ES2309096T3

ES2309096T3 - Construcciones oseas corticales parcialmente desminerealizadas.

Info

Publication number: ES2309096T3
Application number: ES01975182T
Authority: ES
Inventors: Arthur A. Gertzman; Moon Hae Sunwoo
Original assignee: Musculoskeletal Transplant Foundation
Current assignee: Musculoskeletal Transplant Foundation
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2008-12-16
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: CA2357983C; EP1283693A4; US6548080B1; AU783467B2; US6432436B1; EP1283693A1; CA2357983A1; WO2002028322A1; ATE398983T1; AU9453501A; EP1283693B1; DE60134547D1; US20020061328A1

Abstract

Una estructura ósea estéril para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con una sección central de hueso mineral; dicha estructura ósea, tras el proceso de desmineralización, conserva un área de superficie de sección transversal que oscila entre un 85% y un 95% del área original de superficie de hueso mineralizado antes de su desmineralización. La estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada restante comprende una capa externa de desmineralización con un grosor que oscila entre 0,05 mm y 0,08 mm.

Description

Construcciones óseas corticales parcialmente desmineralizadas.

Campo de la invención

La presente invención tiene como objetivo general un producto óseo quirúrgico y, de forma más específica, una construcción o dispositivo óseo de aloinjerto moldeado y parcialmente desmineralizado con una sección central mineralizada.

Antecedentes de la invención

El uso de tejido óseo de sustitución se remonta a aproximadamente 1800. Desde esa fecha se han llevado a cabo investigaciones para utilizar materiales similares al hueso en su composición con el fin de facilitar la integración de injertos óseos. Se han logrado avances en el uso de injertos de naturaleza mineral, como por ejemplo corales, hidroxiapatitas, cerámicas o materiales sintéticos, por ejemplo materiales de polímero biodegradable. Se han de diseñar los implantes quirúrgicos para que sean biocompatibles a fin de desempeñar con acierto la función deseada. La biocompatibilidad puede definirse como la característica de un implante que permite la manifestación de su función terapéutica sin efectos secundarios adversos (por ejemplo, toxicidad, reacción a cuerpos extraños o perturbaciones celulares).

El tejido de aloinjerto humano se utiliza de forma generalizada en la cirugía ortopédica, la neurocirugía y las cirugías maxilofacial, podiátrica y oral. Este tejido es de gran valor porque es resistente, se biointengra con el paso del tiempo con el tejido del paciente receptor y puede ser modelado por el cirujano para adaptarlo a un defecto quirúrgico específico o se le puede dar una forma específica comercialmente en un entorno industrial. En comparación con la mayoría de polímeros o metales sintéticos absorbibles o no absorbibles, el tejido de aloinjerto es bioinerte y se integra con los tejidos circundantes. El hueso de aloinjerto adopta dos formas básicas: esponjoso y cortical. El hueso cortical es una estructura sumamente densa que comprende filamentos de triple hélice de fibra de colágeno reforzados con hidroxiapatita. El hueso cortical es una estructura compuesta y constituye el componente que soporta la carga de los huesos largos en el cuerpo humano. El componente de hidroxiapatita es responsable de la alta resistencia del hueso a la compresión, mientras que el componente de fibra de colágeno contribuye parcialmente a la resistencia a la torsión y a la tracción.

Es posible fabricar un gran número de dispositivos de diversas formas y tipos a partir de un tejido cortical de aloinjerto mediante un proceso de mecanizado, y se han fabricado y utilizado con éxito en la cirugía humana implantes quirúrgicos, como por ejemplo agujas, varillas, tornillos, anclajes, placas, espaciadores intervertebrales y similares. Los cirujanos hacen uso de estas formas creadas por la ingeniería en procedimientos quirúrgicos para restaurar los defectos en huesos hasta conseguir la forma anatómica original de los huesos. Este tipo de tratamiento es bien conocido en este campo y está disponible comercialmente bajo la denominación de hueso desmineralizado.

El hueso de aloinjerto es un sustituto lógico para el hueso autólogo. Se puede encontrar fácilmente y evita las complicaciones quirúrgicas y la tasa de morbilidad de pacientes asociadas con la obtención de huesos autólogos, como se ha mencionado anteriormente. El hueso de aloinjerto es esencialmente una matriz de hidroxiapatita reforzada con fibra de colágeno que contiene proteínas morfogénicas óseas (BMP, bone morphogenic proteins) activas y que se puede suministrar en una modalidad estéril. La forma desmineralizada del hueso de aloinjerto es naturalmente osteoinductiva y osteoconductiva. El tejido óseo de aloinjerto desmineralizado se incorpora totalmente al tejido del paciente mediante un mecanismo biológico bien conocido. Se ha venido utilizando durante muchos años en la cirugía ósea para rellenar los defectos óseos mencionados anteriormente.

El hueso de aloinjerto desmineralizado está disponible normalmente en formas liofilizadas y estériles a fin de proporcionar una vida útil prolongada. El hueso de este tipo es normalmente bastante basto y seco, por lo que resulta difícil su manipulación por parte del cirujano. Se ha proporcionado una solución para utilizar este hueso liofilizado en la forma de un producto disponible comercialmente, GRAFTON®, una marca registrada de Osteotech Inc., que constituye una mezcla sencilla de glicerol y polvo óseo desmineralizado y liofilizado con un tamaño de partículas que oscila entre 0,1 cm y 1,2 cm, como se divulga en la patente estadounidense n.º 5.073.373, expedida el 17 de diciembre de 1991, relativa a la formación de un gel. De manera similar, la patente estadounidense n.º 5.290.558, expedida el 1 de marzo de 1994, divulga una composición de polvo óseo desmineralizado en flujo que utiliza un polvo óseo osteogénico con un tamaño de partículas grande que oscila entre aproximadamente 0,1 cm y aproximadamente 1,2 cm, mezclado con un portador polihidroxi con un peso molecular bajo que posee de 2 a aproximadamente 18 carbonos y comprende varias clases de diferentes compuestos, como por ejemplo monosacáridos, disacáridos y oligosacáridos y polisacáridos dispersables en agua.

Una versión reciente del producto GRAFTON® se sirve de partículas desmineralizadas relativamente grandes para crear una mezcla heterogénea que proporciona cuerpo o sustancia a la composición. Este material resulta útil para rellenar los defectos más grandes, en los que el relleno necesita algún grado de resistencia al desplazamiento.

Las ventajas de utilizar los tamaños de partículas óseas divulgadas en las patentes 5.073.373 y 5.290.558 mencionadas anteriormente se vieron comprometidas al utilizar láminas óseas en forma de hebras o filamentos que poseen una relación entre longitud de mediana y grosor de mediana de aproximadamente 10:1 y mayor, a la vez que conservan el portador de glicerol con bajo peso molecular. Este estado de la técnica posterior se divulga en las patentes estadounidenses n.º 5.314.476, expedida el 24 de mayo de 1994, y 5.507.813, expedida el 16 de abril de 1996. Las formas de tejidos descritas en estas patentes se conocen comercialmente como GRAFTON® Putty y Flex, respectivamente.

La combinación de hueso cortical natural con una resistencia mecánica muy deseable y la adición de BMP sintéticas (recombinantes) proporciona un tipo superior de tejido para su uso quirúrgico que conserva todas las propiedades mecánicas del componente cortical y la tasa de curación acelerada característica de las BMP.

La patente estadounidense n.º 5.972.368, expedida el 26 de octubre de 1999, divulga el uso de construcciones corticales (por ejemplo, una clavija cortical para fusión vertebral), las cuales se limpian para eliminar todo el material celular, la grasa, el colágeno libre y la proteína no colagenosa, dejando el colágeno estructural o combinado asociado con el mineral óseo para formar las trabéculas óseas. Se afirma en dicha patente que se conserva la estructura cristalina natural ósea sin que se produzcan riesgos de transmisión de enfermedades o un rechazo significativo por parte del sistema inmunológico. Por consiguiente, se procesa el hueso modelado para eliminar las proteínas óseas asociadas no colagenosas, a la vez que se conservan los materiales de colágeno combinados nativos y los minerales óseos asociados naturalmente. A continuación, se añade BMP-2 recombinante, gota a gota, sobre la superficie de la clavija. También se podría añadir al hueso cortical mediante una inmersión en la solución de BMP-2. Como se ha indicado, esta referencia demuestra la eliminación de todas las proteínas óseas no colagenosas, lo que forzosamente incluye todas las BMP presentes naturalmente, y se basa en la adición de BMP-2 recombinantes en una concentración específica y que se determina empíricamente. Las BMP que ocurren de forma natural están presentes en una concentración única para cada proteína BMP específica y han sido optimizadas por la naturaleza. La patente n.º 5.972.368 demuestra la eliminación completa de las BMP naturales mediante la desmineralización y se basa únicamente en las rhBMP añadidas. La superficie de una superficie ósea cortical mecanizada se caracteriza por una amplia variedad de aberturas quesurgen debido a que el proceso de mecanizado deja al descubierto los conductos de Havers presentes en todo el hueso cortical. Estos conductos sirven para transportar fluidos por todo el hueso con el fin de facilitar los procesos bioquímicos que ocurren dentro del hueso. Éstos se producen en ángulos y profundidades variables dentro del hueso. Por consiguiente, cuando se produce el mecanizado, la abertura será variable e imprevisible, lo que tendrá como consecuencia la introducción de una cantidad variable e incontrolada de BMP en la superficie del hueso.

En WO99/39.757, publicada el 12 de agosto de 1999, se divulga un osteoimplante que utiliza elementos óseos parcialmente desmineralizados y colágeno adyacente expuesto a la superficie para formar enlaces químicos que unen los elementos en un agregado sólido. En la "Descripción de las Modalidades Preferidas" (Description of the Preferred Embodiments) se indica que "cuando se prepara a partir de elementos derivados de huesos que están desmineralizados sólo superficialmente" (when prepared from bone derived elements that are "only superficially demineralized"), el osteoimplante poseerá una resistencia a la compresión bastante alta, cercana a la de un hueso natural. En la Figura 2 se ilustran láminas apiladas derivadas de huesos que poseen una superficie exterior total o parcialmente desmineralizada (21) con colágeno expuesto a la superficie y un núcleo no desmineralizado o parcialmente desmineralizado (22). Como se señala en el Ejemplo 1, se colocaron láminas óseas de aproximadamente 1,5 mm de grosor en una solución de HCl 0,6N durante 1,5 horas, aplicándose una agitación constante, se lavaron en agua durante 5 minutos y se sumergieron en una solución salina amortiguadora de fosfatos (PBS). En el Ejemplo 3, se trataron las láminas derivadas de hueso cortical durante 10 minutos en HCl 0,6N para exponer colágeno de superficie. Se trataron cubos óseos derivados de hueso esponjoso humano para exponer colágeno de superficie en los bordes exteriores del cubo. En el Ejemplo 4, se desmineralizó la superficie de las láminas derivadas de hueso cortical humano de aproximadamente 1 mm de grosor durante 15 minutos en HCl 0,6N, y en el Ejemplo 5 se desmineralizó la superficie de las láminas derivadas de hueso cortical humano de aproximadamente 2 mm de grosor durante 1 hora en HCl 0,6N.

La patente estadounidense n.º 5.899.939, expedida en mayo de 1999 al mismo inventor que el de la patente extranjera indicada en el párrafo anterior, divulga un implante derivado de hueso que se compone de una o más capas de hueso cortical totalmente mineralizado o parcialmente desmineralizado, y opcionalmente de una o más capas de otro material. Las capas del implante se acoplan en una estructura unitaria para suministrar un implante.

En la patente estadounidense n.º 5.861.167, expedida el 19 de enero de 1999, se muestra la raíz de un diente que posee partes seleccionadas de su superficie eliminadas por ácido para mejorar la posterior unión del diente en conjunción con una cirugía periodontal. De manera similar, la patente estadounidense n.º 5.455.041 utilizaba un tratamiento mediante la desmineralización de la superficie de la raíz de un diente con ácido cítrico que se aplicaba durante un minuto para efectuar un reacoplamiento de las fibras de colágeno a la superficie de la raíz y mediante el añadido de factores de crecimiento a la superficie de la raíz desmineralizada.

También se divulga la desmineralización parcial de hueso en el Journal of Surgical Research, vol. 59, págs. 614-620 (1995), en el artículo "Esterilización de matriz ósea parcialmente desmineralizada: los efectos de diferentes técnicas de esterilización en las propiedades osteogenéticas", (Sterilization of Partially Demineralized Bone Matrix: The Effects of Different Sterilization Techniques on Osteogenetic Properties), en el que se trataron partículas de hueso de 500 micrones durante 24 horas a 4 grados centígrados con HCl 0,6N con un grado de descalcificación determinado en un 20% y ubicadas en el emplazamiento del hueso. Se determinó una nueva formación de hueso después de que transcurrieran seis semanas.

En las solicitudes de patente francesas n.º 2.582.517 y 2.582.518, el tratamiento comprendió la desmineralización parcial y el curtido con glutaraldehído de fragmentos de huesos extraídos de animales, principalmente ganado bovino. Se cortan los elementos óseos que se van a implantar para darles la forma deseada a partir de un hueso de buey, el cual ha sido sometido a un tratamiento que comprende una fase de desengrasado con un solvente orgánico como el etanol, una fase de desmineralización con un agente de extracción de calcio como el ácido clorhídrico y un curtido con un glutaraldehído, además de lavados posteriores. Se muestra un procedimiento similar de desmineralización ósea en la patente estadounidense n.º 5.585.116, expedida el 17 de diciembre de 1996. En esta patente también se indica que es bien conocido el proceso por el que una desmineralización parcial facilita la integración de un injerto óseo. En consecuencia, a continuación se suceden diferentes fases complementarias que tienen por objetivo bien desproteinizar el hueso completamente, bien actuar sobre la naturaleza de las proteínas - las cuales permanecen enlazadas con la matriz ósea - o bien incrementar esta proporción de proteínas.

Es aconsejable hacer que la superficie del hueso sea más propicia a la recepción de BMP y otros aditivos sin perder las propiedades deseadas de una elevada resistencia mecánica del hueso cortical. También es aconsejable dejar intactas en el hueso la mayor parte de las proteínas que ocurren de forma natural, de manera que deje expuesta sólo el área suficiente de la superficie del hueso para liberar las BMP naturales que se encuentran presentes en la superficie. Puesto que la desmineralización también reduce el área de sección transversal de la construcción ósea, esta construcción ósea debe conservar su forma e integridad estructural.

Por consiguiente, el estado anterior de la técnica aborda sólo de forma parcial los problemas inherentes a la corrección de los defectos quirúrgicos.

Resumen de la invención

La presente invención tiene como objetivo el tratamiento de la superficie de construcciones óseas corticales para modificar dicha superficie eliminando una capa del material mineral inorgánico de hidroxiapatita, sin modificar sustancialmente las propiedades mecánicas de las construcciones óseas, a la vez que se proporciona una superficie que permita la adición de BMP y la introducción de otros aditivos deseables para la superficie, mejorando así la rapidez de de curación del hueso cortical en los procedimientos quirúrgicos.

La formulación objeto del presente es una estructura ósea desmineralizada para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada; dicha estructura ósea comprende una superficie de sección transversal con un grosor que oscila entre aproximadamente el 85% y el 95% del área de superficie del hueso original, antes de la desmineralización, mientras que la estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada restante comprende una capa exterior desmineralizada con un grosor que oscila entre aproximadamente el 0,05% y aproximadamente 0,14%. Esta estructura está concebida para que la matriz ósea y una capa de superficie desmineralizada puedan recibir proteínas morfogenéticas óseas (BMP) y otros aditivos deseados. La macroestructura de la capa de superficie desmineralizada muy porosa actúa como una matriz osteoconductiva y para enviar una señal a los tejidos y a las células del paciente con el fin de iniciar el crecimiento de nueva materia ósea (osteoinducción).

Se puede observar que en el estado anterior de la técnica se ha intentado replicar hasta cierto punto la presente invención mediante una desmineralización rápida de la superficie o una desmineralización completa de la estructura.

Uno de los objetivos de la presente invención es proporcionar una estructura ósea estéril para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área, así como un método para desmineralizar parcialmente una antigua estructura ósea cortical.

De conformidad con la presente invención, se proporciona una estructura ósea estéril para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con una sección central de hueso mineral; dicha estructura ósea, tras el proceso de desmineralización, conserva un área de superficie de sección transversal que oscila entre aproximadamente el 85% y aproximadamente el 95% del área original de superficie de hueso mineralizado antes de su desmineralización. La estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada restante comprende una capa externa de desmineralización con un grosor que oscila entre aproximadamente 0,05 mm y aproximadamente 0,08 mm.

Se puede seleccionar la mencionada estructura de un grupo compuesto de, por ejemplo, una aguja, una placa, un tornillo, una varilla, una cuña, una estructura de hueso compuesta, un anclaje, un anillo de fusión o un bloque de fusión.

La estructura ósea estéril de la invención puede incluir un compuesto de plata soluble seleccionado de un grupo formado por el nitrato de plata, el cloruro de plata, el óxido de plata, el sulfato de plata, el fosfato de plata, el acetato de plata, el perclorato de plata o el tartrato de plata, añadido a la mencionada capa desmineralizada de dicha estructura ósea.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se suministra una estructura ósea estéril para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento de hueso en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con una sección central de hueso mineral; dicha estructura ósea, tras el proceso de desmineralización, conserva un área de superficie de sección transversal que oscila entre aproximadamente un 85% y aproximadamente un 95% del área de superficie original de hueso mineralizado antes de la desmineralización. La estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada restante comprende una parte exterior desmineralizada que oscila entre aproximadamente un 5% y aproximadamente un 15% del área de sección transversal de la estructura ósea cortical desmineralizada.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona una estructura ósea estéril parcialmente desmineralizada para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con un grosor de más de 2 mm; dicha estructura comprende una sección central mineralizada y una capa de superficie exterior de hueso desmineralizado con un grosor que oscila entre aproximadamente 0,05 mm y aproximadamente 0,11 mm.

De acuerdo con otro aspecto adicional de la invención, se proporciona una estructura ósea estéril parcialmente desmineralizada para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con un grosor de más de 2 mm; dicha estructura posee una capa de superficie exterior de hueso desmineralizado con un grosor que oscila entre aproximadamente 0,14 mm y aproximadamente 0,17 mm y una sección central mineralizada que posee un área de sección transversal con unas dimensiones que son como mínimo el doble que el área de sección transversal de la mencionada capa desmineralizada.

De acuerdo con otro aspecto adicional de la invención, se proporciona un método para la desmineralización parcial de una estructura ósea cortical modelada que comprende los siguientes pasos:

a): la inmersión de una estructura de formación ósea cortical en una solución ácida durante un periodo de tiempo a una temperatura inferior a aproximadamente 30ºC con el fin de eliminar una capa de la estructura ósea cortical y producir una capa desmineralizada en la estructura ósea cortical que oscile entre aproximadamente 0,05 mm y aproximadamente 0,08 mm, mientras que el área restante comprende hueso mineralizado;

b): la agitación de la solución ácida y de la estructura ósea cortical sumergida;

c): la extracción de la estructura ósea cortical de la solución ácida y el lavado de la estructura ósea cortical hasta que el material descartado de lavado tiene un pH aproximadamente neutro;

d): el envasado de la estructura ósea cortical en un recipiente permeable a la humedad; y

e): la liofilización de la estructura ósea cortical.

La solución ácida preferentemente está compuesta de un grupo que formado por ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácidos minerales y ácidos orgánicos.

Un método que comprende los siguientes pasos:

f): la inmersión de una estructura de formación ósea cortical en una solución antibiótica acuosa;

g): la ubicación de la estructura ósea cortical inmersa en una solución detergente acuosa a aproximadamente 35ºC (95ºF);

h): la aplicación de energía ultrasónica para mejorar la penetración del mencionado detergente;

i): el lavado de la estructura ósea cortical modelada durante al menos 60 minutos en una solución de alcohol/agua con anterioridad al paso "a".

Preferentemente, después del paso "c" se añade a la capa desmineralizada un compuesto de plata soluble que contiene plata en un rango que oscila entre 10 y 10.000 partes por millón.

Mediante el uso de la presente invención se pueden obtener uno o más de los siguientes objetivos:

(i): una construcción de implante óseo modelado que posee una capa ósea cortical parcialmente desmineralizada con una sección ósea interior desmineralizada con el fin de proporcionar resistencia a la compresión a la construcción ósea de implante.

(ii): la utilización de una estructura de implante óseo modelado parcialmente desmineralizado con unas características de resistencia mecánica similares a la de los huesos naturales con el fin de proporcionar a la estructura una resistencia general y una durabilidad inicial.

(iii): una estructura de implante óseo modelado parcialmente desmineralizado con el fin de proporcionar una estructura de implante resistente que posea una forma y un tamaño predeterminados para su implantación.

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(iv): una estructura derivada de hueso que puede contener de forma eficaz una composición médica y biológica que promueve un nuevo crecimiento óseo y una curación acelerada.

(v): el uso de un aditivo de BMP en la capa desmineralizada de la estructura ósea.

(vi): el uso de un aditivo de plata soluble en la capa desmineralizada de la estructura ósea.

(vii): una estructura ósea que puede ser manipulada fácilmente por el médico.

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A continuación se describirá la invención, haciendo referencia a la información contenida en la divulgación detallada que, junto con los dibujos adjuntos, constituyen una parte de esta especificación e ilustran las diferentes modalidades de la invención. Estos dibujos, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.

Breve descripción de los dibujos

En la Figura 1 se muestra una vista en perspectiva de una varilla o clavija parcialmente desmineralizadas de conformidad con la invención;

En la Figura 2 se muestra una vista en perspectiva de un tornillo parcialmente desmineralizado de conformidad con la invención;

En la Figura 3 se muestra una vista en perspectiva de un anclaje parcialmente desmineralizado de conformidad con la invención;

En la Figura 4 se muestra una vista en perspectiva de una cuña parcialmente desmineralizada de conformidad con la invención;

En la Figura 5 se muestra una vista en perspectiva de un anillo de fusión parcialmente desmineralizado de conformidad con la invención;

En la Figura 6 se muestra una vista en perspectiva de una estructura compuesta parcialmente desmineralizada de conformidad con la invención;

En la Figura 7 se muestra una fotografía de una vista de sección transversal ampliada (35x) de una varilla parcialmente desmineralizada tratada con HCl 0,6N durante 30 minutos;

En la Figura 8 se muestra una fotografía de una vista de sección transversal ampliada (35x) de una varilla parcialmente desmineralizada tratada con HCl 0,6N durante 60 minutos;

En la Figura 9 se muestra una fotografía de una vista de sección transversal ampliada (35x) de una varilla parcialmente desmineralizada tratada con HCl 0,6N durante 90 minutos;

En la Figura 10 se muestra una fotografía de una vista de sección transversal ampliada (35x) de una varilla parcialmente desmineralizada tratada con HCl 0,6N durante 120 minutos;

En la Figura 11 se muestra una fotografía de una vista de sección transversal ampliada (35x) de una varilla parcialmente desmineralizada tratada con HCl 0,6N durante 180 minutos;

La Figura 12 es un gráfico en el que se muestra el desplazamiento de flexión en relación con el tiempo de inmersión en ácido; y

La Figura 13 es un gráfico en el que se muestra la pérdida de peso durante la desmineralización parcial en relación con el tiempo de inmersión en ácido.

Descripción detallada de la invención

La presente invención tiene como objetivo una construcción ósea cortical parcialmente desmineralizada y tratada que se puede colocar en un área de defecto óseo con el fin de curar defectos óseos. Por el término "construcción ósea cortical" se entiende cualquier dispositivo óseo modelado, por ejemplo varillas, agujas, clavijas, tornillos, placas, cuñas, anillos de fusión, espaciadores intervertebrales y ensamblajes compuestos. La lista anterior únicamente se menciona a modo de ejemplo y no deberá interpretarse de manera restrictiva.

La modalidad preferida y el modo óptimo se muestran en las Figuras 1 y las Figuras 7-11, en las que se ilustra una construcción ósea cortical cilíndrica (10) que cuenta con una superficie (12) modificada por un tratamiento ácido para eliminar una capa del material óseo inorgánico mineral de hidroxiapatita de tal manera que se conserven sus propiedades mecánicas sin cambios sustanciales. Aunque en esta aplicación nos referimos al material óseo como hidroxiapatita, en realidad las características químicas y estructurales del mineral óseo natural son diferentes, ya que el mineral óseo natural contiene iones de carbonato, magnesio, sodio, iones de fosfato de hidrógeno y oligoelementos y una estructura cristalina diferente a la de la hidroxiapatita.

Las características excepcionales de un hueso que lo hacen recomendable como material quirúrgico son una capacidad de reabsorción e integración paulatina en el espacio que ocupa, a la vez que permite que el propio mecanismo de curación del cuerpo restaure el hueso dañado a su forma y función naturales mediante un mecanismo que se conoce en este campo como "sustitución ósea por infiltración" (en inglés, creeping substitution). La segunda característica es una elevada resistencia mecánica que se deriva de la estructura del compuesto de hidroxiapatita reforzado con fibra de colágeno. El mecanismo de sustitución ósea por infiltración requiere un periodo de tiempo considerable y se ha descubierto que algunas formas óseas corticales en su estado biológico natural y no modificado persisten durante más de un año antes de remodelarse completamente. Por consiguiente, un medio para acelerar la velocidad de biointegración del hueso cortical mejoraría la velocidad de curación y beneficiaría al paciente receptor.

Es bien sabido que el hueso contiene elementos osteoinductivos que reciben el nombre de proteínas morfogenéticas óseas (BMP). Estas BMP están presentes dentro de la estructura compuesta del hueso cortical en concentraciones muy bajas, por ejemplo 0,003%. Basándose en el trabajo de Marshall Urist, tal y como se muestra en la patente estadounidense n.º 4.294.753, expedida el 13 de octubre de 1981, la desmineralización apropiada del hueso cortical expone las BMP y transporta estos factores osteoinductivos a la superficie del material desmineralizado, aumentando significativamente su capacidad osteoinductiva. La eliminación del mineral óseo deja expuestas partes de las fibras de colágeno, permitiendo la adición de BMP y la introducción de otros aditivos deseables en la superficie tratada exterior desmineralizada de la estructura ósea, incrementando así la velocidad de curación del hueso cortical en los procedimientos quirúrgicos. El proceso de tratamiento también expone las BMP presentes de manera natural en la superficie y proporciona a la superficie propiedades biológicas similares al hueso completamente desmineralizado (DBM). Se conserva intacta la masa interna (14) del mineral óseo de la construcción modelada para que contenga las BMP y los oligoelementos presentes de manera natural, como se ha señalado anteriormente. Este producto resulta beneficioso en la fusión vertebral, la fijación de fracturas y otros procedimientos ortopédicos y neurológicos en los que se requiere una curación rápida sin sufrir una pérdida de resistencia del implante. Las varillas parcialmente desmineralizadas (16), tal y como se muestran en la Figura 1 y las Figuras 7-11, conservarán diferentes grados de rigidez que son inversamente proporcionales al grado de desmineralización y retención de la masa del núcleo. Las varillas parcialmente desmineralizadas poseen una sección externa desmineralizada (18) de matriz de colágeno expuesta y un núcleo óseo cortical (20).

En los experimentos realizados por los solicitantes se ha descubierto que es posible modificar la superficie de construcciones óseas corticales mediante un tratamiento ácido para eliminar una capa del material mineral inorgánico de hidroxiapatita de manera tal que no se modifiquen sustancialmente las propiedades mecánicas y se proporcione una construcción que posea una compresión y resistencia a la flexión apropiadas. Ello permite la adición de BMP y la introducción de otros aditivos deseables en la superficie, incrementando así la velocidad de curación del hueso cortical en los procedimientos quirúrgicos. Este proceso también expone las BMP, presentes de forma natural, cerca de la superficie y proporciona a la superficie propiedades biológicas similares al hueso completamente desmineralizado (DBM). Se deja intacta la masa interna de la construcción ósea para contener a las BMP que están presentes de forma natural.

Se descubrió que cuando se trataron las agujas corticales de aloinjerto de 2,0 mm de diámetro de la forma en que se indica más adelante en el Ejemplo 1 y se sometieron dichas agujas a una inmersión durante un periodo de 15-30 minutos en una solución de HCl 0,6N, se produjo una pérdida mínima de resistencia a la flexión de la varilla, incluso si se reducía el diámetro de la varilla entre un 3% y un 5% y se desmineralizaba la capa externa. La capa desmineralizada osciló entre aproximadamente 0,05 mm y aproximadamente 0,08 mm, reduciéndose el diámetro de la parte mineralizada de 0,10 mm a 0,16 mm después de un periodo de 15-30 minutos de inmersión en el baño ácido de HCl 0,6N.

Ejemplo 1

Se prepararon agujas óseas corticales de aloinjerto mediante un proceso de mecanizado de hueso cortical femoral o tibial. Se prepararon las agujas con un diámetro de aproximadamente 2,0 mm y una longitud de 4 cm. Se limpiaron químicamente los segmentos óseos de los que se cortaron las agujas antes de realizar un mecanizado mediante inmersión:

(1): 30 minutos en una solución antibiótica acuosa de gentamicina. De esta forma se reduce y elimina cualquier carga biológica introducida por la manipulación del hueso.

(2): 30 minutos en una solución detergente acuosa a 35ºC (95ºF) usando energía ultrasónica para mejorar la penetración. De esta forma se sueltan y eliminan los elementos lípidos presentes dentro y encima del hueso.

(3): 60 minutos en una solución de etanol/agua de 70/30% v/v. De esta forma se eliminan los elementos lípidos restantes después del lavado con detergente mencionado en el paso 2.

(4): Se sometió a las agujas cortadas finales a una inmersión final en una nueva solución de la solución de limpieza de etanol/agua.

(5): Se cortaron las agujas por la mitad y después se sumergieron en una solución de ácido clorhídrico (HCl) de 0,6N. La mitad de cada aguja se sumergió durante periodos variables y la otra mitad se retuvo como un control no tratado.

(6): El tratamiento ácido se realizó a temperatura ambiente, 23ºC.

(7): La inmersión en ácido se llevó a cabo durante 30, 60, 90, 120 y 180 minutos. Las agujas se sumergieron en la solución ácida y se agitaron mediante un mecanismo suave de agitación.

(8): Se extrajeron las agujas después de un periodo de tiempo apropiado y se lavaron con agua estéril y pura (USP estéril) hasta que el material descartado de lavado tenía un pH neutro.

(9): A continuación se liofilizaron y envasaron las agujas en un recipiente permeable a la humedad.

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A los efectos de este ejemplo, los tratamientos anteriores se realizaron en un entorno de laboratorio. En un proceso comercial los procedimientos se llevarían a cabo en instalaciones estériles y limpias.

Es posible controlar el tratamiento ácido para eliminar una pequeña capa de la capa de mineral óseo, dejando una capa de superficie muy porosa y compresible sin alterar la masa interna de la construcción. Al controlar la concentración de ácido y la temperatura y el tiempo de exposición se puede eliminar una capa de hasta 0,06 mm y se puede desmineralizar una capa de 0,08 mm sin que la aguja cortical experimente una pérdida sustancial de propiedades mecánicas, tal y como se mide con una prueba de flexión de tres puntos. Éste es un resultado inesperado, ya que la pérdida de masa debería tener un efecto perjudicial sobre la resistencia al doblado, debido a que el momento de flexión de una barra cilíndrica es una función de la tercera potencia del diámetro.

Se describieron las agujas con superficie desmineralizada de la siguiente manera:

1

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También se midió el grosor de la capa desmineralizada. Por cada aguja sometida a tratamiento, se midió el grosor de la capa desmineralizada seis veces, empezando en la parte superior del hueso y desplazándose aproximadamente 60º en el sentido de las agujas del reloj. Se midieron los siguientes datos:

2

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Las agujas de control y las agujas tratadas fueron sometidas a una prueba de flexión de tres puntos. Se realizaron cálculos de fuerza-desplazamiento a partir de los resultados de la prueba, los cuales se muestran en la Figura 12. El desplazamiento de flexión parece ser directamente proporcional al periodo de inmersión en ácido después de 30 minutos. Cabe destacar que el desplazamiento de flexión es equivalente al periodo de inmersión de 30 minutos y al control no tratado. También merece la pena indicar que el tratamiento ácido de 30 minutos redujo el diámetro de la aguja en 0,12 mm.

Se realizaron micrografías electrónicas de barrido de las agujas tratadas y de control, como se puede observar en las Figuras 7, 8, 9, 10 y 11, en las que se ilustran fotografías de las mismas. Se puede observar con claridad que los conductos de Havers aparecen en la sección transversal de las agujas tratadas con ácido y muestran la eliminación de la capa mineral en la superficie (ampliación de 35x), revelando los poros abiertos en la capa desmineralizada expuestos por el tratamiento ácido.

Estos datos demuestran que es posible lograr la desmineralización de superficie para eliminar cantidades significativas de la capa mineral de superficie sin afectar sustancialmente la resistencia mecánica global.

Se realizaron tratamientos similares para otras formas corticales mecanizadas utilizando HCl 0,6N a 23ºC durante 10 minutos:

Ejemplo 2: Anillo de fusión intervertebral lumbar anterior (FRA)

Ejemplo 3: Bloque de fusión intervertebral lumbar posterior (PLIF)

Ejemplo 4: Anillo de fusión cervical anterior (ACF)

Ejemplo 5: Tornillo de hueso de aloinjerto.

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En todos estos ejemplos se modificó la superficie de la forma cortical mecanizada sin sufrir una pérdida de los detalles y las dimensiones claves mecanizadas en la superficie.

A continuación se muestra el cambio de diámetro, el cambio de morfología de superficie y el tamaño de las capas desmineralizadas en agujas cilíndricas que fueron desmineralizadas en HCl 0,6N durante 30, 60, 90, 120 y 180 minutos.

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1. Cambio de diámetro

Se midió el diámetro de cada aguja en tres ubicaciones a lo largo de la misma. Las mediciones se registraron en la longitud de la fotografía en los siguientes puntos de la aguja: 1,5 cm, 6,5 cm y 11,5 cm. Se han registrado todas las mediciones en las tablas que se muestran más adelante. En la columna inferior de cada tabla ("Diferencia entre las agujas tratadas y no tratadas") se muestra la diferencia real de tamaño. Se amplió la aguja a 35x, por lo que es necesario dividir las mediciones por 35 para calcular las cifras reales de diferencia de diámetro.

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Aguja 1: Inmersión de 30 minutos

4

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Diferencia entre las agujas tratadas y no tratadas

6

Cambio de diámetro medio para la aguja 1: 0,012 cm (0,12 mm)

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Aguja 2: Inmersión de 60 minutos

7

8

Diferencia entre las agujas tratadas y no tratadas

9

Cambio de diámetro medio para la aguja 2: 0,016 cm (0,16 mm)

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Aguja 3: Inmersión de 90 minutos

10

11

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Diferencia entre las agujas tratadas y no tratadas

12

Cambio de diámetro medio para la aguja 3: 0,040 cm (0,40 mm)

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Aguja 4: Inmersión de 120 minutos

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14

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Diferencia entre las agujas tratadas y no tratadas

15

Cambio de diámetro medio para la aguja 4: 0,049 cm (0,49 mm)

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Aguja 5: Inmersión de 180 minutos

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Diferencia entre las agujas tratadas y no tratadas

18

Cambio de diámetro medio para la aguja 5: 0,050 cm (0,50 mm)

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2. Morfología de superficie

Se compararon las superficies de las agujas tratadas con las superficies de las agujas no tratadas.

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3. Grosor de la capa desmineralizada

Para cada aguja tratada, se midió el grosor de la capa desmineralizada 6 veces y se calculó y registró la media por aguja. Nota: las mediciones comenzaron en la parte superior del hueso y se registraron, en el sentido de las agujas del reloj, a intervalos de aproximadamente 60º (se utilizó una lupa con una regla en centímetros para medir la capa desmineralizada de cada aguja).

24

4. Resultados

La duración de la inmersión en ácido afecta el diámetro de la aguja. Cuanto mayor es el tiempo de inmersión de la aguja en HCl 0,6N, mayores cambios se producen en el tamaño del diámetro (el diámetro se reduce) y se alcanzó un diámetro relativamente constante después de 120 minutos de inmersión en HCC. El cambio medio de diámetro para la aguja sumergida durante 30 minutos fue de 0,12 mm; durante 60 minutos, 0,16 mm; durante 90 minutos, 0,40 mm; durante 120 minutos, 0,49 mm; y durante 180 minutos, 0,50 mm. Los portaobjetos de sección transversal muestran que mientras que el diámetro de las agujas disminuyó en una cantidad mayor desde los 60 a los 90 minutos de inmersión, reduciéndose desde los 90 a los 120 minutos de inmersión, éste permaneció sustancialmente constante a partir de entonces. El grosor de la capa desmineralizada se incrementó de manera casi lineal.

La morfología de superficie también se vio afectada por las inmersiones en ácido. Todas las agujas fueron observadas con una ampliación de 100x. Los portaobjetos de las agujas no tratadas ofrecían un aspecto rígido, las partículas se mantenían muy unidas (dando al hueso un aspecto de densidad) y había pequeños espacios en algunas secciones de los huesos. Los portaobjetos de las agujas tratadas tenían un aspecto completamente diferente a los de las agujas no tratadas. Los portaobjetos de las agujas tratadas muestran partículas sueltas, agujeros en la superficie, espacios ensanchados y los huesos parecen menos densos.

En general, la longitud del periodo de inmersión en ácido afecta las tres áreas sometidas a prueba en este estudio:

1.: Cuanto más tiempo está la aguja sumergida en HCl 0,6N, el diámetro real de la aguja disminuye hasta que se alcanzan los 120 minutos de inmersión en ácido.

2.: Cuanto más tiempo permanece la varilla en la inmersión en ácido, el grosor de la capa desmineralizada del hueso incrementa y la parte de núcleo mineralizado disminuye.

3.: El ácido también produce un efecto en la morfología de superficie del hueso. El ácido cambia la morfología de superficie, y de una apariencia muy densa y rígida (antes de ser tratada), ésta pasa a tener partículas sueltas y un aspecto más suave (después de haber sido tratada).

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Es aconsejable añadir plata soluble (por ejemplo, AgNO_{3}) a la estructura ósea cortical con superficie tratada. Ello proporciona propiedades bioestáticas a la construcción, es decir, inhibe cualquier desarrollo de microorganismos que puedan residir en la superficie del tejido cortical o en un área adyacente a la misma en el tejido circundante. En concentraciones lo suficientemente altas, el catión de plata será completamente biocida. Por consiguiente, se puede utilizar plata que oscile entre 10 a 10.000 partes por millón.

También se prevé la adición de plata soluble a la superficie, después del tratamiento, para proporcionar propiedades bioestáticas que inhiban cualquier desarrollo de microorganismos que puedan residir en la superficie del tejido cortical o en un área adyacente a la misma en el tejido circundante. Se puede seleccionar esta plata añadida de un grupo que se compone de nitrato de plata y de otros compuestos de plata solubles o ligeramente solubles, como por ejemplo cloruro de plata, óxido de plata, sulfato de plata, fosfato de plata, acetato de plata, perclorato de plata o tartrato de plata.

También es posible añadir una o más rhBMP a la superficie de la forma de hueso tratada por inmersión y así poder utilizar una concentración significativamente más baja del recombinante humano BMP, que resulta raro y costoso, para obtener la misma aceleración de biointegración. También se podrían añadir a la capa modificada de superficie otros agentes de tratamiento útiles, como por ejemplo vitaminas, hormonas, antibióticos, agentes antivirales y otros agentes terapéuticos. Las BMP dirigen la diferenciación de células pluripotenciales del mesénquima en células osteoprogenitoras que forman osteoblastos. Es bien conocida en este campo la capacidad del hueso cortical desmineralizado liofilizado de facilitar el principio de inducción de hueso utilizando BMP presentes en el hueso. No obstante, la cantidad de BMP varía en el hueso, dependiendo de la edad del donante y del procesamiento a que se somete el hueso. La esterilización representa un problema adicional en el procesamiento de hueso humano para usos médicos, ya que la ebullición, el autoclavado o la irradiación a más 20 kGy (2,0 Mrads) resultan suficientes para destruir o modificar las BMP presentes en la matriz ósea.

Se pueden ajustar el tiempo, la temperatura y la concentración de ácido para obtener un conjunto de condiciones de proceso que proporcionen el mismo resultado físico que el indicado en los ejemplos anteriores. Se podría reducir la temperatura a 4ºC y permitir el incremento del tiempo de procesamiento a una hora (cuadruplicando así el tiempo de procesamiento). Las temperaturas muy superiores a los 30ºC tendrán como resultado un ritmo de eliminación de hidroxiapatita demasiado rápido, por lo que se produciría una forma muy variable. Se podrían ajustar las condiciones para el uso de concentraciones ácidas que van desde aproximadamente 0,1N a aproximadamente 2,0N de HCl. Concentraciones más bajas tendrán como consecuencia un ritmo muy bajo de eliminación de capa mineral y no son propicias para procesos comerciales. Concentraciones más altas tendrán como resultado un ritmo demasiado rápido de eliminación mineral y producirán una superficie muy variada y fuera de control. También se pueden utilizar otros ácidos, como por ejemplo ácidos sulfúrico, fosfórico u otros ácidos minerales; ácidos orgánicos como el ácido acético; agentes quelantes como el ácido etilendiamino tetracético u otros ácidos débiles.

Se pueden incorporar a la invención cualquier número de sustancias útiles desde un punto de vista médico al añadir dichas sustancias a la composición en cualquier fase del proceso de mezcla o añadirlas directamente en la composición final. Entre dichas sustancias figuran el colágeno y los derivados de colágeno insolubles, la hidroxiapatita y sólidos solubles y/o los líquidos disueltos en los mismos. También se incluyen antivirales, como por ejemplo aquéllos que resultan eficaces contra el VIH y la hepatitis; compuestos antimicrobianos y/o antibióticos como la eritromicina, la bacitracina, la neomicina, la penicilina, la polimixina B, la tetraciclina, la viomicina, la cloromicetina y estreptomicina, la cefazolina, la ampicilina, el azactam, la tobramicina, la clindamicina y la gentamicina. Asimismo, también se prevé que es posible añadir las siguientes sustancias a la mencionada composición: aminoácidos, péptidos, vitaminas, cofactores para la síntesis de proteínas; hormonas; tejido endocrino o fragmentos de tejidos; sintetizadores; enzimas como la colagenasa, las peptidasas y las oxidasas; estructuras base de células de polímero con células parenquimatosas; fármacos angiogénicos y portadores poliméricos que contienen dichos fármacos; redes cristalinas de colágeno; agentes tensoactivos biocompatibles, agentes antigénicos; agentes citoesqueléticos; fragmentos de cartílago, células vivas como condrocitos, células de médula ósea, células madre del mesénquima, extractos naturales, transplantes de tejidos, bioadhesivos, factor transformante del crecimiento (TGF-beta), factor de crecimiento insulínico (IGF-1); hormonas de crecimiento como la somatotropina; digestores óseos; agentes antitumorales; fibronectina; atrayentes celulares y agentes de sujeción; sustancias inmunosupresoras; potenciadores de permeación, como por ejemplo ésteres de ácido graso como laureato, miristato y monoésteres de estearato de polietilenglicol, derivados de enamina y aldehídos alfa-ceto.

También se pueden realizar todos los productos en un medio antiséptico para obtener un producto final estéril o esterilizado después de la producción. A continuación se ubica la estructura ósea cortical en un recipiente interior permeable a la humedad, el cual se coloca a su vez en un recipiente exterior con barrera a la humedad.

En la especificación anterior se han descrito los principios, las modalidades preferidas y los modos de operación de la presente invención. Sin embargo, se entenderá que esta invención no está limitada a las modalidades específicas que se han descrito anteriormente. Al contrario, las modalidades descritas en el presente se considerarán ilustrativas y no restrictivas. Otras partes podrán llevar a cabo variaciones y cambios sin abandonar el ámbito de la presente invención, tal y como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims

1. Una estructura ósea estéril para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con una sección central de hueso mineral; dicha estructura ósea, tras el proceso de desmineralización, conserva un área de superficie de sección transversal que oscila entre un 85% y un 95% del área original de superficie de hueso mineralizado antes de su desmineralización. La estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada restante comprende una capa externa de desmineralización con un grosor que oscila entre 0,05 mm y 0,08 mm.

2. Una estructura ósea estéril, tal y como se describe en la reivindicación 1, en la que la mencionada estructura se selecciona de un grupo compuesto de una aguja, una placa, un tornillo, una varilla, una cuña, una estructura de hueso compuesta, un anclaje, un anillo de fusión y un bloque de fusión.

3. Una estructura ósea estéril, tal y como se describe en la reivindicación 1, que incluye un compuesto de plata soluble seleccionado de un grupo compuesto de nitrato de plata, cloruro de plata, óxido de plata, sulfato de plata, fosfato de plata, acetato de plata, perclorato de plata o tartrato de plata, añadido a la mencionada capa desmineralizada de dicha estructura ósea.

4. Una estructura ósea estéril para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento de hueso en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con una sección central de hueso mineral; dicha estructura ósea, tras el proceso de desmineralización, conserva un área de superficie de sección transversal que oscila entre un 85% y un 95% del área de superficie original de hueso mineralizado antes de la desmineralización. La estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada restante comprende una parte exterior desmineralizada que oscila entre un 5% y un 15% del área de sección transversal de la estructura ósea cortical desmineralizada.

5. Una estructura ósea estéril parcialmente desmineralizada para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con un grosor de más de 2 mm; dicha estructura comprende una sección central mineralizada y una capa de superficie exterior de hueso desmineralizado con un grosor que oscila entre 0,05 mm y 0,11 mm.

6. Una estructura ósea estéril parcialmente desmineralizada para su aplicación a un área de defecto óseo con el fin de promover un nuevo crecimiento óseo en dicha área que comprende una estructura ósea cortical parcialmente desmineralizada con un grosor de más de 2 mm; dicha estructura posee una capa de superficie exterior de hueso desmineralizado con un grosor que oscila entre 0,14 mm y 0,17 mm y una sección central mineralizada que posee un área de sección transversal con unas dimensiones que son como mínimo el doble del área de sección transversal de la mencionada capa desmineralizada.

7. Un método para la desmineralización parcial de una estructura de formación ósea cortical que comprende los siguientes pasos:

a): la inmersión de una estructura de formación ósea cortical en una solución ácida durante un periodo de tiempo a una temperatura inferior a aproximadamente 30ºC con el fin de eliminar una capa de la estructura ósea cortical y producir una capa desmineralizada en la estructura ósea cortical que oscile entre 0,05 mm y 0,08 mm, mientras que el área restante comprende hueso mineralizado;

e): la liofilización de la estructura ósea cortical.

8. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 7, en el que la mencionada solución ácida está compuesta de un grupo formado por ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácidos minerales y ácidos orgánicos.

9. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 7, que comprende los siguientes pasos:

i): el lavado de la estructura ósea cortical modelada durante al menos 60 minutos en una solución de alcohol/agua antes del paso "a".

10. Un método, tal y como se describe en la reivindicación 9, en el que después del paso "c" se añade a la capa desmineralizada un compuesto de plata soluble que contiene plata en un rango que oscila entre 10 y 10.000 partes por millón.