ES2542243T3 - Nanosuperficie - Google Patents

Abstract

Un componente biocompatible que comprende un sustrato que tiene una superficie que tiene una estructura de superficie jerárquica que comprende una microestructura y una nanoestructura primaria superpuesta sobre dicha microestructura, caracterizado porque se superpone una nanoestructura secundaria sobre dicha nanoestructura primaria, y porque la nanoestructura secundaria comprende óxido metálico.

Description

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DESCRIPCION

Nanosuperficie

Campo de la invención.

La presente invención se refiere a un componente biocompatible que tiene propiedades mejoradas para la implantación en tejido óseo.

Técnica de base.

Para la implantación en tejido óseo de implantes ortopédicos o dentales, generalmente implantes metálicos, se utiliza hoy en día con frecuencia un procedimiento en una etapa. En el procedimiento en una etapa, generalmente se coloca quirúrgicamente en el tejido óseo una primera pieza de implante, tal como una fijación dental, y después se fija un casquillo de cicatrización o pieza de implante secundario, tal como un pilar, a la primera pieza de implante directamente después de la operación quirúrgica. Se deja después que el tejido blando cure alrededor del casquillo de cicatrización o la pieza de implante secundario. Cuando se utiliza un casquillo de cicatrización, se retira el casquillo después de unas pocas semanas o meses sin ningún procedimiento quirúrgico, y se fijan piezas de implantes secundarios, tales como un pilar y una corona provisional, a la primera pieza del implante. El procedimiento en una etapa se describe, por ejemplo, en L. Cooper et al: "A multicenter 12 month evaluation of single-tooth implants restored 3 weeks after 1-stage surgery”, The International Journal of Oral and Maxillofacial Implants, Vol 16, Nº 2 (2001).

El procedimiento en dos etapas, que en algunos casos dentales es aún preferible, implica en general la colocación quirúrgica en una primera etapa de una primera pieza de implante, tal como una fijación dental, en el tejido óseo, en donde se la deja reposar sin cargar e inmóvil durante un período de cicatrización, frecuentemente de tres meses o más, con el fin de permitir que el tejido óseo crezca sobre la superficie del implante para permitir que el implante se fije bien al tejido óseo, dejándose cicatrizar sobre el implante el corte en el tejido blando que cubre el sitio del implante. En una segunda etapa, el tejido blando que cubre el implante se abre y las piezas secundarias de implante, tal como un pilar dental y/o un diente de restauración, se fijan a la primera pieza de implante, tal como dicha fijación, formando la estructura del implante final. Este procedimiento se describe, por ejemplo, en Brånemark et al: "Osseointegrated Implants in the Treatment of de Edentulous Jaw, Experience from a 10-year period”, Almquist y Wiksell International, Estocolmo, Suecia.

Sin embargo, el hecho de que el implante no debe ser cargado durante el período de cicatrización significa que las piezas secundarias de implante no pueden unirse a la primera pieza de implante ni ser usadas durante el período de cicatrización. Teniendo en cuenta las molestias que esto lleva asociado, es deseable minimizar el período de tiempo necesario para la primera etapa anteriormente mencionada o incluso realizar todo el procedimiento de implantación en una única operación, es decir, usar el procedimiento en una sola etapa.

Para algunos pacientes, podría considerarse que es mejor esperar al menos tres meses antes de cargar funcionalmente el implante, tanto para el procedimiento de una etapa como para el de dos etapas. Sin embargo, una alternativa utilizando el procedimiento en una etapa es poner en función el implante directamente después de la implantación (carga inmediata) o pocas semanas después de la implantación (carga temprana). Estos procedimientos se describen, por ejemplo, en D. M. Esposito, pp 836 -837, en "Titanium in Medicine, Material Science, Surface Science, Engineering, Biological Responses and Medical Application”, Springer Verlag (2001).

Es esencial que el implante establezca una suficiente estabilidad y unión entre el implante y el tejido óseo para permitir la carga del implante inmediata o temprana que se ha descrito anteriormente. Se ha de observar también que una carga inmediata o temprana del implante puede ser beneficiosa para la formación de hueso.

Algunos de los metales o aleaciones, tales como titanio, circonio, hafnio, tántalo, niobio, o aleaciones de los mismos, que se utilizan para implantes óseos son capaces de formar una unión relativamente fuerte con el tejido óseo, una unión que puede ser tan fuerte como el propio tejido óseo, y a veces incluso más fuerte. El ejemplo más notable de este tipo de material de implante metálico es el titanio y las aleaciones de titanio, cuyas propiedades a este respecto se conocen desde aproximadamente 1950. La unión entre el metal y el tejido óseo se ha denominado "osteointegración" (Albrektsson T., Brånemark P. I., Hansson H. A., Lindström J., “Osseointegrated titanium implants. Requirements for ensuring a long-lasting, direct bone anchorage in man”, Acta Orthop Scand, 52: 155 -170 (1981)).

Debe hacerse observar que, en contacto con el oxígeno, el titanio, el circonio, el hafnio, el tántalo, el niobio y sus aleaciones son cubiertos instantáneamente con un óxido nativo. Este óxido nativo en los implantes de titanio consiste principalmente en dióxido de titanio (IV) (TiO2) con cantidades menores de Ti2O3, Tio y Ti3O4.

Aunque la unión entre el metal (oxidado), por ejemplo titanio, y el tejido óseo puede ser relativamente fuerte, es deseable mejorar esta unión.

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Hasta ahora hay varios métodos para tratar los implantes metálicos con el fin de obtener una mejor fijación del implante, y de esta forma una osteointegración mejorada. Algunos de éstos implican la alteración de la morfología del implante, por ejemplo mediante la creación de irregularidades en la superficie del implante con el fin de aumentar la rugosidad de la superficie en comparación con la de una superficie no tratada. Se cree que un aumento de la rugosidad de la superficie, que da una mayor área de contacto y una mayor unión entre el implante y el tejido óseo, proporciona una mejor retención mecánica y resistencia entre el implante y el hueso. Es bien sabido dentro de la técnica que una rugosidad de la superficie puede ser proporcionada, por ejemplo, mediante pulverización de plasma, granallado (chorro de arena) o grabado ácido.

Además, se sabe que los osteoblastos, es decir, las células formadoras de hueso, sienten y reaccionan a múltiples características químicas y físicas de la superficie subyacente. La formación de hueso en una superficie de un implante requiere la diferenciación de células precursoras en osteoblastos secretores para producir una matriz extracelular (ECM) no mineralizada, y la subsiguiente calcificación de esta matriz, como se describe, por ejemplo, en Anselme K., "Osteoblasts adhesion on biomaterials”, Biomaterials 21, 667 -681 (2000).

La alteración de las propiedades químicas de la superficie del implante se ha usado frecuentemente para conseguir una mejor fijación del implante al tejido óseo. Varios métodos implican la aplicación de una capa de material cerámico, tal como hidroxiapatita, sobre la superficie del implante con el fin de mejorar la unión del implante con el hueso, ya que la hidroxiapatita está relacionada químicamente con el hueso. La patente de EE.UU. nº 7.169.317 (Beaty) describe un método para preparar la superficie de un implante óseo, que comprende la eliminación del óxido nativo de la superficie del implante, el grabado ácido u otro tipo de tratamiento de la superficie del implante resultante para producir una rugosidad de la superficie substancialmente uniforme, y la deposición de partículas discretas de un material potenciador del crecimiento óseo tal como la hidroxiapatita, minerales óseos y proteínas morfogénicas óseas sobre el mismo. Las etapas de grabado y deposición se llevan a cabo preferiblemente en ausencia de oxígeno sin reaccionar mediante el uso de una atmósfera inerte.

El documento WO 2007/059038 A2 describe un método para formar un implante que comprende la acción de hacer rugosa al menos una parte de la superficie del implante y la acción de depositar nanocristales discretos de hidroxiapatita sobre la superficie que se ha hecho rugosa.

Un inconveniente común con los revestimientos que comprenden hidroxiapatita es, sin embargo, que pueden ser frágiles y pueden formar escamas o separarse de la superficie del implante debido a que se forma una unión más fuerte entre el hueso y el revestimiento que entre el revestimiento y el implante, lo que puede conducir a un fallo final del implante. En lo que se refiere al uso de revestimientos de proteínas, hay aspectos adicionales a considerar. Debido a la naturaleza química de las proteínas, una superficie que tiene un revestimiento de proteína puede requerir unas condiciones específicas de esterilización y almacenamiento para mantener su actividad biológica. Además, la respuesta del tejido hospedador (p. ej. la respuesta inmunológica) a biomoléculas tales como las proteínas, puede ser impredecible. Otro inconveniente del método de la patente de EE.UU. nº 7.169.317 es la necesidad de una superficie libre de óxido, considerando que el trabajo en una atmósfera inerte es incómodo y requiere equipo especializado.

El documento US 2007/01100890 y las solicitudes relacionadas US 2007/0112353 y WO 2007/050938 (Berckmans III et al.) tienden a resolver el problema de la escasa adherencia de un revestimiento cerámico al implante y describen un método para depositar nanopartículas discretas sobre una superficie rugosa del implante por medio de un procedimiento de exposición de la superficie del implante a una solución que comprende disolvente 2metoxietanol y nanocristales de hidroxiapatita (HA), p. ej. en forma de un coloide. Los nanocristales de HA se depositan para formar una nanoestructura que está destinada a favorecer la osteointegración del implante. Sin embargo, un aspecto negativo de este método es la formulación de la composición que contiene nanocristales que requieren disolventes orgánicos, lo que puede ser indeseable debido al riesgo de contaminación orgánica de la superficie, y varias etapas de procesamiento que utilizan equipos avanzados. La deposición se realiza a temperatura ambiente, requiriendo tiempos de incubación de 1 a 4 horas.

Se ha demostrado que la rugosidad de la superficie de un implante afecta a la proliferación celular y también a la producción local de factores de crecimiento por las células que están alrededor de un implante. Los estudios in vitro de osteoblastos humanos han demostrado que las superficies de rugosidad a microescala aumentada dieron como resultado un número reducido de células, una proliferación celular más baja y un aumento de la producción de la matriz, en comparación con superficies más lisas (Martin J. Y. et al., Proliferation, differentiation, and protein synthesis of human osteoblast-like cells (MG63) cultured on previously used titanium surfaces, Clin. Oral Implants Res., 7 de marzo (1), 27 -37, 1996). Hay otros estudios que han demostrado que la rugosidad de la superficie potencia la diferenciación celular, reduciendo al mismo tiempo la proliferación celular (Kieswetter K., Schwartz Z., Hummert T. W., Cochran D. L., Simpson J., Dean D. D., Boyan B. D., "Surface roughness modulates the local production of growth factors and cytokines by osteoblast-like MG-63 cells”, J. Biomed. Mater. Res., Septiembre, 32 (1), 55 -63, 1996). El aumento de la diferenciación celular implica una tasa de formación de hueso potencialmente mejorada.

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Recientemente, la modulación de las capacidades adhesivas de las células ha avanzado desde las técnicas de microestampación a las de nanoestampación. Se cree que la función celular puede ser regulada por señales físicas nanoestructurales por medio de la estimulación de la adhesión focal mediada por la integrina y la señalización intracelular en la función de las células dependiente de anclaje (Bershadsky A., Kozlov M., y Geiger B., "Adhesionmediated mechanosensitivity: a time to experiment, and a time to theorize", Curr. Opin. Cell Biol., 18 (5), 472 -81, 2006).

El documento EP 1440669B1 y el US 2004/0153154 A1 (Dinkelacker) relacionado con el mismo describen un implante de hueso que tiene una superficie que es reconfigurada para comprender una microestructura para el anclaje del implante en el área celular. La microestructura, que se proporciona en forma de una capa de cubierta aplicada sobre una superficie que previamente se ha hecho rugosa, comprende una fila de cúpulas redondeadas empaquetadas densamente, separadas por lagunas redondeadas, siendo las dimensiones de la microestructura aproximadamente del mismo orden de magnitud que las dimensiones de las células. La capa de cubierta microestructural se puede aplicar por ejemplo, por sublimación catódica (sputtering). Además, se proporciona en la microestructura una nanoestructura, también obtenida por sublimación catódica, formada por cúpulas redondeadas separadas por lagunas redondeadas, en donde las dimensiones de la nanoestructura son aproximadamente un orden de magnitud decimal menor que las correspondientes dimensiones de la microestructura. También aquí, sin embargo, hay problemas potenciales con la estabilidad de la capa de cubierta y la integridad de la fijación entre la capa de cubierta y el cuerpo del implante. Otra técnica para la creación de una rugosidad de la superficie deseable se describe en el documento EP 1 449 544 A1 (Wen et al.), que proporciona un método para proporcionar un implante ortopédico metálico con una rugosidad de la superficie a escala micrométrica o nanométrica, manteniendo al mismo tiempo la integridad estructural del implante. En este método, un implante que tiene elementos metálicos adheridos a la superficie del implante, definiendo así una geometría de la superficie porosa, es decapado para producir una rugosidad de la superficie a escala micrométrica o nanométrica. Por ejemplo, los elementos metálicos son esferas metálicas que tienen un tamaño de aproximadamente 40 µm a varios milímetros. Sin embargo, este método es bastante laborioso y requiere el uso de equipo técnico avanzado, ya que los elementos metálicos son aplicados por una técnica de revestimiento seguido por sinterización para fusionar los elementos con la superficie del implante y entre ellos. En consecuencia, el método es también caro.

En resumen, aunque en la actualidad hay muchas técnicas existentes para la mejora de la osteointegración de un implante, estos métodos generalmente adolecen de inconvenientes en relación con la procesabilidad, la rentabilidad y el efecto biológico y la estabilidad después de la implantación. Por tanto, en la técnica existe la necesidad de una mejora en la producción de implantes que tengan propiedades que promuevan incluso aún más la osteointegración.

Resumen de la invención.

Un objeto de la invención es proporcionar un componente biocompatible que tenga una tasa deseada de unión entre el tejido óseo y el componente tras su implantación en el tejido óseo, y que forme una unión mecánicamente fuerte con dicho tejido óseo.

Otro objeto de la invención es proporcionar un método para producir tal componente biocompatible.

El óxido pasivante que normalmente cubre en gran medida el titanio, circonio, hafnio, tántalo, niobio, y las aleaciones de los mismos, proporciona en gran parte la biocompatibilidad de estos metales mediante la evitación cualquier interacción química entre el metal y el tejido vivo. Sin embargo, produciendo pequeños defectos en la estructura de óxido, la biocompatibilidad de los componentes metálicos puede realmente incrementarse aún más. Los autores de la presente invención han encontrado que tratando con ácido oxálico un componente que tiene una superficie de óxido metálico, se obtiene una estructura de superficie modificada del componente, que tiene unas propiedades mejoradas para la implantación en hueso vivo.

Así pues, en un aspecto, la presente invención se refiere a un componente biocompatible como se define en la reivindicación 1ª. El componente puede ser producido por un método para la modificación de un componente biocompatible que comprende las etapas de

a) proporcionar un componente biocompatible al menos parcialmente cubierto por óxido metálico; y

b) tratar al menos una parte de dicho componente, la cual parte está cubierta por dicho óxido metálico, con una composición acuosa que comprende ácido oxálico,

con lo cual se obtiene un óxido metálico modificado.

El componente tiene una topografía de superficie jerárquica que comprende una microestructura y una nanoestructura primaria superpuesta sobre dicha microestructura, que se ha encontrado que aumenta la actividad de las células formadoras de hueso adheridas a la misma.

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Habiéndose convertido la estética en un aspecto cada vez más importante de la implantología, los implantes dentales de titanio convencionales presentan un obstáculo a una solución estética perfecta, ya que el brillo gris metálico de una superficie de óxido de titanio convencional puede ser visible a través de la encía de un paciente. Ventajosamente, la superficie de óxido modificado obtenido por el método de la invención tiene un color blanquecino, que es más ligero y más mate que el color gris metálico de la superficie del componente antes del tratamiento de acuerdo con la invención. El color blanquecino es muy deseable para un componente dental, ya que puede obtenerse un implante con un aspecto natural. El color blanquecino se ve mejor en un componente tratado por granallado. El color alterado del componente también se puede usar como una indicación de que se ha completado la etapa b.

La concentración de ácido oxálico en la composición de la etapa b puede estar en el intervalo de 0,001 a 5 M, preferiblemente aproximadamente 1 M; y el tiempo de tratamiento de la etapa b está en el intervalo de 10 a 60 minutos, preferiblemente en el intervalo de 20 a 40 minutos, y más preferiblemente aproximadamente 30 minutos. La temperatura de la composición de la etapa b está típicamente en el intervalo de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 100 °C; preferiblemente en el intervalo de 60 °C a 90 °C; y más preferiblemente aproximadamente 80 °C.

Opcionalmente, el método anterior comprende además la etapa de

c) tratar al menos parte de dicho óxido modificado con una segunda composición acuosa que comprende

i) al menos un material elegido entre el grupo que comprende flúor ionizado y cloro ionizado; y

ii) al menos un ácido.

En particular, la etapa c se debe realizar antes de formar un óxido pasivante sobre dicho óxido metálico modificado. Mediante la realización de la etapa c antes de que el óxido modificado obtenido en la etapa b esté cubierto por un óxido pasivante, puede obtenerse una superficie que tiene una nanoestructura secundaria distribuida de manera uniforme, que promueve la osteointegración del componente. Así pues, cuando el componente se mantiene a una temperatura por encima de 0 °C, por ejemplo la temperatura ambiente, a presión atmosférica normal y en una atmósfera que contiene oxígeno, el intervalo entre la etapa b y la etapa c es preferiblemente tan corto como sea posible para evitar la formación de óxido pasivante sobre la superficie del componente. Bajo tales condiciones, la etapa c se puede llevar a cabo dentro de 180 horas o menos después de la finalización de la etapa b, por ejemplo 72 horas, 36 horas, 24 horas o 1 hora después de la etapa b. Preferiblemente, la etapa c se realiza dentro de los 30 minutos o menos después de la finalización de la etapa b, y más preferiblemente dentro de los 10 minutos o menos después de la finalización de la etapa b.

La segunda composición acuosa puede tener un pH en el intervalo de 0,5 a 5, preferiblemente de 1 a 3, y más preferiblemente aproximadamente 2; y la concentración de flúor y/o cloro ionizados puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,05 a 0,5 M, preferiblemente aproximadamente 0,1 M. El tiempo de tratamiento activo de la etapa c está en el intervalo de 10 segundos a 60 minutos, preferiblemente en el intervalo de 10 segundos a 3 minutos, y más preferiblemente en el intervalo de 10 segundos a 50 segundos. La temperatura de la composición de la etapa c está típicamente en el intervalo de 15 a 25 °C, y preferiblemente en el intervalo de 18 a 23 ºC.

El método utiliza soluciones acuosas solamente, evitando así problemas relacionados con los disolventes orgánicos, tales como los residuos orgánicos que quedan en la superficie del componente. La solución acuosa que se usa en la etapa c comprende preferiblemente ácido fluorhídrico.

El método utiliza también un equipo simple, se lleva a cabo fácilmente y es robusto. Así pues, el método de acuerdo con la invención es rentable y adecuado para su aplicación industrial. Además, el tiempo de tratamiento es ventajosamente corto.

Además, la osteointegración del componente puede mejorarse incluyendo un material potenciador del crecimiento óseo en la superficie del componente. Esta superficie puede conseguirse por ejemplo incluyendo iones metálicos o sales de los mismos, los cuales iones metálicos se pueden elegir entre el grupo que consiste en iones de titanio, iones de magnesio, iones de calcio, iones de litio, iones de estroncio o cualquier combinación de los mismos, en las composiciones acuosas de la etapa b y/o la etapa c. En particular, los autores de la presente invención han encontrado que los iones de litio o de estroncio administrados localmente al tejido óseo tienen un efecto local sobre la formación de hueso y masa ósea en dicho tejido óseo. Además, se ha encontrado que un implante que comprende un óxido de superficie que contiene y/o que libera litio o estroncio ionizados proporciona una tasa de formación de hueso mejorada en comparación con un implante que comprende una capa de óxido de superficie que contiene, por ejemplo, calcio o magnesio ionizados. Así, la composición de la etapa b y/o la composición de la etapa c pueden comprender litio y/o estroncio o una sal de los mismos. Con el fin de proporcionar un sustrato favorable para la osteointegración, el componente biocompatible consiste preferiblemente al menos parcialmente en titanio o una aleación de titanio. En consecuencia, dicho óxido metálico comprende preferiblemente óxido de titanio. El óxido

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metálico puede consistir esencialmente en un óxido de titanio o una combinación de óxidos de titanio. El óxido metálico puede ser óxido de titanio pasivante.

Con el fin de proporcionar al componente una rugosidad superficial inicial deseable o unas características químicas deseables, el componente biocompatible puede ser sometido a un tratamiento mecánico y/o químico de la superficie antes de la etapa b. Un tratamiento químico puede comprender por ejemplo un proceso de limpieza para eliminar las sustancias no deseadas que puedan afectar negativamente al resultado del método de la invención o a la biocompatibilidad del componente. Un tratamiento de formación de rugosidad, tal como el granallado, puede potenciar más la osteointegración del componente y mejorar las propiedades biomecánicas del mismo.

Los autores de la presente invención han encontrado que una superficie que tiene una topografía de superficie jerárquica que comprende una microestructura y una nanoestructura primaria superpuesta sobre dicha microestructura, proporciona una superficie de implante que está mejorada con respecto a la osteointegración y la interacción biomecánica con el tejido óseo. En realizaciones de la presente invención, el componente biocompatible antes descrito comprende un sustrato que tiene una superficie que comprende

a) una microestructura que comprende microalveolos separadas por mesetas y / o crestas; y

b) una nanoestructura primaria que se superpone a dicha microestructura, comprendiendo dicha nanoestructura primaria depresiones dispuestas en una formación en ondas.

Los autores de la presente invención han encontrado que la superficie anterior favorece la diferenciación de osteoblastos y la secreción de material precursor de hueso. La microestructura proporciona una microrrugosidad subyacente que comprende picaduras similares a poros, que se asemejan a placas de cultivo celular, que estimula a las células a proliferar y a diferenciarse. Posiblemente, la topografía de la superficie que comprende la microestructura y la nanoestructura primaria se parece a la topología de un sitio en el hueso vivo en donde se ha producido resorción ósea. Se cree que la topografía de la superficie del componente de la invención cumple las expectativas de las células pre-osteoblastos presentes alrededor de un sitio de implante, y mediante la imitación de la superficie del hueso natural preparada por los osteoclastos para la remodelación de hueso, la actividad de los osteoblastos puede ser inducida con rapidez y fuerza por un componente de acuerdo con la invención. La microestructura puede tener un diámetro de picadura en el intervalo de 0,5 a 15 µm, y preferiblemente de 1 a 10 µm; y una profundidad en el intervalo de 0,1 a 2,5 µm, y preferiblemente de 0,1 a 1 µm. La distancia entre micropicaduras adyacentes puede ser de hasta 10 µm. Las depresiones de la nanoestructura primaria tienen un diámetro en el intervalo de 10 nm a 1 µm, preferiblemente en el intervalo de 10 nm a 600 nm, y más preferiblemente en el intervalo de 10 nm a 500 nm. La profundidad puede estar en el intervalo de 10 nm a 300 nm, y está típicamente en el intervalo de 30 a 150 nm. Además, el diámetro de una depresión individual de la nanoestructura primaria sobrepasa típicamente la profundidad de la misma depresión.

Como se mencionó anteriormente, la nanoestructura primaria se superpone sobre la microestructura primaria. Además, el diámetro y la profundidad, respectivamente, de una nanoestructura primaria son menores que la dimensión correspondiente de una picadura individual de la microestructura. Así pues, una picadura individual de la microestructura comprende típicamente múltiples depresiones de la nanoestructura primaria. Además, un límite de una depresión de la nanoestructura primaria constituye típicamente un límite de otra depresión de la nanoestructura primaria.

Además, la superficie descrita anteriormente comprende además una nanoestructura secundaria. Se cree que los nanoelementos secundarios mejoran el anclaje de las células a la superficie subyacente y además estimulan la actividad de las células.

La nanoestructura secundaria del componente biocompatible de la invención puede tener un diámetro máximo en el intervalo de 20 a 550 nm, preferiblemente de 20 a 150 nm; y una altura media de pico de 5 a 200 nm, preferiblemente de 5 a 100 nm. La distancia entre picos está típicamente en el intervalo de 10 a 450 nm, y preferiblemente de 40 a 200 nm. La densidad de picos está típicamente en el intervalo de 15 a 150 picos/μm2, y preferiblemente 50 a 130 picos /μm2.

En una interfase tejido óseo-implante óseo, se forma generalmente una capa de tejido que contiene una cantidad reducida de colágeno y minerales, y así tiene una menor resistencia en comparación con el hueso normal sano. El espesor de esta capa de tejido determina la resistencia mecánica de la interfase hueso-implante (Albrektsson, T. et al., "Ultraestructural analysis of the interface zone of titanium and gold implants”, Advances in Biomaterials 4, 167 177, 1982; Albrektsson, T. et al., "Interface analysis of titanium and zirconium bone implants”, Biomaterials 6, 97 101, 1985; Albrektsson T., Hansson, H. A., "An ultraestructural characterization of the interface between bone and sputtered titanium or stainless steal surfaces”, Biomaterials 7, 201 -205, 1986; Hansson, H. A. et al., "Structural aspects of the interface between tissue and titanium implants", Journal of Prosthetic Dentistry 50, 108 -113, 1983; Johansson, C. et al., "Ultraestructural differences of the interface zone between bone and Ti5A14V or commercially pure titanium", Journal of Biomedical Engineering 11, 3 -8, 1989; Johansson, C. et al.,"Qualitative, interfacial study between bone and tantalum, niobium or commercially pure titanium”, Biomaterials 11, 277 -280, 1990; Sennerby, L.

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et al., "Structure of the bone-titanium interface in retrieved clinical oral implants”, Clinical Oral Implants Research 2, 103 -111, 1991; Sennerby, L. et al., "Ultraestructure of the bone-titanium interface in rabbits”, Journal of Materials Science: Material in Medicine 3, 262 -271, 1992; Sennerby, L. et al., "Early tissue response to titanium implants inserted in rabbit cortical bone, Part II: Ultrastructural observations”, Journal of Materials Science: Material in Medicine 4, 494 -502, 1993). La topografía de la superficie jerárquica que comprende la microestructura y la nanoestructura primaria proporciona una interacción mecánica mejorada entre el componente y el tejido óseo formado posteriormente, que se cree que tiene como resultado la formación de una capa de tejido menos gruesa de resistencia reducida. La nanoestructura secundaria mejora más la interacción mecánica entre el componente biocompatible y el tejido óseo circundante después de la implantación. Así pues, el componente biocompatible de la invención proporciona una interfase de tejido óseo -implante con mejor resistencia a la cizalladura y a la tracción.

Además, con el fin de proporcionar al componente la rugosidad superficial inicial deseada o las características químicas deseadas, el sustrato puede ser sometido a un tratamiento mecánico y/o químico de la superficie. Un tratamiento químico puede comprender, por ejemplo, un proceso de limpieza. Un tratamiento de formación de rugosidad, como el granallado, puede proporcionar una estructura de la superficie en la que los diámetros y profundidades de la microestructura formada a continuación y los diámetros de la nanoestructura primaria son menos variables (es decir, tienen valores más pequeños de la desviación estándar). El aumento de la homogeneidad de la superficie del componente de la invención puede mejorar más la osteointegración del componente y mejorar las propiedades biomecánicas del mismo.

Típicamente, el sustrato componente biocompatible consiste al menos en parte en titanio o una aleación de titanio. Preferiblemente, el sustrato consiste en titanio. Además, la nanoestructura secundaria comprende óxido metálico, preferiblemente óxido de titanio. La homogeneidad de la superficie del componente, que puede consistir solamente en óxido metálico, es muy ventajosa en relación con la estabilidad y la integridad del componente a largo plazo después de la implantación. Además, la estructura de la superficie del componente es estable en lo que se refiere a los procedimientos de esterilización y almacenamiento.

La osteointegración del componente de la invención puede mejorarse más comprendiendo un material potenciador del crecimiento óseo, en la superficie del componente. Tal superficie puede conseguirse por ejemplo por la inclusión de iones metálicos, por ejemplo los elegidos entre el grupo consistente en iones titanio, iones magnesio, iones calcio, iones litio, iones estroncio o cualquier combinación de los mismos en la superficie. En particular, los autores de la presente invención han encontrado que los iones de litio o de estroncio administrados localmente al tejido óseo pueden tener un efecto local sobre la formación de hueso y masa ósea en dicho tejido óseo. Así pues, la superficie del componente de la invención puede comprender litio y/o estroncio o una sal del mismo.

El componente biocompatible de la invención puede ser un componente dental, por ejemplo un implante, una fijación, un pilar, o combinaciones de los mismos, tales como un implante en una pieza. El componente biocompatible puede ser también un componente ortopédico, tal como un componente de articulación de cadera destinada a su implantación en el cuello del fémur de un paciente.

Un método para implantar un componente biocompatible en el cuerpo humano o animal, comprende las etapas de

i) proporcionar un componente biocompatible de acuerdo con la descripción anterior; y

ii) implantar dicho componente biocompatible en el cuerpo de un ser humano o un animal.

Por ejemplo, el componente puede ser implantado en una zona periodontal del cuerpo de un ser humano o un animal.

Breve descripción de los dibujos.

La Fig. 1 es una ilustración esquemática que define los parámetros usados en relación con la microestructura.

La Fig. 2 es una ilustración esquemática que define los parámetros usados en relación con la nanoestructura primaria.

La Fig. 3 es una ilustración esquemática que define los parámetros usados en relación con la nanoestructura secundaria.

La Fig. 4 es una ilustración esquemática que define los ángulos usados en relación con la microestructura y la nanoestructura primaria, respectivamente.

La Fig. 5a es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio de acuerdo con la invención.

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La Fig. 5b es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio de acuerdo con la invención, en la que están marcados los diámetros de la microestructura.

La Fig. 6a es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio de acuerdo con la invención, en la que están marcadas las depresiones de la nanoestructura primaria.

La Fig. 6b es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio de acuerdo con la invención, en la que están marcados los diámetros de la nanoestructura primaria.

La Fig. 7 es una es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio sometida a una técnica de granallado convencional.

La Fig. 8 es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio granallada de acuerdo con la invención.

La Fig. 9 es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio de acuerdo con la invención.

La Fig. 10 es una imagen 3D de microscopía de fuerza atómica de una muestra de titanio de acuerdo con la invención.

La Fig. 11 es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio granallada de acuerdo con la invención, en la que están marcados los elementos de la microestructura.

La Fig. 12a-b son imágenes de microscopía electrónica de barrido de una muestra de referencia de titanio tratada en una mezcla de ácido fluorhídrico y ácido oxálico.

La Fig. 12c es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio tratada en ácido fluorhídrico y posteriormente en ácido oxálico.

La Fig. 13a-c son gráficos que muestran la distribución de diámetros de las picaduras de la microestructura, profundidad y distancia entre picaduras adyacentes, respectivamente, en una muestra de titanio de acuerdo con la invención.

La Fig. 14a-c son gráficos que muestran la distribución de diámetros de picadura de la microestructura, profundidad y distancia entre micropicaduras adyacentes, respectivamente, en una muestra de titanio granallada de acuerdo con la invención.

La Fig. 15a-b son gráficos que muestran la distribución de diámetros y profundidad de la depresión de la nanoestructura primaria, respectivamente, en una muestra de titanio de acuerdo con la invención.

La Fig. 16a-b son gráficos que muestran la distribución de diámetros y profundidad de la depresión de la nanoestructura primaria, respectivamente, en una muestra de titanio granallada de acuerdo con la invención.

La Fig. 17a-c son gráficos que muestran la distribución de diámetros de pico de la nanoestructura secundaria, la altura y la distancia entre picos, respectivamente, en una muestra de titanio de acuerdo con la invención.

La Fig. 18 es un gráfico que muestra la proliferación de células desarrolladas durante 7 días en una superficie de implante de titanio comercial y sobre superficies de acuerdo con la invención, respectivamente.

La Fig. 19 es un gráfico que muestra la producción de fosfatasa alcalina después de 7 días de cultivo celular en una superficie de implante de titanio comercial y sobre superficies de acuerdo con la invención, respectivamente.

La Fig. 20a es una imagen de microscopía electrónica de barrido de las células desarrolladas durante 36 horas centralmente en una superficie de implante comercial.

La Fig. 20b es una imagen de microscopía electrónica de barrido de las células desarrolladas durante 36 horas en una superficie de un componente de acuerdo con la invención.

La Fig. 20c es una imagen de microscopía electrónica de barrido de las células desarrolladas durante 36 horas en una superficie de un componente de acuerdo con la invención.

La Fig. 21 es un gráfico que muestra la producción de prostaglandina E2 al cabo de 7 y 14 días de cultivo celular en una superficie de implante de titanio comercial y sobre superficies de acuerdo con la invención, respectivamente.

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La Fig. 22 es un gráfico que muestra resultados de la prueba de torsión de separación para los implantes de acuerdo con la invención y para un implante de titanio comercial en un modelo de conejo.

La Fig. 23a-b son imágenes en sección de histología de un implante de acuerdo con la invención y un implante de titanio comercial, respectivamente, en un modelo de conejo seis semanas después de la implantación.

La Fig. 24a-b son imágenes en sección de histología de un implante según la invención y un implante de titanio comercial, respectivamente, en un modelo de conejo seis semanas después de la implantación.

La Fig. 25a es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio de referencia que representa la superficie de un implante de titanio comercial.

La Fig. 25b es una imagen de microscopía electrónica de barrido de la muestra que se expone en la Fig. 25a después de la inmersión en un fluido corporal simulado (SBF).

La Fig. 26a es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio tratada de acuerdo con la etapa b de la invención.

La Fig. 26b es una imagen de microscopía electrónica de barrido de la muestra que se expone en la Fig. 26a después de la inmersión en fluido corporal simulado (SBF).

La Fig. 27a es una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de titanio tratada de acuerdo con los pasos b y c de la invención.

La Fig. 27b es una imagen de microscopía electrónica de barrido de la muestra que se expone en la Fig. 27a después de la inmersión en un fluido corporal simulado (SBF).

La Fig. 28 es un gráfico que muestra la señal de titanio residual después de la formación de apatita de una muestra de referencia y de muestras tratadas de acuerdo con la invención, medida por espectroscopia de energía dispersiva.

La Fig. 29 es un gráfico que presenta las relaciones Ca/P calculadas después de la formación de apatita de una muestra de referencia y de muestras tratadas de acuerdo con la invención.

Descripción detallada de la invención.

Como se usa en el presente texto, la expresión "componente biocompatible" incluye dentro de su alcance cualquier componente que esté destinado a un contacto a largo plazo o a corto plazo con tejido vivo y que, al tener lugar dicho contacto, no provoca ninguna reacción biológica adversa significativa del tejido. Un ejemplo de un componente biocompatible es un implante, tal como un implante dental.

Como se utiliza en el presente texto, el término "implante" incluye dentro de su alcance cualquier dispositivo, al menos una parte del cual está destinada a ser implantada en el organismo de un animal vertebrado, en particular un mamífero, tal como un ser humano. Los implantes pueden ser usados para reemplazar la anatomía y/o restablecer cualquier función del cuerpo.

En general, un implante está compuesto de una o varias piezas de implante. Por ejemplo, un implante dental comprende normalmente una fijación dental acoplada a piezas de implante secundarias, tales como un pilar y/o un diente de restauración. Sin embargo, cualquier dispositivo destinado a implantación, como una fijación dental, puede ser referido por sí solo como un implante, incluso aunque se hayan de conectar al mismo otras piezas.

Como se utiliza en el presente texto, el término "óxido (metálico) pasivante” se refiere a óxido formado naturalmente, también denominado óxido nativo, que es estable, que sustancialmente no se va haciendo más grueso a lo largo del tiempo, y que impide cualquier reacción química sustancial del sustrato subyacente con un agente externo. El óxido de titanio pasivante formado sobre titanio en contacto con el oxígeno atmosférico tiene generalmente un espesor de 2 a 5 nm.

Como se utiliza en el presente texto, el término "material que potencia el crecimiento óseo" incluye dentro de su alcance cualquier sustancia que es capaz de promover la formación de hueso (por ejemplo promoviendo la adhesión, la proliferación y la diferenciación de los osteoblastos o pre-osteoblastos; promoviendo la producción de componentes de la matriz ósea, la secreción de componentes de la matriz ósea, la mineralización de la matriz ósea, y la inhibición de la actividad de los osteoclastos), bien sea solo o en combinación con otras sustancias.

Como se utiliza en el presente texto, el término "microestructura" se refiere a una estructura física de dimensiones que están generalmente en el intervalo de 0,5 µm a 100 µm, y el término "nanoestructura" se refiere a una estructura física de dimensiones que están generalmente en el intervalo de 0,1 nm a 500 nm.

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El componente biocompatible de la invención puede ser un componente dental, por ejemplo un implante, una fijación, un pilar, o combinaciones de los mismos, tal como un implante en una pieza. El componente biocompatible puede ser también un componente ortopédico, tal como un componente de articulación de cadera destinado a su implantación en el cuello del fémur de un paciente.

El componente biocompatible de la invención puede consistir en cualquier material adecuado, tal como un metal, por ejemplo titanio o una aleación del mismo, circonio o una aleación del mismo, hafnio o una aleación del mismo, niobio

o una aleación del mismo, tántalo o una aleación del mismo, una aleación de cromo-vanadio o cualquier combinación de estos materiales, o un no metal. El componente biocompatible puede estar provisto de una capa metálica, por ejemplo una capa de superficie metálica aplicada que cubre un cuerpo no metálico o un cuerpo que consiste parcialmente en un material no metálico. Los ejemplos de materiales no metálicos comprenden un material cerámico, uno plástico y uno compuesto.

El óxido metálico puede ser un óxido formado al aire de forma natural, o puede ser formado en cualquier tipo de tratamiento previo para el método de acuerdo con la invención.

El componente biocompatible puede ser sometido a cualquier tipo de tratamiento previo con el fin de crear una superficie de sustrato deseada para una mayor modificación de acuerdo con el método de la invención. Por ejemplo, el componente puede ser pretratado mediante un tratamiento mecánico, químico o térmico, o cualquier combinación de los mismos, para obtener una composición o rugosidad de la superficie inicial deseada. Un tratamiento mecánico puede comprender, por ejemplo, un proceso de granallado. Un tratamiento químico puede comprender, por ejemplo un proceso de limpieza o desengrasado.

En un aspecto, la presente invención se refiere a un método para la modificación de un componente biocompatible.

De acuerdo con el método de la invención, al menos una parte del componente biocompatible es sometida a tratamiento con una composición acuosa que comprende ácido oxálico, con lo que se obtiene un óxido metálico modificado (denominado "etapa b"). En este tratamiento, el óxido metálico modificado se disuelve y el sustrato subyacente es sometido a grabado mientras que se forma nuevo óxido sobre el componente biocompatible. Los procesos de disolución del óxido y de reoxidación ocurren simultáneamente.

La parte del componente biocompatible que se ha de tratar es al menos parcialmente cubierta por dicho óxido metálico. En realizaciones de la invención, la etapa b se lleva a cabo poniendo el componente en una solución acuosa de ácido oxálico a una temperatura elevada bajo agitación vigorosa durante un período de tiempo.

Alternativamente, sólo una parte del componente puede sumergirse en la composición, por ejemplo, por inmersión. Una parte del componente que no se pretende tratar puede ser enmascarada durante el tratamiento.

El pH de la composición de la etapa b debe ser ácido, tal como un pH 5 o más bajo, pH 2 o más bajo, o pH 0,7 o más bajo. Preferiblemente, el pH es tan bajo como sea posible teniendo en cuenta la conveniencia del procesamiento.

La composición acuosa que comprende ácido oxálico puede ser una solución acuosa que comprende ácido oxálico a una concentración en el intervalo de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 5 M, p. ej. una solución de ácido oxálico a una concentración dentro de dicho margen. Preferiblemente, la concentración de ácido oxálico en la composición está en el intervalo de 0,01 a 2 M, más preferiblemente en el intervalo de 0,1 a 2 M y lo más preferiblemente aproximadamente 1 M.

Para el propósito de la etapa b, al menos una parte del componente biocompatible se puede sumergir en la composición que comprende ácido oxálico durante un período de tiempo en el intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 60 minutos, por ejemplo de 20 a 40 minutos. Típicamente, la duración del tratamiento de la etapa b es de aproximadamente 25 minutos o aproximadamente 30 minutos. El tratamiento de la etapa b se considera completado en el momento en que el componente es eliminado de la composición acuosa que comprende ácido oxálico.

La temperatura de la composición acuosa puede estar en el intervalo de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 100 °C. Típicamente, la temperatura de la composición acuosa que comprende ácido oxálico puede estar en el intervalo de 60 °C a 90 °C, por ejemplo aproximadamente 80 °C.

Como ejemplo, el tratamiento de la etapa b se puede realizar utilizando una concentración de ácido oxálico de aproximadamente 1 M a una temperatura de 80 °C durante 30 minutos.

Cuando se usa un componente de titanio, el óxido modificado obtenido en la etapa b es más reactivo que el óxido de titanio pasivante formado al aire, y tiene un contenido de agua más alto que el óxido de titanio pasivante formado al aire. Posiblemente, el óxido de titanio modificado de la invención es más amorfo que el óxido de titanio pasivante formado al aire o formado en un pretratamiento de limpieza química. La estructura de la superficie del óxido

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modificado obtenido en la etapa b comprende una microestructura y una nanoestructura primaria, ejemplos de las cuales se muestran en las Figs. 5 y 6, y que se describirán con más detalle a continuación.

La superficie del componente biocompatible obtenido en la etapa b tiene un color que es más ligero y más apagado que el color gris metálico de la superficie del componente antes del tratamiento de acuerdo con el método de la invención. Sin embargo, hay una diferencia de color entre un componente de acuerdo con la invención, que fue pretratado mediante granallado, y un componente de acuerdo con la invención que fue simplemente trabajado con máquina, teniendo el componente granallado un color más blanco que el componente trabajado a máquina. El color alterado puede ser utilizado como una indicación de que ha sido completada la etapa b. Sin embargo, el color alterado se ve más claramente al cabo de 2 minutos de lavado en un baño de ultrasonidos.

Después de la etapa b, al menos una parte del óxido modificado puede someterse a tratamiento con una segunda composición acuosa que comprende al menos un material seleccionado entre el grupo que consiste en flúor ionizado y cloro ionizado, y al menos un ácido (denominado como "etapa c"). Por la etapa c, parte del óxido metálico modificado formado en la etapa b se disuelve y precipita después para formar una nanoestructura secundaria que comprende proyecciones de óxido metálico redondeadas distribuidas uniformemente que se superponen sobre dichas microestructura y nanoestructura primaria. Alternativamente, puede ser utilizado cualquier otro compuesto que forma un complejo con el metal del óxido metálico en disolución. El flúor y el cloro son conocidos agentes complejantes del titanio.

Cuando el componente se mantiene a una temperatura de al menos 0 °C a la presión atmosférica normal y en una atmósfera que contiene oxígeno, tal como el aire, la etapa c se debe realizar dentro de un período de tiempo relativamente corto después de la terminación de la etapa b. La etapa b se considera completada tan pronto como el componente es eliminado de la composición acuosa de la etapa b. Más en particular, la etapa c se debe realizar antes de que el óxido metálico modificado obtenido en el paso b esté cubierto por el óxido pasivante formado sobre el mismo. Se considera que el óxido pasivante se forma cuando impide cualquier reacción química sustancial del material subyacente con un agente externo. La reactividad del óxido modificado obtenido en la etapa b es vital para conseguir una distribución uniforme de los picos redondeados de la nanoestructura secundaria. Se cree que durante el tratamiento de la etapa c, el ácido ataca el óxido modificado en una multitud de sitios activos para disolver el óxido. El gas hidrógeno generado en este proceso aumenta el pH localmente en cada sitio activo. El pH elevado localmente causa que el óxido metálico precipite en cada sitio activo, siempre y cuando la composición acuosa tenga una concentración de material metálico suficientemente alta. La disolución del óxido de titanio modificado obtenido en la etapa b puede proporcionar una concentración de titanio suficientemente alta como para que precipite el óxido de titanio. Dado que se forma gradualmente un óxido pasivante a lo largo del tiempo en presencia de oxígeno, un intervalo de tiempo más corto entre la etapa b y la etapa c mejorará el resultado final de la etapa c cuando el componente se mantiene a una temperatura de al menos 0 °C, p. ej. la temperatura ambiente (15 a 25 °C), a presión atmosférica normal y en una atmósfera que contiene oxígeno. Así pues, en tales condiciones el intervalo entre la etapa b y la etapa c se mantiene preferiblemente lo más corto posible. La etapa c puede llevarse a cabo hasta 180 horas después de la finalización de la etapa b, por ejemplo 72 horas, 36 horas, 24 horas o 1 hora después de la etapa b. Preferiblemente, la etapa c se realiza dentro de los 30 minutos o menos después de completarse la etapa b, más preferiblemente dentro de 10 minutos o menos, y más preferiblemente dentro de 3 minutos o menos después de completarse la etapa b. Sin embargo, si el componente se mantiene en una atmósfera inerte o se evita de alguna otra manera que forme una superficie de óxido pasivante, el intervalo de tiempo entre la etapa b y la etapa c puede ser considerablemente más largo. Para evitar la formación de un óxido pasivante, puede utilizarse cualquier atmósfera que tenga una cantidad reducida de oxígeno reactivo, en comparación con el aire normal. Por ejemplo, después de la etapa b, el componente se puede poner en un gas inerte tal como nitrógeno, helio, neón, argón, kriptón, xenón o radón. Alternativamente, el componente puede ponerse en una atmósfera a presión reducida o bajo vacío. Alternativamente, el componente se puede enfriar o congelar. Puede utilizarse también cualquier combinación de las estrategias anteriores para inhibir parcial o totalmente la formación de un óxido pasivante. Por ejemplo, el componente puede ser sometido a la etapa b y posteriormente congelado o puesto en un gas inerte durante un período prolongado de tiempo, y luego restablecido a las condiciones normales (una temperatura de al menos 0 °C a la presión atmosférica normal) en una atmósfera que contiene oxígeno. En tales casos, el tiempo entre la etapa b y la etapa c gastado por el componente bajo dichas condiciones normales en una atmósfera que contiene oxígeno debe ser de 180 horas o menos, por ejemplo 72 horas o menos, 36 horas o menos, 24 horas o menos, 1 hora o menos, 30 minutos o menos, 10 minutos o menos, o 3 minutos o menos.

En realizaciones de la invención, la etapa c se realiza sumergiendo el componente en una solución acuosa de ácido fluorhídrico. Alternativamente, se puede sumergir en la composición solamente una parte del componente, por ejemplo, por inmersión. Una parte del componente que se pretende que no sea tratada puede ser enmascarada durante el tratamiento.

La composición acuosa comprende al menos un material elegido entre el grupo que consiste en flúor ionizado y cloro ionizado, y al menos un ácido. La composición acuosa puede ser una solución acuosa que tiene un pH en el intervalo de 0,5 a 5, preferiblemente de 1 a 3 M, y más preferiblemente aproximadamente 2. La concentración de flúor y/o cloro ionizados puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,05 a 0,5 M. Por ejemplo, la composición puede ser una solución de ácido fluorhídrico (HF) que tiene una concentración dentro de dicho intervalo.

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Preferiblemente, se utiliza una concentración de ácido fluorhídrico en el intervalo de aproximadamente 0,1 a 0,3 M, y más preferiblemente aproximadamente 0,1 M.

Se considera que se inicia el tratamiento de la etapa c cuando se puede observar que el ácido actúa sobre la superficie del sustrato. Esta actividad puede ser detectada por la formación de gas hidrógeno en la superficie del componente, lo cual normalmente tiene lugar después de aproximadamente 20 a 30 segundos a temperatura ambiente. Así pues, por la expresión "tratamiento activo" se entiende el tratamiento que se realiza comenzando con la formación de la primera burbuja de gas hidrógeno. El tiempo de tratamiento activo de la etapa c está en el intervalo de 10 segundos a 60 minutos, tal como de 10 segundos a 3 minutos, de 10 segundos a 2 minutos, de 10 a 60 segundos, de 10 a 50 segundos, de 10 a 40 segundos, y de 10 a 30 segundos.

La etapa c puede llevarse a cabo a temperatura ambiente. Típicamente, la composición acuosa de la etapa c puede tener una temperatura en el intervalo de 15 a 25 °C, p. ej. una temperatura en el intervalo de 18 a 23 °C.

Como ejemplo, el tratamiento de la etapa c puede realizarse usando ácido fluorhídrico a una concentración de aproximadamente 0,1 M a temperatura ambiente durante un tiempo de tratamiento activo de 40 segundos.

Se apreciará que el ajuste de uno cualquiera de los parámetros de tiempo de tratamiento, temperatura, pH y concentración puede requerir el ajuste apropiado de cualquier otro de dichos parámetros dentro de los intervalos antes mencionados, con el fin de obtener un resultado aceptable.

Por la etapa c, se mantiene generalmente la estructura superficial jerárquica obtenida en la etapa b, aunque sus estructuras más finas pueden disolverse en parte. La estructura de la superficie obtenida después de la etapa c se muestra en las Figs. 8 y 9 y se describirá con más detalle a continuación. En realizaciones de la invención, el óxido metálico que se origina de la disolución de óxido metálico modificado obtenido en la etapa b precipita para formar una nanoestructura secundaria que comprende picos redondeados distribuidos uniformemente en la parte superior de la microestructura y la nanoestructura primaria. En realizaciones de la invención, los picos de la nanoestructura secundaria consisten entonces en óxido metálico. Los compuestos metálicos solubles también pueden añadirse por separado a la composición acuosa de la etapa c con el fin de aumentar la concentración de metal de la composición de la etapa c.

Opcionalmente, las composiciones utilizadas en la etapa b y en la etapa c pueden comprender un material potenciador del crecimiento óseo. El material potenciador del crecimiento óseo puede comprender iones metálicos, tales como iones titanio, iones magnesio, iones calcio, iones litio y/o iones de estroncio, o una sal de los mismos. Estos iones pueden añadirse a la composición por separado. Por ejemplo, bien sea la composición de la etapa b o la composición de la etapa c, pueden comprender cualquiera de los iones metálicos anteriores. Alternativamente, ambas composiciones pueden comprender iones metálicos. Cuando ambas composiciones comprenden iones metálicos, pueden comprender la misma especie o de diferentes especies de iones metálicos. Por la incorporación de los iones metálicos anteriores o cualquier combinación de los mismos, puede obtenerse una superficie modificada que comprende dichos iones y/o sal o sales de los mismos, que tiene propiedades químicas alteradas. Así, se puede mejorar la biocompatibilidad del componente y puede estimularse la osteointegración del componente.

En particular, los inventores han encontrado que los iones litio o estroncio administrados localmente al tejido óseo tienen un efecto local sobre la formación de hueso y masa ósea en dicho tejido óseo. Se ha encontrado además que un implante que comprende una superficie que contiene y/o que libera litio o estroncio ionizados proporciona una tasa de formación de hueso mejorada, y por tanto una tasa mejorada de unión entre el tejido óseo y el implante en comparación con un implante que comprende un óxido de superficie que contiene, por ejemplo, calcio o magnesio ionizados. Así pues, en realizaciones de la invención, tanto las composiciones de la etapa b como de la etapa c, o la composición de la etapa b solamente, comprenden litio o estroncio ionizados o una combinación de los mismos. Alternativamente, sólo la composición de la etapa c comprende litio o estroncio ionizados o una combinación de los mismos.

Alternativamente, se puede aplicar un material potenciador del crecimiento óseo, tal como litio o estroncio ionizados, sobre la superficie del componente después de la realización de la etapa b o de la etapa c de acuerdo con la invención.

En otro aspecto, la invención se refiere a un componente biocompatible que puede obtenerse por el método descrito anteriormente, y a un método para implantar el componente biocompatible en el organismo de un ser humano o un animal. Por ejemplo, el componente biocompatible puede ser implantado en una zona periodontal del cuerpo de un ser humano o un animal.

En otro aspecto, la invención se refiere a un componente biocompatible que tiene una estructura de superficie jerárquica que comprende una microestructura, una nanoestructura primaria superpuesta sobre dicha microestructura y, opcionalmente, una nanoestructura secundaria superpuesta sobre dicha nanoestructura primaria.

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Los términos "profundidad" (h1), "diámetro" (x1) y "distancia" (D1) en relación con un perfil de la microestructura se definen en la Fig. 1. La profundidad (h1) de una picadura se define como la distancia entre una línea imaginaria trazada entre dos picos adyacentes y la superficie intermedia en su punto más bajo. Si no están presentes picos bien definidos, la línea imaginaria se traza entre los puntos en los que el perfil de la superficie comienza a desviarse de un perfil de superficie esencialmente plano (una meseta). El diámetro (x1) de una picadura y la distancia (D1) entre picaduras adyacentes son las distancias entre dichos puntos adyacentes como se define en la Fig. 1. En la Fig. 1 también se proporciona esquemáticamente una nanoestructura primaria superpuesta en la microestructura. Los términos "profundidad" (h2) y "diámetro” (x2) en relación con la nanoestructura primaria se definen en correspondencia en la Fig. 2.

Los términos "altura" (h3), "diámetro" (x3) y "distancia entre picos" en relación con la nanoestructura secundaria se definen en la Fig. 3. La altura del pico se define como la distancia entre una línea imaginaria trazada entre dos picos adyacentes y la superficie intermedia en su punto más bajo. El diámetro máximo (x3) se mide entre los puntos del pico en donde el perfil de la superficie comienza a desviarse de un perfil de superficie esencialmente plano.

En la Fig. 4, se definen el ángulo α respecto de un perfil de la microestructura y el ángulo β respecto de un perfil de la nanoestructura primaria. El ángulo α se define como el ángulo entre dos líneas imaginarias, una de las cuales representa la pendiente de una picadura de la microestructura en el punto en el que el perfil de la superficie comienza a desviarse de un perfil de superficie esencialmente plana (P1a), y una de las cuales representa la pendiente de una pared adyacente de una picadura adyacente de la microestructura en el punto donde el perfil de la superficie comienza a desviarse de un perfil de superficie esencialmente plano (P1b). Dichas picaduras mutuamente adyacentes pueden así separarse por una meseta. En consecuencia, en el caso en que dos picaduras adyacentes están separadas por un pico, las líneas imaginarias representan las inclinaciones de las paredes en dicho pico. El ángulo β se define como el ángulo entre dos líneas imaginarias que representan la pendiente de una pared de una depresión de la nanoestructura primaria en su punto de inflexión (P2a) y la pendiente de una pared adyacente de una depresión adyacente de la nanoestructura primaria en su punto de inflexión (P2b), respectivamente. En el caso en que dos depresiones cóncavas están separadas por un pico, el punto de inflexión se sitúa así en dicho pico.

La microestructura y la nanoestructura primaria del componente de la invención se obtienen esencialmente en la etapa b del método descrito anteriormente. Como se describió anteriormente, la etapa b proporciona una superficie de óxido modificada que es engrosada, reactiva, y tiene un color blanco o blanquecino. La Fig. 5a es una imagen de SEM de un componente después de la etapa b del método de la invención, que muestra dicha microestructura y dicha nanoestructura primaria. El componente se trató previamente mediante granallado. Como se ve en esta imagen, la microestructura comprende depresiones de tipo poro o picaduras de tamaños diferentes. La Fig. 5b es una imagen de SEM de un componente después de la etapa b de acuerdo con la invención en la que se han marcado los diámetros de algunas de las picaduras de la microestructura.

Las Figs. 13 y 14 presentan las distribuciones del diámetro de las picaduras, profundidad de las picaduras y la distancia entre picaduras mutuamente adyacentes de la microestructura. Por ejemplo, una picadura de la microestructura puede tener un diámetro x1 en el intervalo de 0,5 a 15 µm, preferiblemente de 1 a 10 µm, y más preferiblemente de 1 a 5 µm; y una profundidad h1 en el intervalo de 0,1 a 2,5 µm, preferiblemente de 0,1 a 1 µm, y más preferiblemente de 0,1 a 0,7 µm. La picaduras adyacentes están separadas típicamente por una meseta o una cresta, que puede tener un diámetro de hasta 10 µm, preferiblemente de hasta 5 µm, y más preferiblemente hasta 3 µm. Así pues, la distancia D1 entre picaduras adyacentes puede ser de hasta 10 µm, de hasta 5 µm, o hasta 3 µm. Sin embargo, como suele ser el caso con una cresta de separación, dos picaduras adyacentes pueden ser consideradas no separadas por absolutamente ninguna distancia.

Como se ve en la Fig. 5, la forma general de una picadura individual de la microestructura puede ser más o menos circular u ovalada, o puede ser irregular. La microestructura puede comprender también socavamientos. Además, una picadura de un diámetro más grande puede comprender una o varias picaduras de un diámetro más pequeño.

La microestructura puede tener un ángulo α como se definió anteriormente y en la Fig. 4 en el intervalo de 20° a 130°; preferiblemente de 30° a 120°, más preferiblemente de 40° a 110°, y más preferiblemente de 50° a 100°.

En la microestructura descrita anteriormente, se proporciona una nanoestructura primaria superpuesta. La nanoestructura primaria puede verse en la Fig. 5, y se ilustra adicionalmente en la Fig. 6, en la que se han marcado los elementos de la nanoestructura primaria. La nanoestructura primaria puede describirse como una estructura continua de tipo ondulado. La nanoestructura primaria comprende una multitud de depresiones superficiales en las paredes y fondos de las picaduras de la microestructura y en las mesetas y/o crestas que separan las picaduras de la microestructura. El diámetro x2 de las depresiones de la nanoestructura primaria puede estar en el intervalo de 10 nm a 1 µm, preferiblemente de 10 nm a 600 nm, y más preferiblemente de 10 nm a 500 nm; y la profundidad h2 de las depresiones de la nanoestructura primaria pueden estar en el intervalo de 10 a 300 nm, preferiblemente de 30 a 150 nm. Típicamente, las depresiones son superficiales, lo que significa que el diámetro de una depresión excede la profundidad de la misma. Las depresiones de la nanoestructura primaria tienen una forma esencialmente circular u ovalada. Las Figs. 15 y 16 presentan las distribuciones de diámetro y de profundidad de las depresiones de la nanoestructura primaria.

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Las depresiones de la nanoestructura primaria pueden tener un límite o borde distinto. Sin embargo, una depresión de la nanoestructura primaria también puede tener una pared que se eleva desde el fondo de dicha depresión y luego pasa suavemente a la siguiente depresión sin formar un límite distinto entre las mismas. En cualquiera de los casos anteriores, sin embargo, no hay una distancia definible que separa el límite de una depresión de la nanoestructura primaria desde el límite de otra depresión. Más bien las depresiones se yuxtaponen para formar un patrón ondulado que tiene un aspecto bastante regular. La nanoestructura primaria puede tener un ángulo β como se definió anteriormente y en la Fig. 4 en el intervalo de 80° a 160°; preferiblemente de 90° a 150°, más preferiblemente de 100° a 140°, y más preferiblemente de 110° a 130°.

Como se mencionó anteriormente, la nanoestructura primaria se superpone sobre la microestructura primaria. Además, el diámetro y la profundidad, respectivamente, de una nanoestructura primaria son menores que la correspondiente dimensión de una picadura individual de la microestructura. Así pues, una picadura individual de la microestructura comprende típicamente múltiples depresiones de la nanoestructura primaria. Por ejemplo, una picadura de la microestructura puede comprender de aproximadamente 5 a aproximadamente 50 de dichas depresiones. Además, una parte de un límite de una depresión de la nanoestructura primaria constituye típicamente una parte de un límite de otra depresión de la nanoestructura primaria.

La Fig. 8 y la Fig. 9 son imágenes de SEM de un componente modificado de acuerdo con la invención. En la Fig. 8, la muestra se trató previamente por granallado, mientras que en la Fig. 9, la muestra fue simplemente trabajada a máquina. En estas figuras, puede observarse una nanoestructura secundaria que se superpone sobre la microestructura anteriormente mencionada y la nanoestructura primaria. La Fig. 10 es una imagen tomada por microscopía de fuerza atómica (AFM) que ilustra más la nanoestructura secundaria. Como se ve en la Fig. 10, la nanoestructura secundaria comprende elementos salientes discretos que tienen la forma de picos redondeados. Los nanopicos están densa y uniformemente distribuidos en la estructura de la superficie subyacente. Por ejemplo, el número de picos por unidad de área puede estar en el intervalo de 15 a 150 picos/μm2, y preferiblemente de 50 a 130 picos/μm2.

La Fig. 17 presenta las distribuciones del diámetro de pico, la altura media de pico y la distancia entre picos de la nanoestructura secundaria. Típicamente, la altura promedio de pico h3 de la nanoestructura secundaria está en el intervalo de 5 a 200 nm, y preferiblemente de 5 a 100 nm. El diámetro x3 de un pico individual de la nanoestructura secundaria está típicamente en el intervalo de 20 a 550 nm, y preferiblemente de 20 a 150 nm. La distancia entre picos D3 está típicamente en el intervalo de 10 a 450 nm, y preferiblemente de 40 a 200 nm. La Fig. 11 presenta una imagen de SEM de un componente que comprende la microestructura, la nanoestructura primaria y la nanoestructura secundaria, en la que se han marcado las picaduras de la microestructura.

En realizaciones de la invención, en las que un componente de la invención ha sido sometido a granallado antes del tratamiento con ácido oxálico, existe una estructura de superficie superior sobre la que se superpone la microestructura. La estructura de la superficie de un componente de la invención pretratado mediante granallado comprende típicamente grandes picaduras que tienen una longitud en el intervalo de 10 a 70 µm y una profundidad en el intervalo de 3 a 20 µm. Típicamente, los grandes picaduras tienen una forma generalmente ovalada. La distancia entre picaduras adyacentes puede estar en el intervalo de 1 a 20 µm. Superpuesta a esta estructura de grandes picaduras está la microestructura antes mencionada. Así pues, los lados y los fondos de las picaduras grandes y las superficies entre las picaduras grandes comprenden las picaduras y las mesetas de separación y/o crestas de la microestructura anteriormente mencionada. Se presenta una imagen de SEM de una superficie granallada convencional en la Fig. 7. Un pretratamiento de granallado afecta a las dimensiones de la microestructura formada subsiguientemente, la nanoestructura primaria y la nanoestructura secundaria opcional. En un componente según la invención que fue sometido a granallado, la microestructura formada subsiguientemente tenía generalmente unas dimensiones algo mayores que la microestructura de un componente de acuerdo con la invención que era simplemente trabajado a máquina, y la nanoestructura primaria formada subsiguientemente tenía generalmente dimensiones algo más pequeñas que la nanoestructura primaria de un componente de acuerdo con la invención que era simplemente trabajado a máquina. Adicionalmente, los diámetros tanto de la microestructura como de la nanoestructura primaria, y las profundidades de la microestructura fueron más uniformes en un componente granallado, como se demuestra por los valores de la desviación estándar que se presentan en la Tabla 1, que las características correspondientes de un componente trabajado a máquina.

En otro aspecto, la invención se refiere a un método para implantar un componente biocompatible en el organismo humano o animal. El método comprende la etapa de i) proporcionar un componente biocompatible como se describió anteriormente, y ii) implantar el componente en el organismo de un ser humano o un animal. Por ejemplo, el componente biocompatible puede ser implantado en una zona periodontal de dicho organismo de un ser humano o un animal.

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Ejemplos.

Ejemplo 1 Modificación de la superficie.

(i) Preparación de la muestra.

Muestras de titanio que tienen la forma de una moneda (trabajada a máquina y granallada, respectivamente), una fijación (granallada) y un pilar (trabajado a máquina) se limpiaron mediante un tratamiento químico convencional. Las muestras se sumergieron en una solución acuosa 1 M de ácido oxálico y se dejaron a 80 °C durante 30 minutos bajo agitación vigorosa. Al cabo de 30 minutos las muestras se sacaron de la solución de ácido oxálico y se aclararon en agua, seguido por un aclarado en agua en un baño de ultrasonidos durante 2 minutos. Aproximadamente 10 minutos después del aclarado, las muestras se sumergieron en solución acuosa 0,1 M de ácido fluorhídrico (HF) a temperatura ambiente y se agitó hasta el comienzo de la disolución activa, seguido por un tiempo de tratamiento activo adicional de 40 segundos. A continuación, las muestras se retiraron de la solución de HF y se aclararon en agua seguido de un aclarado en agua en un baño ultrasónico durante 5 minutos. Las muestras se secaron al aire a temperatura ambiente durante aproximadamente 60 minutos antes de la esterilización.

(ii) Medidas de topología de superficie.

Se realizó microscopía electrónica de barrido (SEM) usando ESEM XL 30 (FEI) en las muestras después de aclarar tras la etapa b y después de secar tras la etapa c. Se tomaron imágenes estéreo utilizando entre 500 x y 15.000 x aumentos, y se evaluaron por el programa MeX 5.0 (Alicona). No se utilizaron filtros. Se determinaron las profundidades y diámetros de las picaduras de la microestructura y las depresiones de la nanoestructura primaria y las distancias entre picaduras adyacentes de la microestructura. Los resultados se presentan en la Fig. 13a-c (muestra trabajada a máquina) y en la Fig. 14a-c (muestra granallada) para la microestructura primaria y en la Fig. 15a-b (muestra trabajada a máquina) y la Fig. 16a-b (muestra granallada) para la nanoestructura primaria. Las imágenes de SEM tomadas después de la etapa b se presentan en las Fig. 5a-b y 6a-b. Las imágenes de SEM tomadas después de la esterilización se presentan en las Fig. 8, 9 y 11.

Se realizó microscopía de fuerza atómica (AFM) TappingMode™ usando un instrumento Nanoscope IIIa (Digital Instruments). La nanoestructura secundaria de tres muestras de acuerdo con la invención (trabajadas a máquina) se analizó en dos puntos por muestra, cada punto situado aproximadamente a 1 mm del borde de la muestra. El área de análisis fue de 2 µm x 2 µm. Se determinaron las alturas máximas, los diámetros máximos, las distancias entre picos y el número de picos/µm2. Dichas dimensiones se midieron en milímetros y se convirtieron en nm utilizando la escala prevista en las representaciones de perfiles obtenidas. Las distribuciones de la altura del pico, diámetro de pico y la distancia entre picos, respectivamente, se presentan en la Fig. 17a-c.

La Tabla 1 resume los valores máximo, mínimo y medio de las dimensiones determinadas para la microestructura y la nanoestructura primaria para componentes granallados y trabajados a máquina, respectivamente, determinados por SEM/MEX 5.0. También se presentan los valores máximo, mínimo y medio determinados para la nanoestructura secundaria de un componente trabajado a máquina por AFM.

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Tabla 1. Dimensiones de la estructura de superficie para muestras granalladas y trabajadas a máquina de acuerdo con la invención.

Muestra granallada

Muestra trabajada a máquina

Microestructura

Diámetro (x1) (µm)

max min medio SD 6,8 0,9 2,97 1,26 9,83 3,74 2,24 1,59

Profundidad (h1) (µm)

max min medio SD 2,1 0,1 0,55 0,45 1,27 0,01 0,34 0,25

Distancia (D1) (µm)

max min medio SD 3,3 0,4 1,60 0,87 7,99 0,0 1,54 1,44

Nanoestructura primaria

Diámetro (x2) (nm)

max min medio SD 1130 9 353 256 890 231 506 186

Profundidad (h2) (nm)

max min medio SD 220 9 74 46 295 33 117 48

Nanoestructura secundaria

Diámetro (x3) (nm)

max min medio SD n/a n/a n/a n/a 253,7 14,9 32,4 22,9

Altura (h3) (nm)

max min medio SD n/a n/a n/a n/a 129,4 3,0 32,4 22,9

Distancia entre picos (D3) (nm)

max min medio SD n/a n/a n/a n/a 388,1 29,9 128,4 54,9

Ejemplo comparativo 1a.

5 Muestras de titanio granalladas (en forma de moneda) se sumergieron en una solución acuosa que comprende ácido fluorhídrico 0,1 M y ácido oxálico 1 M a temperatura ambiente y se agitaron durante 5, 15, 30 y 42 minutos, respectivamente. Las muestras se sacaron de la solución y se aclararon en agua, seguido por un aclarado en agua en un baño de ultrasonidos durante 2 minutos. Después de secar las muestras, se examinó la topografía de la superficie mediante microscopía electrónica de barrido (ESEM XL 30, FEI).

10 Como resultado, 5 minutos del tratamiento anterior produjeron muestras que tienen regiones parcialmente grabadas y elementos salientes no uniformemente distribuidos. La superficie de las muestras tomadas después de 15 minutos mostraron una estructura de superficie grabada relativamente plana que comprende elementos escasamente salientes. La superficie de las muestras tomadas después de 30 minutos tenía un aspecto rayado y comprendía pequeños elementos salientes y también algunas partículas no identificadas. Una imagen de SEM de una muestra

15 seca tratada durante 5 minutos se presenta en la Fig. 12a, y una imagen de SEM de una muestra seca tratada durante 30 minutos se presenta en la Fig. 12b.

Ejemplo Comparativo 1b.

Se sumergieron muestras de titanio en una solución acuosa 0,1 M de HF a temperatura ambiente y con agitación hasta el comienzo de la disolución activa, seguido por un tiempo de tratamiento adicional de 40 s. A continuación, 20 las muestras se sacaron de la solución de HF y se aclararon en agua, seguido de un aclarado en agua en un baño de ultrasonidos durante 5 minutos. Aproximadamente 10 minutos después de aclarar las muestras, se sumergieron en una solución acuosa 1 M de ácido oxálico y se dejaron a 80 °C durante 30 minutos bajo agitación vigorosa. Después de 30 minutos se sacaron las muestras de la solución de ácido oxálico y se aclararon en agua seguido por

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un aclarado en agua en un baño de ultrasonidos durante 2 minutos. Las muestras se dejaron secar durante 1 hora a temperatura ambiente.

Se tomó una imagen de una muestra secada, mediante microscopía electrónica de barrido (ESEM XL 30, FEI). El resultado se presenta en la Fig. 12c.

Ejemplo 2 Proliferación y actividad celular.

Se investigó la proliferación celular y la producción de fosfatasa alcalina (ALP) y prostaglandina E2 (PGE2), respectivamente, para las células de osteoblastos humanos desarrollados in vitro sobre superficies de titanio de acuerdo con la invención, en comparación con las células desarrolladas en una superficie de implante comercial (OsseoSpeed™; Asta Tech AB, Suecia).

(i) Cultivo celular.

MG-63 es una línea celular humana utilizada convencionalmente para estudios in vitro de osteoblastos. En este estudio, se cultivaron células MG-63 (MG-63, ATCC No CRL-1427, U. S.) en frascos de cultivo de células Falcon de 300 ml (BD, WWR, Suecia) en medio esencial mínimo de Dulbecco (D-MEM) (Gibco, Reino Unido) que contiene 5% de suero de ternera fetal (FCS; Gibco, Reino Unido) y 1% de penicilina-estreptomicina (PEST; Gibco, Reino Unido) de segundo paso desde una ampolla de células congeladas. Cuando las células adherentes se habían desarrollado hasta la confluencia, se pasaron usando 0,05% de tripsina-EDTA (Gibco, Reino Unido) durante 3 pasajes. La viabilidad celular fue alta (> 98%) según el recuento usando microscopía óptica.

(ii) Morfología celular (SEM).

Tres cuerpos de muestra de titanio β-esterilizado con forma de moneda, uno de los cuales había sido sometido a la etapa b de acuerdo con la invención, uno de los cuales había sido sometido a la etapa b y la etapa c de acuerdo con la invención y uno de los cuales tenía una superficie disponible comercialmente (OsseoSpeed™; Asta Tech AB, Suecia), fueron puestos cada uno en una placa de 24 pocillos Falcon separada (BD, WWR, Suecia). A cada pocillo se añadió 1 ml de D-MEM (Gibco, Reino Unido) que contiene 5% de FCS (Gibco, Reino Unido) y 1% de PEST (Gibco, Reino Unido) que tiene una concentración de células de 20.000 células/ml. Las placas se incubaron a 37 °C, 5% CO2 y 100% de humedad durante 36 horas. Las muestras se fijaron usando glutaraldehído a 4 °C, seguido por la fijación con tetróxido de osmio, deshidratación y sublimación catódica de oro de acuerdo con un procedimiento de preparación de la muestra SEM convencional. La morfología celular fue investigada mediante SEM (ESEM XL 30, FEI). Las imágenes de SEM de las células se muestran en la Fig. 20a (células desarrolladas en una superficie convencional), en la Fig. 20b (células desarrolladas sobre un componente tratado de acuerdo con la etapa b de la invención) y en la Fig. 20c (células desarrolladas sobre un componente tratado de acuerdo con la etapa b y la etapa c de la invención).

(iii) Evaluación de la proliferación celular, actividad de ALP y actividad de PGE2.

Tres juegos (n = 6) de cuerpos de muestra de titanio β-esterilizados en forma de moneda, un juego que ha sido sometido a la etapa b de acuerdo con la invención ("Superficie de la invención 1"), un juego que ha sido sometido a la etapa b y la etapa c de acuerdo la invención ("Superficie de la invención 2"), y un juego que tiene una superficie comercial (OsseoSpeed™; Asta Tech AB, Suecia), se pusieron cada uno en una placa de 24 pocillos Falcon distinta (BD, WWR, Suecia). A cada pocillo se añadió 1 ml de D-MEM (Gibco, Reino Unido) que contiene 5% de FCS (Gibco, Reino Unido) y 1% de PEST (Gibco, Reino Unido), y que tiene una concentración de células MG-63 de 20.000 células/ml. Las placas se incubaron a 37 °C, 5% de CO2 y 100% de humedad durante 14 días.

Después de 7 días de cultivo, se analizó una muestra (50 µl) de cada pocillo en relación con ALP exógeno. Se analizaron las células adherentes en relación con ALP endógeno por la lisis celular, seguida de centrifugación y determinación de contenido de ALP sobrenadante e intracelular (ng/ml) usando el kit colorimétrico de ensayo de fosfatasa alcalina pNPP SenzoLyte™ (Biosite, Suecia) de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Después de 7 días, las muestras sometidas tanto a la etapa b como a la etapa c de acuerdo con la invención (“Superficie de la invención 2”) habían inducido una producción de ALP por célula acusadamente mayor que las muestras de referencia (OsseoSpeed™). Los resultados se presentan en la Fig. 19.

Después de 7 y 14 días de cultivo, respectivamente, se determinó el número total de células/pocillo usando NucleoCassette, NucleoCounter (ChemoMetec A/S Dinamarca) de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Los resultados se presentan en la Fig. 18.

Después de 7 y 14 días de cultivo, respectivamente, se usaron 300 µl de sobrenadante de cada pocillo para la determinación de PGE2 usando el kit de ELISA R & D Systems PGE2 Immunoassay (R & D Systems, Reino Unido) de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Después de 7 días de cultivo, la producción de PGE2 fue ligeramente inferior en las muestras de acuerdo con la invención en comparación con la referencia. Después de 14 días, sin embargo, ambos juegos de muestras de acuerdo con la invención habían inducido una producción de

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PGE2 por célula marcadamente mayor que las muestras de referencia. Los resultados después de 7 y 14 días de cultivo, respectivamente, se presentan en la Fig. 21.

En resumen, se encontró que las muestras según la invención inducen una densidad celular inferior y un menor número de células adherentes en comparación con superficies de referencia. Sin embargo, entre las células desarrolladas en las superficies de acuerdo con la invención, un mayor número de células eran proliferativas en comparación con las células desarrolladas en las superficies de referencia. Las células desarrolladas en las superficies de acuerdo con la invención también eran menos apoptóticas, más alargadas y tenían muchas pequeñas proyecciones que indican actividad, como se ve en la Fig. 20a-c.

Las células desarrolladas en ambas superficies de acuerdo con la invención mostraron una producción de PGE2 significativamente mayor después de 14 días de cultivo en comparación con la de las células desarrolladas en una superficie convencional. Además, las células desarrolladas en una superficie de acuerdo con la invención que comprende una nanoestructura secundaria tenían una actividad de ALP marcadamente mayor que las células desarrolladas en una superficie convencional. Un aumento de la actividad de ALP y/o PGE2 está relacionado con una actividad de los osteoblastos aumentada, una actividad de los osteoclastos reducida y una mineralización de la ECM acelerada. Así pues, en conclusión, la invención proporciona un componente biocompatible que está mejorado con respecto a la tasa de formación ósea y la osteointegración.

Ejemplo 3 Implantación.

La integración de los implantes de acuerdo con la invención se ensayó en un modelo de conejo. El objetivo era estudiar cualitativa y cuantitativamente la respuesta in vivo del tejido óseo a dos modificaciones de la superficie de implante de acuerdo con la invención, en comparación con la respuesta a implantes de referencia disponibles comercialmente.

(i) Implantes para el estudio de la torsión de separación.

Se utilizaron fijaciones de torsión de titanio (diseño de torsión de separación de cabeza cuadrada, 3,5 × 8,2 mm) preparadas por inmersión en ácido oxálico y, posteriormente, en HF como se describe en el Ejemplo 1 (es decir, incluyendo las etapas b y c) (denominada Implante de prueba 2). También, se utilizaron fijaciones de torsión (3,5 x 8,2 mm) que se prepararon mediante inmersión en ácido oxálico de acuerdo con el Ejemplo 1 (es decir, se omitió la etapa c) (denominadas Implante de prueba 1). Además, se utilizaron como accesorios de referencia las fijaciones de torsión (3,5 x 8,2 mm) que representan el implante bucal OsseoSpeed™ disponible comercialmente.

(ii) Implantes para estudio histológico e histomorfométrico.

Se utilizaron fijaciones de diseño humano de implantes bucales (3,5 × 8 mm) preparadas como se describió en el Ejemplo 1 anterior (Implante de prueba 2). También, se utilizaron fijaciones (3,5 × 8 mm) que se prepararon como se describe en el Ejemplo 1, excepto que se omitió el tratamiento con HF (es decir, la etapa c) (Implante de prueba 1). Además, se utilizaron como accesorios de referencia fijaciones (3,5 × 8 mm) que representan el implante bucal OsseoSpeed™ disponible comercialmente.

(iii) Inserción de los implantes.

Doce conejos blancos de Nueva Zelanda maduros machos fueron programados para cirugía. Un conejo murió durante la anestesia inicial (nº 8). La cirugía transcurrió sin incidentes. Se hizo perforación de baja velocidad (1500 rpg para perforar los orificios y 20 rpm para la inserción del implante) con enfriamiento continuo de NaCl.

Se insertó un implante (diseño humano de implante bucal; 3,5 × 8 mm) en cada región del cóndilo del fémur y se insertaron 3 implantes (diseño de torsión de separación de cabeza cuadrada; 3,5 × 8,2 mm) en cada tuburositas tibia. Los implantes de fémur fueron programados para análisis histomorfométrico y los implantes de tibia para las pruebas de torsión de separación.

(iv) Pruebas de torsión de separación.

Después de seis semanas, finalizó el estudio y los conejos fueron sacrificados. Se examinaron los implantes y el tejido circundante. Los implantes de tibia fueron fáciles de localizar y todos ellos mostraron signos de crecimiento del tejido óseo periosteal. La prueba biomecánica de la interfase implante-hueso se realizó con la prueba de torsión de separación (RTQ). El instrumento RTQ (Detektor AB, Göteborg, Suecia) es un equipo electrónico que implica un transductor de medida de tensión utilizado para ensayar la estabilidad del implante (el par de torsión máximo de aflojamiento en Ncm) en el lecho óseo y puede así considerarse como una prueba tridimensional que refleja de modo aproximado la fuerza de cizallamiento interfacial entre el tejido óseo y el implante (Johansson C. B., T. Albrektsson, Clin. Oral Implants Res. 1991; 2: 24 -9). Se aplicó una torsión en aumento lineal en el mismo eje del implante hasta que se obtuvo el fallo de la integración, y se anotó el valor del pico. Los implantes insertados en el fémur más frecuentemente revelaron una "cobertura completa" de la cabeza del implante con tejido óseo. Los

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implantes de fémur se sumergieron en solución de fijación y se procesaron más para investigaciones histológicas y histomorfométricas.

Los valores medios de los Implantes de prueba 1, los Implantes de prueba 2 y los implantes de referencia para las pruebas de torsión de separación se presentan en la Fig. 22. Las comparaciones de todos los Implantes de prueba 1, Implantes de prueba 2 e implantes de referencia revelaron una mejora del 25% en los valores de torsión de separación de los Implantes de prueba 2 en comparación con los implantes de referencia. Esta diferencia era estadísticamente significativa (p < 0,05; prueba t de Student). Además, los resultados sugirieron que los valores de la torsión de separación de los Implantes de prueba 1 eran iguales o más altos que los de los implantes de referencia.

(v) Evaluación histológica.

Después de seis semanas terminó el estudio y los conejos fueron sacrificados. Las muestras seleccionadas del sitio de implante de fémur incluyendo tejido óseo e implante de los conejos nº 1 y nº 5 fueron evaluadas histomorfométricamente en términos de hueso a contacto de implante (BIC: Bone to Impact Contact) y el área de hueso dentro de las roscas interiores (zona interior, ia) y en las correspondientes imágenes reflejadas (mi) en varias regiones alrededor de los implantes recuperados de fémur.

Los valores medios de BIC y el área de hueso de diferentes regiones del implante, así como un valor medio total para BIC y área de hueso para cada implante se exponen en las Tablas 2 y 3 a continuación. Se evaluaron las siguientes regiones de implantes:

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micro-rosca;

(b)

macro-rosca;

(c)

a lo largo de los lados apicales (sin rosca) en la cavidad medular; y

(d)

en la parte inferior apical del implante (esta región se expone solamente para el contacto hueso implante)

TABLA 2 Valores medios para el contacto hueso implante (BIC) (% del contacto total).

Muestra

Micro-rosca Macro-rosca Lados apicales Valor medio Fondo apical Valor medio total incl. fondo

Conejo nº 1 Implante de prueba 2

14 30 15 20 30 22

Conejo nº 1 referencia

5 3 10 6 9 7

Conejo nº 5 Implante de prueba 2

15 7,5 23 15 7 13

Conejo nº 5 referencia

14 19 15 16 21 17

TABLA 3 Valores medios de la zona ósea (% del área total).

Muestra

Micro-rosca (ia/mi) Macro-rosca (ia/mi) Lados apicales (ia/mi) Valor medio (ia/mi)

Conejo nº 1 Implante de prueba 2

29/35 29/31 69/43 42/36

Conejo nº 1 referencia

13/26 10/8 29/10 17/15

Conejo nº 5 Implante de prueba 2

34/45 9/6 48/4 30/18

Conejo nº 5 referencia

36/35 25/17 6/10 22/31

ia: área interior, mi: imagen reflejada

Para el conejo nº 5, implante de referencia, la sección fue hecha accidentalmente a través del corte presente en todos los implantes. Para esta muestra, la distancia de contacto con el fondo calculada se basó en una aproximación de la distancia total de la del conejo nº 3, Implante de prueba 1 (Fig. 24a).

Como puede verse en las Tablas 2 y 3, el Implante de prueba 2 mostró un contacto implante hueso mayor y un área de hueso mayor en la rosca en comparación con la superficie de referencia. El implante de prueba 1 mostró casi igual contacto implante hueso en comparación con la superficie de referencia. También se observó un área de hueso interior más grande en la rosca en comparación con la del implante de referencia (Tabla 2).

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En las figuras 23 -24 se presentan imágenes de secciones de Histología que muestran cualitativamente la formación de hueso, en las que

La Fig. 23a representa el conejo nº 1, Implante de prueba 2; la Fig. 23b representa el conejo nº 1, Implante de referencia; la Fig. 24a representa el conejo nº 5, Implante de prueba 1; y la Fig. 24b representa el conejo nº 5, Implante de referencia.

Casi todas las muestras revelaron más hueso recién formado que hueso viejo en estrecha relación con el implante en la región de micro-rosca superior. El tejido óseo observado en las macro-roscas, en los lados no roscados del implante en la cavidad de la médula y en la capa del fondo apical también estaba recién formado.

En el conejo nº 1, se observó una elevada cantidad de formación de hueso en curso alrededor del Implante de prueba 2 en comparación con el implante de referencia. Se observaron con frecuencia costuras osteoides con bordes de los osteoblastos de diversas formas de los osteoblastos (Fig. 23a, b).

En el conejo nº 5, se observó una elevada cantidad de formación de hueso en curso alrededor del Implante de prueba 1 en comparación con el implante de referencia. Sin embargo frecuentemente los osteoblastos no se observaron tan pronunciados como alrededor del Implante de prueba 2 del conejo nº 1 (Fig. 24a, b).

Las superficies de los implantes estaban en estrecha conexión con las células adiposas de la cavidad ósea, al margen de la superficie del implante, lo que indica un alto grado de biocompatibilidad de todas las superficies con las células de la médula ósea sensibles.

Ejemplo 4 Formación de apatita in vitro.

Un modelo convencional para el estudio in vitro de la formación de hueso es la inmersión de biomateriales en fluidos corporales simulados (SBFs). Los SBFs son soluciones que tienen concentraciones de iones aproximadamente igual a las del plasma sanguíneo humano (Kokubo T., Kushitani H., Sakka S., Kitsugi T., Yamamuro T., J. Biomed. Mater. Res. 1990; 24: 721 -734; Oyane A., Kim H. K., Furuya T., Kokubo T., Miyazaki T., Nakamura T., J. Biomed. Mater. Res. 2003; 65A, 188 -195). Dependiendo de la capacidad de nucleación del biomaterial, los fosfatos de calcio de tipo del hueso precipitarán sobre su superficie. Se ha publicado una correlación cuantitativa de la formación de apatito en SBF con la bioactividad ósea in vivo (Kokubo T., Takadama H., Biomaterials 2006; 27: 2907 -2915). En la actualidad el modelo in vitro de SBF se utiliza con frecuencia y se describe en la norma internacional ISO 23317: 2007 E.

(i) Inmersión en SBF.

Se eligió un SBF revisado (Oyane A. et al., J. Biomed. Mater. Res. 2003; 65A, 188-195) que tiene una concentración de electrólito muy similar a la del plasma humano (Vander A. J., Sherman J. H., Luciano D. S., "Human physiology. The mechanisms of body function”, 5ª ed. McGraw-Hill Publishing Company, Nueva York, 1990: 349 -400). El SBF se preparó disolviendo 10,806 g de NaCl, 1,480 g de NaHCO3, 4,092 g de Na2CO3, 0,450 g de KCl, 0,460 g de K2HPO4.3H2O, 0,622 g de MgCl2.6H2O, 23,856 g de ácido 2-(4-(2-hidroxietil)-1-piperazinil)etanosulfónico (HEPES), 0,776 g de CaCl2 y 0,144 g de Na2SO4 en 2000 mL de agua desionizada. El HEPES se disolvió en 200 mL de agua desionizada antes de ser añadido a la solución. El pH final se ajustó en 7,40 a 37 °C con NaOH 1,0 M. Todos los productos químicos se obtuvieron de Merck (Suecia), excepto el NaCl y el Na2SO4 que se obtuvieron de Fluka (Suecia).

Tres juegos de muestras de titanio β esterilizadas con forma de moneda, un juego que ha sido sometido a la etapa b de acuerdo con la invención (denominada Superficie de la invención 1), un juego que ha sido sometido a la etapa b y la etapa c de acuerdo con la invención (Superficie de la invención 2 ), y un juego de referencia que representa una superficie disponible comercialmente (OsseoSpeed™, Astra Tech AB, Suecia), se sumergieron en 37 ml de SBF en viales de poliestireno de 50 mL separados y sellados (VWR, Suecia) a 37 °C Las muestras se montaron colgando en la tapa de los viales, dejando que el lado de la moneda a analizar se orientase hacia abajo sin estar en contacto con cualquier otro objeto. Después de tres días se interrumpió la inmersión SBF y las muestras se aclararon minuciosamente con agua desionizada para eliminar cualquier material de fosfato de calcio escasamente fijado. Las muestras se secaron después a temperatura ambiente en un banco de flujo de aire laminar. Tres muestras de cada juego no se sumergieron en SBF, sirviendo así como testigos.

(ii) Morfología de la apatita formada (SEM).

Los análisis de la posible formación de apatita se realizaron utilizando un microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM, XL 30, FEI). En las Fig. 25a (referencia), 26a (Superficie de la invención 1) y 27a (Superficie de la invención 2) se presentan imágenes de SEM de las estructuras de la superficie antes de la inmersión en SBF. Cuando se estudiaron las estructuras de la superficie después de la inmersión en SBF, se llegó a la conclusión de

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que se había formado una fina capa de fosfato de calcio en todos los juegos de muestras: referencia (Fig. 25b), Superficie de la invención 1 (Fig. 26 b) y Superficie de la invención 2 (Fig. 27b).

(iii) Evaluación química de la apatita formada (EDS).

Se utilizó espectroscopia de energía dispersiva (EDS, Apolo 40, EDAX) para el análisis químico de las muestras

5 antes y después de la formación de apatita. Analizando la señal de titanio, pudo evaluarse indirectamente el grado de cobertura de las muestras por fosfatos de calcio. La Superficie de la invención 2 mostró la mayor disminución en la señal de titanio (Fig. 28) después de la inmersión en SBF, indicando así la más extensa formación de apatita entre los juegos de muestras investigadas.

También se utilizó EDS para el cálculo de la relación Ca/P con el fin de estimar la prevalencia relativa de fosfatos de

10 calcio amorfos y cristalinos. Las relaciones Ca/P se presentan en la Fig. 29. Las relaciones Ca/P resultantes indican un grado de cristalinidad de apatita formada en la Superficie de la invención 1 y la Superficie de la invención 2 mayor que en la superficie de referencia. Las relaciones atómicas estequiométricas Ca/P de fosfato tricálcico (Ca3(PO4)2) e hidroxiapatita (Ca5(PO4)3OH) son 1,5 y 1,67, respectivamente.

En resumen, la formación temprana de apatita se encontró en todos los grupos de muestras, mostrando la Superficie 15 de la invención 2 el mayor grado de cobertura de apatita, como se concluye por la señal de titanio (Fig. 28).

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   REIVINDICACIONES

   1.

   Un componente biocompatible que comprende un sustrato que tiene una superficie que tiene una estructura de superficie jerárquica que comprende una microestructura y una nanoestructura primaria superpuesta sobre dicha microestructura, caracterizado porque se superpone una nanoestructura secundaria sobre dicha nanoestructura primaria, y porque la nanoestructura secundaria comprende óxido metálico.

2. 2.

   Un componente biocompatible según la reivindicación 1ª, en donde dicha microestructura comprende picaduras separadas por mesetas y/o crestas.

3. 3.

   Un componente biocompatible según las reivindicaciones 1ª o 2ª, en donde dicha microestructura tiene un diámetro de las picaduras en el intervalo de 0,5 a 15 µm, preferiblemente en el intervalo de 1 a 10 µm; una profundidad en el intervalo de 9,1 a 2,5 µm, y preferiblemente en el intervalo de 0,1 a 1 µm; y una distancia entre picaduras mutuamente adyacentes en el intervalo de 0 a 10 µm.

4. 4.

   Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la nanoestructura primaria comprende una multitud de depresiones poco profundas dispuestas en una formación de tipo ondulado.

5. 5.

   Un componente biocompatible según la reivindicación 4ª, en donde las depresiones de dicha nanoestructura primaria tienen un diámetro en el intervalo de 10 nm a 1 µm, preferiblemente en el intervalo de 10 nm a 600 nM, y más preferiblemente en el intervalo de 10 nm a 500 nm; y una profundidad en el intervalo de 10 nm a 300 nm, preferiblemente en el intervalo de 30 nm a 150 nm.

6. 6.

   Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la nanoestructura secundaria comprende protuberancias discretas que tienen la forma de picos redondeados.

7. 7.

   Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la nanoestructura secundaria tiene un diámetro de pico en el intervalo de 20 a 550 nm, preferiblemente en el intervalo de 20 a 150 nm, una altura de pico media en el intervalo de 5 a 200, preferiblemente en el intervalo de 5 a 100 nm; y una distancia entre picos en el intervalo de 10 a 450 nm, preferiblemente en el intervalo de 40 a 200 nm.

8. 8.

   Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la nanoestructura secundaria tiene una densidad de picos en el intervalo de 15 a 150 picos/µm2, y preferiblemente en el intervalo de 50 a 130 picos/µm2.

9. 9.

   Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la microestructura y la nanoestructura primaria están formadas de óxido metálico, preferiblemente óxido de titanio.

10. 10.

    Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la nanoestructura secundaria consiste en óxido metálico.

11. 11.

    Un componente biocompatible según la reivindicación 10ª, en donde el óxido metálico es un óxido metálico precipitado, preferiblemente óxido de titanio.

12. 12.

    Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho sustrato consiste al menos parcialmente en titanio o una aleación de titanio.

13. 13.

    Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la superficie comprende un material potenciador del crecimiento óseo, que comprende preferiblemente iones metálicos

    o una sal de los mismos elegidos entre el grupo que consiste en iones titanio, iones magnesio, iones calcio, iones litio, iones estroncio, o cualquier combinación de los mismos.

14. 14.

    Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho componente es un componente dental elegido entre el grupo que consiste en un implante, una fijación, un pilar, un implante de una pieza, y combinaciones de los mismos.

15. 15.

    Un componente biocompatible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho componente es un componente ortopédico.

    22