ES2864404T3

ES2864404T3 - Implantes quirúrgicos que comprenden estructuras porosas con gradiente

Info

Publication number: ES2864404T3
Application number: ES18714768T
Authority: ES
Inventors: Steven Mullens; Lidia Protasova; Simge Danaci; Dirk Vangeneugden; Jasper Lefevere
Original assignee: Vito NV
Current assignee: Vito NV
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: JP7139349B2; WO2018178313A1; CN110494101B; CN110494101A; EP3600164B1; US11141278B2; PL3600164T3; JP2020515338A; US20200030102A1; EP3600164A1

Abstract

Implante (10) quirúrgico, que comprende una estructura (11) porosa con poros (20) interconectados para el crecimiento infiltrante de hueso al interior de la estructura porosa, en el que la estructura porosa comprende una disposición de fibras (13, 14) que están unidas entre sí, en el que las fibras están dispuestas en capas (151, 152, 153), estando las capas apiladas, en el que la estructura porosa comprende una superficie (111), en el que la superficie comprende diferentes regiones (112, 113) que tienen diferentes porosidades, estando las diferentes porosidades determinadas por la disposición de fibras, en el que la estructura (11) porosa está unida a una parte densa (12), caracterizado porque la superficie está ubicada opuesta a la parte densa.

Description

DESCRIPCIÓN

Implantes quirúrgicos que comprenden estructuras porosas con gradiente

Campo técnico

La presente invención se refiere a implantes quirúrgicos que comprenden una estructura de andamiaje para el crecimiento infiltrante de hueso. En particular, la presente invención se refiere a implantes quirúrgicos de la clase anterior en los que la estructura de andamiaje comprende una porosidad con gradiente.

Técnica anterior

A partir del artículo de revisión Graded/Gradient Porous Biomaterials, de Xigeng Miao y Dan Sun, Materials 2010, 3, 26-47, se sabe usar implantes porosos con gradiente para reparar tejido complejo de hueso-cartílago. La parte con tamaño de poro más grande se implanta en hueso para el crecimiento infiltrante de hueso, mientras que la parte con tamaño de poro más pequeño es para permitir que el cartílago crezca en su interior. Dicho de otro modo, el implante poroso con gradiente puede usarse para seleccionar o fomentar la unión de tipos de células específicos sobre y en el implante antes y/o después de la implantación. La parte para el crecimiento infiltrante de hueso y la parte para el crecimiento infiltrante de cartílago pueden realizarse de materiales diferentes. El gradiente de propiedades de material puede oscilar entre uno que es adecuado para soporte de carga y uno que es adecuado para regeneración de tejido blando.

El documento US 4978355 describe una rejilla de metal incorporada en la superficie de contacto de un implante de plástico. Una superficie de anclaje adicional para la entrada de tejido óseo está fijada a la rejilla incorporada. La superficie de anclaje está formada por capas de alambre de metal que están apiladas y fijadas mediante sinterización.

El documento US 2005/0112397 describe una estructura porosa que tiene una pluralidad de láminas unidas apiladas. Las láminas tienen una pluralidad de aberturas al menos parcialmente solapantes formadas en las mismas, producidas mediante perforación. Perforar las láminas para crear aberturas permite obtener una porosidad diferencial dentro de la lámina o de una lámina a otra. Las regiones de alta porosidad están separadas por regiones de porosidad inferior.

La investigación ha indicado que diferentes niveles de porosidad y tamaño de poro de la estructura de andamiaje tienen un impacto sobre la cantidad de crecimiento infiltrante de hueso y la estabilidad mecánica del implante. Las estructuras de andamiaje densas tienen buenas propiedades mecánicas pero escasas propiedades de crecimiento infiltrante de hueso. Por el contrario, estructuras más porosas proporcionan un buen rendimiento biológico pero tienen una baja resistencia mecánica. La tasa de crecimiento infiltrante de tejido en la estructura porosa también depende de la disponibilidad de una gran área de superficie para que las células se unan y crezcan sobre la misma. Se sabe que la mayor parte de las células formadoras de hueso crecen sobre una superficie de sustrato en vez de crecer de una manera en suspensión en el medio de cultivo celular. Con respecto a esto, una gran área de superficie de poro significa que puede proporcionarse una gran área de unión de superficie de contacto hueso-material.

Además, la porosidad interconectada fomenta la organización de canales vasculares que pueden garantizar el suministro de sangre y nutrientes para la viabilidad del hueso.

Sumario

La osteointegración es importante para muchos implantes quirúrgicos, sin embargo no es fácil de estimular y/o controlar. El crecimiento infiltrante de hueso y la vascularización dependen fuertemente de parámetros de macroporosidad tales como tamaño de poro, distribución de tamaño de poro e interconectividad de poros. Con el fin de optimizar las propiedades mecánicas y la macroporosidad, se han propuesto varios materiales de implantes con gradiente/en gradiente, particularmente usando tecnologías de fabricación aditiva.

A pesar de los avances hasta ahora, todavía existe una necesidad en la técnica de estructuras de andamiaje mejoradas para implantes quirúrgicos. En particular, existe una necesidad de proporcionar tales estructuras de andamiaje que potencien fomentar el crecimiento infiltrante de hueso al interior de la estructura, y que al mismo tiempo permitan una libertad suficiente en el diseño de la estructura de andamiaje para propiedades mecánicas óptimas. Existe una necesidad de proporcionar tales implantes que tengan capacidades de anclaje de tejido mejoradas. También existe una necesidad en la técnica de fabricar estructuras de andamiaje de la clase anterior de una manera rentable.

Por tanto, según un primer aspecto de la invención, se proporciona un implante quirúrgico tal como se expone en las reivindicaciones adjuntas. El implante quirúrgico comprende una estructura porosa con poros interconectados. Los poros tienen tamaños adecuados para el crecimiento infiltrante de hueso y/o tejido blando al interior de la estructura porosa. La estructura porosa comprende una disposición de fibras que están unidas entre sí y están dispuestas en capas ventajosamente planas, estando las capas apiladas. Según aspectos de la invención, la estructura porosa comprende una superficie que comprende diferentes regiones que tienen diferentes porosidades. Ventajosamente, la disposición de fibras se extiende a la superficie y determina las diferentes porosidades mediante diferentes disposiciones de las fibras en las diferentes regiones. Ventajosamente, las diferentes porosidades se determinan mediante (diferentes) espacios intermedios entre fibras adyacentes o consecutivas. El término espacio intermedio puede referirse, pero no se refiere necesariamente, a la distancia entre fibras. En vez de eso, el término se refiere más generalmente a (al tamaño de) los huecos intersticiales delimitados por las fibras. Diferentes parámetros pueden influir en la porosidad de la disposición de fibras, tales como diámetro de fibra, distancia entre fibras, factor de apilamiento, orientación de fibras, etc.

Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método de fabricación de un implante quirúrgico de la clase anterior tal como se expone en las reivindicaciones adjuntas. El método comprende las etapas de formar fibras en capas ventajosamente planas que se apilan unas encima de otras y conectar las fibras de capas consecutivas entre sí para obtener una estructura porosa, por ejemplo una red de fibras. Según aspectos de la invención, el método comprende la etapa de disponer las fibras en proximidad de una superficie de la estructura porosa de tal manera que la superficie comprende diferentes regiones que tienen diferentes porosidades. Ventajosamente, las fibras se disponen con diferentes espacios intermedios en diferentes regiones de la superficie.

Breve descripción de los dibujos

Ahora se describirán aspectos de la invención en más detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que los mismos números de referencia ilustran las mismas características.

La figura 1 representa una vista en sección transversal de un ejemplo de implante quirúrgico según aspectos de la invención.

La figura 2 representa una celda de poro unitaria tal como se define en un esquema de disposición de fibras ortogonal, siendo las fibras de capas consecutivas ortogonales entre sí.

La figura 3 representa una vista en sección transversal de un ejemplo de implante quirúrgico según un aspecto alternativo de la invención, en la que diferentes regiones tienen una interconectividad de poros diferente en un sentido de construcción de la estructura porosa.

La figura 4 representa una vista en sección transversal de un ejemplo de implante quirúrgico tal como en la figura 1, en la que adicionalmente se aplica un gradiente de porosidad en un sentido de construcción de las capas cambiando la distancia entre fibras.

La figura 5 representa una vista en sección transversal de un ejemplo de implante quirúrgico tal como en la figura 4, en la que adicionalmente se cambia el factor de apilamiento a través de las capas en el sentido del gradiente de porosidad.

La figura 6 representa una vista en sección transversal de un ejemplo de implante quirúrgico que difiere del implante de la figura 4 en que el gradiente de porosidad se obtiene mediante un cambio del diámetro de fibra entre capas. La figura 7 representa una vista en sección transversal de un ejemplo de implante quirúrgico que difiere del implante de la figura 4 en que las fibras son microporosas.

La figura 8 representa un ejemplo de patrón de disposición de fibras tal como se observa a partir de un sentido perpendicular al plano de las capas en las que están dispuestas las fibras.

Descripción detallada

Con fines de ilustración, se describirán aspectos de la invención con respecto a un ejemplo particular de un componente acetabular de un implante de cadera. Sin embargo, resultará conveniente indicar que aspectos indicados son fácilmente aplicables a otras clases de implantes, tales como implantes vertebrales, implantes craneales, implantes maxilofaciales y implantes dentales.

La figura 1 representa esquemáticamente un implante 10 según aspectos de la invención. El implante 10 se muestra como un componente acetabular de una prótesis de cadera y comprende una parte 11 de andamiaje. En este ejemplo particular, la parte 11 de andamiaje está unida a una parte 12 densa. La parte 12 densa forma una cubierta de forma semiesférica que puede estar dotada de un revestimiento que forma una parte de recepción de una junta de rótula. Un componente femoral de la prótesis de cadera (no mostrado) comprende normalmente una rótula que se acepta en el revestimiento. Resultará conveniente indicar que, en otros tipos de implantes, la parte densa puede omitirse.

La parte 11 de andamiaje es una estructura porosa que tiene poros interconectados que están configurados para el crecimiento infiltrante de hueso. La parte 11 de andamiaje comprende una superficie 111 externa que forma una superficie de contacto con la estructura de hueso sano circundante. La superficie 111 externa está ubicada opuesta a la superficie 115 que forma una superficie de contacto de unión a la parte 12 densa. Según un aspecto de la presente invención, la superficie 111 comprende diferentes regiones que tienen diferentes porosidades. A modo de ejemplo, la superficie 111 comprende primeras regiones 112 y segundas regiones 113. Las primeras regiones 112 tienen una porosidad en volumen superior (determinada en un volumen contiguo a la superficie 111) en comparación con las segundas regiones 113. Dicho de otro modo, las segundas regiones 113 tendrán una densidad superior en comparación con las primeras regiones 112.

Según un aspecto, la porosidad y/o el tamaño de poro de las primeras regiones 112 y de las segundas regiones 113 pueden seleccionarse de tal manera que las primeras regiones de porosidad superior fomentarán el crecimiento infiltrante de hueso, mientras que las segundas regiones de porosidad inferior fomentarán la entrada de canales vasculares al interior de la estructura 11 de andamiaje. Estos canales vasculares proporcionan trayectos de transporte para el suministro de nutrientes y células que fomentan adicionalmente la formación de hueso. Por tanto, proporcionar en la superficie 111 externa regiones adyacentes de porosidad superior y porosidad inferior proporcionará trayectos paralelos para el crecimiento infiltrante de hueso y canales vasculares, y, como resultado, potenciará la velocidad con la que crecerá hueso al interior de la estructura 11 de andamiaje.

Ventajosamente, una pluralidad de las segundas regiones 113 se proporcionan adyacentes a, o entre, una pluralidad de las primeras regiones 112. Ventajosamente, las primeras regiones 112 y las segundas regiones 113 se alternan en la superficie 111. El área de extensión de las primeras regiones y de las segundas regiones no está particularmente limitada. Ventajosamente, las primeras regiones y las segundas regiones se extienden, cada una, a lo largo de un área de al menos 4 mm2, ventajosamente al menos 5 mm2, ventajosamente al menos 10 mm2, ventajosamente al menos 20 mm2.

Ventajosamente, estas regiones primeras y segundas 112, 113 pueden extenderse adicionalmente al interior de la profundidad de la estructura 11 de andamiaje, por ejemplo hasta la superficie 115.

Según un aspecto, una estructura 11 de este tipo con regiones de porosidad superior y regiones de porosidad inferior alternantes se obtiene formando la estructura 11 de andamiaje a partir de una disposición de fibras 13, 14. Las fibras 13, 14 están dispuestas en capas 151, 152, 153, 154, etc., que están apiladas unas encima de otras y que son ventajosamente paralelas entre sí. Esta disposición de fibras se extiende hasta la superficie 111. Las fibras de capas consecutivas están unidas entre sí y, de ese modo, forman ventajosamente un constructo que es monolítico, que es la estructura 11 de andamiaje.

Tales estructuras monolíticas y porosas pueden obtenerse mediante técnicas de fabricación aditiva bien conocidas, tales como deposición de fibras en tres dimensiones, deposición de polvo en tres dimensiones o técnicas de fabricación de forma libre sólida similares. Las fibras o los filamentos pueden extruirse como una pasta a partir de una boquilla, como es el caso con la deposición de fibras en 3D, o pueden imprimirse en 3D empezando a partir de una capa de polvo que, por ejemplo, puede fundirse selectivamente (sinterización por láser selectiva) o unirse selectivamente con un adhesivo (impresión en 3D).

La deposición de fibras en 3D (3DFD) (también denominada colada robótica) comprende la extrusión de una pasta de manera ventajosa altamente viscosa cargada con partículas metálicas o cerámicas a través de una boquilla delgada. En este caso, la pasta comprende un polvo, tal como un polvo metálico o cerámico, o una combinación de ambos, un aglutinante orgánico, opcionalmente un modificador de la reología y opcionalmente un aglutinante inorgánico, tal como un aglutinante coloidal. Mediante movimiento controlado por ordenador en la dirección x, y y z, se construye una arquitectura porosa capa por capa. Las direcciones x e y se refieren normalmente al plano de las capas 151-154, mientras que la dirección z es la dirección de apilamiento de las capas (perpendicular al plano de las capas). Este procedimiento puede implicar múltiples boquillas o una única boquilla. La pieza en verde que se obtiene mediante el procesamiento anterior puede someterse a procesamiento posterior en una o dos etapas: una etapa de secado opcional seguida por sinterización. La sinterización puede llevarse a cabo en condiciones a vacío, o en una atmósfera inerte o reductora, por ejemplo para evitar la oxidación en el caso de metales. Tras la sinterización, se obtiene una estructura porosa altamente reproducible y periódica. Las variables de procedimiento incluyen la abertura de boquilla (grosor o diámetro de fibra), el tipo de boquilla (forma de fibra), la distancia entre fibras (tamaño de poro) y el apilamiento de las capas (arquitectura). Se pueden controlar la microporosidad y rugosidad de superficie de las fibras. Un equipo para 3DFD comprende normalmente un depósito de pasta con boquilla, montado en un aparato con control digital de tres o más ejes, por ejemplo una mesa XYZ o una máquina de CNC. Pueden montarse múltiples boquillas en el equipo con el fin de acelerar la producción de piezas similares.

Las fibras 13, 14 de capas consecutivas se extienden ventajosamente a lo largo de direcciones transversales y las fibras dentro de la misma capa están ventajosamente separadas. A modo de ejemplo, haciendo referencia a la figura 1, las fibras 13 de la capa 151 son paralelas entre sí y tienen ejes longitudinales transversales a los ejes longitudinales de las fibras 14 en la capa 152 inferior. Las fibras 13 y 14 pueden extenderse en perpendicular entre sí, o de manera oblicua, por ejemplo, formando un ángulo diferente de 0° y diferente de 90°. Como resultado, puede obtenerse una estructura altamente porosa. Las fibras están dispuestas ventajosamente, pero no necesariamente, de una manera ordenada. A modo de ejemplo, las fibras 13 dentro de la misma capa pueden ser paralelas, extenderse radialmente desde un centro común, ser concéntricas en círculos o extenderse en espiral.

Con el fin de tener en cuenta la geometría, algunas veces compleja, de implantes quirúrgicos, las estructuras 11 de andamiaje pueden realizarse como un bloque, por ejemplo mediante 3DFD tal como se describió anteriormente, y mecanizarse posteriormente, por ejemplo mediante fresado, para obtener la geometría correcta, por ejemplo para ajustarse sobre la parte 12 densa. La unión con la parte 12 densa puede proporcionarse mediante técnicas conocidas, tales como sinterización, soldadura por fricción, soldadura por láser, etc.

Las estructuras 11 porosas ventajosas pueden comprender canales longitudinales que se extienden de manera sustancialmente normal con respecto a la superficie 111 externa, por ejemplo los canales longitudinales pueden extenderse de la superficie 111 en un sentido de acercamiento de la superficie 115 de contacto o la parte 12 densa. Estos canales longitudinales pueden ser rectos o tortuosos. La tortuosidad puede definirse escalonando las fibras tal como se describirá adicionalmente a continuación.

Según un aspecto, puede proporcionarse un primer gradiente de porosidad entre las primeras regiones 112 y las segundas regiones 113. Es decir, a lo largo de un primer sentido, denominado sentido de gradiente, se hace que cambie la porosidad, y por tanto también la densidad de la estructura 11. El primer sentido de gradiente se encuentra ventajosamente en la superficie 111 o puede ser un sentido al menos localmente tangencial a la superficie 111.

A modo de ejemplo, una primera región 112 está dotada de una porosidad P1. A Una posible segunda región 113 adyacente está dotada de una porosidad P3, que es diferente de P1, por ejemplo P1>P3. Posiblemente, una región intermedia (no mostrada) puede estar interpuesta entre la primera región 112 y la segunda región 113, que puede estar dotada de la porosidad P2, siendo P2 diferente de P1 y P3. Según un aspecto, la porosidad cambia a lo largo del primer sentido de gradiente desde una porosidad superior P1 y por tanto una densidad inferior de la estructura 11 en la primera región 112 hasta una porosidad inferior P3 y por tanto una densidad superior de la estructura 11 en la segunda región 113. Ventajosamente, el gradiente de porosidad es uno con una porosidad que disminuye desde la primera región, posiblemente a través de la región intermedia, hacia la segunda región. Dicho de otro modo, P1>P2>P3.

Según aún otro aspecto, puede proporcionarse un segundo gradiente de porosidad en un sentido sustancialmente ortogonal al primer sentido de gradiente, por ejemplo un sentido orientado alejándose de, o acercándose a, la superficie 111.

La porosidad local puede determinarse basándose en la geometría de una celda 20 de poro unitaria tal como se muestra y se define en la figura 2. Puede considerarse que un poro es una celda delimitada en todos los lados por las fibras 13, 14. El factor de apilamiento c se refiere a la profundidad de penetración mutua entre fibras de capas consecutivas. El factor de apilamiento se obtiene, por ejemplo, durante la construcción de una estructura de 3DFD, pero es análogo a otros procedimientos de fabricación aditiva, aumentando la altura de construcción (vertical) (z) una cantidad menor que el diámetro de fibra, cuando se empieza una nueva capa encima de la anterior. El diámetro de fibra puede determinarse mediante microscopía óptica y obtención de imágenes por microscopio electrónica de barrido de una sección transversal del material y está determinado principalmente por el diámetro de boquilla del aparato de 3DFD, las condiciones de impresión y la contracción tras la sinterización. El factor de apilamiento c puede verse influido por la composición de pasta (por ejemplo, viscosidad), grosor de fibra, distancia entre fibras y condiciones de impresión tales como temperatura y humedad. El factor de apilamiento tiene una fuerte influencia sobre la resistencia mecánica de las fibras, pero también influye en la macroporosidad y la interconectividad de los macroporos. El factor de apilamiento c puede medirse por medio de una obtención de imágenes por microscopio electrónico de barrido. Además, a = M-n es el diámetro de fibra (mm), n es la distancia entre fibras (mm) y M es la separación del centro axial entre dos fibras (mm). La macroporosidad (P, %) de la celda puede calcularse de la siguiente manera, siendo SSA el área de superficie específica (SSA, mm2/mm3), Sc es la pérdida del área de superficie de dos fibras conectadas (mm2), Sf es el área de superficie de las dos fibras (mm2), Vcelda es el volumen de la celda unitaria (mm3) y Vfibra es el volumen de la fibra (mm3):

Vcelda = 2(a - c)M2 (mm3)

nMa 2

^ fibra (m m 3)

55^ 4 = - sf (rnm 2 /mm3)

e¡cf n

n a [M — V2ac — c2)

^{SÓTl = -------- tttt---------;--------}(mm¿ /m m 3)

M 2{a — c)

P = (l ZVfibra-Vc

^reí cía

siendo Vc el volumen de la intersección de dos fibras con los mismos diámetros de fibra a.

Vc depende del factor de apilamiento c. El factor de apilamiento c puede estar en el intervalo de 0 < c < a. Cuando c

Vc = — ( - ) 3.

= a, Vc es un “sólido de Steinmetz”. Por tanto, 3 2 Cuando c es 0 < c < a, puede suponerse un volumen de cono circular para simplificar el cálculo de Vc, lo cual es una aproximación del volumen de cono elíptico real. Suponiendo un volumen de cono circular:

Vc = 2Vconos

La referencia a la porosidad en la presente descripción se refiere a la macroporosidad, por ejemplo la porosidad entre las fibras ignorando la porosidad de, o dentro de, las fibras. Ventajosamente, los macroporos tienen un tamaño de poro de al menos 10 pm de diámetro, ventajosamente un tamaño de poro de al menos 25 pm, ventajosamente al menos 50 pm. Los valores de (macro)porosidad absoluta en estructuras según aspectos de la invención no son particularmente limitativos. Valores ventajosos son de entre el 40% y el 95% de porosidad, ventajosamente entre el 50% y el 80%. Valores de (macro)porosidad promedio de estructuras porosas según presentes aspectos son ventajosamente de entre el 50% y el 90%, ventajosamente entre el 55% y el 85%, ventajosamente entre el 60% y el 80%.

Según aspectos de la invención, la diferencia (es decir el cambio) de porosidad (expresada como porcentaje) entre las primeras regiones y las segundas regiones es de al menos el 4%, ventajosamente al menos el 5%, ventajosamente al menos el 6%, ventajosamente al menos el 8%, ventajosamente al menos el 10%. Dicho de otro modo, suponiendo que la porosidad (en volumen) es P1 (%) en la primera región (evaluada en la superficie 111) y P2 (%) en la segunda región (evaluada en la superficie 111), la diferencia de porosidad AP (%) = P1 - P2. La porosidad puede cambiar entre una porosidad de entre el 50% y el 95%, ventajosamente entre el 60% y el 90%, ventajosamente entre el 70% y el 90% en la primera región y una porosidad de entre el 40% y el 80%, ventajosamente entre el 50% y el 70%, ventajosamente entre el 50% y el 60% en la segunda región.

En estructuras porosas (de andamiaje) según aspectos de la invención, las fibras tienen ventajosamente un diámetro a en el intervalo de entre 20 pm y 2 mm, ventajosamente entre 40 pm y 1 mm, ventajosamente entre 60 pm y 600 pm, siendo valores ventajosos de 80 pm, 100 pm, 150 pm, 200 pm, 300 pm, 400 pm, 500 pm. Todas las fibras dentro de una misma capa de la estructura tienen normalmente un mismo diámetro, y el diámetro de fibra puede ser el mismo en todas las capas de la estructura o puede cambiar entre capas, por ejemplo usando diferentes boquillas con diferentes diámetros para extruir las fibras.

La distancia entre fibras n, por ejemplo dentro de una misma capa, puede variar entre 0 pm y 5 mm, y es ventajosamente de entre 10 pm y 2 mm, ventajosamente entre 25 pm y 1 mm, ventajosamente entre 50 pm y 900 pm, ventajosamente entre 100 pm y 800 pm y ventajosamente al menos 200 pm, ventajosamente al menos 300 pm. La distancia entre fibras n cambia normalmente dentro de una capa con el fin de obtener un cambio en la porosidad y ventajosamente obtener un gradiente de porosidad. En las estructuras de andamiaje descritas en el presente documento, la distancia entre fibras se refiere al tamaño de una celda 20 de poro.

El factor de apilamiento c puede variar entre 0 y el diámetro de fibra a, ventajosamente 0,01 a < c < 0,99a, ventajosamente 0,02a < c < 0,90a, ventajosamente 0,03a < c < 0,50a, ventajosamente 0,05a < c < 0,20a. Ventajosamente, la razón c/a es de al menos 0,075, al menos 0,1, al menos 0,125, al menos 0,15. El factor de apilamiento es normalmente constante dentro de una capa y puede cambiar entre capas. Valores típicos del factor de apilamiento c pueden oscilar entre 10 pm y 200 pm, ventajosamente entre 20 pm y 150 pm, ventajosamente entre 30 pm y 100 pm, por ejemplo 70 pm.

Haciendo referencia a la figura 2, el diámetro de fibra a y el factor de apilamiento c definen el tamaño de la interconexión entre poros adyacentes dentro de una misma capa, también denominada garganta 21 de poro. El tamaño de la garganta 21 de poro, que puede definirse como a-2c, es ventajosamente de al menos 20 pm, ventajosamente al menos 50 pm. La distancia entre fibras n y la disposición de las fibras (por ejemplo, escalonadas o alineadas) definen principalmente el tamaño de la interconexión 22 entre poros de capas consecutivas. Las interconexiones 22 de poros definen trayectos en un sentido perpendicular al plano de las capas de fibra y, por tanto, pueden definir la interconexión de poros en un sentido de profundidad de la estructura 11, empezando desde la superficie 111 externa. El tamaño de las interconexiones 21 y/o 22 de poros se refiere a la interconectividad de poros y puede ser importante para que las primeras regiones con porosidad superior fomenten el crecimiento infiltrante de hueso o para que las segundas regiones con porosidad menor fomenten la vascularización, y puede ser importante para ambas regiones. Normalmente, el tamaño de las interconexiones 22 de poros puede ser mayor para las primeras regiones y menor para las segundas regiones. Posiblemente, las primeras regiones y las segundas regiones pueden tener tamaños de interconexión de poros diferentes.

Las técnicas de fabricación aditiva permiten realizar de manera fácil y eficaz estructuras monolíticas con gradientes de porosidad deseados. Para estructuras porosas construidas a partir de una disposición de fibras, la manera más fácil de obtener un gradiente de porosidad es cambiando la separación entre fibras (paralelas) dentro de algunas o todas las capas, es decir la distancia entre fibras n. En la figura 1 se muestra un ejemplo, que muestra la disposición de las fibras 13, 14 tal como se observan desde un sentido ortogonal a los planos de las capas (paralelas). En la figura 1, las fibras 13 dentro de una misma capa están dispuestas paralelas entre sí y las fibras 13 y 14 de capas consecutivas son transversales, por ejemplo ortogonales entre sí. Puede observarse que, en las primeras regiones 112, la separación (distancia entre fibras ni) entre fibras adyacentes es mayor en comparación con la distancia entre fibras (n2) de la estructura en las segundas regiones 113. Este cambio en la distancia entre fibras (o, en términos más generales, la separación entre fibras adyacentes) puede aplicarse a todas las capas o alternativamente a algunas, pero no todas, de las capas, por ejemplo sólo a capas que tienen fibras paralelas a las fibras 13, con el fin de obtener un gradiente o cambio de porosidad.

Además, o de manera alternativa a una diferencia de porosidad en la superficie 111, las primeras regiones y las segundas regiones pueden tener una interconectividad de poros entre capas consecutivas diferente, tal como se muestra en la figura 3. La estructura 31 de andamiaje de la figura 3 comprende primeras regiones 312 y segundas regiones 313 que tienen una interconectividad de poros diferente en el sentido 16 perpendicular a las capas de fibras. Esto puede obtenerse escalonando las fibras 13 y 13' en diferentes capas. Aunque en este ejemplo el tamaño de una celda de poro unitaria sigue siendo el mismo entre la primera región 312 y la segunda región 313 debido a una distancia entre fibras idéntica, las celdas de poro en las segundas regiones 313 están escalonadas, lo cual reduce la interconectividad de poros entre capas adyacentes. Resultará conveniente indicar que un cambio en la interconectividad de poros tal como se muestra en el ejemplo de la figura 3 puede combinarse con el cambio en la porosidad tal como se muestra en el ejemplo de la figura 1.

Haciendo referencia a la figura 4, se muestra una estructura 41 de andamiaje que difiere de la estructura 11 de la figura 1 en que, en las primeras regiones 412 y en las segundas regiones 413, se aplica un gradiente de porosidad en la estructura 41 a lo largo de un sentido 16 de acercamiento a, o alejamiento de, la superficie 111, es decir un sentido de acercamiento a la parte 12 densa. Este gradiente de porosidad se aplica además del cambio en la porosidad entre las primeras regiones 412 y las segundas regiones 413. En el ejemplo mostrado, el gradiente de porosidad se obtiene cambiando la distancia entre fibras n, por ejemplo aumentando n hacia la superficie 111 externa para obtener una porosidad superior en o cerca de la superficie 111 y una porosidad inferior hacia la parte 12 densa. Resultará conveniente indicar que un gradiente de porosidad de este tipo puede aplicarse sólo a una de las primeras regiones 412 y las segundas regiones 413 o alternativamente a ambas.

Haciendo referencia a la figura 5, se muestra una estructura 51 de andamiaje que difiere de la estructura 41 de la figura 4 en que el gradiente de porosidad a lo largo del sentido 16 se obtiene (adicionalmente) cambiando el factor de apilamiento c a través de las capas en la pila de la estructura 51. En el ejemplo, c aumenta desde la superficie 111 externa hacia la parte 12 densa. El cambio de la porosidad cambiando el factor de apilamiento puede aplicarse además del, o alternativamente al, cambio de la distancia entre fibras.

Haciendo referencia a la figura 6, se muestra una estructura 61 de andamiaje que difiere de la estructura 41 de la figura 4 en que el gradiente de porosidad a lo largo del sentido 16 se obtiene mediante un cambio del diámetro de fibra a través de diferentes capas. Las capas proximales a la superficie 111 externa pueden comprender fibras 63 que tienen un diámetro más grande en comparación con fibras 64 dispuestas en capas alejadas de la superficie 111. Alternativamente, las capas proximales a la superficie 111 pueden comprender fibras que tienen un diámetro más pequeño en comparación con fibras de capas alejadas de la superficie 111. En este último caso, puede obtenerse un gradiente de porosidad mediante una selección apropiada de la distancia entre fibras n en cada capa, por ejemplo disminuyendo n en el sentido 16. El cambio del diámetro de fibra tal como se describió anteriormente en el presente documento puede combinarse con otras maneras de obtener un gradiente de porosidad en el sentido 16, tal como las descritas con respecto a las figuras 4 ó 5.

Resultará conveniente indicar que las propias fibras pueden comprender una microporosidad, por ejemplo porosidad con un tamaño de poro menor que el tamaño de los macroporos tal como se indicó anteriormente, tal como se muestra en la figura 7. La estructura 71 de andamiaje de la figura 7 difiere de la estructura 41 de la figura 4 en que las fibras comprenden una microporosidad. La microporosidad puede extenderse en una región periférica, por ejemplo la funda 72, de las fibras 73. En este caso, las fibras 73 pueden comprender un núcleo 74 denso. Alternativamente, las fibras 73 pueden ser microporosas en su totalidad.

Pueden obtenerse fibras microporosas sometiendo las fibras a un procedimiento de inversión de fase tal como se describe, por ejemplo, en el documento WO 2009/027525, del 5 de marzo de 2009. Los implantes biomédicos con estructura macro y microporosa pueden estimular la osteointegración y proporcionar suficiente resistencia mecánica local para la fijación/implantación. Debido a la macroporosidad, los materiales de implante pueden recubrirse fácilmente con procedimientos de recubrimiento convencionales tales como recubrimiento por inmersión o recubrimiento por lavado, con factores de crecimiento. Debido a la microporosidad, los recubrimientos depositados de este modo tendrán una adhesión mucho mejor. Ventajosamente, las fibras (microporosas) son por lo demás fibras macizas, es decir, ventajosamente no están huecas.

La morfología de fibras o filamentos microporosos puede inducirse mediante inversión de fase. Un método para producir tal morfología puede comprender las etapas de:

a) preparar una suspensión que comprende partículas de un material predeterminado, un disolvente líquido, uno o más aglutinantes y opcionalmente uno o más dispersantes,

b) depositar dicha suspensión en forma de fibras o filamentos de una manera en capas, por ejemplo según una disposición predeterminada de fibras o filamentos, creando de ese modo una estructura porosa,

c) inducir inversión de fase, mediante lo cual se transforman dichos filamentos de un estado líquido a uno sólido, exponiendo dichos filamentos durante la deposición de los filamentos a un vapor no disolvente y a un no disolvente líquido,

d) someter a tratamiento térmico la estructura de la etapa c) mediante calcinación y sinterización de dicha estructura. Dicho de otro modo, la etapa c) del presente método implica la etapa de exponer dichos filamentos durante la deposición de los filamentos a un vapor no disolvente y a un no disolvente líquido, mediante lo cual los filamentos depositados se solidifican y obtienen microporosidad y rugosidad de superficie. En una realización preferida, la etapa b) se lleva a cabo en un entorno no disolvente.

Ventajosamente, una etapa c) alternativa comprende la etapa de c1) de poner dichos filamentos, durante la deposición de los filamentos, en contacto con un vapor no disolvente, y la etapa de c2) de sumergir la estructura de la etapa c1) en un no disolvente líquido, creando de ese modo una estructura porosa basada en filamentos que tiene una morfología de filamentos adecuada. La inversión de fase puede completarse en una etapa siguiente (etapa c2) del presente método sumergiendo la estructura en un no disolvente líquido.

Las fibras o filamentos en la estructura porosa sinterizada obtenida después de la etapa d) comprenden ventajosamente una rugosidad de superficie promedio (Ra) que es superior a 4 pm. Además, los filamentos en la estructura porosa sinterizada obtenida después de la etapa d) también tienen una microporosidad (después de la sinterización) comprendida entre el 1 y el 50%, preferiblemente entre el 5 y el 30%. La microporosidad se refiere a una porosidad en la que los poros tienen un tamaño menor que los macroporos tal como se indicó anteriormente. Haciendo referencia a la figura 8, se muestra una posible disposición de fibras. Esta disposición es particularmente adecuada como estructura de andamiaje para el componente acetabular tal como se indicó anteriormente. La estructura 81 comprende un patrón de repetición de tres capas consecutivas. En una primera capa, las fibras 83 están dispuestas en círculos concéntricos. Una segunda capa comprende fibras 84 dispuestas paralelas entre sí. Una tercera capa comprende fibras 85 dispuestas paralelas entre sí. Las fibras 85 son perpendiculares a las fibras 84 de la segunda capa. La diferencia de porosidad entre diferentes regiones o zonas en la estructura 81 puede provocarse cambiando la distancia entre fibras en una, algunas o la totalidad de las tres capas. Tal como se muestra en la figura 8, la distancia en la fibra se cambia en cada una de las tres capas de una manera en gradiente para obtener diferentes regiones con diferente porosidad. Resultará conveniente indicar que las capas primera, segunda y tercera pueden disponerse en cualquier orden.

Los materiales a partir de los cuales se realizan las estructuras porosas según aspectos de la presente invención incluyen metales, materiales cerámicos y materiales compuestos, en particular aquellos materiales que son biocompatibles.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Implante (10) quirúrgico, que comprende una estructura (11) porosa con poros (20) interconectados para el crecimiento infiltrante de hueso al interior de la estructura porosa, en el que la estructura porosa comprende una disposición de fibras (13, 14) que están unidas entre sí, en el que las fibras están dispuestas en capas (151, 152, 153), estando las capas apiladas,

en el que la estructura porosa comprende una superficie (111), en el que la superficie comprende diferentes regiones (112, 113) que tienen diferentes porosidades, estando las diferentes porosidades determinadas por la disposición de fibras,

en el que la estructura (11) porosa está unida a una parte densa (12), caracterizado porque la superficie está ubicada opuesta a la parte densa.
2. Implante quirúrgico según la reivindicación 1, en el que la parte densa comprende una superficie (115) de contacto con la estructura porosa, en el que un sentido (16) de apilamiento de las capas de la estructura porosa está orientado en un sentido de acercamiento a, o alejamiento de, la superficie de contacto.
3. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie comprende una primera porosidad en una primera región (112) en la superficie y una segunda porosidad en una segunda región (113) en la superficie, siendo la diferencia entre la primera porosidad y la segunda porosidad de al menos el 4%, preferiblemente al menos el 6%.
4. Implante quirúrgico según la reivindicación 3, en el que la primera porosidad es de entre el 45% y el 90% y en el que la segunda porosidad es de entre el 40% y el 85%, preferiblemente en el que la primera porosidad es de entre el 70% y el 90% y en el que la segunda porosidad es de entre el 40% y el 60%.
5. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la estructura porosa tiene una porosidad promedio de entre el 50% y el 80%.
6. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las fibras (13, 14) tienen un diámetro de entre 20 pm y 5 mm.
7. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que fibras de capas consecutivas penetran mutuamente, en el que una razón entre una profundidad de penetración (c) entre las fibras de las capas consecutivas y un diámetro (a) de las fibras es de entre 0,05 y 0,5, preferiblemente entre 0,1 y 0,5.
8. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una separación (n) entre fibras adyacentes de una misma capa es de entre 10 pm y 5 mm.
9. Implante quirúrgico según la reivindicación 8, en el que la separación (n) entre las fibras en al menos una capa cambia entre la primera región y la segunda región para obtener las diferentes porosidades.
10. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la estructura porosa comprende un gradiente de porosidad en un sentido (16) ortogonal a la superficie (111).
11. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie está ubicada opuesta a una superficie (115) de contacto de la estructura porosa con la parte densa, y en el que la estructura porosa comprende un gradiente de porosidad en el que la porosidad disminuye en un sentido (16) de acercamiento a la parte densa.
12. Implante quirúrgico según la reivindicación 10 u 11, en el que una profundidad de penetración (c) entre las fibras de capas consecutivas cambia a lo largo de un sentido del gradiente de porosidad.
13. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las fibras comprenden microporos.
14. Implante quirúrgico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las diferentes regiones (112, 113) que tienen diferentes porosidades se alternan en la superficie.
15. Método de producción de un implante (10) quirúrgico, que comprende:

formar fibras (13, 14) en capas, estando las capas apiladas,

conectar las fibras de capas consecutivas unas con respecto a otras para obtener una estructura (11) porosa,

disponer las fibras en proximidad de una superficie (111) de la estructura porosa con diferentes espacios intermedios en diferentes regiones de la superficie de tal manera que las diferentes regiones (112, 113) tienen diferentes porosidades, y

producir una parte densa y unir la estructura porosa a la parte densa de tal manera que la superficie está ubicada opuesta a la parte densa.