ES2837425T3

ES2837425T3 - Molde de sustituto óseo mineral estructurado

Info

Publication number: ES2837425T3
Application number: ES17205669T
Authority: ES
Inventors: Berthold Nies
Original assignee: InnoTERE GmbH
Current assignee: InnoTERE GmbH
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: DE102016224453B4; DE102016224453A1; US20180161477A1; EP3332815A1; EP3332815B1

Abstract

Moldes de sustituto óseo mineral estructurado con un sistema de poros de interconexión definido y una estructura predeterminada, hechos de un cemento óseo mineral anhidro que contiene compuestos de calcio y/o magnesio y de entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de iones de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes, donde el sistema de poros de interconexión definido presenta en al menos una dimensión un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio de al menos 50.000 μm2 y un diámetro de poro promedio de al menos 250 μm con respecto a una sección transversal circular, donde el sistema de poros de interconexión definido en al menos una dimensión presenta un sistema de poros interconectados con poros con una sección transversal de poro promedio máxima de 785.000 μm2 y un diámetro de poro promedio máximo de 1000 μm con respecto a la sección transversal circular.

Description

DESCRIPCIÓN

Molde de sustituto óseo mineral estructurado

La presente invención se refiere a un molde de sustituto óseo mineral estructurado con un sistema de poros de interconexión definido y una estructura predeterminada, un procedimiento para producir moldes de sustituto óseo mineral estructurado mediante un proceso de impresión 3D y su uso para producir un implante aloplástico o como material de soporte cultivos celulares, cultivos tisulares y/o ingeniería de tejidos ex vivo.

Desde hace muchos años, la medicina regenerativa ha estado investigando el desarrollo de materiales para implantes bioabsorbibles con el fin de evitar costosas operaciones de extracción de implantes insertados. Los materiales bioabsorbibles tienen la propiedad de degradarse gradualmente después de su implantación en el organismo por medio de mecanismos enzimáticos o celulares en el marco del metabolismo natural. Los productos de degradación resultantes son absorbidos en gran medida por el molde.

Las soluciones tradicionales para proporcionar aloplásticos, es decir, materiales para implantes artificiales exógenos, suelen estar basados principalmente en fosfatos de calcio, que se producen por precipitación o mediante procesos de alta temperatura (sinterización de materiales de partida adecuados a temperaturas superiores a 500 °C). De hecho, la fabricación mediante procesos de alta temperatura proporciona materiales con una similitud material a los minerales óseos, pero conduce a cambios importantes en la estructura, como resultado de lo cual se deteriora la bioactividad y la reabsorción de un molde de sustituto óseo.

Una posible alternativa son los cementos óseos minerales, que se curan in situ mediante una reacción de fraguado hidráulico, es decir, una reacción con agua.

El documento US 6.642.285 B1 describe un cemento hidráulico para la producción de implantes óseos a partir de tres componentes que se emparejan entre sí y que, después de mezclarse, deben endurecerse lo más directamente posible para formar un sólido macroporoso. El primer componente es una fuente de calcio que, junto con una solución acuosa y un líquido hidrófobo, se endurece completamente en 60 minutos, donde el producto ya no tiene ninguna actividad hidráulica después del endurecimiento, es decir, no tiene lugar ninguna reacción adicional con el agua. El documento WO 2005/084 726 A1 describe un cemento óseo hidráulico que comprende un primer componente, partículas de fosfato cálcico pulverulentas, y un segundo componente, que consiste en agua. Cuando se mezclan los dos componentes, la composición fragua de forma en particular rápida en 1 a 20 minutos para formar un cemento óseo de fosfato cálcico sólido.

El documento WO 2008 148878 A2 describe pastas, suspensiones o dispersiones con una consistencia líquida a pastosa, que constan de un componente de cemento óseo mineral absorbible y un líquido vehículo, que son sustancialmente anhidros, para su uso como cementos óseos o materiales de sustituto óseo, donde la reacción de fraguado preferentemente tiene lugar completamente después de la implantación.

El documento DE 102013221575 B3 da a conocer moldes de sustituto óseo conformados dimensionalmente estables hechos de cemento óseo mineral con actividad hidráulica residual, un procedimiento para su producción, preferentemente mediante un procedimiento de impresión (3D), y su uso como implante óseo aloplástico. Además, los iones de estroncio se describen como una posible adición al componente de cemento óseo mineral reactivo.

Hofmann y col. describen cementos de fosfato de calcio como materiales de sustitutos óseos mecánicamente estables y que se pueden tallar, así como un procedimiento para producir el material de sustituto óseo de fosfato cálcico que comprende la mezcla de un a-fosfato tricálcico activado mecánicamente o una mezcla de fosfato tetracálcico y dicálcico anhidro con agua, el moldeo en un molde de fundición y el ajuste a 37 °C durante 1 a 4,5 h (Hofmann y col.

2007). La reacción de fraguado finaliza mediante extracción en etanol o mediante liofilización y fraguado completo después de la implantación con agua o suero.

Sorprendentemente, se ha encontrado que los moldes producidos de esta manera presentan propiedades mecánicas en particular buenas cuando el curado no tiene lugar en soluciones acuosas, sino en una atmósfera de vapor saturado a temperatura ambiente o temperaturas ligeramente elevadas (25-75 °C), pero especialmente por debajo de la temperatura de sinterización.

El documento WO 2012/101 428 A1 describe un procedimiento para producir monetita a partir de un componente sólido que consiste en una sal de calcio, como a-fosfato tricálcico, y un componente acuoso con un catión metálico monovalente o divalente y un anión halógeno a una temperatura de 37 °C, preferentemente en un período de 36 horas a 30 minutos. Además, el documento WO 2012/101 428 A1 describe el uso como material de sustituto óseo.

Sin embargo, los procesos actuales para la producción de materiales de sustituto óseo porosos presentan poca influencia sobre la disposición de los poros y su interconectividad. Ambos son de gran importancia para la integración rápida y sostenida del material de sustituto óseo en el hueso, como objetivo clínico importante.

Una posible alternativa es el proceso de impresión 3D, que permite nuevas formas técnicas de realizar estructuras de poros definidas en materiales de sustituto óseo porosos.

Lode y col. (Lode et al. 2012) describen que las preparaciones pastosas sin agua hechas de cementos minerales para huesos pueden imprimirse en moldes porosos mediante un proceso de impresión, que luego pueden endurecerse para formar moldes sólidos sumergiéndolos en soluciones acuosas.

El documento DE102013221575B3 describe moldes de sustituto óseo dimensionalmente estables con actividad hidráulica mediante el uso de líquidos vehículos poco hidrosolubles para mezclar una masa de cemento óseo maleable y dar forma preferentemente mediante un proceso de impresión 3D o un proceso de granulación. En el caso de los moldes de sustituto óseo conformados con actividad hidráulica remanente, parte de la reacción de fraguado de la preparación mineral cementosa tiene lugar en condiciones biológicas después de la implantación. De esta manera, se puede lograr una mayor bioactividad mediante la formación de una estructura similar a un hueso.

El proceso de impresión 3D todavía se utiliza en la denominada impresión en polvo. En este proceso, las mezclas de polvo de fosfato de calcio se aplican con una rasqueta en capas delgadas y se ponen en contacto con soluciones reactivas (líquido de fraguado) en los puntos a solidificar. Esto conduce a una solidificación localizada de la capa de polvo y, a través de repetidos raspados y contactos, a la construcción de estructuras en 3D. El polvo no solidificado forma el sistema de poros y se elimina, por ejemplo, soplando con aire comprimido. La estructura preconsolidada se convierte a continuación en un molde cerámico mediante una etapa de sinterización a temperaturas superiores a 500°C, lo que da como resultado una baja flexibilidad de la composición de las sustancias a imprimir debido a la conversión o destrucción en el proceso de sinterización final. Los productos finales típicos son moldes hechos de hidroxiapatita, fosfato tricálcico o fosfatos cálcicos bifásicos. Las desventajas de este proceso son la baja superficie específica de menos de 1 m2/g y la bioactividad limitada (debido a la necesaria etapa de sinterización) y las pequeñas dimensiones de los moldes producidos y la estrecha distribución de los poros, debido al tamaño y la complejidad de los problemas de limpieza en aumento del polvo no consolidado.

Por tanto, el objeto de la presente invención es proporcionar moldes de sustituto óseo conformados que se produzcan sin una etapa de sinterización de cerámica y que se conformen en condiciones controladas.

Otro objeto de la invención es proporcionar moldes de sustituto óseo conformados que estimulen el crecimiento óseo y presenten una estabilidad mecánica adecuada.

Según la invención, el objetivo se logra mediante el molde de sustituto óseo mineral estructurado con un sistema de poros de interconexión definido y una estructura predeterminada, hecho de un cemento óseo mineral anhidro que contiene compuestos de calcio y/o magnesio y entre un 0,5 % en moles y un 25 % en moles de iones de estroncio basados en el contenido total de cationes divalentes,

donde el sistema de poros de interconexión definido presenta en al menos una dimensión un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio de al menos 50.000 pm2 y un diámetro de poro promedio de al menos 250 pm con respecto a una sección transversal circular.

Según la invención, se entiende por sistema de poros de interconexión definido un sistema de poros coherente que, a diferencia de un sistema de poros estadístico, presenta un patrón definido. Se entiende por interconexión la conexión de los poros entre sí, con una sección transversal de al menos 50.000 pm2 en el punto de conexión entre dos poros. Según la invención, se entiende por estructura predeterminada una forma macroscópica que puede asumir cualquier geometría compleja diseñada mediante un proceso de impresión 3D.

En una realización, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado se construyen (apilan) a partir de varias capas sucesivas, que pueden asumir distintas formas geométricas, tales como, por ejemplo, circular, ovalada o angular. En una realización, las estructuras predeterminadas son formas geométricas, tales como cilindros, rectángulos, cuñas, discos o conos o formas anatómicamente adaptadas al hueso, conocidas a partir de los espaciadores para la columna vertebral. Los espaciadores para la columna vertebral son marcadores de posición hechos a máquina para el espacio intervertebral, que restauran la altura natural (fisiológica) del segmento del disco intervertebral.

Según la invención, el sistema de poros de interconexión definido presenta al menos en una dimensión un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio de al menos 50.000 |jm2 y un diámetro de poro promedio de al menos 250 jm con respecto a una sección transversal circular.

Según la invención, se entiende por dimensión la dimensión espacial de un molde. La dimensión se puede seleccionar entre largo, ancho o alto.

Las disposiciones de poros específicos y los volúmenes de poros específicos pueden determinarse ventajosamente mediante procesos de impresión 3D. En particular, el diseño de poros dirigidos se hace posible ventajosamente, de modo que el camino para el crecimiento del hueso nuevo para salvar un defecto óseo se pueda acortar al mínimo. En una realización adicional, el sistema de poros de interconexión definido presenta al menos en dos dimensiones un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio de al menos 50.000 jm 2 y un diámetro de poro promedio de al menos 250 jm con respecto a una sección transversal circular.

En una realización adicional, el sistema de poros de interconexión definido presenta al menos en tres dimensiones un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio de al menos 50.000 jm 2 y un diámetro de poro promedio de al menos 250 jm con respecto a una sección transversal circular.

En una realización, un máximo del 10 % de los poros del sistema de poros de interconexión definido presenta una sección transversal de poro promedio y un diámetro de poro promedio de entre el 50 y el 100 % de la sección transversal de poro promedio de al menos 50,000 jm 2 y el diámetro de poro promedio de al menos 250 jm, con respecto a una sección transversal circular de los poros.

En una realización preferida, el sistema de poros de interconexión definido presenta en al menos una dimensión, preferentemente en al menos dos dimensiones, muy en particular preferentemente en tres dimensiones, un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal media de poros de al menos 75.000 jm 2 y un diámetro medio de poro de al menos 300 jm en sección transversal circular.

Según la invención, el sistema de poros de interconexión definido presenta en al menos una dimensión, preferentemente en al menos dos dimensiones, muy en particular preferentemente en tres dimensiones, un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio máxima de 785.000 jm 2 y un diámetro de poro promedio máximo de 1000 jm con respecto a una sección transversal circular.

El aumento de la sección transversal media de los poros y del diámetro medio de los poros da como resultado una reducción de las propiedades mecánicas, en particular de la resistencia a la compresión, de los moldes de sustituto óseo mineral estructurados según la invención.

En una realización adicional, los moldes de sustituto óseo mineral estructurados según la invención presentan una porosidad total en el intervalo comprendido entre un 50 y un 85 %, preferentemente entre un 60 y un 75 %.

Se entiende por porosidad total la suma de la macroporosidad y la micro y la nanoporosidad. La porosidad total resulta de la relación de peso entre un molde curado y un molde con la densidad teórica de los fosfatos de calcio de 3,0 g/cm3. Se entiende por macroporosidad la suma de los poros visibles con un diámetro de poro de d > 100 pm, y por micro y nanoporosidad se entiende la suma de los poros microscópicamente visibles con un diámetro de poro de d < 10 pm. La macroporosidad resulta de la forma de la masa de cemento óseo e influye en el crecimiento de células y estructuras tisulares en el molde de sustituto óseo conformado. La micro y nanoporosidad resulta de la densidad de la masa de cemento óseo e influye en la superficie específica, que está relacionada con la adsorción de biomoléculas y la interacción con las células óseas.

En una realización adicional, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención presentan una macroporosidad en el intervalo comprendido entre 30 y 65 % y una microporosidad en el intervalo entre 20 y 35 %. En otra forma de realización, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención presentan una superficie específica de al menos 5 m2/g, preferentemente entre 5 y 50 m2/g.

La superficie específica de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención se puede determinar mediante medición BET y porosimetría de mercurio.

La medición BET (Brunauer-Emmett-Teller) es un procedimiento de análisis para determinar el tamaño de superficies mediante adsorción de gas, donde la superficie específica relacionada con la masa se calcula a partir de datos experimentales.

Se entiende por porosimetría de mercurio un procedimiento de análisis para determinar el tamaño de superficies utilizando un líquido no humectante como el mercurio. El tamaño de los poros se mide en función de la presión externa que es necesaria para forzar al líquido a entrar en un poro contra la tensión superficial del líquido y puede describirse mediante la ecuación de Washburn (Washburn, 1921). La distribución del tamaño de los poros se calcula a partir de las llamadas curvas de intrusión y extrusión.

Según la invención, se entiende por cemento óseo mineral anhidro un cemento óseo mineral que se mezcla sin adición de agua. Se entiende por cemento óseo mineral reactivo el al menos un componente sólido mineral u organomineral reactivo (componente de cemento óseo) que, al entrar en contacto con una solución acuosa o después de ser introducido en una solución acuosa, puede fraguarse en un proceso de fraguado para formar un sólido escasamente soluble.

Los cementos minerales para huesos constan de al menos un componente sólido mineral u organomineral reactivo (componente de cemento óseo), que puede fraguar en un sólido escasamente soluble en un proceso de fraguado cuando entra en contacto con una solución acuosa o después de introducirse en una solución acuosa.

Según la invención, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado se producen a partir de un cemento óseo mineral anhidro, que contiene compuestos de calcio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes o compuestos de magnesio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes, o compuestos de calcio y compuestos de magnesio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes.

Los moldes de sustituto óseo mineral estructurado se fabrican preferentemente a partir de un cemento óseo mineral anhidro que contiene entre 2 % en moles y 20 % en moles de iones de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes, de manera en particular preferida entre 5 % en moles y 15 % en moles de iones de estroncio. El crecimiento óseo en el molde de sustituto óseo mineral estructurado se mejora ventajosamente mediante los iones de estroncio y las propiedades mecánicas, en particular con los iones de estroncio se mejora la resistencia a la compresión del molde de sustituto óseo mineral estructurado.

En una realización, el molde de sustituto óseo mineral estructurado tiene una actividad hidráulica residual.

En el sentido de la invención, la actividad hidráulica indica la capacidad cualitativa de un molde de sustituto óseo mineral estructurado según la invención para iniciar una reacción química mediante la adición de agua y/o un componente que contenga agua, es decir, un proceso de fraguado.

En otra forma de realización, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado con actividad hidráulica residual contienen una proporción de cemento óseo mineral fraguado comprendida entre el 5 % en peso y el 90 % en peso, de manera en particular preferida entre el 10 % y el 80 % en peso, de manera muy en particular preferida entre el 30 % y el 70 % en peso.

La proporción de cemento óseo mineral fraguado se puede determinar mediante difractometría de rayos X (XRD). El procedimiento de Rietveld se puede utilizar para la cuantificación. El procedimiento de Rietveld se utiliza para el análisis de fase cuantitativo, es decir, la determinación cuantitativa de los componentes cristalinos de una muestra en polvo.

En una realización, el proceso de fraguado o la reacción química con agua y/o un componente que contenga agua se interrumpe eliminando el agua antes de que los componentes reactivos del cemento óseo mineral se conviertan completamente.

En una realización adicional, el contacto de un molde de sustituto óseo mineral estructurado según la invención con actividad hidráulica remanente con agua y/o un componente que contenga agua da como resultado la hidratación del componente de cemento óseo mineral reactivo restante, por lo que el proceso de fraguado interrumpido continúa.

En una realización adicional, un molde de sustituto óseo mineral estructurado según la invención con actividad hidráulica remanente no se pone en contacto de nuevo con agua y/o un componente que contenga agua hasta inmediatamente antes de su uso o durante o después de su uso, es decir, durante o después de la implantación en el molde.

Ventajosamente, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado con actividad hidráulica remanente tienen una alta actividad biológica. Según la invención, la actividad biológica denota la propiedad de formar una estructura cristalina similar al hueso al endurecerse en condiciones biológicas, lo que permite la interacción con los elementos orgánicos y celulares del nuevo hueso que se esté formando. Cuanto mayor sea la actividad hidráulica remanente en el momento de la aplicación, mayor será la actividad biológica. De esta manera, se puede proporcionar un molde de sustituto óseo mineral estructurado con una resistencia a la compresión y actividad biológica predeterminadas, adaptado a los requisitos del área clínica de uso respectiva.

En una realización, el molde de sustituto óseo mineral estructurado está completamente endurecido o completamente fraguado, es decir, no muestra actividad hidráulica. Este es el caso cuando se busca una estabilidad mecánica comparativamente alta.

En una realización, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado y completamente endurecidos tienen resistencias a la compresión de al menos 10 MPa.

Según la invención, la resistencia a la compresión denota la resistencia de un material a la acción de fuerzas de compresión. La resistencia a la compresión es el cociente de la carga de rotura y el área de la sección transversal A de una probeta. Se expresa como la fuerza por área (en Pa = N/m2). Si la tensión de compresión aplicada es mayor que la resistencia a la compresión de un molde, se destruirá. Además, se entiende por resistencia a la compresión la resistencia a la compresión uniaxial. La resistencia a la compresión se puede determinar en moldes definidos con lados superior e inferior plano paralelos en una máquina de prueba universal (Hegewald y Peschke) utilizando una celda de carga con una carga máxima de 20 kN y una velocidad de alimentación de 1 mm/min.

En una realización, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado completamente endurecidos presentan resistencias a la compresión en el intervalo comprendido entre 10 y 100 MPa, preferentemente en el intervalo entre 10 y 50 MPa, en particular preferentemente en el intervalo entre 10 y 25 MPa.

En una realización adicional, el molde de sustituto óseo mineral estructurado con actividad hidráulica remanente tiene al menos el 5 % de la resistencia a la compresión de un molde de sustituto óseo completamente fraguado hecho de los mismos componentes de cemento óseo mineral y con el mismo sistema de poros de interconexión definido y la misma estructura predeterminada. Un molde de sustituto óseo mineral estructurado con actividad hidráulica remanente y al menos el 5 % de la resistencia a la compresión de un molde de sustituto óseo totalmente fraguado presenta ventajosamente suficiente estabilidad dimensional como para soportar las cargas mecánicas que ocurran, p. ej., asociadas con el almacenamiento y el transporte.

Además, el objeto se logra mediante un procedimiento para la producción de moldes de sustituto óseo mineral estructurado, que comprende las etapas siguientes:

a) mezclar un cemento óseo mineral reactivo que comprende compuestos de calcio y/o magnesio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio con respecto al contenido total de cationes divalentes con un líquido vehículo anhidro para formar una masa de cemento óseo maleable,

b) dar forma a la masa de cemento óseo por medio de un proceso de impresión 3D para formar un molde de sustituto óseo mineral estructurado con una estructura predeterminada y un sistema de poros de interconexión definido,

donde el diámetro de las hebras de la masa de cemento óseo está comprendido entre 200 pm y 1200 pm, preferentemente entre 250 pm y 1000 pm y con especial preferencia entre 300 pm y 800 pm, y

donde la distancia de las hebras de la masa de cemento óseo está comprendida entre 200 pm y 1500 pm, preferentemente entre 250 pm y 1000 pm y con especial preferencia entre 300 pm y 800 pm,

c) iniciar el proceso de fraguado poniendo en contacto el molde de sustituto óseo con una solución acuosa o un ambiente saturado de vapor de agua,

d) terminar el proceso de fraguado por extracción sustancial del agua.

Ventajosamente, se obtienen moldes de sustituto óseo mineral estructurado mediante el procedimiento según la invención, donde se prescinde de una etapa de sinterización cerámica, cuya conformación se realiza en condiciones controladas, que se solidifican mediante un proceso de fraguado hidráulico hasta tal punto que se obtiene una estabilidad dimensional suficiente asegurada para el almacenamiento, transporte y las respectivas condiciones de implantación, por lo que los moldes de sustituto óseo se curan por completo antes, durante y/o después de la implantación.

Según la invención, el cemento óseo mineral reactivo comprende compuestos de calcio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes, o compuestos de magnesio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes, o compuestos de calcio y compuestos de magnesio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes.

En una realización del procedimiento según la invención, se obtiene una masa de cemento óseo moldeable homogénea en forma de una dispersión pastosa mezclando intensamente al menos un componente de cemento óseo mineral reactivo en polvo con un líquido vehículo anhidro.

En una realización del procedimiento según la invención, al menos una sustancia de entre el grupo de silicatos, fosfatos, sulfatos, carbonatos, óxidos y/o hidróxidos en combinación con iones de calcio e iones de estroncio o iones de magnesio e iones de estroncio o iones de calcio e iones de magnesio e iones de estroncio se utilizan como cemento óseo mineral reactivo.

En una forma de realización adicional del procedimiento según la invención, los compuestos de estroncio se seleccionan de entre carbonatos de estroncio, óxidos de estroncio, hidróxidos de estroncio y/o fosfatos de estroncio, los compuestos de estroncio se seleccionan preferentemente de entre SrCO3, SrHPO4, Sr2P2O7, Sr2(PO4)2 y Sr5(PO4)3OH.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, se selecciona al menos una sustancia como cemento óseo mineral reactivo de entre fosfatos de calcio, carbonatos de calcio, óxidos de calcio, hidróxidos de calcio, sulfatos de calcio, silicatos de calcio, fosfatos de magnesio, carbonatos de magnesio, carbonatos de hidróxido de magnesio, óxidos de magnesio y combinaciones análogas, que utiliza calcio y magnesio en distintas proporciones molares (especialmente calcio-magnesio-fosfato y carbonato de magnesio-calcio). Además, pueden estar presentes fosfatos alcalinos o amónicos hidrosolubles y también citratos alcalinos o amónicos, tartratos alcalinos o amónicos o silicatos alcalinos como reactivos o para influir en la reacción de fraguado.

En una realización preferida del procedimiento según la invención, como cemento óseo mineral reactivo se utiliza al menos una sustancia de entre el grupo de los fosfatos en combinación con iones calcio, magnesio o estroncio, incluidos fosfatos de hidrógeno y dihidrógeno.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, se utiliza al menos un fosfato en combinación con iones calcio como cemento óseo mineral reactivo, donde la relación molar entre el calcio y el fosfato es de al menos 1 y la relación molar entre cationes divalentes e iones fosfato es de al menos 1,35.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, se utilizan sales de calcio y/o magnesio del ácido ortofosfórico como cemento óseo mineral reactivo.

En otra realización del procedimiento según la invención, como cemento óseo mineral reactivo se utilizan mezclas de fosfatos de calcio y/o fosfatos de magnesio con carbonatos, óxidos o hidróxidos de calcio, magnesio o estroncio, o mezclas de carbonatos, óxidos o hidróxidos de calcio, magnesio o estroncio con fosfatos alcalinos (mono-, di- y trifosfatos alcalinos), mono- y difosfato de amonio o silicatos alcalinos.

Según la invención, el cemento óseo mineral reactivo comprende además un líquido vehículo anhidro.

Se entiende por líquido vehículo un líquido vehículo orgánico donde se dispersa el cemento óseo mineral reactivo, sin que tenga lugar ninguna reacción química. Se entiende que un líquido vehículo anhidro significa un líquido vehículo orgánico que tiene un contenido de agua de como máximo un 0,5 % (v/v).

Según la invención, el líquido vehículo anhidro es biocompatible, se prefieren los líquidos vehículos que ya se utilizan en productos médicos y productos farmacéuticos (en particular como adyuvantes) o sustancias que se encuentren en el cuerpo en condiciones naturales, se prefieren especialmente los adyuvantes farmacéuticos autorizados, en particular los autorizados para uso por vía parenteral, es decir, preparaciones estériles destinadas a inyección, infusión o implantación en el cuerpo humano o animal.

El líquido vehículo anhidro se selecciona de entre miristato de isopropilo, triglicéridos de cadena corta y media y ásteres de glicol de ácidos grasos de cadena corta y media.

Los triglicéridos o ásteres de ácidos grasos de cadena corta se entienden como compuestos de ácidos grasos con una longitud de entre 2 y 5 átomos de carbono cada uno. Los triglicéridos o ásteres de ácidos grasos de cadena media se entienden como compuestos de ácidos grasos con una longitud de entre 6 y 14 átomos de carbono cada uno. El líquido vehículo anhidro se selecciona preferentemente de entre triglicéridos de cadena corta o media, ásteres de ácidos grasos de cadena media de etilenglicol y propilenglicol, polímeros de etilenglicol, oligómeros de cadena corta de propilenglicol, copolímeros con unidades de etilenglicol y propilenglicol, mono y dimetil éteres de polietilenglicol, glicerina y sus éteres y ésteres hidrosolubles y di- y poliglicerina.

El líquido vehículo anhidro se selecciona de manera en particular preferida de entre ésteres de triglicéridos con ácidos grasos que presenten una media de menos de 14 átomos de carbono, polipropilenglicoles y ésteres de polipropilenglicoles y mono y diéteres de polipropilenglicoles con monoalcoholes y polietilenglicoles (PEG) con un peso molecular <1000, así como sus mono y diéteres.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, la proporción en peso de líquido vehículo anhidro basada en la masa total del cemento óseo mineral reactivo es de entre el 5 % en peso y el 25 % en peso, preferentemente de entre el 5 % en peso y el 20 % en peso, de forma especialmente preferente de entre el 5 % en peso y el 17,5 % en peso.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, la masa de cemento óseo moldeable contiene otras cargas y/o principios activos y principios activos farmacológicos que no intervienen en la reacción de fraguado. En otra forma de realización del procedimiento según la invención, el compuesto de cemento óseo moldeable contiene sustancias tensioactivas que se seleccionan de entre el grupo de tensioactivos.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, la masa de cemento óseo moldeable contiene al menos dos tensioactivos seleccionados de entre al menos dos de los grupos de tensioactivos aniónicos, catiónicos, anfóteros y no iónicos.

En una realización preferida del procedimiento según la invención, la composición de cemento óseo moldeable contiene al menos un tensioactivo aniónico y al menos uno no iónico.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, el tensioactivo aniónico se selecciona de entre ácidos grasos y sus sales, ésteres de ácidos grasos y sus sales, éteres de ácido carboxílico, ésteres de ácido fosfórico y sales de los mismos, acilaminoácidos y sales de los mismos, preferentemente a partir de un alcohol graso esterificado con ácido cítrico, ácido sulfúrico o ácido fosfórico, un mono o diglicérido o sus sales esterificado con ácido cítrico, ácido sulfúrico o ácido fosfórico o al menos un ácido graso o sus sales esterificado con ácido cítrico, ácido sulfúrico o ácido fosfórico.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, el tensioactivo no iónico se selecciona de entre alcoholes grasos, alcoholes grasos etoxilados, copolímeros de bloques de óxido de etileno/óxido de propileno, grasas y aceites etoxilados, ésteres de ácidos grasos de polietilenglicol, ésteres de sorbitán, ésteres de sorbitán etoxilados, monoésteres de poliglicerol y óxidos de amina, preferentemente un alcohol de ácido graso etoxilado, un éster de ácido graso de sorbitán etoxilado, con especial preferencia polisorbato 80, una grasa etoxilada o un aceite etoxilado, con especial preferencia aceite de ricino polietoxilado.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, la masa total de los tensioactivos no iónicos es al menos dos veces la masa total de los tensioactivos aniónicos.

Las sustancias tensioactivas (tensioactivos) apoyan o permiten ventajosamente la penetración de agua o vapor de agua o humedad atmosférica en la masa de cemento óseo conformado o el molde de sustituto óseo mineral estructurado con actividad hidráulica para iniciar y avanzar la reacción de fraguado.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, un componente adicional del cemento óseo mineral reactivo es al menos un acelerador de fraguado.

El tiempo de fraguado y la curva del valor de pH durante la reacción de fraguado del cemento óseo mineral reactivo se ajustan ventajosamente mediante aceleradores de fraguado.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, el al menos un acelerador de fraguado se selecciona de entre sales de fosfato, ácidos orgánicos o sales de ácidos orgánicos, preferentemente de fosfatos que contienen iones de sodio y/o potasio o iones de amonio o sales que contienen iones de sodio y/o potasio o iones de amonio de ácidos orgánicos y sus mezclas entre sí, de manera especialmente preferente hidrogenofosfatos, muy especialmente preferentemente hidrogenofosfato de amonio, sodio o potasio.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, el al menos un acelerador de fraguado contiene una fracción de masa (en relación con la masa del polvo de cemento mineral) comprendida entre 0,1 % y 5 %, de manera especialmente preferente entre 0,2 % y 4 %, muy especialmente preferentemente entre 0,5 % y3,5 % en el cemento óseo mineral reactivo según la invención.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, un componente adicional del cemento óseo mineral reactivo es al menos un principio activo farmacológico.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, los principios activos farmacológicos se seleccionan de entre antibióticos, antisépticos, péptidos antimicrobianos o proteínas antimicrobianas, ácidos nucleicos, preferentemente ARNip; principios activos antirreabsorción, preferentemente bisfosfonatos, corticoides, fluoruros, inhibidores de la bomba de protones; hormona paratiroidea y sus derivados, principios activos estimulantes del crecimiento óseo, preferentemente factores de crecimiento, vitaminas, hormonas, morfógenos, especialmente preferentemente proteínas y péptidos morfogenéticos óseos; y principios activos angiogénicos, preferentemente factores de crecimiento de fibroblastos tales como aFGF, bFGF o FGF18; sustancias antiinflamatorias y antitumorales. Los moldes de sustituto óseo mineral estructurado son ventajosamente en particular adecuados como portadores de principios activos farmacológicos, ya que se consigue una liberación gradual del principio activo mediante la reabsorción del cemento óseo mineral.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, un componente adicional del cemento óseo mineral reactivo es al menos una carga seleccionada de entre sustancias minerales y orgánicas.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, la al menos una carga es hidrosoluble. El uso de cargas hidrosolubles fija ventajosamente la porosidad del sólido formado durante el proceso de fraguado con agua. En una realización adicional del procedimiento según la invención, las cargas hidrosolubles se seleccionan de entre azúcares, preferentemente sacarosa; alcoholes de azúcar, preferentemente sorbitol, xilitol, manitol; sales hidrosolubles, preferentemente cloruro de sodio, carbonato de sodio, carbonato de amonio o cloruro de calcio.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, la carga hidrosoluble tiene un tamaño de partícula comprendido entre 10 pm y 2000 pm, preferentemente entre 100 pm y 1000 pm.

En otra forma de realización del procedimiento según la invención, el cemento óseo mineral reactivo contiene entre un 5 % en volumen y un 90 % en volumen de cargas hidrosolubles, preferentemente entre un 10 % y un 80 % en volumen, con respecto al volumen total del cemento óseo mineral reactivo.

En una realización adicional del procedimiento según la invención, un componente adicional del cemento óseo mineral reactivo es al menos un aditivo polimérico seleccionado de entre quitosano, ácido hialurónico, gelatina, colágeno, sulfato de condroitina, derivados de celulosa, derivados de almidón, alginato, acrilatos hidrosolubles, polietilenglicol, óxido de polietileno, copolímeros de PEG-PPG, polivinilpirrolidona y copolímeros de acrilatos hidrosolubles con polietilenglicol y/u óxido de polietileno.

En otra realización del procedimiento según la invención, todos los componentes del cemento óseo mineral reactivo son reabsorbibles.

Según la invención, la conformación de la masa de cemento óseo se realiza mediante un proceso de impresión 3D para formar un molde de sustituto óseo mineral estructurado. Un proceso de impresión 3D es un proceso de impresión basado en extrusión donde se dispensan materiales pastosos o muy viscosos a través de agujas dosificadoras y se depositan como hebras en capas sucesivas (apiladas) para formar objetos tridimensionales.

La masa de cemento óseo se moldea mediante un proceso de impresión 3D para formar un molde de sustituto óseo mineral estructurado mediante un proceso de diseño asistido por ordenador (CAD, del inglés computer-aided design)/fabricación asistida por ordenador (CAM, del inglés computer-aided manufacturing).

El proceso CAD/CAM es la combinación de diseño asistido por ordenador, es decir, el diseño y construcción de un modelo virtual de objetos tridimensionales con la ayuda de un ordenador, entendido con la fabricación asistida por ordenador.

Un molde de sustituto óseo mineral estructurado con una estructura predeterminada y un sistema de poros de interconexión definido se produce ventajosamente de una manera muy flexible mediante impresión 3D.

En una realización, la masa de cemento óseo se moldea mediante impresión 3D en patrones definidos o un sistema de poros de interconexión definido variando la posición de las hebras, el espaciado de las hebras, la orientación de las capas entre sí (ángulos) y el almacenamiento de las capas múltiples de los mismos planos de hebra.

En otra forma de realización, la conformación de la masa de cemento óseo se realiza mediante la deposición de entre 4 y 1000 capas, preferentemente entre 10 y 500 capas, muy en particular preferentemente entre 10 y 100 capas. En una realización adicional, la conformación de la masa de cemento óseo tiene lugar mediante la deposición de capas en una orientación en un ángulo comprendido entre 0° y 90° en comparación con la capa subyacente.

En una realización adicional, la orientación de las capas se cambia después de cada capa o cada segunda capa. En una realización adicional, la orientación de las capas entre sí se cambia en un ángulo comprendido entre 0° y 90°, preferentemente de 15°, 45°, 60° o 90°.

En una realización adicional, las hebras se depositan alternativamente en una orientación en un ángulo de 90° en comparación con la capa subyacente.

En una realización adicional, en al menos el 50 % en volumen del molde de sustituto óseo mineral estructurado, las hebras se depositan alternativamente en una orientación en un ángulo de 90 ° en comparación con la capa subyacente. En una realización adicional, se realizan orificios para los elementos de fijación porque no se depositan hebras en estos puntos o las hebras se depositan alrededor del orificio y, si es necesario, se depositan otras hebras para el refuerzo del material.

El sistema de poros interconectados logra ventajosamente la integración más rápida y completa posible de los huesos, ya que la distancia para el crecimiento del hueso es mínima debido al sistema de poros rectos.

Según la invención, el proceso de fraguado se inicia al poner en contacto el molde de sustituto óseo conformado con una solución acuosa o una atmósfera de vapor de agua saturada.

En una realización adicional, el proceso de fraguado se inicia en una atmósfera de vapor de agua saturada con al menos un 90 % de humedad relativa.

En una realización adicional, el proceso de fraguado se inicia a una temperatura comprendida entre 0°C y 150°C, preferentemente entre 25°C y 75°C.

En una realización adicional, el proceso de fraguado tiene lugar en varias etapas, donde el proceso de fraguado se inicia en una atmósfera saturada de vapor de agua y el proceso de fraguado continua en al menos una etapa adicional en al menos una solución acuosa. Las etapas pueden seguirse unas a otras directamente o a intervalos.

En una realización adicional, la solución acuosa contiene al menos un aditivo seleccionado de entre una solución tampón, una sal orgánica y/o inorgánica, una proteína, una preparación celular, un principio activo biológico, recombinante o farmacológico, un ácido nucleico, una mezcla para iniciar o continuar el proceso de fraguado de ácidos nucleicos, un aminoácido, un aminoácido modificado, una vitamina y una mezcla de estos.

En una realización adicional, el proceso de fraguado tiene lugar en una atmósfera de vapor de agua saturada con al menos un 90 % de humedad relativa durante entre 12 h y 7 días, preferentemente entre 18 h y 4 días. En una realización adicional, el proceso de fraguado tiene lugar a una temperatura comprendida entre 20°C y 80°C, preferentemente entre 37°C y 50°C.

En una realización adicional, al menos parte del proceso de fraguado tiene lugar a temperatura elevada (>100°C) y bajo presión elevada (>1 bar) en el autoclave y al mismo tiempo sirve para esterilizar el molde de sustituto óseo mineral estructurado.

En una realización, el proceso de fraguado se termina mediante la eliminación sustancial de agua a una temperatura comprendida entre 0°C y 150°C mediante un proceso de secado o reemplazando el agua con al menos un disolvente volátil toxicológicamente seguro, preferentemente seleccionado de entre acetona y alcoholes inferiores, muy especialmente preferentemente acetona.

Según la invención, se entiende por agua sustancialmente eliminable el agua unida físicamente o condensada. Los alcoholes inferiores son hidrocarburos saturados con un grupo hidroxilo (grupo OH) que presentan un máximo de 10 átomos de carbono (átomos de C), como metanol, etanol, isopropanol o propanol. El alcohol inferior es preferentemente etanol.

El disolvente altamente volátil toxicológicamente seguro, es ventajosamente miscible con agua y puede disolver el líquido vehículo anhidro. Ventajosamente, al sustituir el agua por al menos un disolvente volátil toxicológicamente seguro, tiene lugar la extracción sustancial de agua y la eliminación completa del líquido vehículo anhidro y otros adyuvantes, donde el experto en la materia seleccionará el disolvente volátil toxicológicamente seguro según las propiedades de solubilidad del líquido vehículo anhidro utilizado y del adyuvante. No se excluye una retención parcial del líquido vehículo y/o de los adyuvantes en el molde de sustituto óseo mineral estructurado según la invención. El uso de sustancias biocompatibles como vehículos líquidos y adyuvantes permite ventajosamente el uso de tales moldes de sustituto óseo mineral estructurado en el cuerpo humano.

En una realización adicional, la extracción sustancial de agua reemplazando el agua con al menos un disolvente volátil toxicológicamente seguro va seguida de un proceso de secado para eliminar los adyuvantes contenidos, el agua residual y el disolvente.

En una realización, el proceso de fraguado se termina mediante un proceso de secado, donde se produce una variación de los parámetros ambientales físicos, preferentemente mediante la reducción de la presión y/o el aumento de la temperatura o liofilizando.

En una realización adicional, la eliminación sustancial de agua tiene lugar mediante su consumo en la reacción de fraguado químico, donde la proporción existente de agua unida físicamente se convierte completamente en agua unida químicamente. En esta realización, se pone a disposición menos agua durante el inicio del proceso de fraguado de la que sería necesaria para la reacción de fraguado completa.

En una realización adicional, la extracción sustancial de agua se interrumpe antes de que la reacción de fraguado finalice por completo, donde se produce un molde de sustituto óseo mineral estructurado con actividad hidráulica remanente.

Los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención son ventajosamente deformables plásticamente antes del primer contacto con una solución acuosa o una atmósfera de vapor de agua saturada, pero los moldes de sustituto óseo mineral estructurado son dimensionalmente estables con una actividad hidráulica remanente, por lo que el molde de sustituto óseo con actividad hidráulica remanente presenta resistencia mecánica suficiente para el transporte, el almacenamiento y la implantación. La dureza y la resistencia a la compresión del molde de sustituto óseo con actividad hidráulica remanente aún pueden ser considerablemente inferiores a la de un molde de sustituto óseo completamente fraguado hecho de los mismos componentes de cemento óseo mineral y con el mismo sistema de poros de interconexión definido y la misma estructura predeterminada, por lo que la conformación y/o estructuración de un implante sobre la base de un molde de sustituto óseo conformado de acuerdo con la invención para la adaptación al defecto del hueso se facilita al usuario final (p. ej., cirujano), por ejemplo, mediante tallado con instrumental quirúrgico (p. ej., bisturí).

En una realización adicional, el molde de sustituto óseo mineral estructurado con actividad hidráulica remanente se endurece completamente, después del inicio y la finalización del proceso de fraguado, por contacto renovado con un líquido acuoso que contiene componentes biológicos y/o principios activos farmacológicos y/o células cultivadas o aisladas.

El procedimiento según la invención para la producción de moldes de sustituto óseo mineral estructurado se lleva a cabo ventajosamente en condiciones moderadas (temperaturas entre 0°C y 150°C, preferentemente entre 25°C y 75°C), por lo cual los moldes de sustituto óseo mineral estructurado son en particular adecuados como vehículos para principios activos farmacológicos, ya que se retienen principios activos farmacológicos sensibles a la temperatura tales como péptidos y proteínas, ácidos nucleicos o preparaciones celulares. Además, las reacciones impredecibles entre los fosfatos de calcio y los compuestos de estroncio se evitan ventajosamente mediante las condiciones moderadas. El proceso según la invención consigue ventajosamente un alto nivel de precisión dimensional en los moldes, donde no se producen roturas de hebras ni cambios de superficie en las hebras individuales.

Otro aspecto de la invención se refiere al uso de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención para producir un implante aloplástico.

Se entiende por implante aloplástico un implante hecho de materiales artificiales exógenos.

También se describe en esta invención, pero sin caer dentro del campo de la invención reivindicada, el uso del molde de sustituto óseo mineral estructurado según la invención como un material de implante aloplástico para rellenar defectos óseos. Los defectos óseos pueden ser congénitos o producirse como consecuencia de accidentes, tras intervenciones quirúrgicas, especialmente tras la extirpación de tumores óseos, quistes, sustitución de prótesis, osteotomías de conversión, etc.

También se describe en esta invención, pero sin caer dentro del campo de la invención reivindicada, el uso de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención en cirugía oral y maxilofacial para construir huesos nuevos, p. ej., formación de crestas, elevación de los senos nasales o relleno de las cavidades de extracción. También se describe en esta invención, pero sin caer dentro del campo de la invención reivindicada, el uso de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención en ortopedia, cirugía traumatológica y cirugía vertebral para rellenar defectos óseos de todo tipo.

Ventajosamente, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención tienen una porosidad definida, bioactividad aumentada, propiedades mecánicas definidas, fácil trabajabilidad intraoperatoria y buena combinabilidad con sustancias biológicas, células óseas y principios activos farmacológicos en comparación con otros materiales de sustituto óseo biológicos y aloplásticos actualmente en uso.

En una realización adicional, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención se utilizan como material de soporte en cultivo celular, preferentemente para el cultivo de células óseas, cultivo tisular y/o ingeniería de tejidos ex vivo.

Se entiende por ingeniería de tejidos la construcción de tejidos o el cultivo de tejidos, en los que el tejido biológico se va a producir artificialmente mediante un cultivo dirigido de células.

En una forma de realización adicional, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención se utilizan como materiales de soporte en biotecnología, preferentemente para el cultivo de células bacterianas o de levadura, las cuales se pueden introducir en el material de soporte durante el proceso de fabricación.

En una realización adicional, el molde de sustituto óseo mineral estructurado según la invención se usa como material de soporte para la ingeniería de tejidos ex vivo, donde el molde de sustituto óseo mineral estructurado se coloniza e incuba in vitro según la invención con células óseas, preferentemente células óseas o células madre autólogas, en condiciones estériles, donde las células pueden multiplicarse. Una vez finalizado el cultivo, se obtiene un implante autólogo de sustituto óseo, especialmente indicado para la regeneración de grandes defectos óseos.

Se entiende por autólogo «pertenecer al mismo individuo».

En una realización adicional, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención se utilizan como material de soporte para la ingeniería de tejidos ex vivo en un biorreactor.

Ventajosamente, los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención presentan buenos requisitos previos para este uso, en particular, además de las propiedades mencionadas anteriormente, la forma variable sin limitación tecnológica de tamaño con un sistema de poros interconectados por completo simultáneamente, que es un requisito previo decisivo para una buena perfusión con medio de cultivo en el biorreactor.

Otra aplicación es la limpieza de aguas (residuales) de metales pesadosy sustancias orgánicas.

Para la implementación de la invención también es conveniente combinar las realizaciones y características de las reivindicaciones descritas anteriormente.

Ejemplos de realización

La invención se explicará con más detalle a continuación con la ayuda de algunos ejemplos de realización y figuras asociadas. Los ejemplos de realización están destinados a describir la invención sin restringirla.

Donde

la figura 1 muestra una ilustración de un molde de sustituto óseo cilíndrico y en forma de cuña,

la figura 2 muestra el resultado de la evaluación histomorfométrica estadística de la integración ósea de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado (ejemplo de referencia) y los moldes de sustituto óseo mineral estructurado con compuestos de estroncio después de un tiempo de implantación de 6 meses.

Producción de moldes de sustituto óseo mineral estructurado

Mezcla de cemento óseo mineral reactivo sin compuestos de estroncio (ejemplo de referencia):

El cemento óseo mineral reactivo se produjo mezclando 60 % en peso de a-fosfato tricálcico (a-Ca3(PO4)2), 26 % en peso de hidrogenofosfato de calcio (Monetit, CaHPO4), 10 % en peso de carbonato de calcio (CaCO3), 4 % en peso de hidroxiapatita precipitada (Ca10(PO4)6(OH)2) con la adición de 2,5 % en peso de hidrogenofosfato de potasio (K²HPO⁴) finamente molido y la producción de una pasta con un triglicérido de cadena corta/media (Miglyol 812, Casar und Lorenz, Hilden, Alemania), Cremophor ELP (BASF, Ludwigshafen, Alemania) y hexadecil fosfato (cetilfosfato, Amphisol A, Brenntag AG, Mühlheim an der Ruhr, Alemania) con una relación entre polvo y líquido de 6:1.

Mezclar un cemento óseo mineral reactivo con un compuesto de estroncio:

El cemento óseo mineral reactivo se produjo mezclando 60 % en peso de a-fosfato tricálcico(a-Ca3(PO4)2), 26 % en peso de hidrogenofosfato de calcio (Monetit, CaHPO4), 10 % en peso de carbonato de estroncio (SrCO3), 4 % en peso de hidroxiapatita precipitada (Ca10(PO4)6(OH)2) con la adición de un 2,5 % en peso de hidrogenofosfato de potasio finamente molido (K²HPO⁴) y la producción de una pasta con un triglicérido de cadena corta/media Miglyol 812, Cremophor ELP y hexadecil fosfato con una relación entre polvo y líquido de 6:1.

Dar forma al compuesto de cemento óseo:

La masa de cemento óseo maleable o el cemento óseo mineral reactivo se introdujeron en cartuchos de presión de 10 ml con una aguja dispensadora de 0,41 mm (Nordson, Dettingen unter Teck, Alemania). Se utilizó una impresora Discovery 3D (regenHU, Villaz-St-Pierre, Suiza) para producir los moldes de sustituto óseo mineral estructurado. El diseño del molde de sustituto óseo se basa en la guía serpenteante de la aguja dispensadora y, por lo tanto, en el almacenamiento de hebras para producir el esbozo. La expansión tridimensional tuvo lugar a través de capas ortogonales alternas, donde se produjeron moldes de sustituto óseo cilíndricos (diámetro de 9,2 mm, altura de 15 mm) y en forma de cuña (dimensiones ortogonales de 24 mm y 14 mm, altura 6 mm) (figura 1). El diámetro de la hebra corresponde al diámetro de la aguja dispensadora. El sistema de poros se definió mediante espaciamientos de varillas de 0,59 mm.

La figura 1 muestra, en una vista lateral (A) y una vista desde arriba (B) del molde de sustituto óseo, la deposición precisa de la hebra y el sistema de poros de interconexión definido.

Proceso de fraguado:

Después de la conformación de la masa de cemento óseo, la incubación se llevó a cabo en una atmósfera de vapor de agua saturado con un 95 % de humedad relativa a 50°C durante 4 días y la posterior incubación en solución salina al 0,9 % a 37°C durante 14 días para producir un molde de sustituto óseo mineral estructurado curado por completo. Terminación del proceso de fraguado:

El proceso de fraguado se terminó lavando el molde de sustituto óseo endurecido tres veces con acetona (99,5 %) y luego secándolo a 50°C en una estufa de secado a presión atmosférica.

Caracterización de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado

Determinación de la proporción de cemento óseo mineral fraguado mediante difractometría de rayos X (XRD):

El grado de conversión se puede determinar a partir del contenido de a-TCP determinado por difracción de rayos X. Después del curado completo, no se puede ver ningún pico de a-TCP en el patrón de difracción de rayos X. Los picos de calcita (CaCO3) y monetita (CaHPO4) tampoco son detectables o solo pueden indicarse.

Determinación de la macroporosidad:

El cálculo de la macroporosidad se basa en la densidad (pasta CPC aprox. 2,0 g/cm3) en relación con la masa y el volumen de las molduras.

La macroporosidad del molde de sustituto óseo mineral estructurado es del 50 % con una densidad del molde de 1,0 g/cm3.

Determinación de la superficie específica mediante medición BET:

El área de superficie específica de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado se determinó utilizando el procedimiento de absorción de gas de Brunauer-Emmet-Teller (procedimiento BET). Se produjeron moldes porosos de 20 mm x 10 mm x 10 mm con un grosor de hebra de 0,33 mm de una manera análoga al proceso descrito anteriormente para la conformación y el tratamiento posterior. A continuación, los moldes se trituraron y se transfirieron al sistema de medición BET como muestra. La medición se realiza de forma totalmente automática. Los resultados se emiten como un protocolo:

Determinación de la resistencia a la compresión:

Se usó una máquina de ensayo universal como la de Hegewald & Peschke que usa una celda de carga de 20 kN con una velocidad de alimentación de 1 mm/min para determinar la resistencia a la compresión de los moldes de sustituto óseo según la invención.

La resistencia a la compresión de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado sin compuestos de estroncio es de 10 MPa (ejemplo de referencia) y la de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención con compuestos de estroncio es de 18 MPa.

Pruebas in vivo:

El estudio con animales se realizó por el comité de ética local (Consejo Regional de Tübingen, Alemania, No. 1142) y según las recomendaciones internacionales para el cuidado y uso de animales de laboratorio (directrices ARRIVE y Directiva de la UE 2010/63/EU para experimentos con animales). Para el estudio se utilizó un total de 14 ovejas merinas hembras (de 3 a 5 años, de 70 a 110 kg). Cada oveja recibió un molde de sustituto óseo mineral estructurado sin compuestos de estroncio (ejemplo de referencia) y un molde de sustituto óseo mineral estructurado según la invención con compuestos de estroncio, cada una en una extremidad posterior. Los moldes de sustituto óseo se implantaron en un defecto de perforación en la cabeza femoral distal (condiciones sin carga) y en la metáfisis tibial (condiciones con carga). Los defectos vacíos se omitieron porque ya se ha demostrado que ambos modelos de defectos presentan un tamaño crítico y no se curan durante la investigación (Kanter et al. 2016; Harms et al. 2012); y así se reduce el número de animales de prueba. Después de 6 y 26 semanas, las ovejas fueron sacrificadas (n = 7 por grupo) y se extrajeron el fémur y la tibia y se prepararon para análisis histológico y de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX, del inglés energy dispersive X-ray spectroscopy).

Procedimiento quirúrgico:

Todas las intervenciones quirúrgicas se realizaron bajo anestesia general. Las ovejas se pretrataron por vía intramuscular con 0,2 mg/kg de hidrocloruro de xilazina (Rompun®, 2 %, Bayer Leverkusen, Alemania). La anestesia se indujo con una inyección intravenosa de 5,0 mg/kg de tiopental (Thiopental Inresa, Inresa GmbH, Freiburg, Alemania) y se mantuvo mediante inhalación de isoflurano (Forene®, Abbott GmbH, Wiesbaden, Alemania). Las ovejas recibieron 4,0 mg/kg de carprofeno (Rimadyl®, Pfizer, Karlsruhe, Alemania) para analgesia y 7,0 mg/kg de amoxicilina trihidrato (Veyxyl®, VeyxPharma GmbH, Schwarzenborn, Alemania) por vía subcutánea para la profilaxis antibiótica durante 4 días.

Los moldes de sustituto óseo mineral estructurado sin compuestos de estroncio (ejemplo de referencia) y los moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la invención con compuestos de estroncio se implantaron en la extremidad posterior derecha e izquierda, respectivamente. El procedimiento quirúrgico se realizó según Kanter y col. y Harms y col. (Kanter et al. 2016; Harms et al. 2012), donde se perforó un defecto con un diámetro de 10 mm y una profundidad de 15 mm en el hueso trabecular del fémur y un defecto en forma de cuña (ancho de 14 mm, largo de 24 mm, altura de 6 mm) en el hueso trabecular 3 mm por debajo del plano tibial medio. Los defectos se limpiaron cuidadosamente de partes óseas enjuagando con solución salina estéril y se insertaron los moldes de sustituto óseo. Para marcar el hueso recién formado, se inyectaron clorhidrato de tetraciclina (25 mg/kg de peso corporal) y verde de calceína (10 mg/kg de peso corporal) 2 y 4 semanas después de la implantación, si las ovejas fueron sacrificadas después de 6 semanas, y 8 y 16 semanas después de la implantación inyectada si las ovejas fueron sacrificadas después de 26 semanas.

Exámenes histológicos:

Se retiraron los implantes y aproximadamente 10 mm del hueso circundante y se prepararon para histología no descalcificada. Las muestras se fijaron en una solución tamponada de formaldehído al 4 %, se deshidrataron en una serie de soluciones con un contenido de etanol creciente y se embebieron en metacrilato (Merck KGaA, Darmstadt, Alemania). Se hicieron secciones de 70 pm y se tiñeron con Paragon (Paragon C&C, Nueva York, NY, EE. UU.) según protocolos estándar. Las muestras se examinaron con un objetivo de 50 aumentos bajo el microscopio óptico (Leica DM16000B, software MMAF versión 1.4.0 MetaMorph®, Leica, Heerbrugg, Suiza) y se evaluaron en un análisis a ciegas. Para el análisis de imágenes se utilizaron Photoshop (Adobe Systems, Mountain View, CA, EE. UU.) Y MATLAB® (MATLAB R2009b, TheMathsWorks Inc., Natick, Ma, EE. UU.). Se determinaron el área del molde de sustituto óseo, el hueso y el tejido conjuntivo, así como la superficie relativa del implante en contacto directo con el hueso.

Los osteoclastos se identificaron mediante tinción histológica de fosfatasa ácida resistente al tartrato (TRAP) después de descalcificar las muestras e incrustarlas en parafina según Recknagel y col. (Recknagel et al. 2013). Las células con al menos 3 núcleos de células que estaban ubicadas en el hueso o en el molde de sustituto óseo y fueron positivas a la tinción de TRAP se definieron como osteoclastos. Las células se contaron en 6 áreas visibles (aproximadamente 8 mm2) con un objetivo de 100 aumentos en el centro del implante. La distribución espacial del hueso marcado con tetraciclina y calceína se analizó bajo luz fluorescente para la determinación cualitativa del crecimiento óseo temporal. Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX):

El contenido de estroncio se determinó triturando las muestras incluidas en metacrilato y recubriéndolas con carbono (MED 010, Balzers Union, Dietenheim, Alemania). El análisis EDX se llevó a cabo con un microscopio electrónico de barrido Zeiss DSM 962 (Zeiss, Jena, Alemania) y el software Genesis Line/Map 6.44 (EDAX, Weiterstadt, Alemania). Los mapas espectrales se registraron con una tensión de aceleración de 20 kV.

Estadísticas:

Las diferencias entre los grupos de 6 semanas y 26 semanas se identificaron mediante la prueba U de Mann-Whitney no paramétrica. Para determinar las diferencias dentro de un período de implantación, la significación estadística se determinó mediante la prueba de intervalo con signo de Wilcoxon. Las estadísticas se realizaron utilizando el software SPSS (v21, SPSS Inc., Chicago, Illinois, EE. UU.). El nivel de significación se fijó en p < 0,05.

la figura 2 muestra el resultado de la evaluación histomorfométrica estadística de la integración ósea de los moldes de sustituto óseo mineral estructurado (ejemplo de referencia) y los moldes de sustituto óseo mineral estructurado con compuestos de estroncio después de un tiempo de implantación de 6 meses: Crecimiento óseo nuevo (A) y porción de tejido conjuntivo (B) en moldes de sustituto óseo mineral estructurado (ejemplo de referencia) (columnas blancas) y moldes de sustituto óseo mineral estructurado con compuestos de estroncio (columnas negras) en condiciones de estrés y descarga. (*, **) cada uno con una diferencia significativa p < 0,05.

Referencias citadas no pertenecientes a la patente

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C. Harms, K. Helms, T. Taschner, I. Stratos, A. Ignatius, T. Gerber et al. (2012) Osteogenic capacity of nanocrystalline bone cement in a weight-bearing defect at the ovine tibial metaphysis. Int. J. Nanomedicine. 7, 2883-2889.

S. Recknagel, R. Bindl, C. Brochhausen, M. Gockelmann, T. Wehner, P. Schoengrafetal. (2013) Systemic inflammation induced by a thoracic trauma alters the cellular composition of the early fracture callus. J. Trauma. Acute Care Surg., 74, 531-537.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Moldes de sustituto óseo mineral estructurado con un sistema de poros de interconexión definido y una estructura predeterminada,

hechos de un cemento óseo mineral anhidro que contiene compuestos de calcio y/o magnesio y de entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de iones de estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes,

donde el sistema de poros de interconexión definido presenta en al menos una dimensión un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio de al menos 50.000 pm2 y un diámetro de poro promedio de al menos 250 pm con respecto a una sección transversal circular, donde el sistema de poros de interconexión definido en al menos una dimensión presenta un sistema de poros interconectados con poros con una sección transversal de poro promedio máxima de 785.000 pm2 y un diámetro de poro promedio máximo de 1000 pm con respecto a la sección transversal circular.

2. Moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la reivindicación 1, caracterizados por que los moldes de sustituto óseo mineral estructurado presentan una porosidad total comprendida entre el 50 % y el 85 %.

3. Moldes de sustituto óseo mineral estructurado según la reivindicación 1 o 2, caracterizados por que los moldes de sustituto óseo mineral estructurado presentan una superficie específica de al menos 5 m2/g.

4. Moldes de sustituto óseo mineral estructurado según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizados por que los moldes de sustituto óseo mineral estructurado presentan entre un 2 % en moles y un 20 % en moles de iones estroncio, con respecto al contenido total de cationes divalentes.

5. Moldes de sustituto óseo mineral estructurado según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el sistema de poros de interconexión definido presenta en al menos dos dimensiones un sistema de poros de interconexión con poros con una sección transversal de poro promedio máxima de 785.000 pm2 y un diámetro de poro promedio máximo de 1000 pm con respecto a una sección transversal circular.

6. Un procedimiento para la producción de moldes de sustituto óseo mineral estructurados, que comprende las etapas siguientes:

a. mezclar un cemento óseo mineral reactivo que comprende compuestos de calcio y/o magnesio y entre 0,5 % en moles y 25 % en moles de compuestos de estroncio con respecto al contenido total de cationes divalentes con un líquido vehículo anhidro para formar una masa de cemento óseo maleable,

b. dar forma a la masa de cemento óseo por medio de un proceso de impresión 3D para formar un molde de sustituto óseo mineral estructurado con una estructura predeterminada y un sistema de poros de interconexión definido,

donde el diámetro de las hebras de la masa de cemento óseo está comprendido entre 200 pm y 1200 pm y donde la distancia de las hebras de la masa de cemento óseo está comprendida entre 250 pm y 1000 pm y c. iniciar el proceso de fraguado poniendo en contacto el molde de sustituto óseo con una solución acuosa o una atmósfera de vapor de agua saturada,

d. terminar el proceso de fraguado por extracción sustancial del agua.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por que como cemento óseo mineral reactivo se utiliza al menos una sustancia de entre el grupo de silicatos, fosfatos, sulfatos, carbonatos, óxidos y/o hidróxidos en combinación con iones de calcio y/o iones de magnesio e iones de estroncio.

8. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7, caracterizado por que como cemento óseo mineral reactivo se utiliza al menos un fosfato en combinación con iones de calcio, donde la relación molar entre el calcio y el fosfato es al menos 1 y la relación molar entre los cationes divalentes y los iones fosfato es al menos 1,35.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por que la solución acuosa para iniciar el proceso de fraguado contiene al menos un aditivo seleccionado de entre una solución tampón, una sal orgánica y/o inorgánica, una proteína, un preparado celular, un principio activo farmacológico biológico, o recombinante, un ácido nucleico, una mezcla de ácidos nucleicos, un aminoácido, un aminoácido modificado, una vitamina y una mezcla de estos.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado por que el proceso de fraguado se inicia en una atmósfera de vapor de agua saturada con al menos un 90 % de humedad relativa y una temperatura comprendida entre 0°C y 150°C.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 10, caracterizado por que el proceso de fraguado se termina mediante la eliminación sustancial de agua mediante un proceso de secado o sustituyendo el agua por al menos un disolvente volátil toxicológicamente seguro.

12. Utilización de un molde de sustituto óseo mineral estructurado según una de las reivindicaciones 1 a 5 para la fabricación de un implante aloplástico.

13. Utilización de un molde de sustituto óseo mineral estructurado según una de las reivindicaciones 1 a 5 como material de soporte en cultivos celulares y/o cultivos tisulares.

14. Utilización de un molde de sustituto óseo mineral estructurado según una de las reivindicaciones 1 a 5 como material de soporte en ingeniería de tejidos ex vivo.