneas celulares o bancos celulares. Consideraciones parecidas se aplican para la formación y curación de cartílagos y el sembrado del fosfato cálcico PCA de la invención con condrocitos y/u otras células formadoras de cartílago.

El implante también evita que tengan lugar reacciones deletéreas dentro del hueco del hueso. Por ejemplo, a menudo se forma tejido fibroso en sitios con defecto óseo, que perjudican el crecimiento óseo. El implante de la invención es biocompatible y ha demostrado que reduce la incidencia de crecimiento fibroso en defectos óseos.

El implante ortopédico o dental de la presente invención se puede implantar en un paciente en forma de una pasta o masilla (es decir, como un precursor hidratado). Debido a que la reacción de la invención que produce el material de PCA se puede iniciar fuera del cuerpo, y transcurre lentamente a temperatura ambiente, se minimiza la posibilidad de que el material se pueda "armar" antes de su aplicación en el sitio quirúrgico y se vuelva inservible. La reacción se acelera significativamente a temperatura corporal y el material se endurece en el lugar. Esta característica es particularmente útil en el marco quirúrgico, en el que típicamente se requiere el ajuste a medida del dispositivo en la localización del implante. Alternativamente, el implante ortopédico o dental de la invención se puede pre-endurecer fuera del cuerpo e implantarlo con posterioridad. Este método es útil en aquellas situaciones en las que las formas a medida no son esenciales, y en las que se desea la producción de un gran número de implantes.

Método de aplicación del implante a los sitios óseos. El implante de la invención se puede preparar fuera del cuerpo en una variedad de formas e introducirlo en el paciente en el sitio del implante usando métodos apropiados a la forma del implante y la naturaleza de la enfermedad.

En una realización, el implante se puede preparar como una pasta inyectable. Se añade un líquido a los polvos del precursor para formar un precursor hidratado inyectable que es capaz de transformarse in vivo al fosfato cálcico PCA biocompatible, como se describió anteriormente en la presente memoria. La cantidad precisa de líquido variará dependiendo de la consistencia deseada de la pasta y de la naturaleza de los polvos de precursor usados para preparar el material de PCA. Típicamente, se usa aproximadamente 0,75 - 1,1 ml de líquido por gramo de polvo. La pasta deseablemente se inyecta en el sitio del implante con jeringa, preferiblemente usando una jeringa de calibre dieciséis o dieciocho. En algunas realizaciones, puede ser deseable preparar la pasta antes de tiempo y guardar la pasta en la jeringa a temperatura sub-ambiente hasta que sea necesaria. En algunas realizaciones, la inyección por jeringa en una cavidad corporal o espacio intermedular se puede ayudar con el uso de vacío para ayudar al desplazamiento de fluidos o gases. Con mucha frecuencia se puede aplicar vacío insertando una segunda aguja en la vecindad del sitio de inyección deseado. Después puede aplicarse un vacío suave a través de la segunda aguja. La aplicación del implante por inyección es particularmente deseable en situaciones en las que el material se usa como un cemento óseo para unir y mantener fragmentos óseos en su lugar o para mejorar la adhesión de, por ejemplo, una prótesis de cadera. También es deseable la implantación en un marco de cirugía no abierta.

En otra realización, el implante se puede preparar como una masilla conformable. Se añade un líquido a los polvos precursores para formar un precursor hidratado con aspecto de masilla que es capaz de transformarse in vivo en un fosfato cálcico PCA bioreabsorbible. La cantidad exacta de líquido variará dependiendo de la consistencia deseada de la masilla y de la naturaleza de los polvos precursores usados para preparar el material PCA. Típicamente, se usa menos de aproximadamente 10 ml de líquido por gramo de polvo. La masilla de precursor hidratado se puede preparar y moldear para aproximarse a la forma del implante. La masilla se puede después prensar en el lugar para llenar un hueco en el hueso, alveolo dental u otro sitio. El uso de una masilla ósea puede ser particularmente deseable para reparar defectos óseos en huesos no unidos u otras situaciones en las que el hueco que se ha de llenar es grande y requiere un grado de integridad mecánica en el material de implante tanto para llenar el hueco como para mantener su forma.

Todavía en otra realización, se pueden aplicar directamente los polvos del precursor seco al defecto óseo. La hidratación y transformación del precursor en el material PCA tiene lugar en el sitio del defecto óseo por exposición directa a sangre u otros fluidos fisiológicos. Tales aplicaciones pueden ser particularmente deseables cuando el defecto óseo va acompañado por sangrado excesivo. La naturaleza higroscópica de los polvos del precursor sirve para absorber los fluidos, proporcionar una barrera física para proteger el sitio de la herida y para proporcionar un material sustituto óseo que promueva el crecimiento óseo en el sitio del defecto.

Todavía en otra realización de la invención, el implante se puede preparar a partir de un fosfato cálcico PCA pre-endurecido que se ha conformado en la forma deseada. Estocse puede realizar preparando un precursor hidratado como una pasta o masilla como secdescribió anteriormente, inyectando o prensando el precursor hidratado en un molde, ycdejando que el material precursor se transforme y se endurezca en el fosfato cálcico PCA. Alternativamente, el fosfato cálcico PCA se puede preparar como un bloque sólido u otra geometría tal y conformarlo en el objeto deseado usando taladros u otras herramientas tales de conformado conocidas en la técnica. Este método es particularmente deseable para la producción de objetos reabsorbibles tales como anclajes para implantes dentales, espaciadores para fusión cervical, tornillos y placas reabsorbibles, y formas para aumento de reabsorción lenta.

Implantes ortopédicos y dentales. Los implantes descritos anteriormente en la presente memoria pueden ser útiles en el tratamiento de una variedad de desórdenes ortopédicos y dentales. Los materiales que se han de usar en la preparación del implante son deseablemente estériles y se pueden esterilizar usando técnicas convencionales, incluyendo pero sin limitarse a irradiación gamma, filtración, y óxido de etileno.

Curación de fracturas y defectos óseos. El fosfato cálcico PCA se puede usar para unir dos o más piezas juntas y/o para mejorar la curación de las fracturas óseas llenando el hueco dejado por la fractura, o el espacio dejado por el daño compresivo resultante de la fractura.

En la situación que implica a fracturas óseas sin unión, el implante se puede usar para estabilizar el defecto óseo porque el implante se endurece en su lugar in vivo. El implante de la invención es especialmente ventajoso cuando el hueco óseo se puede llenar sin cirugía abierta. Con este fin, el sitio del defecto óseo se puede observar por rayos X para asegurar la colocación apropiada de la aguja de inyección. Después, el implante se puede inyectar directamente en el sitio del defecto. Si se desea, se puede usar la visualización por rayos X o por MRI (resonancia magnética de imagen) para confirmar la colocación. La Figura 19 es una ilustración pictórica de la aplicación del implante en un defecto de tibia en la que el material se inyecta en el defecto óseo. Cuando el hueco es particularmente grande, puede ser deseable primero inmovilizar o "fijar" el defecto y después llenar el hueco con el material de implante. El defecto se puede fijar usando dispositivos convencionales de fijación, tales como tornillos, pernos y placas de titanio. En realizaciones preferidas, el defecto se fija con tornillos o placas preparadas a partir de material PCA endurecido y/o de sus materiales compuestos, los cuales son bioreabsorbibles por si mismos y por lo tanto permiten el crecimiento óseo completo en el sitio del defecto y no requieren tratamiento post-quirúrgico para eliminar la quincalla.

En la situación en la que el hueso se ha aplastado o fragmentado, los fragmentos óseos se pueden volver a reunir y se puede usar el material de implante para sostenerlos en su lugar mientras la matriz ósea vuelve a crecer en el sitio de la fractura. La Figura 20 es una ilustración pictórica de un hueso fragmentado que se ha vuelto a reunir. La pasta del precursor hidratado se inyecta alrededor de los fragmentos óseos que se sostienen rígidos una vez la pasta se transforma en fosfato cálcico PCA. Tienen lugar el re-crecimiento óseo para regenerar el tejido óseo y encastra los fragmentos del hueso original en la matriz ósea nueva.

El implante puede también puede usarse para curar las fracciones por compresión, tal como la compresión de la tibia. La superficie ósea cortical se puede realinear y fijar en su lugar usando fijación mecánica y el implante se puede usar para rellenar el vacío creado por la destrucción compresiva del hueso.

Todavía en otra realización de la invención, el implante de fosfato cálcico PCA se puede usar para asegurar pernos, tornillos y otros dispositivos protésicos más complicados que se pueden usar para mantener el hueso en su lugar. Inmovilizando la fractura usando quincalla y embebiendo la quincalla en una pasta de PCA, se llenan los vacíos potenciales, facilitando de ese modo la formación de hueso nuevo alrededor del tornillo. Además, el implante actúa distribuyendo la fuerza del tornillo a través de un área superficial mayor, reduciendo de ese modo la posibilidad de separación o de reabsorción temprana del hueso. Este método se usa con mucha frecuencia para componer huesos de la cadera rotos, en los que se usa una prótesis de cadera para reforzar el cuello femoral del fémur que soporta el peso.

Cuando se desea minimizar la intervención quirúrgica, se prefiere usar el material PCA como una pasta e introducir el implante con jeringa en el defecto óseo. Por supuesto, cuando la intervención mínima no es la cuestión, es decir, durante la cirugía abierta, se puede usar el implante como una masilla. En realidad, esto puede preferirse en algunas circunstancias cuando la capacidad de conformación añadida de la masilla de PCA da control físico aumentado sobre la forma final del dispositivo de implante y mejora la conformidad del implante con las superficies óseas vecinas.

Tratamiento de la osteoporosis. Conforme los huesos envejecen, pierden masa, haciéndose de ese modo más porosos y frágiles. El material de implante de PCA de puede usar para promover el crecimiento óseo y la densidad del hueso. La Figura 21 incluye una ilustración pictórica de un hueso normal 60 que tiene una red regular y densa de hueso trabecular. La Figura 21 también ilustra un hueso osteoporótico 62 en el que se ha perdido una masa ósea significativa. El uso osteoporótico se puede tratar con el material PCA reosificante de la invención para densificar el hueso y protegerlo contra la fractura y la rotura ósea. La densidad ósea se puede mejorar inyectando la pasta de precursor hidratado en el interior del hueso. El precursor sirve para mejorar el hueso de varias maneras. En primer lugar, el precursor hidratado se endurece en fosfato cálcico PCA que es fuerte y sirve para reforzar el hueso ya frágil. En segundo lugar, el fosfato cálcico PCA es una matriz biocompatible que se acomoda y estimula el crecimiento de hueso nuevo, de manera que cuando se bioerosiona, se forma hueso nuevo que lo reemplaza. En tercer lugar, el fosfato cálcico PCA erosionado es una fuente de calcio biodisponible para los osteoblastos que se usa en la formación de hueso nuevo.

El implante puede ser particularmente efectivo en prevenir el colapso vertebral. La Figura 22 es una ilustración pictórica de una porción de una columna vertebral que incluye las vértebras 70, 71 y 72 y los discos 73 y 74. La vértebra 70 está sana, y exhibe una matriz ósea trabecular densa. La vértebra 72 es una vértebra osteoporótica que se ha aplastado debido al aumento de la porosidad y a la reducción de la densidad ósea. La vértebra 71 es una vértebra osteoporótica que recibe la implantación de fosfato cálcico PCA para fortalecer el hueso y regenerar la masa ósea.

Fusión espinal y cervical. Como regla general, cuando los discos y los cuerpos vertebrales se eliminan para el tratamiento de enfermedad degenerativa, trauma o tumor, necesitan reemplazarse con un injerto estructural para mantener el alineamiento cervical del paciente. El injerto óseo se coloca normalmente como un espaciador entre vértebras para facilitar la fusión de los cuerpos vertebrales y devolver la altura. Los espaciadores convencionales, algunos de los cuales se conocen como "jaulas", están fabricados de titanio o de hueso autólogo o de aloinjerto. Sin embargo, cada uno de estos dispositivos de las técnicas anteriores tiene desventajas. El hueso autólogo no siempre está disponible, el hueso de aloinjerto entraña el riesgo de infección y de exposición patógena, y el titanio no se reabsorbe por el cuerpo y se mantiene o debe ser eliminado quirúrgicamente.

Para superar estas desventajas de los implantes de las técnicas anteriores, se puede usar fosfato cálcico PCA como un espaciador en los procedimientos de fusión cervical. El disco de fosfato cálcico PCA se puede usar como un espaciador endurecido, lentamente reabsorbible, para la fusión de las vértebras adyacentes. En realizaciones preferidas, el espaciador está en forma de un anillo hueco. El centro del anillo se puede llenar con un fosfato cálcico formulado para capacidad de bioreabsorción y crecimiento óseo rápido.

La fusión espinal también se hace por procedimientos laterales. Véase, por ejemplo, Sandhu et al, Spine, volumen 20:2669-2682, 1995.

Prótesis. Las prótesis para sustitución de articulaciones, particularmente para sustitución de caderas, se usan ampliamente y pueden mejorar sustancialmente la calidad de vida de los pacientes que las reciben. Sin embargo, las técnicas actuales de cementado son incapaces de evitar completamente el "micromovimiento" y los intersticios entre la prótesis y el hueso natural que recibe el implante, dando lugar a aumento de la incidencia de pérdida y fracaso de la sustitución de la articulación con el tiempo, con dolor o incomodidad concomitante del paciente.

La Figura 23 es una ilustración pictórica de una prótesis de cadera que se ha asegurado firmemente al hueso natural usando fosfato cálcico PCA como un cemento óseo. Así, la cabeza femoral y la cavidad se pueden colocar en el hueso natural en espacios preparados para recibirlos. Una vez colocados, la pasta de precursor hidratado se puede inyectar alrededor de la prótesis para rellenar los vacíos entre la pared ósea y la prótesis y para cementar firmemente la prótesis al hueso del propio paciente. Alternativamente, la superficie del hueso se puede revestir con el precursor hidratado y la prótesis se puede insertar en posición en el hueso revestido de material PCA. El precursor hidratado se endurece y fragua para anclar firmemente de esa manera la prótesis en su lugar. En ambos escenarios, el material PCA se reabsorbe lentamente y se sustituye por hueso natural; así, se minimizan los intersticios y micromovimientos asociados con el dispositivo protésico.

En otra realización, la prótesis se puede revestir con el material PCA. Así, se puede aplicar un precursor hidratado a la superficie de la prótesis fuera del cuerpo y dejarlo endurecer para transformarse en fosfato cálcico PCA. El revestimiento facilita la aceptación por el paciente de la prótesis y promueve el crecimiento óseo en la superficie de la prótesis.

El material de implante presente también se puede usar como un tratamiento in vivo de dispositivos protésicos previamente implantados que han formado quistes en la interfase prótesis-hueso. El quiste se puede eliminar por técnicas convencionales pero este procedimiento a menudo deja grandes huecos adyacentes a la prótesis. Estos huecos se pueden rellenar por inyección del material de implante de la invención en el hueco.

Material de sustitución para implantes de hueso autólogo. Por diversas razones, puede que el material PCA no se prefiera usar como un implante y se prefiera el propio hueso el paciente (por ejemplo, hueso autólogo recogido de la cresta iliaca del propio paciente). Esto es con frecuencia el caso del tratamiento del cáncer óseo. Sin embargo, el material PCA se puede usar en el sitio de extirpación del hueso para promover rápidamente el crecimiento óseo en el sitio de obtención del hueso para evitar deficiencias cosméticas o crear hueso nuevo para uso futuro.

Cirugía plástica reconstructiva. Se puede sujetar el fosfato cálcico PCA pre-endurecido en la forma deseada usando pasta de precursor hidratado. Alternativamente, se puede formar y dar forma in vivo a una pasta de pasta de precursor hidratado y asegurarla en su lugar usando pasta del precursor hidratado. Cuando el injerto de hueso sintético es médicamente inapropiado, se puede recoger hueso del propio paciente y asegurarlo en el sitio del implante usando una pasta o masilla del precursor hidratado. Como se describió previamente, el precursor se transforma en fosfato cálcico PCA que gradualmente se reabsorbe y promueve el crecimiento de hueso nuevo en el sitio del implante; en realizaciones preferidas el periósteo existente se retira de la superficie del implante antes de cerrar.

Defectos periodontales. El fosfato cálcico PCA se puede usar como un implante en los alvéolos dentales para evitar los problemas asociados con la extracción dental, tales como alvéolo seco, infección y crecimiento fibroso. La Figura 24 es una ilustración pictórica de un alvéolo dental recibiendo un implante por inyección. El implante se transforma en fosfato cálcico PCA y se sustituye con hueso nuevo en seis meses, preferiblemente en seis semanas e idealmente tan rápido como en tres semanas. El hueso nuevo proporciona una superficie mejorada en la que implantar la prótesis dental (dientes de sustitución).

Defectos del borde alveolar. Cuando por trauma, anormalidades congénitas o enfermedad, se produce pérdida ósea en la sección de la mandíbula que contiene los alvéolos dentales (borde alveolar), puede ser necesaria la reconstrucción del borde antes de que tenga lugar la implantación protésica dental. El manejo de las deficiencias del borde alveolar plantea un reto porque la magnitud de los defectos óseos a menudo son mayores que los resultantes de una extracción dentaria y pueden requerir sustitución (o crecimiento) de una cantidad significativa de tejido corporal.

El procedimiento convencional puede exigir elevación del piso nasal, injerto óseo y regeneración ósea. La regeneración ósea antes de la implantación de la prótesis dental tiene la ventaje de proporcionar una mayor masa ósea para la implantación y por lo tanto mejorar la alineación y resistencia del implante. Sin embargo, el procedimiento tiene lugar típicamente a intervalos espaciados debido al largo tiempo que requiere la regeneración ósea convencional para desarrollar hueso de resistencia suficiente para manejar el implante óseo. Así, la técnica en dos etapas tiene la desventaja del largo tiempo de curación antes de la colocación del implante (aproximadamente nueve meses) y la pobre calidad ósea del tejido regenerado. Véase, C.M. Misch y C.E. Misch, Implant Dentistry 4(4): 261 (1995).

El implante de la presente invención permite que la reconstrucción del borde alveolar y la implantación dental tengan lugar durante un tiempo mucho más corto y a menudo en una sola etapa. El implante se introduce como una pasta o masilla en el sitio del borde, donde fragua y endurece in situ. En horas o incluso en minutos, el implante es suficientemente duro para aceptar el implante dental. En seis meses, el implante gradualmente regenerará el hueso natural, aglutinando de ese modo el implante dental en un sitio óseo duro. Así, el aumento del borde y la implantación de la prótesis dental puede tener lugar al mismo tiempo o con días uno del otro. El implante dental también se puede introducir en el precursor hidratado antes del endurecimiento. El fosfato cálcico PCA de la invención también se puede inyectar en el implante en conjunción con métodos tradicionales para aumentar el crecimiento óseo en y alrededor del implante dental.

Así mismo, el implante de la presente invención se puede usar para aumentar el borde a lo largo de la cavidad nasal, donde el hueso natural puede demasiado fino para aceptar la prótesis. Así, como se ilustra pictóricamente en la Figura 25, se puede taladrar un agujero en el borde alveolar adyacente a la cavidad sinusal, el saco sinusal se puede elevar y el material de implante se introduce en el sitio por inyección y se deja endurecer. Por endurecimiento y osificación, el borde esta listo para la implantación protésica dental.

Uso como un agente hemostático. El polvo del precursor seco también se puede aplicar seco como un agente hemostático o absortivo. Una vez en contacto con los fluidos corporales el material se hidrata y después se endurece en su lugar similarmente al precursor hidratado preparado ex vivo. Esta propiedad es particularmente útil para controlar el sangrado tanto para tejidos duro como para blandos igualmente. En una aplicación el material se aplica en la abertura resultante de las punciones espinales o de la cirugía espinal para formar un parche y prevenir la filtración de fluido cerebro espinal.

Reparación craneal. La reparación craneal ha presentado un problema particular debido a la lenta curación del hueso implicado en la cirugía de reconstrucción del cráneo. El material PCA de la invención se puede usar tanto pata reparar como para estimular el crecimiento del hueso craneal. Adicionalmente, se pueden incluir en el implante factores de crecimiento o células osteogénicas para estimular adicionalmente la curación.

Crecimiento del cartílago. Los implantes de fosfato cálcico PCA se pueden usar para promover el crecimiento de cartílago nuevo. Las células formadoras de cartílago (por ejemplo, principalmente condrocitas o líneas celulares condrocíticas) se pueden usar con el implante. El implante proporciona una matriz para el crecimiento y la proliferación celular así como un medio de conexión a otras superficies de tejidos (por ejemplo, hueso o cartílago).

Con este fin, el saco del cartílago se rompe y el fosfato cálcico PCA se inyecta en el sitio del cartílago. El material PCA deseablemente contiene condrocitos que promueven el crecimiento del cartílago. Para información adicional sobre el sembrado celular de matrices de tejidos, véase el documento "Cell Seeding of Ceramic Compositions", U.S.S.N. 08/729.354.

Distracción ósea. El fosfato cálcico PCA de la invención es útil en un procedimiento conocido como distracción ósea. La distracción ósea es una operación ortopédica que finalmente alarga el hueso. En este procedimiento, se corta el hueso y gradualmente se separa con pinzas ortopédicas. El material PCA se puede inyectar trans-dérmicamente o implantar quirúrgicamente para rellenar el hueco óseo producido por la expansión el hueso. Cuando se usa esta aplicación, el fosfato cálcico PCA promueve el crecimiento y la reparación ósea. Debido a que el material PCA sirve tanto como andamio que como fuente de calcio, la velocidad de distracción se puede acelerar significativamente sobre los métodos previos. La máxima velocidad de distracción usando las practicas actuales se limita a aproximadamente 1 mm/día. Usando fosfato cálcico PCA, la velocidad de distracción se puede aumentar a más de eso, en algunos casos hasta 2-5 mm/día.

Estructuras óseas temporales. El implante de la invención se puede usar en otros sitios distintos al óseo en el cuerpo. Por ejemplo, se puede preparar un implante de fosfato cálcico PCA que se ha de usar como una estructura de protección para diversos órganos del cuerpo. Según la invención, el material PCA se puede usar para soportar, proteger o encuadrar órganos sensibles. A modo de ejemplo, el material PCA se podría preparar fuera del cuerpo como una endoprótesis vascular endurecida en el tratamiento de enfermedad del corazón o como una endoprótesis gastro-intestinal en el tratamiento de la enfermedad de Krone. Alternativamente, el implante se puede usar para proporcionar soporte temporalmente a reparaciones con sutura o grapas, by-pases, o trasplantes e implantes de órganos o tejidos. El precursor hidratado se puede colocar alrededor de la estructura que necesita soporte, proporcionando cuando se endurece en el lugar soporte o protección mecánica hasta que tiene lugar la reabsorción.

La naturaleza reabsorbible del fosfato cálcico PCA de la invención así como su capacidad para interactuar benignamente y absorber proteínas, ácidos nucleicos, y otras sustancias, lo hacen una sustancia ideal para usar como un depósito implantable que se ha de usar en la administración al cuerpo de sustancias terapéuticas. En general, el mayor requisito es que el agente que se ha de administrar permanezca activo en presencia del vehículo durante la fabricación y/o carga, o sea capaz de ser activado o reactivado posteriormente. La estabilidad y/o compatibilidad de un agente particular con el material de la invención, así como las estrategias de fabricación, se pueden ensayar empíricamente in vitro. Algunas clases representativas de agentes biológicos útiles incluyen moléculas orgánicas, proteínas, péptidos, ácidos nucleicos, nucleoproteínas, polisacáridos, glioproteínas, lipoproteínas, y sus análogos sintéticos y biológicamente diseñados.

En un aspecto de la invención, las proteínas de regeneración ósea (BRP) se incorporan en el fosfato cálcico PCA de la invención. Los BRPs han demostrado que aumentan la velocidad de crecimiento óseo y aceleran la curación ósea. Un injerto óseo que incluye el fosfato cálcico PCA de la invención y BRP se espera que promueva la curación ósea incluso más rápidamente que un injerto óseo que usa sólo el fosfato cálcico PCA de la presente invención. La eficacia del BRP se potencia adicionalmente controlando la reabsorción del fosfato cálcico PCA de manera que se disuelva a una velocidad que administre BRP, calcio, y fósforo a la dosis óptima para el crecimiento óseo. Un método tal de incorporar BRP debería incluir, pero no limitarse a, mezclar una disolución tampón que contiene BRP con su pH óptimo que debería mantener la actividad proteínica en lugar de agua destilada. Ejemplos de BRPs incluyen, pero no se limitan de ninguna manera a, Transforming Growth Factor-Beta, Cell-Attachment Factors, Endothelial Growth Factors, y Bone Morphogenetic Proteins. Tales BRPs se están desarrollado actualmente por Genetics Institute, Cambridge, MA; Genentech, Palo Alto, CA; y Creative Biomolecules, Hopkinton, MA.

En otra realización de la invención, se contempla incorporar antibióticos u otros agentes en el fosfato cálcico amorfo y sus mezclas. En un sentido clínico, una de las mayores implicaciones que surgen de una cirugía de injerto óseo es la necesidad de controlar la inflamación o infección post-operatoria. Un injerto óseo que incluye el fosfato cálcico PCA de la invención y antibiótico(s) se espera que reduzca las posibilidades de infección local en el sitio quirúrgico, contribuyendo así al procedimiento de curación ósea más rápida libre de infección. La eficacia de los antibióticos se potencia adicionalmente controlando su liberación del vehículo de administración de fosfato cálcico PCA regulando la velocidad de reabsorción de manera que se disuelva a una velocidad que administre los péptidos antibióticos o su componente activo a la dosis más efectiva para el sitio de reparación del tejido. Ejemplos de antibióticos incluyen, pero no se limita de ninguna manera a, penicilina, hidrocloruro de clorotetraciclina (aureomicina), cloranfenicol y oxitetraciclina (terramicina). Tanto lo antibióticos, en su mayoría polipéptidos, como las proteínas de regeneración ósea se pueden entremezclar con el material de fosfato cálcico PCA de la presente invención, para administrar localmente todos o la mayoría de los componentes necesarios que facilitan la condición óptima para la reparación del tejido óseo.

Los agentes de relleno y cementos óseos apatíticos no reabsorbibles también se pueden preparar por los métodos de la presente invención para promover la transformación de ACP a un estado más cristalino que el fosfato cálcico PCA. En general, el uso de relaciones más estequiométricas Ca/P de hidroxiapatito disminuye el uso de inhibidores de cristalización, y las condiciones que promueven la cristalización tales como las temperaturas elevadas tenderán a dirigir la transformación a un producto más cristalino.

Dispositivos de fosfato cálcico PCA sólido

En otra aplicación de la invención, se preparan las composiciones de fosfato cálcico PCA sólido, in vivo o ex vivo. El primer método de fabricar un sólido es comprimir el precursor sin reaccionar el material PCA. ACP se transforma en fosfato cálcico PCA una vez que el gránulo se ha expuesto a un ambiente acuoso (por ejemplo, implantación in vivo). El segundo método de producción implica comprimir los gránulos de PCA ya transformado en la forma deseada. El material también se puede conformar por cualquier otro método de fabricación de gránulos conocidos en la industria farmacéutica. Una vez se ha fabricado la forma, se puede modificar de las siguientes maneras: Se puede añadir un revestimiento al material conformado. Las sustancias terapéuticas se absorben en el material sólido. También puede haber modificación adicional de la forma y la textura de los gránulos. Los gránulos estériles se pueden preparar mediante el uso de componentes estériles o esterilizando el gránulo terminado. Todas las variaciones del fosfato cálcico PCA se consideran dentro del alcance de la presente invención.

Métodos de producción de gránulos. En una realización, comprimiendo los precursores sin reaccionar del material de PCA produce el gránulo pre-endurecido. El primer componente es un fosfato cálcico amorfo. El segundo componente es el agente activador. El agente activador preferido es el fosfato dicálcico dihidrato (DCPD). En otros casos, el agente activador puede ser otros fosfatos cálcicos, tales como HA cristalino. Los dos componentes se comprimen y moldean en la forma deseada por cualquier método adecuado. Las realizaciones preferidas de compresión y moldeo incluyen prensados a mano y prensados hidráulicos como se describe en los ejemplos 32 y 33. La presión de la compresión depende de qué características son deseables para los gránulos. Por ejemplo, las bajas presiones son favorables para un gránulo que es rápidamente reabsorbible. También son aceptables otros métodos de fabricación de gránulos conocidos en la industria farmacéutica. El objeto comprimido de la forma deseada lo más preferiblemente reacciona endotérmicamente a 37ºC in vivo para formar fosfato cálcico PCA. Tiene lugar en estas condiciones una transformación de ACP en presencia de un agente activador durante esta reacción para formar fosfato cálcico PCA.

En otra realización, el fosfato cálcico PCA se forma in vitro. Un fosfato cálcico amorfo en presencia de un agente activador y un volumen limitado de medio acuoso se transforma en fosfato cálcico apatítico poco cristalino. En la realización más preferida, el material PCA se endurece a 37ºC. Una vez que el material PCA es un sólido, se liofiliza. El material seco se muele después durante una cantidad específica de tiempo en una cámara de molienda. Otros métodos de molienda también son aceptables, tal como un mortero y mazo. El polvo se conforma después en un gránulo o en otra forma deseada por los métodos descritos anteriormente.

El material PCA también se puede preparar combinando un fosfato cálcico amorfo con un agente activador y un medio acuoso biológicamente aceptable. En este momento, el material PCA, con consistencia de pasta o masilla, se moldea por cualquier método adecuado en la forma deseada. Una vez el material se ha moldeado, después se endurece lo más preferiblemente a 37ºC. Un intervalo de temperaturas por debajo o por encima de 37ºC también es aceptable. Una vez que el objeto moldeado es un sólido, después se liofiliza. El objeto se liofiliza porque la presencia de agua en el gránulo puede hacer que el material sea más inestable y tenga tendencia a hacerse más cristalino.

Una vez se produce el material PCA, se conforma y se endurece, y después se liofiliza como se describió previamente. En algunos casos, puede ser inestable y tender a hacerse más cristalino y eventualmente transformarse en hidroxiapatito. El fosfato cálcico PCA sólido preparado se puede después almacenar húmedo o seco. Los parámetros de estabilidad alrededor del almacenamiento del material PCA incluyen temperatura, liofilización, el uso de inhibidores, y si el material esta húmedo o seco. La liofilización mejora la estabilidad del material PCA porque la presencia de agua es la causa de la reacción de transformación. Temperaturas más bajas permitirán al material PCA ser más estable cuando se compara con la estabilidad a temperatura ambiente o in vivo. Las condiciones ideales incluyen el almacenamiento seco de los gránulos a temperatura ambiente sin exposición a la humedad. El material PCA también se puede almacenar en un medio acuoso durante al menos 30 días, a temperatura ambiente, y pH = 7. Se puede acompañar con análisis por FTIR y DRX para monitorizar la estabilidad del material PCA durante el periodo de almacenamiento. La presencia de picos a 563 cm^{-1}, 1034 cm^{-1}, 1638 cm^{-1}, y 3432 cm^{-1} (FTIR) debería permanecer
inalterada.

Usos médicos de los gránulos. El material de fosfato cálcico PCA sólido se puede usar en muchas aplicaciones diferentes, dependiendo de los detalles de la situación. La primera aplicación aplica a implantes ortopédicos. Gránulos, placas, tornillos, agentes de relleno de huecos óseos y otras formas son apropiadas para aplicaciones ortopédicas. Los gránulos, placas, y tornillos pueden ser de diversas formas y tamaños.

Los agentes de relleno óseos se empacan suavemente en los huecos del hueso, que son defectos credos quirúrgicamente o defectos creados a partir de lesiones traumáticas, tumores u otras enfermedades. Los gránulos de grano de arena (1-2 mm) de fosfato cálcico PCA también se pueden usar en sitios de tejidos duros adicionales. Los gránulos son particularmente útiles para reparar el borde alveolar y las fracturas del nacimiento del pelo. Sin embargo, otras aplicaciones incluyen, pero no se limitan a, fracturas de tibia, indicaciones maxilares y craneales, huecos alveolares por extracción, y fusión espinal tardía. Una ventaja significativa de los gránulos es que se pueden disponer para que se acomode en pequeñas áreas en las que se necesita la regeneración ósea. También, los gránulos del tamaño de arena se usan para anclar prótesis ya que pueden moverse y colocarse en las áreas donde se implantan y sirven para mantener los diversos dispositivos médicos en sus localizaciones apropiadas. Además, los gránulos se pueden mezclar con pasta de PCA para los propósitos del implante. El uso de estos implantes sólidos reabsorbibles también eliminan la necesidad de implantes metálicos en el cuerpo.

Una segunda aplicación para el fosfato cálcico PCA es proporcionar matrices de soporte para tejidos vivos. Estas matrices se pueden usar para promover el crecimiento celular, trasplante celular y terapia celular. Suministrando las células apropiadas en la matriz de soporte del material PCA pre-endurecido, las células se administran eficazmente en el sitio deseado del implante. Las células se pueden sembrar en el PCA in vitro o in vivo dependiendo de lo que sea apropiado para las condiciones dadas. El uso de células vivas en el cuerpo promueve la auto-curación a través de la regeneración de tejidos.

La porosidad de los implantes de material PCA sólido es un aspecto importante para el crecimiento de células para regenerar los tejidos corporales. Puesto que las matrices de soporte están compuestas de material PCA también son totalmente reabsorbibles en el cuerpo, iniciando de ese modo la matriz implantada inicia el crecimiento celular mientras se reabsorbe.

Todavía una tercera aplicación para el material PCA sólido es como un vehículo de administración. El fosfato cálcico PCA sólido se puede usar asociado con antibióticos, vacunas, proteínas morfogenéticas óseas u otras sustancias médicamente útiles. Cada agente biológicamente activo se puede añadir en la etapa de fabricación del precursor, o después de que haya tenido lugar la reacción de transformación. El gránulo también se puede sumergir o recubrir de otra manera con el factor que se ha de administrar.

Variaciones de uso. El fosfato cálcico PCA pre-endurecido se puede alterar para acomodarlo a otras variaciones para un material sustituto óseo. La primera alternativa es usar el material PCA como un material compuesto. Las sustancias tales como agentes ligantes, polímeros, agentes de carga, y agentes de revestimiento así como otros se añaden al material PCA para cambiar las propiedades físicas y/o químicas del material. Los agentes ligantes y los polímeros añadidos al PCA alteran sus características mecánicas y de reabsorción. Los agentes de carga permiten que el fosfato cálcico PCA se conforme en forma de gránulos con fuerzas compresivas bajas. Los agentes ligantes y los de relleno también añaden resistencia, volumen, y adhesión al material PCA. Después de la adición de un agente de carga o ligante, puede no ser necesario comprimir el material en forma de gránulos ya que el agente de carga o ligante puede proporcionar suficiente andamiaje para formar una matriz sólida. El revestimiento en el material PCA proporciona un amortiguador al material y protege la superficie interior de la exposición a la humedad, que eventualmente provocaría una transformación de ACP a PCA.

En la realización preferida, los materiales PCA se sustituyen por hueso después de la implantación. La sustitución de un PCA sólido por tejidos distintos al óseo se puede inducir por sembrado del PCA con células madre o con células madre o precursores comprometidos con otros tejidos tales como cartílagos. Además, las características del sitio del implante también dictaminarán el tejido de sustitución (por ejemplo, oxígeno reducido produce condrogénesis).

Adicionalmente, una tercera variación alternativa del método de producción del fosfato cálcico PCA es variar el agente activador. El agente activador adopta diferente papeles dependiendo del resultado deseado.

La invención se ejemplifica adicionalmente con referencias a los siguientes ejemplos, que se presentan sólo con el propósito de ilustración y no se deben considerar como limitantes de la invención.

Ejemplo 1 Producción de fosfato cálcico PCA usando un ACP y agentes activadores participativos

Este ejemplo demuestra las propiedades de endurecimiento y la formación de fosfato cálcico PCA a partir de ACP usando varios agente activadores participativos. El ACP sumamente reactivo se preparó según el Ejemplo 5.

El hidroxiapatito nanocristalino de las muestras 1-1, 1-2 y 1-3 se prepararon sin inhibidores de cristalización como sigue: se disolvieron 218 g de ortofosfato monoácido disódico (Na_{2}HPO_{4}.12H_{2}O) en 1200 ml de disolución de agua destilada. Para el fosfato cálcico PCA carbonatado de las muestras 1-1 y 1-2, también se añadieron 80 g de NaHCO_{3} a esta disolución. Se disolvieron 70 g de nitrato cálcico [Ca(NO_{3})_{2}.4H_{2}O] en 500 ml de agua destilada. La disolución de calcio se vertió rápidamente en la disolución de fosfato a temperatura ambiente con agitación constante. La precipitación fue inmediata y sustancialmente completa. El pH del precipitado se ajustó a 7,4 por la adición de disolución de hidróxido sódico con el fin de evitar la formación de fosfatos cálcicos ácidos. El precipitado se separó inmediatamente de la disolución por filtración en un filtro Buchner (con una superficie total de aproximadamente 0,1 m^{2}), y se lavó con aproximadamente 3 litros de agua destilada. Se obtuvo una torta de gel de fosfato cálcico de baja cristalinidad en el papel de filtro. Una porción de la torta de gel se liofilizó inmediatamente para las muestras 1-2 y

\hbox{1-3.}

Para la muestra 1-1 la torta de gel se trató como sigue: Después de filtración y lavado, se añadió una cantidad apropiada de agua destilada (5 a 80% en peso) al precipitado de gel. El gel se homogeneizó batiéndolo enérgicamente durante unos pocos minutos. Después se moldeó en molde de politetrafluoretileno (PTFE) (diámetro 60 mm; altura 2 mm), y se sometió a ultrasonidos con el fin de liberar las burbujas de aire atrapadas en el gel.

Los moldes se secaron en una cámara a temperatura (5 a 37ºC) y humedad (10 a 95% de humedad relativa) controladas. Las muestras se encogieron lentamente al secarse y liberaron la mayoría del agua. La velocidad de secado y el encogimiento de las muestras dependió del contenido inicial de agua. El material se endureció al secarse y se hizo vidrioso. Contenía aproximadamente 10% de agua residual.

Las fuentes restantes de hidroxiapatito y calcio se usaron como tales de fuentes comerciales.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 1 Transformación de ACP usando agentes activadores participativos

1

\text{*}PCA = fosfato cálcico apatítico poco cristalino

ND = análisis no realizado.

El ACP se mezcló con el agente activador específico a una relación (p/p) de aproximadamente 50:50 (véase la Tabla 1) durante 5 minutos en un molino de laboratorio SPEX. Se añadieron aproximadamente 0,8 ml de H_{2}O/g de polvo seco a la mezcla de precursor seco y se mezcló hasta obtener una pasta. La mezcla después se conformó en una bola, se envolvió en papel de seda húmedo y se calentó a 37ºC durante al menos 30 minutos. Después de 30 minutos y después de eso en varios puntos temporales, se monitorizó la dureza de la pasta. Las Figuras 14 y 15 son DRX representativos de las reacciones 1-2 y 1-4. El uso de dos hidroxiapatitos de diferentes tamaños de granos como agentes de activación participativos produjeron resultados similares que con DCPDs de diferentes tamaños de granos (véase el Ejemplo 10). Esto es, el hidroxiapatito de tamaño de granos mayor se endureció más lentamente y menos completamente que el hidroxiapatito de tamaño de granos más pequeño.

Ejemplo 2

Este ejemplo muestra el uso de un fosfato cálcico apatítico neutro como un agente activador para la transformación del ACP en el fosfato cálcico PCA de la invención para promover el crecimiento óseo in vivo. El hidroxiapatito estequiométrico se mezcla con el ACP reactivo como se describe en el Ejemplo 1-4. La pasta de precursor hidratado se aplica a los sujetos animales como se describe en los Ejemplos 15, 16 o 19. La curación ósea y la biocompatibilidad se monitoriza como se describe a los puntos temporales indicados

Ejemplo 3

Este ejemplo muestra la producción de fosfato cálcico PCA a partir de ACP usando varios agentes agentes activadores pasivos diferentes.

El ACP sumamente reactivo se preparó según el Ejemplo 5. El ACP se mezcló con el agente activador específico a una relación (p/p) de aproximadamente 5:1 o 1:1 (véase la Tabla 2) durante 5 minutos en un molino de laboratorio SPEX. Se añadió agua (0,75 - 0,85 ml) y se mezcló para formar una masilla. La mezcla después se conformó en una bola, se envolvió en papel de seda húmedo y se calentó a 37ºC durante al menos 30 minutos. Después de 30 minutos y después de eso a varios puntos temporales, se monitorizó la dureza de la pasta. La Figura 13 es un DRX representativo de las muestras 2-4 empleando un agente activador de alúmina. En esta figura, los picos de la alúmina se pueden ver superpuestos sobre el perfil del fosfato cálcico PCA estándar.

TABLA 2 Transformación del ACP usando agentes agentes activadores pasivos

2

\text{*}PCA = fosfato cálcico apatítico poco cristalino.

Ejemplo 4

Este ejemplo muestra el uso de un calorímetro diferencial de barrido (DSC) para monitorizar la sensibilidad a la temperatura y la naturaleza endotérmica neta de una reacción de la realización preferida empleando ACP activado y precursores de DCPD.

La mezcla de precursor seco que contiene pesos iguales de ACP y DCPD se preparó como se describe en el Ejemplo 9. Se añadió agua (0,05 ml) pre-enfriada a aproximadamente 4ºC a 47,27 mg de mezcla de precursor seco y se colocó inmediatamente en el calorímetro. El DSC (sistema de análisis térmico Perkin Elmer serie 7) se ajusto a una temperatura de partida de 0ºC con una velocidad de barrido de 5ºC/min. Los resultados se muestran en la Figura 16. El registro gráfico representa una monitorización de los primeros 7 minutos de reactividad y esencialmente muestra que no hay flujo térmico entre 0,0ºC y aproximadamente 20ºC, punto al que tiene lugar el comienzo del flujo de calor endotérmico. Las propiedades de flujo térmico indican que a 37ºC la reacción es esencialmente endotérmica, y en las condiciones usadas, la reacción tiene lugar sólo muy lentamente al menos a temperaturas inferiores a aproximadamente 20ºC. Así, la reactividad neta en el sistema, esto es, la suma del flujo térmico endotérmico y exotérmico del sistema, es endotérmico.

Ejemplo 5

Este ejemplo describe la preparación paso a paso y los métodos para la síntesis de un fosfato cálcico amorfo sumamente reactivo de la presente invención.

El fosfato cálcico amorfo carbonatado inerte se preparó después a temperatura ambiente por adición rápida de disolución B (43 g de Ca(NO_{3})_{2}.4H_{2}O (nitrato cálcico tetrahidrato) y 1 g de MgCl_{2}.6H_{2}O en 0,5 l de agua destilada) a disolución A (55 g de Na_{2}HPO_{4}.7H_{2}O (fosfato sódico), 50 g de NaOH (hidróxido sódico), 30 g de NaHCO_{3} (bicarbonato sódico) y 2 g de Na_{4}P_{2}O_{7}.10H_{2}O en 1,3 l de agua destilada) con agitación rápida. El precipitado de fosfato cálcico amorfo similar a gel formado se esa manera se filtró inmediatamente usando papel de filtro (0,05 m^{2}) con velocidad de filtración media y una presión de vacío de aproximadamente 10^{-2} torr. El material formó una torta fina y se lavó con aproximadamente 4 litros de agua destilada por adición de agua en el embudo de filtración. El material lavado se recogió después usando una espátula y se sumergió en nitrógeno líquido en un recipiente de 2,5 l. Después de la formación de piezas fuertemente congeladas, el recipiente se transfirió a una cámara de vacío durante 24 h (10^{-1}-10^{-2} torr) hasta que se obtuvo un polvo fino y seco.

Aunque el procedimiento descrito anteriormente se puede realizar a temperatura ambiente, el procedimiento completo preferiblemente tiene lugar a temperatura por debajo de la ambiente (4-5ºC), con el fin de evitar adicionalmente que el estado amorfo se transforme en la forma cristalina más estable.

En la Fig. 17a se muestra un espectro infrarrojo del material amorfo inerte en este punto del proceso. Este espectro contiene picos característicos de grupos P-O (570 y 1040 cm^{-1}), grupo CO_{3}^{2-} (1.420 cm^{-1}, 450 cm^{-1}) con un pico del grupo OH relativamente grande (\sim3.550 cm^{-1}). El diagrama de difracción de rayos X del mismo material demuestra la naturaleza amorfa del material como se indica por la ausencia de cualquier pico agudo en el intervalo 2\theta = 20 a 35.

El material amorfo descrito anteriormente se activó después a la forma sumamente reactiva por calentamiento durante 60 minutos a 450ºC (\pm3ºC). El espectro infrarrojo del material calentado se muestra en la Fig. 17b. Este espectro muestra una reducción de grupos particulares O-H y CO_{3}^{2-}, que indica una reducción significativa de H_{2}O y CO_{3}^{2-} como CO_{2} y H_{2}O. En muestras preparadas similarmente se observó que el contenido de carbono bajaba aproximadamente 60% con una proporción de carbonato total que disminuía de 1,56% a 0,5%. Nótese, sin embargo, que la naturaleza amorfa del material no se perdió durante el procedimiento, como se demuestra por el diagrama de difracción de rayos X mostrado en la Figura 4a. La medida de la relación Ca/P de este material después del tratamiento térmico se determinó que era 1,575, usando un método de análisis por microscopía electrónica cuantitativa. Las propiedades morfológicas y ultraestructurales globales del material amorfo se confirmaron por microscopía electrónica de transmisión como se muestra en la Figura 1. Nótese la apariencia "amorfa" del material con ausencia de bordes agudos separando cada gránulo con cierta porción del material exhibiendo formas no definidas (flechas).

Ejemplo 6

Se sintetizó ACP como se describe en el Ejemplo 5 anterior, con la excepción de que las disoluciones A y B se prepararon de la siguiente manera: La disolución A se preparó a temperatura ambiente por disolución rápida de 90,68 g de Ca(NO_{3})_{2}.4H_{2}O en 1,2 litros de agua destilada carbonatada. La disolución B se preparó disolviendo 40,57 g de K_{2}HPO_{4} en 1,53 litros de H_{2}O destilada que contenía 24 ml de disolución de KOH al 45% en volumen. Las propiedades químicas y físicas del producto fosfato cálcico amorfo resultante de este procedimiento fueron parecidos a los del material preparado según el Ejemplo 5.

Ejemplo 7

Se sintetizó ACP como se describe en el Ejemplo 5 anterior, con la excepción de que las disoluciones A y B se prepararon de la siguiente manera: La disolución A se preparó a temperatura ambiente por disolución rápida de 10,58 g de Ca(NO_{3})_{2}.6H_{2}O en 0,15 litros de agua destilada carbonatada a pH superior a 9,0 ajustado con NaOH. La disolución B se preparó disolviendo 7,8 g de (NH_{4})_{2}HPO_{4} en 0,35 litros de H_{2}O destilada.

Ejemplo 8

Este ejemplo describe la preparación de fosfato cálcico PCA de la invención por mezclado manual de los reactivos secos.

El fosfato dicálcico dihidrato (DCPD) se preparó a temperatura ambiente por adición rápida de disolución B (17,1 g de Ca(NO_{3})_{2}.4H_{2}O (nitrato cálcico tetrahidrato) en 250 ml de agua destilada) a disolución A (10 g de H_{9}N_{2}O_{4}P (fosfato monoácido diamónico) en 500 ml de agua destilada a un pH de 4,6-4,8) con agitación constante. Inmediatamente después de esto, la muestra se filtró usando papel de filtro (0,05 m^{2}) usando velocidad de filtración media y una presión de vacío de aproximadamente 10^{-2} torr. El material formó una torta fina y se lavó con aproximadamente 2 litros de agua destilada y se secó después a temperatura ambiente durante 24-72 h.

El material de fosfato cálcico amorfo reactivo preparado a partir del Ejemplo 5 se mezcló físicamente en seco con fosfato dicálcico dihidrato (CaHPO_{4}.2H_{2}O) a 50:50% en peso usando un mortero y mazo durante 3-5 min. Se añadió después agua (1 ml/g de material mezclado) a la mezcla de polvos para obtener una consistencia parecida a pasta. La cantidad de H_{2}O añadida varió, dependiendo de si se deseaba una pasta densa o fluida. El material precursor hidratado después se envolvió sin apretar en papel de seda húmedo y se calentó a 37ºC. A esta temperatura la pasta se endurece en una masa sólida por medio de una reacción sustancialmente endotérmica. EL procedimiento de endurecimiento podría demorarse durante varias horas refrigerando la muestra a 4ºC. El material endurecido se componía de fosfato cálcico PCA con una propiedad de solubilidad inherente que excedía las solubilidades indicadas para un material sintético de hidroxiapatito. Esto se muestra en la Figura 3, en la que la concentración de iones calcio liberados en una disolución de tampón de pH controlado durante 24 h a 37ºC fue significativamente mayor para el material de fosfato cálcico PCA de la presente invención (curva 50) que para el material de hidroxiapatito cristalino estándar (curva 52).

Ejemplo 9

Este ejemplo describe la preparación del fosfato cálcico PCA de la invención usando el mezclado automático de los precursores secos.

Los precursores secos de ACP y DCPD se prepararon como se describió en el Ejemplo 8. En lugar de mezclar con un mortero y mazo, el ACP y DCPD se mezclaron usando un molino de laboratorio SPEX 8510 con una cámara de molienda cerámica de alúmina SPEX 8505 durante 2 minutos. La preparación del precursor hidratado se llevó a cabo añadiendo de 0,7 a 1,5 ml de agua por gramo de mezcla seca de precursores.

Ejemplo 10

Este ejemplo muestra la preparación de fosfato cálcico PCA usando DCPDs de distribución específica de tamaño de granos.

Se preparó DCPD como se describe en el Ejemplo 8. El material seco se molió durante 5 minutos en un molino de laboratorio SPEX 8510 con una cámara de molienda cerámica de alúmina SPEX 8505. A continuación de la molienda, el material se tamizó serialmente a través de un tamiz agitador de ensayo Tyler para producir DCPD con ocho distribuciones de tamaño de grano diferentes como se indica en la Tabla 3 y se muestra en la Figura 8.

TABLA 3 Distribución del tamaño de granos de DCPD

3

Se ha encontrado que la molienda preliminar del DCPD antes del tamizado se puede sustituir por una breve molienda manual usando un mortero y mazo sin cambiar sustancialmente los resultados.

El material de fosfato cálcico amorfo reactivo preparado a partir del Ejemplo 5 se mezcló físicamente en seco 1:1 (p/p) con cada una de las muestras de DCPD de la tabla 3 durante 10 minutos usando un molino de laboratorio SPEX 8510 con una cámara de molienda cerámica de alúmina SPEX 8505. Se añadió después agua (0,8-1,0 ml/g de mezcla seca) a cada mezcla de polvos para producir un precursor de fosfato cálcico PCA hidratado con una consistencia parecida a pasta. Seis de las ocho muestras indicadas en la tabla 3 se endurecieron bien en 30 minutos a 37ºC. Las muestras 10-6, 10-7 y 10-8 no se endurecieron tan rápidamente o tan firmemente como las otras muestras. Cada una de estas muestras tenían porcentajes significativamente mayores de partículas > 100 \mum que las otras muestras. Se concluye de estas observaciones que el uso de DCPD de tamaño de granos más pequeños provoca un endurecimiento más rápido y completo que el DCPD de tamaño de granos mayores.

Ejemplo 11

Este ejemplo describe dos realizaciones preferidas de la invención actual.

(a) Material de fosfato cálcico amorfo reactivo preparado según el Ejemplo 5 se mezcló en seco físicamente con DCPD con una distribución de tamaño de partículas de B3 de la Figura 8 al 50:50% en peso usando un molino de laboratorio SPEX 8510 durante dos minutos con una cámara de molienda cerámica de alúmina SPEX 8505, seguido de tamizado del material a un tamaño menor que 150 \mum (polvo Tipo 2). Se añadió después agua (0,8 ml/g de material mezclado) a la mezcla de polvos para formar el precursor hidratado.

(b) Esta realización preferida se preparó como en (a) con la excepción de que las muestras se mezclaron en seco y posteriormente se molieron durante 10 minutos (polvo Tipo 10).

Se han observado diferentes comportamientos de reabsorción para los polvos Tipo 2 y Tipo 10 en tejidos blandos (Véase Ejemplo 16); sin embargo, la reabsorción de ambos tipos de polvos en tejidos duros (hueso) es similar. Esto puede ser debido a mecanismos de absorción diferente en tejidos duros y blandos. Los ensayos en tejidos blandos son más sensibles y, por lo tanto, pueden resultar valiosos cuando se valora la capacidad de reabsorción de materiales de PCA nuevos (Véase Ejemplo 16).

Ejemplo 12

Este ejemplo describe métodos alternativos para preparar precursor de fosfato cálcico PCA hidratado.

(a) Se prepararon ACP y DCPD reactivos como se describe en el Ejemplo 9 con la excepción de que no se mezclaron los precursores secos. Se añadió agua (0,8 ml) al ACP (0,5 g) y se mezcló minuciosamente para homogeneizarlo con una espátula para formar una pasta. Se añadió después DCPD (0,5 g) a la pasta y la pasta se mezcló durante aproximadamente 2 min. La pasta resultante se colocó en un ambiente húmedo a 37ºC durante
30 min.

(b) Se prepararon ACP y DCPD reactivos como se describe en el Ejemplo 8. Se añadió agua (0,8 ml) al DCPD (0,5 g) y se mezcló minuciosamente para homogeneizarlo con una espátula para formar una pasta. Se añadió después ACP (0,5 g) a la pasta y la pasta se mezcló durante 2 min adicionales. La pasta resultante se colocó en un ambiente húmedo a 37ºC durante 30 min.

En ambos casos, la pasta se endureció a los 30 minutos, indicando una reacción exitosa.

Ejemplo 13

Este ejemplo describe el ensayo de dureza de un fosfato cálcico PCA.

Se preparó fosfato cálcico PCA según el Ejemplo 9 para formar una pasta. La pasta se colocó en un tubo hueco de Teflón® de 6 mm de diámetro por 10 mm de profundidad sumergido en agua a 37ºC durante 30 minutos. El fosfato cálcico PCA endurecido se retiró después el tubo y se colocó en agua a 37ºC durante 1 hora y después, mientras todavía estaba húmedo, se colocó verticalmente en un Instron 4206 que tenía una célula de carga dual de 10 kg/15 toneladas. La compresibilidad se determinó usando un ensayo de compresión. Aproximadamente, se requirió 200-250 N para romper la muestra. Esta fuerza corresponde a una resistencia a compresión de 7-9MPa.

Se prepararon pelos de poli(lactida) con dimensiones medias de aproximadamente 5-100 \mum de diámetros y 10-250 \mum de longitud. Los pelos se mezclan con pasta de hidroxiapatito poco cristalino preparada como se describió anteriormente a una concentración de 10% p/p. La pasta de material compuesto se endureció toda la noche a 37ºC en ambiente húmedo. Cuando se ensayó la compresibilidad, se encontró que el material tiene compresibilidad mejorada sobre el fosfato cálcico PCA no compuesto.

Ejemplo 14

Estos ejemplos demuestran el efecto del volumen de fluido en la consistencia y reactividad de la pasta inyectable que se ha de usar en la formación del material óseo sustituto. Cada pasta se preparó como se describe en el Ejemplo 8, anterior, y se determinaron la consistencia y velocidad de reacción a temperatura ambiente y 37ºC. Las observaciones se indican en la Tabla 4.

TABLA 4 Conformabilidad, inyectabilidad y reactividad del precursor hidratado.

4

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 \begin{minipage}{155mm}  \text{*}  En algunas circunstancias
(por ejemplo, evaporación) estas muestras pueden secarse algo
durante un periodo de una hora a temperatura ambiente. En tales
casos, se puede añadir agua adicional para devolver la consistencia
original.\end{minipage} \cr}

Ejemplo 15 Implantación y reabsorción de fosfato cálcico PCA en un sitio subcutáneo

Este ejemplo muestra la reabsorción del fosfato cálcico PCA de la invención cuando se implanta subcutáneamente en ratas. También muestra un procedimiento de selección útil para ensayar las características de reabsorción de las nuevas formulaciones de materiales y materiales compuestos de implante biocerámicos.

Ochenta machos y ochenta hembras de ratas Sprague-Dawley fueron implantadas cada una con 4 ml (2-4 g) del PCA de la invención (preparado según el Ejemplo 8) en el cubcutis dorsal (>10 veces la cantidad considerada máxima en humanos sobre la base por kg). Los animales de control se trataron con un volumen igual de disolución salina. Los procedimientos de la operación se describen en el Ejemplo 16. Las ratas se sacrificaron según el programa presentado a continuación en la Tabla 5; el sitio del implante se examinó como se describe en el Ejemplo 16.

TABLA 5 Programa de sacrificio

Momento del sacrificio	Implante de fosfato cálcico PCA
1 semana	5 machos/5 hembras
2 semanas	5 machos/5 hembras

TABLA 5 (continuación)

Momento del sacrificio	Implante de fosfato cálcico PCA
1 mes	5 machos/5 hembras
3 meses	5 machos/5 hembras
1 año	20 machos/20 hembras

La sangre para los análisis de patología clínica se recogió por medio de punción del seno retroorbital o cardiaca (todos por el mismo método) mientras los animales estaban con anestesia de CO_{2}. Las muestras de sangre se recogieron de cada grupo de animales antes del programa de sacrificio. Las observaciones clínicas de salud general y bienestar de los animales se realizaron al menos semanalmente hasta los tres meses y después mensualmente.

A la semana, el material PCA estaba presente en el sitio del implante y se encontró asociado con granulomas moderados a marcados presumiblemente asociados con el procedimiento de reabsorción. A las dos semanas, una pequeña cantidad del material PCA estaba aun presente en el sitio del implante y los granulomas asociados eran leves a moderados. A las cuatro semanas la mayoría del tejido parecía normal con unos pocos granulomas leves persistiendo en el sitio del implante. A las doce semanas no quedaba evidencia del implante.

Ejemplo 16 Implantación y reabsorción de fosfato cálcico PCA en un sitio intramuscular

Este ejemplo describe la preparación de fosfatos cálcicos PCA que tienen tiempos de reabsorción in vivo variados como resultado de tiempos de molienda variados.

Los precursores secos individuales, ACP y DCPD, se prepararon como se describe en el Ejemplo 8. Después se prepararon varias formulaciones diferentes de DCPD y ACP por i) moliendo DCPD durante 15 s, 30s, 1 min, 2,5 min o 5 min en un triturador SPEX; ii) combinando 1:1 el DCPD molido con ACP; e iii) moliendo la mezcla durante 15 s, 30 s, 1 min, 2,5 min, o 5 min adicionales, respectivamente. Los tiempos totales de molienda para las cuatro preparaciones diferentes fueron por lo tanto 30 s, 1 min, 2 min (polvos "Tipo 2"), 5 min, y 10 min (polvos "Tipo 10").

El fosfato cálcico PCA, esterilizado en forma de polvo por irradiación gamma de aproximadamente 2,5 Mrad, se preparó tomando el material en forma de polvo y mezclándolo con agua estéril o disolución salina y conformándolo en discos de aproximadamente 1 cm y 2 mm de grosor e incubándolos durante un mínimo de 30 minutos a 37ºC. Los discos se implantaron en conejos blancos de Nueva Zelanda machos adultos inmediatamente después de la fabricación.

Los animales se asignaron a grupos de dosis que contenían 3 machos en un total de 15 animales. Los implantes se asignaron a los conejos aleatoriamente. Los animales se pre-medicamentaron con xilacina (10 mg/kg intramuscular) 10-15 minutos antes de la cirugía. Se le dio después al animal ketamina (50 mg/kg, intramuscular). La superficie dorsal del animal se esquiló dejándolo sin pelo y se lavó con disolución quirúrgica de betadine y alcohol. Antes de la cirugía, el animal se monitorizó para asegurase que estaba anestesiado apropiadamente. Para hacer esto, se aplicó presión a la almohadilla del pie. Cuando no hubo respuesta, el animal estaba anestesiado apropiadamente. A lo largo de todo el procedimiento, el animal se monitorizó tirando de los bigotes y por el reflejo del pellizco en el dedo, que indicaban que el animal no se despertaba.

Usando técnicas asépticas y una hoja de escalpelo, se hizo una incisión de 1-2 cm de longitud en la piel sobre el m. longissimus lumborum (que yace a lo largo de ambos lados de la columna vertebral). Cuando se hizo la incisión, la fascia y el músculo subyacentes también se cortaron para permitir pasar la muestra en el músculo. El disco de muestra se colocó directamente en el músculo, asegurándose que el implante completo estaba encajado en el músculo. El músculo se cerró con una sutura absorbible simple y la piel se cerró subcutáneamente por cosido. Se usaron grapas metálicas de piel para cerrar la incisión de la superficie externa de la piel. Se colocaron cinco muestras en cada lado de esta manera. Cada muestra se colocó al final de la incisión y estaban separadas aproximadamente 1 cm una de otra (véase el diagrama). Las muestras tenían la forma de discos de 7 mm por 2 mm, pesando aproximadamente 150 mg. Los animales se monitorizaron y se les dio buprenorfina (0,02-0,05 mg/kg s.q.) al despertarse. El analgésico se administró dos veces por día durante tres días después de la cirugía.

Los animales se radiografiaron inmediatamente después de la cirugía y, después de esto, cada dos semanas. Las radiografías se compararon para seguir la reabsorción de los materiales. Se usó un método estandarizado en las radiografías para minimizar cualquier variación entre los momentos temporales.

Después de la eutanasia, los sitios del implante se evaluaron primero por examen macroscópico. En los sitios con implantes visibles, los implantes aparecían como discos sólidos de color gris a amarillo. En los sitios en los que el implante se había reabsorbido, se observaron áreas de decoloración del músculo de color rojo a marrón.

Se extirpó el tejido muscular, con los implantes, siendo cuidadosos de no desordenar los implantes. Los tejidos y las marcas de identificación se colocaron en tarros etiquetados con formalina tamponada neutra al 10%. Todos los sitios de implante se procesaron y evaluaron microscópicamente. Las observaciones incluían fibrosis local, inflamación granulomatosa focal, y apariencia del implante (en algunos casos). La fibrosis se vio principalmente como fibrocitos y colágeno. Los animales con reabsorción global tenían fibrosis y inflamación focal granulomatosa mínima a moderada. La inflamación granulomatosa se vio como agregados focales de macrófagos y células gigantes, a menudo con cristales intracitoplásmicos, y heterófilos y linfocitos ocasionales. La inflamación alrededor de los implantes no reabsorbidos fue primordialmente fibrosis mínima a leve y/o inflamación granulomatosa, ambas estaban dentro del intervalo aceptable para implantes intramusculares.

A las cuatro semanas, los gránulos fabricados a partir de los implantes de fosfato cálcico PCA que se habían preparado por molienda durante 30 segundos, 1 minuto, o 2 minutos estaban completamente reabsorbidos. Aquellos que se habían preparado por molienda durante 5 minutos o 10 minutos no estaban completamente reabsorbidos.

Ejemplo 17

El material de fosfato cálcico amorfo reactivo se preparó como en el Ejemplo 5 y se mezcló en seco con otros compuestos de fosfato cálcico, según el método descrito en el Ejemplo 8 con la siguiente modificación. En lugar de DCPD, se usaron los siguientes compuestos de fosfato cálcico, incluyendo, pero sin limitarse a: Ca(PO_{3})_{2} (metafosfatos cálcicos), Ca_{7}(P_{5}O_{16})_{2} (fosfato heptacálcico), Ca_{2}P_{2}O_{7} (pirofosfato cálcico), Ca_{3}(PO_{4})_{2} (fosfatos tricálcicos). La relación de la mezcla seca se calcula apropiadamente para que sean relaciones Ca/P entre 1,5-1,70, dependiendo de la relación molar Ca/P de los compuestos mezclados con el calcio amorfo reactivo. La identidad del fosfato cálcico PCA del material resultante se confirmó después con el uso de DRX y FTIR.

Ejemplo 18

Este ejemplo sigue la reacción de transformación que tiene lugar asociada con el endurecimiento del precursor hidratado usando difracción de rayos X y espectrometría infrarroja por transformada de Fourier.

Se preparó el precursor hidratado como se describe en el Ejemplo 9. La mezcla de reacción se colocó en un ambiente húmedo a 37ºC y se examinó por espectrometría de difracción de rayos X a diferentes tiempos. Las Figuras 5a-d son los espectros de difracción de rayos X del producto de reacción entre DCPD y el fosfato cálcico amorfo reactivo como se describe en el Ejemplo 5. Las condiciones de registros de rayos X son (a) ánodo de cobre, (b) \lambda= 1,4540598, y (c) un intervalo de registro de 20-35º a etapas de 0,02º e intervalos de etapas de 2 segundos. La Figura 6 muestra el espectro infrarrojo del fosfato dicálcico dihidrato (Fig. 6a), el ACP activado de la invención (Fig. 6b), y el hidroxiapatito poco cristalino de la presente invención (Fig. 6c).

Las muestras mostradas en las Figuras 5a-5d se incubaron durante 0, 20 min, 75 min y 5 horas respectivamente. Las muestras se retiraron al tiempo señalado y se liofilizaron para mantener sus características químicas. La Fig. 5, tomada al comienzo de la reacción, representa una combinación de picos atribuibles al ACP y difosfato dicálcico de partida (véase Fig. 4 para el diagrama de DRX de los componentes). Los picos agudos a aproximadamente 20,25º, 23,5º, 29,5º, 30,75º y 34,2º para el difosfato dicálcico cristalino se observan fácilmente. Con el aumento del tiempo de reacción, los picos cristalinos agudos bajan y aparecen picos anchos (amorfos) centrados a 2\theta = 26º, 28,5º, 32.0º y 33,0º. Es interesante hacer notar que no hay cambio en el espectro después de 75 minutos de reacción, indicando que la reacción esencialmente se ha completado en poco más de una hora. El diagrama de difracción de rayos X del material sustituto óseo de la invención (Fig. 5d) se puede comparar con el del hueso que aparece naturalmente, mostrado en la Fig. 7. Los dos espectros son casi idénticos.

Ejemplo 19 Implantación y reabsorción del fosfato cálcico PCA en un sitio óseo

El propósito de este estudio fue ensayar la reabsorción y osificación del fosfato cálcico PCA en un sitio de implante óseo. El método también es útil para ensayar las propiedades de reabsorción y osificación de las formulaciones y composiciones del fosfato cálcico PCA de la invención.

El artículo de ensayo fue una formulación de fosfato cálcico PCA preparada como se describe en el Ejemplo 8. El ACP y DCPD se mezclaron en las proporciones especificadas y se molieron durante 1 minuto 30 segundos en un equipo de molienda SPEX.

Se mantuvieron en cuarentena conejos machos NZW adultos (mayores de cinco meses) y se aclimataron durante un mínimo de 10 días antes del inicio del estudio. Los animales se alojaron individualmente en jaulas de acero inoxidable suspendidas. Se usaron virutas de madera en las cubetas de excrementos bajo las jaulas. Antes de iniciar el estudio, se asignaron los animales a grupos de tratamiento al azar y se identificaron por un tatuaje numerado en la oreja y por una tarjeta de jaula correspondiente. Todos lo animales tenían defectos únicos situados en una tibia. Los tiempos para las evaluaciones fueron 2, 4, y 8 semanas (2 animales en cada momento). La cirugía se realizó con anestesia general y condicione quirúrgicas asépticas.

Después de conseguir la anestesia adecuada (por ejemplo, realizada con ketamina/xilacina), se hizo una incisión sobre la tibia proximal lateral usando técnica aséptica. Se separó el tejido blando y se expuso el hueso. Usando una trefina de aproximadamente 5 mm en una herramienta manual dental de baja velocidad con irrigación cuando era necesario (disolución salina fisiológica al 0,9%), se corto un agujero de \sim 5 mm de diámetro en la porción cortical del hueso. Se diseccionó el disco óseo del cortex y se preparó el sitio para la implantación. Se colocó el material de precursor hidratado en forma de pasta en el defecto. Los defectos en los animales de control se dejaron sin tratar. Los tejidos blandos se cerraron después en capas. Se preparó una muestra por animal usando este método. Las observaciones clínicas de la salud general y el bienestar de los animales, con especial consideración a sus capacidades ambulatorias, se hicieron al menos semanalmente. Todos los animales parecían estar en buen estado de salud. Al final del estudio los animales se sacrificaron con una sobredosis de anestesia y se reunieron los sitios de implante. Se hicieron radiografías de las tibias a intervalos programados incluyendo después de la cirugía y en el momento de la necropsia.

Los sitios de la implantación se prepararon con formalina y se tiñeron con hematoxilina y eosina, tricromo de Masson o láminas tintadas de Von Kossa de muestras decalcificadas. Las nuestras histológicas sin descalcificar también se prepararon y tiñeron con fuschina básica verde brillante. Las láminas se evaluaron microscópicamente por un patólogo veterinario vocal certificado (ACVP) con experiencia en patología de animales de laboratorio. Se hicieron observaciones subjetivas sobre la morfología ósea, y se anotó la presencia o ausencia de hueso organizado y de material de fosfato cálcico PCA detectable.

Los resultados histológicos indicaron alguna mineralización a las dos semanas. A las 4-6 semanas, los animales que habían recibido el implante tenían hueso trabecular normal en el sitio del implante sin evidencia de fosfato cálcico PCA remanente. Los controles sin tratar no tenían totalmente curado lo que tenían de menos ya que no había crecido totalmente y/o no tenían hueso de tipo cortical. Las Figuras 9a y 9b son microfotografías de defectos de tibia sin tratar y tratados respectivamente, dos semanas después de la cirugía. Como puede verse, el hueso a la derecha del borde del defecto en la muestra sin tratar (Fig. 9a) es hueso trabecular delgado; el hueso nuevo a la derecha del borde del defecto en la muestra sin tratar (Fig. 9b) es hueso trabecular grueso.

Ejemplo 20

Este ejemplo demuestra la diferencia en tiempo de reabsorción entre dos formulaciones de precursores con diferentes distribuciones de tamaño de granos de DCPD. El material precursor de fosfato cálcico PCA se prepara según el ejemplo 10. Se prepararon dos mezclas de precursores. La muestra A corresponde a la muestra 10-6 y la muestra B corresponde a una mezcla 2:4:3:1 de muestras 10-1, 10-2, 10-3 y 10-4. Las pastas de precursor hidratado de las dos muestras se ensayaron en roedores en el ensayo subcutáneo del ejemplo 15. La reabsorción se monitorizó a diversos tiempos.

Ejemplo 21

Este ejemplo muestra la diferencia en promover la actividad de DCPD de dos distribuciones diferentes de tamaño de granos en la transformación de ACPs tanto sumamente reactivos como reactivos.

Se preparó ACP como en el ejemplo 5, con la excepción de que se omitió la etapa final de activación para algunas de las muestras. Se prepararon dos muestras de DCPD con distribuciones de tamaño de granos correspondientes a B1&B3 del ejemplo 10. Se mezclaron después lo ACPs y DCPDs durante 5 minutos, a mano o en el molino SPEX. Se determinaron después las características de endurecimiento. Es claro que las muestras molidas a máquina exhibieron propiedades de endurecimiento superiores que las muestras molidas a mano. También es claro que las muestras con un tamaño de partículas más pequeño (B3) exhibieron propiedades de endurecimiento superiores que las muestras con granos mayores (B1).

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 6 Reacciones usando agentes activadores de diferentes potencias

5

Ejemplo 22

Este ejemplo determina la superficie específica y la porosidad de un material de fosfato cálcico PCA.

El ACP se preparó según el Ejemplo 5. Se comparó la reactividad de las muestras antes y después de la etapa final de activación térmica en un ensayo de endurecimiento in vitro con DCPD sin tamizar (como se describe en el ejemplo 8). También se midieron la superficie específica y la porosidad media. Los resultados están tabulados en la Tabla 7 a continuación.

TABLA 7 Superficie específica y porosidad de los ACPs de la invención

6

Ejemplo 23

Este ejemplo describe la transformación de fosfato cálcico ACP a PCA en ausencia de un agente activador y demuestra el fallo en endurecer del fosfato cálcico PCA recién formado. Asimismo, el agente activador DCPD falla en endurecer o convertirse por sí mismo.

Se mezclaron DCPD y diversos ACPs y otros fosfatos cálcicos con agua y se ensayó su capacidad para endurecer a 37ºC. La Tabla 8 resume estos resultados, así como la identificación de los productos de reacción, si existen, después del periodo de ensayo. En ninguna circunstancia se observó endurecimiento hasta los tres días. Se concluyó que aunque puede tener lugar la transformación de fosfato cálcico ACP a PCA, es deseable la presencia de un agente activador para conseguir el fraguado y el endurecimiento.

TABLA 8 Transformación de ACP en ausencia de un agente activador

7

\text{*}PCA = fosfato cálcico apatítico poco cristalino.

ND = análisis no hecho

Ejemplo 24 Efectos de diferentes agentes hidratantes en el endurecimiento y el producto final

Se preparó un precursor hidratado (ACP y DCPD) como se describe en los Ejemplos 8, 9 o 10, con la excepción de que se usaron diversos medios de hidratación. Las muestras se ensayaron a varios tiempos después del endurecimiento y la finalización de la reacción . En todos los casos, se hidrató 1 g de los precursores mezclados con 0,75 - 1,0 ml de medio de hidratación para producir una pasta. La Tabla 9 resume los resultados y demuestra que se pueden usar una diversidad de líquidos con base acuosa, y particularmente medios aceptables fisiológicamente, en la preparación de fosfato cálcico PCA.

TABLA 9 Efecto de agentes de hidratación

8

Ejemplo 25

Se preparó ACP como se describe en el Ejemplo 5, con la excepción de que el calentamiento a 450ºC se llevó a cabo durante una hora o seis horas. A continuación del calentamiento, el ACP se preparó por reacción con DCPD como se describe en el Ejemplo 8. Se encontró que el precursor de fosfato cálcico PCA hidratado preparado con ACP calentado durante 6 horas no se endureció después de dos horas a 37ºC.

Ejemplo 26

Se determinó la porosidad de una muestra endurecida de fosfato cálcico PCA preparada según el Ejemplo 10-5.

Se pesó una muestra endurecida de fosfato cálcico PCA (1 g) inmediatamente después de retirarla del incubador de humedad, y se secó a temperatura ambiente durante 12 h. Se pesó cuidadosamente la muestra seca y después se calculó el volumen. La muestra se colocó en una muestra de 20 ml de agua. Después de un minuto, se anotó el volumen aproximado desplazado. Se encontró que la muestra seca absorbía hasta 50-60% de su peso seco en agua. Estos resultados se interpretan indicando que la muestra es 50-60% porosa. La densidad fue aproximadamente de 1,65 g/cm^{3}.

Ejemplo 27

Este ejemplo muestra el uso de un polímero reabsorbible para promover la transformación de fosfato cálcico ACP a PCA.

Se prepara PLLA granulado y se tamiza a un tamaño de 100 \mum. El polvo así obtenido se mezcla con el ACP (5:1 ACP:PLLA) del Ejemplo 9 y se muele durante 5 minutos en un molino de laboratorio SPEX. Se añade agua a 1 g de la mezcla para formar una pasta trabajable. La pasta se conforma en una bola y se calienta a 37ºC en un ambiente húmedo durante 1 hora. La muestra endurecida se analiza usando FTIR y DRX.

Ejemplo 28

Este ejemplo investiga las características de endurecimiento del precursor hidratado a temperaturas sub-ambientes.

El precursor hidratado se preparó con agua como se describe en el Ejemplo 9 y después se cerró herméticamente para evitar la pérdida por evaporación en parafina o en un tubo de aluminio. Las muestras se retuvieron después hasta 1 h, 24 h y 6 días. A los tiempos indicados, la muestra hidratada se retiró de la refrigeración y se colocó en un ambiente húmedo a 37ºC. En todos los casos las muestras se endurecieron en 30 minutos.

Ejemplo 29

Este ejemplo muestra la eficacia del fosfato cálcico PCA de la invención en promover la curación en un animal modelo grande, de un defecto segmental total en un miembro que soporta peso.

Se prepararon los precursores hidratados Tipo 2 y Tipo 10 y se trataron inmediatamente antes de la cirugía como se describe en el Ejemplo 16.

Los animales ayunaron durante 24 horas antes de la anestesia, durante este intervalo de tiempo el agua estuvo disponible a voluntad. Se administró ketamina (Aescoket®, 10 mg/kg intramuscular) y atropina (1,5 mg intramuscular) como un pre-medicamento aproximadamente 15 minutos antes de anestesiar totalmente a los animales. Se usó Etomidate (Hypnomidaat®, 0,3 mg/kg intravenoso) como anestésico. Después de la intubación, se mantuvo la anestesia con una mezcla de O_{2}/N_{2}O (1:1, vol/vol) complementado con isoflurano al 2%.

La cirugía se realizó asépticamente con anestesia total. Después de afeitar y yodar la piel, se hizo una incisión sobre el lado anteromediano de la tibia. Se diseccionaron completamente los músculos y la tibia se liberó de tejido en una extensión tan grande como fue posible. Después de escariar la cavidad medular, se insertó un clavo ( diámetro de 8 mm) intramedularmente por medio de un agujero en la meseta tibial anterior. El clavo insertado se inmovilizó con dos pernos proximales y dos distales. Se creó después un defecto segmentario osteoperiostal de 20 mm en la mitad de la tibia con la ayuda de una sierra de hilo y una sierra oscilante.

El defecto se rellenó según el grupo de tratamiento. En un grupo, se recogió hueso autólogo de la cresta ilíaca ipsilateral y se colocó en el defecto. En el otro grupo, se aplicó a mano aproximadamente 2-4 g de precursor de fosfato cálcico PCA hidratado (tipo 2 o tipo 10) para rellenar el defecto. Los tejidos blandos y la piel se cerraron en capas con material de sutura reabsorbible.

Los animales recibieron después de la operación lincomicina/espectinomicina (Vualin Plus®, 5 mg/10 mg por kg por día) durante tres días por inyección intramuscular. Los animales se mantuvieron en el exterior en la pradera tan pronto como fue posible que el miembro operado soportara el peso total. Los animales se sacrificaron antes de la exploración de la tibia como sigue: Se administró como un pre-médicamente ketamina (Aescoket®, 500 mg intramuscular) y xilacina (Rompun®, 40 mg intramuscular). Después, se administraron intravenosamente 0,5 mg de citrato de fentanilo (Fentanyl®), 10 mg de etomidato (Hypnomidato®), 4 mg de bromuro de pancuronio (Pavulon®), y 1,4 gramos de cloruro potásico.

Los animales que recibieron el fosfato cálcico PCA de la invención mostraron curación completa a los tres meses. Después, los huesos de ensayo se diseccionaron del animal y se ensayó la resistencia. Los resultados preliminares indicaron que el fosfato cálcico PCA de la invención se reabsorbió y osificó para producir un hueso igual o mejor que los implantes autólogos en menos de tres meses.

Ejemplo 30

El propósito de este estudio fue evaluar la reabsorción, osificación y biocompatibilidad de dos formulaciones del fosfato cálcico PCA de la invención en sitios mandibulares caninos. El fosfato cálcico PCA pre-endurecido se implantó en un modelo de recubrimiento mandibular canino que se puede usar adicionalmente como un modelo de aumento.

El artículo de ensayo fue fosfato cálcico PCA en dos formulaciones, que corresponden a los Tipos 2 y 10 descritos en el Ejemplo 11. El fosfato cálcico PCA se pre-endureció en un ambiente húmedo a aproximadamente 40ºC inmediatamente antes de la implantación. Los implantes de control eran cilindros de 3 mm x 4 mm de silicona y de hidroxiapatito poroso respectivamente.

Se usaron dos perros hembras adultas de caza (20 a 25 kg) en el estudio. Ambos perros recibieron dos implantes de control (uno de cada) en el lado derecho de la mandíbula y uno de cada de las formulaciones de fosfato cálcico PCA del Tipo 2 y del Tipo 10 en el lado izquierdo (opuesto).

La implantación se realizó con anestesia general y condiciones quirúrgicas asépticas. Los animales se pre-medicamentaron con tranquilizantes y agentes de tipo atropina y se indujeron con barbituratos. Los signos vitales de los animales (temperatura, ritmo cardíaco, ritmo respiratorio) se monitorizaron antes y a lo largo de todo el procedimiento. Se ensayó en los animales lo profundo de la anestesia por pellizco en el dedo del pié y estímulo de la córnea. Después de obtener anestesia adecuada, usando técnica antiséptica se hizo una incisión sobre la superficie ventral media lateral de la mandíbula y del cuello próximo (sobre el borde bajo mandibular). Se separó el tejido blando del hueso y se expuso el hueso. Se elevó el periósteo sobre la superficie mandibular exterior y la superficie ósea se desbastó con un escoplo o fresa hasta que estuvo áspero y sangrante, con una forma que aceptaba los implantes cilíndricos. Se colocaron los artículos de control y el fosfato cálcico PCA pre-endurecido en los defectos. Se colocaron por recubrimiento dos muestras por animal y por lado en cada superficie mandibular usando este método (dos muestras de fosfato cálcico PCA experimentales y dos controles). Las muestras se colocaron a aproximadamente 1 cm para asegurar que no se yuxtaponían una con otra. El periósteo se cerró primero usando vicryl 3-0. Los tejidos blandos se cerraron después en capas con sutura absorbible de vicryl 3-0. La piel se cerró con suturas interrumpidas simples de nylon 5-0. Los animales se dejaron sanar durante periodos programados de tiempo. Un perro se sacrificó a las tres semanas y el otro a los tres meses y los sitios de ensayo se extirparon para histología. Todos los animales se sacrificaron y se recogieron las marcas de identificación.

Los sitios de implantación se prepararon como secciones sin descalcificar. Las secciones se evaluaron para biointegración, biodegradación y biocompatibilidad.

Los resultados fueron como sigue: se observó excelente biocompatibilidad a todos los tiempos. No se observaron células gigantes y mínimo de macrófagos. Sólo hubo capa de reacción mínima del grosor de unas pocas células en la base de los implantes de fosfato cálcico PCA. Esto es significativamente mejor que lo observado para cualquiera de los controles.

A las tres semanas, la mayoría del material del Tipo 2 se reabsorbió. A las 12 semanas, el Tipo 2 se reabsorbió completamente en la superficie del hueso original. Adicionalmente, el hueso en el alveolo no estaba diferenciado totalmente.

Las muestras del Tipo 10 demostraron integración ósea con el nuevo hueso, crecimiento y migración celular en el implante. Aproximadamente el 10% del propio implante se reabsorbió después de doce semanas.

El implante control de silicona, que no es reabsorbible, exhibió una reacción de cuerpo extraño leve a moderada. Los huecos estaban sin rellenar a las tres semanas, pero a las doce semanas estaban llenos con tejido fibroso. El implante de control de hidroxiapatito no mostró signos de reabsorción o de integración ósea en las primeras doce semanas.

Este experimento confirma la excelente biocompatibilidad del fosfato cálcico PCA de la invención. Adicionalmente, se observó una diferencia en el tiempo de reabsorción entre las dos formulaciones de PCA, con un tiempo de reabsorción prolongado para la muestra en la que los precursores se mezclaron/molieron durante un periodo de tiempo más largo (Tipo B).

Los resultados también señalan las propiedades de lenta reabsorción y osificación observadas en el sitio del implante mandibular que no soporta peso comparado con las aplicaciones que soportan peso de rápida osificación del Ejemplo 29. Finalmente, los resultados demuestran la necesidad de PCAs de lenta reabsorción para integración ósea apropiada en cirugía plástica de aumento.

Ejemplo 31

Este ejemplo demuestra el efecto de mantener el precursor hidratado sin recubrir a temperatura ambiente.

Se preparó el precursor seco como se describe en el Ejemplo 11(b). El precursor seco se mezcló con la cantidad indicada de agua y se ensayó el endurecimiento e inyectabilidad por una aguja de calibre 16 después de permanecer sin recubrir a temperatura ambiente durante varios periodos de tiempo. Los resultados se indican en la tabla 10.

TABLA 10 Inyectabilidad de la pasta después de permanecer a temperatura ambiente

9

Estos resultados demuestran que una muestra de un gramo puede ser estable como una pasta inyectable en condiciones ambientes hasta 45 minutos y que una muestra de 5 gramos puede ser estable como una pasta inyectable hasta 30 minutos en condiciones ambientes (en aire, 25ºC).

Ejemplo 32

Comprimiendo precursores usando prensa hidráulica. Este ejemplo ilustra el método de preparar un gránulo con una prensa hidráulica.

Se usa una prensa de Carver Laboratory. Se mide por pesada una cantidad específica de polvo. Después, el polvo se coloca en el molde del conjunto del troquel. La altura o espesor se determina en parte por la cantidad de material usado en el molde. Una vez el material está en el conjunto del troquel, el molde se coloca en la prensa hidráulica. Se fija la carga deseada en la prensa. Después, el material se comprime durante una cantidad específica de tiempo. Después de que ha pasado el tiempo, el gránulo resultante se expele del conjunto del troquel en un contenedor de soporte.

Una muestra de 0,5 g, ID= AB com1, procedente del lote AB971002 se comprimió a 35,15 kg/cm^{2} (500 psi - libras por pulgada cuadrada) durante 5 minutos en la prensa de Carver Laboratory. Los aspectos físicos del gránulo resultante fueron: diámetro= 13 mm, altura= 3 mm, y la densidad fue 1,27/cm^{3}. La resistencia mecánica se describió como dura y capaz de romperse a mano. Después del análisis por FTIR, el gránulo era PCA al 70% en tejido húmedo, PCA al 90% en 20 ml de agua destilada, y PCA al 100% en disolución tamponada carbonatada (CO_{3}^{2-} 0,2 mol). Una segunda muestra de 0,5 g, ID= Abcom2 procedente del lote AB971002 se comprimió a 330,41 kg/cm^{2} (4.700 psi) durante 5 minutos en la prensa de Carver Laboratory. El gránulo presentó los siguientes resultados: diámetro= 13 mm, altura= 2 mm, y la densidad es 1,99 g/cm^{3}. La resistencia mecánica se describió como muy dura y capaz de romperse a mano. Cuando el gránulo se incubó a 37ºC durante 60 horas y se analizó por análisis de FTIR, se hallaron los siguientes resultados: PCA al 60% en tejido húmedo, PCA al 60% en 20 ml de agua destilada, y PCA al 60% en disolución tamponada carbonatada (CO_{3}^{2-} 0,2 mol).

Ejemplo 33

Comprimiendo precursores usando prensa manual. Este ejemplo muestra el método de preparar un gránulo con una prensa manual.

Se usa una prensa Perkin Elmer Quick. Se fabrican gránulos de 7 mm de diámetro usando los conjuntos de troquel seleccionados con la prensa Quick. También se pueden usar otros conjuntos de troquel de varios diámetros dependiendo de las medidas deseadas. La superficie del gránulo se puede allanar o redondear, dependiendo de la forma del molde. La muestra se carga en el molde del troquel seleccionado. Conforme aumenta la cantidad de muestra, el grosor del gránulo aumenta. A continuación, se selecciona una posición de referencia a partir de varios juegos de posiciones manuales en la parte superior del la prensa Quick. El conjunto del troquel se coloca en posición en la prensa Quick. Se aplica una presión fija al mango de la prensa Quick durante una cantidad seleccionada de tiempo. Una vez que el tiempo ha expirado, se retira el gránulo del molde quitando la tapa del fondo del conjunto del troquel y aplicando presión a la parte superior del troquel para expeler el gránulo del conjunto del troquel.

Una muestra de 0,08 g, ID: AB com3, de AB procedente del lote AB971002 se midió en el conjunto del troquel de 7 mm de diámetro. La posición manual de la prensa Quick se estableció en 20 y se comprimió durante 1 minuto. El gránulo resultante tenía un diámetro de 7 mm y una altura de 1,5 mm; la densidad fue de 1,39 g/cm^{3}. Una segunda muestra, ID: AB com4, de 0,1 g de AB procedente del lote AB971002 se midió en el conjunto del troquel de 7 mm de diámetro. La posición manual se estableció en 20 y se comprimió durante 30 segundos en la prensa Quick. Se formo un gránulo resultante con un diámetro de 7,0 mm y altura de 2,0 mm; la densidad fue de 1,23 g/cm^{3}.

Ejemplo 34 Comportamiento de los gránulos de PCA con medios diferentes

Este ejemplo describe el comportamiento de los gránulos de fosfato cálcico PCA en diferentes medios.

Las cuatro clases de medios elegidos fueron: (-MEM (Medio Esencial Mínimo)); TBS (Suero bovino Tris: 50 mM de Tris + 150 mM de NaCl); (-MEM + FBS (Fetal Bovine Serum 10%); y Medio Completo (inmersión durante 2 h en TBS a 37ºC e inmersión posterior en (-MEM + FBS).

Una muestra de 0,3 g de mezcla de precursores ACP y DCPD se comprimieron durante un minuto a 7.112 kg (7 ton) usando una prensa de Carver Laboratory. El gránulo resultante (a) tenía un diámetro de 12 mm y una altura de 1 mm. El gránulo se puso en 10 ml de agua destilada a 37ºC durante 30 minutos. Después de la incubación, el gránulo se puso en 6 ml de medios diferentes a 37ºC durante 24 y 48 horas.

Una segunda muestra de 1 g de precursores mezclados ACP y DCPD se combinaron con 0,8 ml de agua destilada. La mezcla se enrolló en forma de bola y se puso en 10 ml de agua destilada a 37ºC durante 30 minutos. La bola se molió después usando un mortero y mazo para obtener un polvo fino. El polvo se prensó durante un minuto a 7.112 kg (7 ton) usando una prensa de Carver Laboratory. El gránulo resultante (b) tenía un diámetro de 12 mm y una altura de 1 mm. El gránulo se puso después en medios diferentes a 37ºC durante 24 y 48 horas.

El pH de la disolución de los medios se midió (a 25ºC) a tiempos diferentes de 0, 24 y 48 horas después de la incubación a 37ºC. Los resultaos de este estudio se exhiben en la tabla 11.

TABLA 11 pH de la disolución

10

Ejemplo 35 Precursores de reacción, liofilización, desmenuzamiento, compresión

Este ejemplo ilustra como los gránulos se forman a partir de pasta de fosfato cálcico PCA.

El PCA se fabrica a partir de ACP y DCPD, como agente activador. Se usa disolución salina como medio acuoso biológicamente aceptable. Después, la pasta preparada de PCA se endurece in vitro a 37ºC y posteriormente se liofiliza. El material PCA endurecido después se desmenuza a mano. Una vez desmenuzado, el material PCA se conforma en un gránulo por los métodos descritos en los Ejemplos 32 y 33.

Ejemplo 36 Conformado, endurecimiento, liofilizado sin molienda

Este ejemplo muestra como se conforma un gránulo a partir de pasta de fosfato cálcico PCA.

Se seleccionan ACP y DCPD como precursores. Se usa una cantidad apropiada de disolución salina para fabricar una pasta de PCA. La pasta de PCA se conforma en la forma deseada. Después se incuba a 37ºC in vitro durante 30 minutos. El objeto endurecido después se liofiliza.

Ejemplo 37 Comparación de los métodos con experimentos in vivo

Este ejemplo compara los métodos de producir los gránulos a través de experimentación in vivo.

Los gránulos se fabricaron según el Ejemplo 32. Se implantaron dos gránulos en un fémur de perro. Los animales se sacrificaron y se analizaron los sitios de implante para material residual remanente a los tiempos de 3, 4 y 6 semanas. A cada tiempo, se prepararon y tiñeron láminas descalcificadas y calcificadas del sitio de implantación. Estas láminas se analizaron histomorfométricamente para determinar la similitud de los gránulos preparados con la pasta de fosfato cálcico PCA.

Ejemplo 38 Incorporación de un agente de carga o agente ligante

Este ejemplo demuestra el uso de un agente de carga para estudiar el flujo plástico, con interés particular en el efecto de resistencia a la tracción en el gránulo.

Se usa un azúcar compresible como un agente de carga en comparación con la producción del gránulo. El azúcar se mezcla con los precursores ACP y DCPD en una relación 1:1:1 antes de la compresión. El gránulo se produce según el Ejemplo 33 con modificaciones en la duración del ciclo de compresión total y la duración de la fuerza compresiva máxima. La efectividad del agente de carga de azúcar se midió comparando la resistencia a la tracción de los gránulos. La ecuación usada para computar la resistencia a la tracción es:

\sigma_{o}=2F/\pi dt

en la que \sigma_{o} es la resistencia a la tracción, F es la fuerza necesaria para rajar el comprimido, d es el diámetro del gránulo, y t es el grosor o altura del comprimido.

Ejemplo 39 Administración de una vacuna en un gránulo

Este ejemplo explica como el gránulo se usa como un vehículo de administración para una vacuna.

Se prepara hemocianina de lapa Keyhole a una concentración de 0,5 mg/ml en disolución salina de tampón de fosfato de pH 7,0. Se añaden 0,8 ml de esta disolución a 1 g de una mezcla 1:1 de ACP y DCPD activados ... y se mezcla en una masilla. La masilla preparada de PCA después se liofiliza. El material seco se muele en polvo durante 10 minutos en un molino de laboratorio SPEX 8510 con una cámara de molienda cerámica de alúmina SPEX 8505. Después, el PCA en polvo se prepara en un gránulo como se describe en el Ejemplo 32. Se implanta un gránulo formado por el Ejemplo 32 subcutáneamente en una rata. El procedimiento se repite mensualmente durante cuatro meses. Se toman muestras de sangre regularmente y se determinan los títulos de anticuerpos de hemocianina de lapa Keyhole por ELISA.

Ejemplo 40

Este ejemplo describe la preparación de fosfato cálcico PCA usando segundas fuentes alternativas de fosfato cálcico. Tanto el fosfato cálcico PCA pre-endurecido como el hidroxiapatito cristalino reaccionaron con el ACP amorfo reactivo para producir fosfato cálcico PCA.

(a) Se preparó HA poco cristalino como se describe en el documento U.S.S.N. 08/554.817 presentada el 7 de noviembre de 1995, incorporada a la presente memoria como referencia, usando sólo carbonato como inhibidor (no Mg^{++} o pirofosfato). El polvo resultante después se liofilizó.

(b) Se obtuvo el hidroxiapatito en forma de polvo de Aldrich Chemicals (#28.939-6; lote 00325AQ).

Cada uno de los dos polvos se mezcló 1:1 con fosfato cálcico amorfo reactivo, preparado como se describe en el Ejemplo 5 y se mezcló con agua. Ambas mezclas se endurecieron en 30 minutos a 37ºC y los espectros IR se los productos de reacción fueron sustancialmente los mismos que los del fosfato cálcico PCA producido según el Ejemplo 8.

Ejemplo 41

Este ejemplo describe la preparación de fosfato cálcico PCA en partículas que se puede usar en los materiales compuestos de la invención.

El fosfato cálcico amorfo reactivo y el DCPD se preparan como se describe en los Ejemplos 5 y 8 y se usan para preparar hidroxiapatito poco cristalino como se describe en el Ejemplo 8. El fosfato cálcico PCA endurecido se liofiliza durante toda la noche y se pulveriza en un molino y después se pasa a través de uno o más tamices para obtener el tamaño de partículas deseado. Las partículas se introducen después en un PLGA. Se preparan una variedad de matrices de materiales compuestos como sigue:

(a) fosfato cálcico PCA de tamaño de partículas promedio de 25 \mum (10% p/p) en PLGA;

(b) fosfato cálcico PCA de tamaño de partículas promedio de 25 \mum (5% p/p) en PLGA;

(c) fosfato cálcico PCA de tamaño de partículas promedio de 100 \mum (5% p/p) en PLGA; y

(d) fosfato cálcico PCA de tamaño de partículas promedio de 200 \mum (5% p/p) en PLGA.

Los materiales compuestos preparados como se indica anteriormente se colocaron intramuscularmente en un roedor y se determinaron las velocidades de reabsorción según el Ejemplo 16 para identificar los materiales compuestos adecuados para usar en materiales compuestos biocerámicos reabsorbibles.

Ejemplo 42

Este ejemplo describe la preparación y ensayo de materiales compuestos de fosfato cálcico PCA reabsorbibles.

Se prepara una pasta de material compuesto fosfato cálcico PCA/poli(lactida) como se describe en el Ejemplo 13 o el Ejemplo 41. La pasta se empaqueta en moldes en la forma de clavos intermedulares, placas de soporte y tornillos. Los moldes se calientan a 37ºC durante tres horas en un ambiente húmedo y los objetos endurecidos se retiran del molde. Los objetos de material compuesto se implantan en animales modelos según el procedimiento expuesto en el Ejemplo 19, en todos los casos asegurándose de que se pone en contacto el objeto con las células formadoras de hueso. Los materiales compuestos que se encuentran que se reabsorben y osifican totalmente en menos de 6 meses son adecuados para usar como implantes de material compuesto biocerámico bioreabsorbible.

Ejemplo 43

Este ejemplo describe un material compuesto reabsorbible para usar como un agente de relleno o cemento óseo. Se puede preparar un material compuesto fosfato cálcico PCA/dextrano preparando primero la pasta como se describe en el Ejemplo 8. La pasta se puede mezclar bien con dextrano polidisperso al 10% v/v, endurecer en un ambiente húmedo y mostrar que ha mejorado su resistencia y compresibilidad. El material compuesto endurecido se puede después introducir en un sitio de fractura en un animal modelo según el Ejemplo 19. Se determinan los tiempos para la reabsorción y reosificación. Se usa selección según el Ejemplo 29 para determinar la idoneidad del material compuesto como un implante biocerámico reabsorbible.

Ejemplo 44

Este ejemplo describe el revestimiento de partículas de fosfato cálcico PCA con un revestimiento exterior biodegradable. Las partículas preparadas de esta forma se reabsorben y/u osifican con un periodo de demora inicial comparable al del fosfato cálcico PCA solo.

Las partículas de fosfato cálcico PCA se pueden preparar como se describe en el Ejemplo 8. Las partículas se pueden preparar en una serie de lotes homogéneos con tamaños promedio de partículas en el intervalo de 60-100 micrómetros según el método usado en el Ejemplo 11. Estas partículas se pueden después revestir uniformemente por inmersión con poli(lactida). Las partículas revestidas se colocan intramuscularmente con el fin de evaluar las cinéticas de reabsorción, que puede retrasarse con respecto a las partículas sin revestir.

Ejemplo 45

Este ejemplo describe el uso de material compuesto fosfato cálcico PCA/hidroxiapatito para producir hueso nuevo. Esta forma de hueso es útil en terapia de aumento.

El hidroxiapatito cristalino se puede preparar u obtener como partículas de 50-200 micrómetros. Estas partículas se pueden introducir en una pasta de fosfato cálcico PCA a aproximadamente 1 a 50% en peso y se pueden mezclar bien. La pasta de material compuesto resultante se puede conformar en la forma deseada, sembrar con células formadoras de hueso e implantar adyacente al hueso cortical y fijar mediante sutura y aproximación del tejido blando. El material compuesto también se puede engarzar en un hueso receptor que se ha dado forma quirúrgicamente según el método del Ejemplo 19. Después de tres meses, se puede examinar el sitio del implante como en el Ejemplo 19 para establecer que el nuevo hueso impregnado con partículas de hidroxiapatito se ha formado en la forma del implante.

Ejemplo 46

Este ejemplo describe la formación de un material compuesto de fosfato cálcico PCA con un agente lubricante.

Se puede preparar una pasta de fosfato cálcico PCA según el Ejemplo 8. Se puede mezclar aceite de silicona con la pasta a una concentración en el intervalo de 0,1 a 30% en peso. Antes de que tenga lugar la reacción de endurecimiento, la pasta se puede inyectar con una aguja de calibre 16-22 y encontrar que tiene inyectabilidad significativamente mejorada cuando se compara con la pasta sin tratar.

Ejemplo 47

Este ejemplo muestra el uso de un material compuesto de fosfato cálcico PCA para embeber un objeto en el hueso del destinatario. Además de la colocación de dispositivos de anclaje, se pueden usar métodos similares para embeber casi cualquier agente deseado en el hueso del destinatario, incluyendo pero sin limitarse a barras y fibras de soporte, agentes para técnicas de imagen y sustancias reductoras de fricción tales como placas de teflón.

Se puede formar un bucle de dacrón de aproximadamente 1 mm de diámetro en una sutura de dacrón de 2 cm. Se puede colocar un nudo en la sutura de aproximadamente 2 mm desde el bucle. La sutura se puede después recortar en el nudo, dejando un bucle con una cola atada de 2 mm. Se puede taladrar un agujero de 1 mm de diámetro aproximadamente 3 mm dentro del hueso del destinatario. El extremo anudad de la sutura se puede colocar en el agujero y el agujero se puede rellenar después con pasta de fosfato cálcico PCA. Después de seis meses, el sitio de la sutura se evalúa para la reabsorción del material de PCA con el fin de evaluar lo adecuado del material compuesto como un material compuesto biocerámico reabsorbible.

El procedimiento se puede repetir en un segundo sujeto con la siguiente modificación. Después de la colocación de la sutura anudada en el agujero, se puede apretar de forma segura un tapón de fosfato cálcico PCA pre-endurecido en el agujero, asegurando de ese modo mecánicamente la sutura en el lugar. El agujero se puede después sellar con pasta de hidroxiapatito poco cristalino. Después de seis meses, el sitio de la sutura se evalúa para la reabsorción del material de PCA con el fin de evaluar lo adecuado del material compuesto como un material compuesto biocerámico reabsorbible.

(dos muestras de fosfato cálcico PCA experimentales y dos controles). Las muestras se colocaron a 1 cm para asegurar que no se yuxtaponían una con otra. El periósteo se cerró primero usando vicryl 3,0. Los tejidos blandos se cerraron después en capas con sutura absorbible de vicryl 3-0. La piel se cerró con suturas interrumpidas simples de nylon 5-0. Los animales se dejaron sanar durante periodos programados de tiempo. Un perro se sacrificó a las tres semanas y el otro a los tres meses y los sitios de ensayo se extirparon para histología. Todos los animales se sacrificaron y se recogieron las marcas de identificación.

Este experimento confirma la excelente biocompatibilidad del fosfato cálcico PCA de la invención. Adicionalmente, se observó una diferencia en el tiempo de reabsorción entre las dos formulaciones de PCA, con un tiempo de reabsorción prolongado para la muestra en la que los precursores se mezclaron/molieron durante un periodo largo de tiempo (Tipo B).

Los resultados también señalan las propiedades de lenta reabsorción y osificación observadas en el sitio del implante mandibular que no soporta peso comparado con lo rápidamente

Ejemplo 48 Estudio de la eficacia del PCA en el aumento alveolar canino/modelo de alveolo dental

Este ejemplo muestra el uso del PCA de la invención para restaurar los tejidos óseos en un alveolo dental canino.

Los animales se pre-medicamentan con tranquilizantes y agentes del tipo atropina y se inducen y mantienen con atropina. Los signos vitales de los animales (temperatura, ritmo cardíaco, ritmo respiratorio) se monitorizan antes y a lo largo de todo el procedimiento. Se ensaya después en los animales la profundidad de la anestesia por pellizco en el dedo del pié y estímulo de la córnea.

Después de obtener anestesia adecuada, el tejido blando gingival se separa suavemente de la periferia de cada premolar. Los premolares se taladran a la mitad con una fresa dental de baja velocidad e irrigación salina desde la superficie oral del diente a la superficie inferior entre las raíces. Cada mitad del diente después se ase firmemente con fórceps de extracción y suavemente pero con firmeza se rota hasta que se rompen las uniones del diente. Se extirpan después las mitades de cada diente. El sangrado se detiene por presión y tiempo. Se extraen todos los premolares como se ha descrito. Después de la extirpación dental y antes de colocar el fosfato cálcico PCA, se mide el grosor alveolar lingual a bucal y se registra en al menos 3 posiciones; estas medidas se repiten después de la colocación del fosfato cálcico PCA y en el momento de la necropsia y se usan como una medida del crecimiento óseo.

El fosfato cálcico PCA se prepara como el Tipo 10 descrito en el Ejemplo 11. Los alvéolos dentales/alvéolos vacío se localizan a lo largo de un lado de la mandíbula en los espacios antiguamente ocupados por los dientes premolares. Todos los perros se implantan con fosfato cálcico PCA en un lado de la mandíbula y el lado opuesto permanece sin tratar como controles sin relleno. Los tejidos blandos gingivales se cierran después en capas con sutura 3-0. Después del procedimiento quirúrgico, se monitorizan los animales hasta que están estables.

Se deja sanar a los animales durante periodos de tiempo programados. Dos perros se sacrifican a las tres semanas, y dos perros se sacrifican a los dos meses.

Todos los animales se sacrifican con productos preparados comercialmente usados para eutanasia (tal como pentobarbital sódico), y se recogen después las mandíbulas y las marcas de identificación y se preservan en formalina tamponada neutra al 10% u otro fijador adecuado para secciones óseas descalcificadas y sin descalcificar. Las mandíbulas se miden como se describió anteriormente y se radiografían. Después de eso, los sitios de ensayo se extirpan para histología.

Los sitios de implantación se preparan como secciones descalcificadas y sin descalcificar. Las secciones se evaluan para biointegración, biodegradación y biocompatibilidad.

Un procedimiento similar se llevó a cabo en un solo perro. El implante mostró bioreabsorción y exhibió oseointegración en cuatro semanas. La Figura 26 es una fotografía de una lámina histológica de un sitio de implante de alvéolo dental cuatro semanas después de la cirugía, mostrando la extensión del crecimiento óseo en el alvéolo. Las flechas grandes indica el borde entre el hueso natural 1 y el sitio de implante 2. Nótese el crecimiento extenso de tejido óseo en el sitio 2. El tejido gingival se indica en 3.

Ejemplo 49 Médula espinal osteoporótica

Este ejemplo muestra el procedimiento usado para el tratamiento de la vértebra osteoporótica.

Se obtuvo una médula espinal del cadáver de un paciente osteoporótico. Se preparó PCA inyectable como el Tipo 10 descrito en el Ejemplo 11 usando 1,5 ml de agua por gramo de PCA como agente hidratante. Se insertó una aguja de biopsia ósea de calibre 16 (una aguja ósea Quantico también es útil para este propósito) en un hueso vertebral travecular (Figura 27). Una segunda aguja de calibre 16 fijada a una jeringa vacía de 50 cm^{3} se insertó en el lado opuesto de la misma vértebra. La localización de la aguja se confirmó por rayos X (Fig. 27). A continuación de la confirmación de la localización de la aguja, se fijó una jeringa que contenía PCA recientemente hidratado a la aguja de biopsia ósea. Un fosfato cálcico PCA se inyecto lentamente desde la jeringa con la aguja de biopsia retirando lentamente la aguja y aplicando succión suave con la jeringa de 50 cm^{3} simultáneamente. El PCA inyectado se puede ver como un área electrónicamente densa en la vértebra en los rayos X de la Figura 28b, comparado con la vértebra osteoporótica antes de la implantación (Fig. 28a). Estos resultados confirman la inyectabilidad de la pasta de fosfato cálcico de la invención en la médula espinal de un paciente osteoporótico.

Ejemplo 50 Fusión intersomática lumbar anterior canina

Este ejemplo describe el uso de fosfato cálcico PCA en la fusión de vértebras espinales caninas.

Los animales se anestesiaron, se posicionaron en la posición de decúbito lateral derecha, se afeitaron desde la línea media anterior a la posterior, extendiéndose desde la mitad del tórax a la pelvis. A continuación de la preparación estéril y de cubrirlo, se realizó un acceso retroperitoneal izquierdo estándar a la columna vertebral lumbar anterior, con exposición de las vértebras L3-L6. Se ligaron y separaron los vasos segmentarios que recubren L4 y L5, permitiendo la exposición anterolateral de los discos L3-4, L4-5 y L5-6. Las disectores anteriores se realizaron en cada nivel con la mioneura preparada paralela y sangrando el hueso subcondral usando una sierra oscilante de hojas emparejadas paralelas (Aesculap). A continuación de la disectomía, se insertó en cada espacio discal una jaula cilíndrica de titanio que contenía fosfato cálcico PCA o hueso autólogo o una jaula sin relleno. El injerto óseo autólogo de la creta ilíaca se recogió de la cresta iliaca anterior izquierda con una incisión de separación inmediatamente antes de su empaque en la caja e inserción en el espacio discal. Después de que las tres jaulas se insertasen, se aplicaron fijaciones internas usando tornillos de cuerpos vertebrales de 4,5 mm y una barra longitudinal de 6 mm de diámetro desde L3 a L6. El cierre de la herida abdominal y del sitio del injerto de la cresta ilíaca se hizo después en capas usando suturas absorbibles y grapas dérmicas.

Se sacrificaron los perros a las dos y las doce semanas y se examinó la histología de las secciones sin descalcificar para evidencia de crecimiento de hueso nuevo y fusión vertebral. En la inspección visual del implante, usando el fosfato cálcico PCA de la invención los cordones espinales aparecieron fundidos.

Otras realizaciones

Se sobreentenderá que lo anterior es meramente descriptivo de ciertas realizaciones de la invención y no se tiene la intención que sea limitante de ella. Las siguientes reivindicaciones cubren todas las características genéricas y específicas de la invención descrita en la presente memoria en el texto y en los dibujos que la acompañan.

Claims

1. Una composición cerámica biocompatible para preparar una pasta de fosfato cálcico que se auto-endurece, que comprende una mezcla de:

(a): un fosfato cálcico amorfo que tiene una relación calcio a fosfato (Ca:P) de 1,1:1,0 a 1,9:1,0;

(b): un agente activador de fosfato cálcico que promueve la transformación del fosfato cálcico amorfo a fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA); y

(c): un material suplementario seleccionado entre el grupo de polímeros bioreabsorbibles, cristales bioactivos, materiales no bioreabsorbibles, agentes lubricantes, agentes ligantes y materiales radiográficos;

siendo capaz de formar un fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA) en una reacción endotérmica cuando se mezcla con un vehículo líquido fisiológicamente aceptable en una cantidad suficiente para proporcionar una pasta que se auto-endurece que tiene una consistencia inyectable o conformable.

2. Una pasta de fosfato cálcico que se auto-endurece cerámica biocompatible, que comprende:

(b): un agente activador de fosfato cálcico que promueve la transformación del fosfato cálcico amorfo a fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA);

(c): un material suplementario seleccionado entre el grupo de polímeros bioreabsorbibles, cristales bioactivos, materiales no bioreabsorbibles, agentes lubricantes, agentes ligantes y materiales radiográficos; y

(d): un vehículo líquido aceptable fisiológicamente en una cantidad suficiente para proporcionar una pasta que tiene una consistencia inyectable o conformable,

en la que el endurecimiento de la pasta se asocia con una reacción endotérmica y con la transformación del fosfato cálcico amorfo en fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA).

3. La composición de la reivindicación 2, en la que la pasta es inyectable durante un tiempo superior a 10 minutos a 25ºC, y endurece entre 10 y 60 minutos a 37ºC.

4. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el agente activador de fosfato cálcico es un fosfato cálcico ácido, y por ejemplo

el fosfato cálcico ácido se selecciona entre el grupo de metafosfato cálcico, fosfato dicálcico dihidrato, decafosfato heptacálcico, fosfato tricálcico, pirofosfato cálcico dihidrato, hidroxiapatito cristalino, pirofosfato cálcico, monetita, fosfato octacálcico y fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA).

5. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la relación global calcio a fosfato (Ca:P) es menor que 1,5:1,0.

6. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el agente activador de fosfato cálcico incluye fosfato dicálcico dihidrato (DCPD), y por ejemplo

el fosfato dicálcico dihidrato (DCPD) tiene un tamaño de granos promedio menor que 200 \mum, preferiblemente menor que 95 \mum, o el fosfato dicálcico dihidrato (DCPD) tiene un tamaño de granos promedio de 35-45 \mum y un tamaño de granos máximo menor que 110 \mum.

7. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que el fluido fisiológicamente aceptable se selecciona entre el grupo de agua, disolución tampón de pH, disolución salina, suero y medio de cultivo de tejidos.

8. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el material suplementario es un polímero bioreabsorbible seleccionado entre el grupo de colágeno, matriz ósea desmineralizada, ácido hialurónico y sus derivados, polianhídridos, poliortoésteres, ácido poliglicólico, ácido poliláctico, y copolímeros con ácido poliglicólico y/o ácido poliláctico, poliésteres de ácidos \alpha-hidroxicarboxílicos, polianhídridos, polihidroxibutirato, poli(anhídrido-co-imida) y copolímeros de estos compuestos y composiciones de vidrios bioactivos.

9. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el material suplementario es un material no bioreabsorbible seleccionado entre en grupo de dextranos, polietileno, polimetilmetacrilato (PMMA), fibras de carbono, alcohol polivinílico (PVA), poli(tereftalato de etileno)poliamida, vidrio, sulfato cálcico y fosfatos cálcicos, o

\newpage

el material suplementario es un agente lubricante seleccionado entre el grupo de aceite de silicona, ceras polímeras, lípidos y ácidos grasos, o

el material suplementario está en la forma seleccionada entre el grupo de espuma, esponja, malla, partículas, fibras, geles y filamentos.

10. Un método para preparar una pasta de fosfato cálcico que se auto-endurece cerámica biocompatible, comprendiendo el método:

mezclando en cualquier orden,

(a): un fosfato cálcico amorfo que tiene una relación calcio a fosfato (Ca:P) de 1,1:1,0 a 1,9:1;

(b): un agente activador de fosfato cálcico que promueve la transformación de fosfato cálcico amorfo en fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA);

(c): un material suplementario seleccionado entre el grupo de polímeros bioreabsorbibles, vidrios bioactivos, materiales no bioreabsorbibles, agentes lubricantes, agentes ligantes y materiales radiográficos; y

(d): un vehículo líquido fisiológicamente aceptable en una cantidad suficiente para proporcionar una pasta que tenga una consistencia inyectable o conformable,

para obtener la pasta, en la que dicha pasta endurece en una reacción endotérmica para formar un fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA) bioreabsorbible.

11. El método de la reivindicación 10, en el que la pasta es inyectable durante un tiempo suprior a 10 minutos a 25ºC, y endurece entre 10 y 60 minutos a 37ºC.

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 y 11, en el que el agente activador de fosfato cálcico es un fosfato cálcico ácido, y por ejemplo el fosfato cálcico ácido se selecciona entre el grupo de metafosfato cálcico, fosfato dicálcico dihidrato, decafosfato heptacálcico, fosfato tricálcico, pirofosfato cálcico dihidrato, hidroxiapatito cristalino, pirofosfato cálcico, monetita, fosfato octacálcico y fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA).

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que la relación global calcio a fosfato (Ca:P) es menor que 1,5:1,0.

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que el agente activador de fosfato cálcico incluye fosfato dicálcico dihidrato (DCPD), y por ejemplo

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que el fluido fisiológicamente aceptable se selecciona entre el grupo de agua, disolución tampón de pH, disolución salina, suero y medio de cultivo de tejidos.

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, en el que el material suplementario es un polímero bioreabsorbible seleccionado entre el grupo de colágeno, matriz ósea desmineralizada, ácido hialurónico y sus derivados, polianhídridos, poliortoésteres, ácido poliglicólico, ácido poliláctico, y copolímeros con ácido poliglicólico y/o ácido poliláctico, poliésteres de ácidos \alpha-hidroxicarboxílicos, polianhídridos, polihidroxibutirato, poli(anhídrido-co-imida) y copolímeros de estos compuestos y composiciones de vidrios bioactivos.

17. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, en el que el material suplementario es un material no bioreabsorbible seleccionado entre en grupo de dextranos, polietileno, polimetilmetacrilato (PMMA), fibras de carbono, alcohol polivinílico (PVA), poli(tereftalato de etileno)poliamida, vidrio, sulfato cálcico y fosfatos cálcicos, o

18. Un juego que comprende:

(a): una mezcla de polvos de un fosfato cálcico amorfo que tiene una relación calcio a fosfato (Ca:P) de 1,1:1,0 a 1,9:1, y un agente activador de fosfato cálcico que promueve la transformación del fosfato cálcico amorfo a un fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA);

(b): un material suplementario seleccionado entre el grupo de polímeros bioreabsorbibles, vidrios bioactivos, materiales no bioreabsorbibles, agentes lubricantes, agentes ligantes y materiales radiográficos, el material suplementario se suministra con o separado de la mezcla de polvos; y

(c): un vehículo líquido fisiológicamente aceptable,

en el que la mezcla de polvos, material suplementario y vehículo líquido son capaces de mezclarse para formar una pasta de fosfato cálcico que se auto-endurece que se endurece en una reacción endotérmica para formar un fosfato cálcico apatítico poco cristalino (PCA).

19. El juego de la reivindicación 18, en el que el agente activador de fosfato cálcico es un fosfato cálcico ácido, y por ejemplo

20. El juego de las reivindicaciones 18 y 19, en el que la relación global calcio a fosfato (Ca:P) es menor que 1,5:1,0.

21. El juego de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 19, en el que el agente activador de fosfato cálcico incluye fosfato dicálcico dihidrato (DCPD), y por ejemplo

22. El juego de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, en el que el fluido fisiológicamente aceptable se selecciona entre el grupo de agua, disolución tampón de pH, disolución salina, suero y medio de cultivo de tejidos.

23. El juego de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 22, en el que el material suplementario es un polímero bioreabsorbible seleccionado entre el grupo de colágeno, matriz ósea desmineralizada, ácido hialurónico y sus derivados, polianhídridos, poliortoésteres, ácido poliglicólico, ácido poliláctico, y copolímeros con ácido poliglicólico y/o ácido poliláctico, poliésteres de ácidos \alpha-hidroxicarboxílicos, polianhídridos, polihidroxibutirato, poli(anhídrido-co-imida) y copolímeros de estos compuestos y composiciones de vidrios bioactivos.

24. El juego de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 22, en el que el material suplementario es un material no bioreabsorbible seleccionado entre en grupo de dextranos, polietileno, polimetilmetacrilato (PMMA), fibras de carbono, alcohol polivinílico (PVA), poli(tereftalato de etileno)poliamida, vidrio, sulfato cálcico y fosfatos cálcicos, o

25. Uso de la composición o pasta de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 o el juego de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 24 para la fabricación de un medicamento para tratar un defecto óseo, en el que el medicamento se introduce en el sitio del defecto óseo.

26. Uso de la composición o pasta de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 o del juego de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 24 para la fabricación de un medicamento para embeber un dispositivo protésico en un sitio de implante, en el que el dispositivo protésico se pone en contacto con el medicamento antes o posteriormente a ser introducido en el sitio del implante.

27. Uso de la composición o pasta de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 o del juego de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 24 para la fabricación de un medicamento para embeber un material suplementario en un sitio de implante, en el que el medicamento se introduce en un sitio de implante.