ES2909417T3 - Implantes de injerto óseo porosos bioactivos - Google Patents

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Abstract

Un implante de injerto óseo de compuesto poroso que comprende: un primer componente que comprende una pluralidad de fibras de vidrio bioactivo (20) y gránulos de vidrio bioactivo (60), en donde el primer componente tiene la forma de un agrupamiento (40); y un segundo componente que comprende un material de vidrio bioactivo en forma de cubierta (30); teniendo cada uno del agrupamiento (40) y la cubierta (30) una capacidad de resorción diferente; caracterizado por que el material de vidrio bioactivo del segundo componente en forma de cubierta (30) se extiende sobre el agrupamiento como un todo y por que la pluralidad de fibras de vidrio (20) no están fusionadas, teniendo el implante de compuesto una distribución de tamaño de poro que incluye poros caracterizados por diámetros de poro que van desde 100 nanómetros hasta 1 milímetro.

Description

DESCRIPCIÓN
Implantes de injerto óseo porosos bioactivos
Campo técnico
La presente divulgación se refiere en general a materiales de injerto óseo. También se divulgan métodos ilustrativos de uso de tales materiales como implantes para el nuevo crecimiento del tejido óseo, pero no forman parte de la invención reivindicada.
De manera más particular, la presente divulgación se refiere a implantes de injertos óseos porosos bioactivos en diversas formas adecuadas para su uso en la regeneración y/o reparación de tejido óseo.
Antecedentes de la técnica
El papel de los materiales de injerto óseo en aplicaciones clínicas para ayudar en la curación del hueso ha sido bien documentado a lo largo de los años. La mayoría de los materiales de injerto óseo que están disponibles actualmente, sin embargo, no han logrado proporcionar los resultados anticipados necesarios para hacer de estos materiales una aplicación terapéutica de rutina en cirugía reconstructiva. Por lo tanto, todavía se necesitan y desean materiales de injerto óseo mejorados para formar implantes de tejido óseo que puedan producir resultados fiables y consistentes.
En los últimos años se han realizado estudios intensivos sobre materiales de injerto óseo con la esperanza de identificar las características clave necesarias para producir un implante de injerto óseo ideal, así como para ofrecer una teoría del mecanismo de acción que dé como resultado un crecimiento exitoso del tejido óseo. Al menos un estudio reciente ha sugerido que un armazón de tejido óseo exitoso debe considerar las propiedades fisicoquímicas, morfología y cinética de degradación del hueso tratado. ("Bone tissue engineering: from bench to bedside", Woodruff et al., Materials Today, 15(10): 430-435 (2012)). Según el estudio, la porosidad es necesaria para permitir la vascularización, y el armazón deseado debe tener una red de poros interconectados porosos con propiedades superficiales optimizadas para la unión celular, migración, proliferación y diferenciación. Al mismo tiempo, el armazón debe ser biocompatible y permitir el transporte de flujo de nutrientes y residuos metabólicos. Igual de importante es la capacidad del armazón para proporcionar una tasa controlable de biodegradación para complementar el crecimiento y maduración de células y/o tejidos. Finalmente, la capacidad de modelar y/o personalizar el tamaño y la forma externos del armazón es de igual importancia para permitir un ajuste personalizado para el paciente individual.
Woodruff, et. al. también sugirió que la tasa de degradación del armazón debe ser compatible con la tasa de formación de tejido óseo, remodelación y maduración. Estudios recientes han demostrado que el crecimiento interno del tejido óseo inicial no equivale a la maduración y remodelación del tejido. Según el estudio, la mayoría de los implantes de injerto óseo disponibles actualmente están formulados para degradarse tan pronto como emerge tejido nuevo y a un ritmo más rápido de lo que el tejido óseo nuevo puede madurar, dando como resultado resultados clínicos menos que deseables.
Otros investigadores han enfatizado diferentes aspectos como las características centrales de un implante de injerto óseo ideal. Por ejemplo, muchos creen que la capacidad del implante para proporcionar un soporte estructural adecuado o integridad mecánica para la nueva actividad celular es el factor principal para lograr el éxito clínico, mientras que otros enfatizan el papel de la porosidad como característica clave. Los roles de la porosidad, el tamaño de los poros y la distribución del tamaño de los poros para promover la revascularización, la cicatrización y la remodelación del hueso desde hace mucho tiempo se han reconocido como factores importantes que contribuyen al éxito de los implantes de injerto óseo. Muchos estudios han sugerido una gama ideal de porosidades y distribuciones del tamaño de los poros para lograr el éxito del injerto óseo. Sin embargo, como han demostrado los resultados clínicos, un injerto óseo biocompatible que tenga la estructura e integridad mecánica correctas para el crecimiento de hueso nuevo o que tenga las porosidades y distribuciones de poros requeridas por sí solo no garantiza un buen resultado clínico. Lo que queda claro de este cuerpo colectivo de investigación es que el implante de injerto óseo ideal debe poseer una combinación de características estructurales y funcionales que actúen en sinergia para permitir que el implante de injerto óseo respalde la actividad biológica y un mecanismo de acción eficaz a medida que pasa el tiempo.
Los implantes de injerto óseo disponibles actualmente no cumplen con estos requisitos. Es decir, muchos implantes de injerto óseo tienden a sufrir uno o más de los problemas mencionados anteriormente, mientras que otros pueden tener diferentes complicaciones o deficiencias asociadas negativamente. Un ejemplo de un implante de injerto de este tipo son los implantes de autoinjerto. Los implantes de autoinjerto tienen propiedades físicas y biológicas aceptables y exhiben la estructura mecánica y la integridad adecuadas para el crecimiento óseo. Sin embargo, el uso de hueso autógeno requiere que el paciente se someta a cirugías múltiples o prolongadas, en consecuencia aumentando el tiempo que el paciente está bajo anestesia y provocando un dolor considerable, mayor riesgo de infección y otras complicaciones, y morbilidad en el sitio donante.
Cuando se trata de sustitutos de injertos óseos sintéticos, la categoría de más rápida expansión consiste en productos a base de sulfato de calcio, hidroxiapatita y fosfato tricálcico. Ya sea en forma de cementos inyectables, bloques o pedazos, estos materiales tienen un historial comprobado de ser sustitutos seguros y eficaces de injertos óseos para aplicaciones clínicas seleccionadas. Recientemente, nuevos materiales como el vidrio bioactivo ("BAG") se han convertido en una alternativa o complemento cada vez más viable a los materiales de injerto derivados de huesos naturales. En comparación con los implantes de autoinjerto, estos nuevos implantes sintéticos tienen la ventaja de evitar procedimientos de recolección dolorosos e intrínsecamente arriesgados en los pacientes. Así mismo, el uso de estos materiales sintéticos no derivados de los huesos puede reducir el riesgo de transmisión de enfermedades. Como implantes de aloinjertos y autoinjertos, estos nuevos implantes artificiales pueden servir como armazones osteoconductores que promueven el recrecimiento óseo. Preferentemente, el implante de injerto es reabsorbible y finalmente se reemplaza con tejido óseo nuevo.
Muchos injertos de hueso artificial disponibles en la actualidad comprenden materiales que tienen propiedades similares al hueso natural, como implantes que contienen fosfatos de calcio. Los implantes de fosfato de calcio ilustrativos contienen hidroxiapatita carbonatada de tipo B cuya composición en general puede describirse como (Ca5(PO4)3x(CO3)x(OH)). Las cerámicas de fosfato de calcio se han fabricado e implantado en mamíferos en diversas formas que incluyen, aunque no se limitan a, cuerpos moldeados y cementos. Diferentes implantes estequiométricos, como hidroxiapatita (HA), fosfato tricálcico (TCP), fosfato tetracálcico (TTCP) y otras sales y minerales de fosfato de calcio (CaP) se han empleado en un intento de igualar la adaptabilidad, biocompatibilidad, estructura y resistencia del hueso natural. Aunque los materiales a base de fosfato de calcio son ampliamente aceptados, carecen de la facilidad de manejo, flexibilidad y capacidad para servir como un portador líquido/medio de almacenamiento necesario para ser utilizado en una amplia gama de aplicaciones clínicas. Los materiales de fosfato de calcio son inherentemente rígidos y, para facilitar la manipulación, generalmente se proporcionan como parte de una mezcla con un material portador; tales mezclas tienen típicamente una relación de volumen de ingrediente activo de fosfato cálcico a portador de aproximadamente 50:50, y pueden tener una relación tan baja como 10:90.
Como se ha mencionado anteriormente, los roles de la porosidad, el tamaño de los poros y la distribución del tamaño de los poros para promover la revascularización, la cicatrización y la remodelación del hueso se han reconocido como factores importantes que contribuyen al éxito de los injertos óseos. Sin embargo, los implantes de injerto óseo disponibles actualmente todavía carecen de las propiedades químicas y físicas necesarias para un implante de injerto ideal. Por ejemplo, los implantes de injerto disponibles actualmente tienden a reabsorberse demasiado rápido (p. ej., en unas pocas semanas), mientras que algunos tardan demasiado (p. ej., unos años) en reabsorberse debido a la composición química y estructura del implante. Por ejemplo, ciertos implantes hechos de hidroxiapatita tienden a tardar demasiado en reabsorberse, mientras que los implantes hechos de sulfato de calcio o p-TCP tienden a reabsorberse demasiado rápido. Es más, si la porosidad del implante es demasiado alta (p. ej., aproximadamente del 90%), es posible que no quede suficiente material de base después de que se haya producido la reabsorción para apoyar la osteoconducción. Por el contrario, si la porosidad del implante es demasiado baja (p. ej., 10 %), entonces se debe reabsorber demasiado material, conduciendo a tasas de reabsorción más largas. De manera adicional, el exceso de material significa que puede que no quede suficiente espacio en el implante de injerto residual para la infiltración celular. Otras veces, los implantes de injerto pueden ser demasiado blandos, de tal manera que cualquier tipo de presión física ejercida sobre ellos durante el uso clínico hace que pierdan los fluidos retenidos por ellos.
El documento WO 2011/005933 divulga un armazón de tejido biorreabsorbible fabricado a partir de fibras de vidrio bioactivas que forman una matriz porosa tridimensional rígida que tiene una composición bioactiva. El documento US 2010/136086 divulga un material de armazón para injertos óseos que comprende fibras superpuestas y entrelazadas que pueden comprender además gránulos de vidrio bioactivo y un material portador.
Por consiguiente, sigue existiendo la necesidad de mejores implantes de injerto óseo. Por ejemplo, sería deseable proporcionar implantes de injerto óseo mejorados que ofrezcan los beneficios que se acaban de describir, y en una forma que sea incluso más fácil de manejar y permita resultados clínicos aún mejores. Las realizaciones de la presente divulgación abordan estas y otras necesidades.
Sumario de la invención
La presente invención proporciona estos mejores implantes de injerto óseo. Un implante de acuerdo con la presente invención se define en la reivindicación independiente 1. Las realizaciones preferidas se proporcionan en las reivindicaciones dependientes. Las realizaciones de la descripción relativas a los métodos de tratamiento no están cubiertas por las reivindicaciones.
La presente divulgación proporciona materiales de injerto óseo e implantes formados a partir de estos materiales que están diseñados con una combinación de características estructurales y funcionales que actúan en sinergia para permitir que el implante de injerto óseo apoye la proliferación celular y el crecimiento de tejido nuevo a lo largo del tiempo. Los implantes sirven como armazones celulares para proporcionar la porosidad necesaria y la distribución del tamaño de los poros para permitir una vascularización adecuada, acoplamiento celular optimizado, migración, proliferación y diferenciación. Los implantes están hechos de materiales sintéticos que son biocompatibles y ofrecen la integridad mecánica necesaria para apoyar la proliferación celular continua durante todo el proceso de cicatrización. De manera adicional, los materiales están formulados para mejorar el manejo clínico y permiten modelar y/o personalizar fácilmente el tamaño y la forma externos para producir un implante personalizado para el sitio anatómico. De acuerdo con la invención, se proporciona un implante de injerto óseo de compuesto poroso. El implante comprende un primer componente que comprende una pluralidad de fibras de vidrio bioactivas y gránulos de vidrio bioactivo en forma de agrupamiento y un segundo componente que comprende un material de vidrio bioactivo en forma de una cubierta que se extiende sobre todo el primer componente. Cada agrupamiento y cubierta tiene una capacidad de reabsorción diferente a la del otro componente. La pluralidad de fibras de vidrio no están fundidas. El implante comprende además una distribución de tamaño de poro que incluye poros caracterizados por diámetros de poro que van desde 100 nanómetros hasta 1 milímetro. Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son solo ilustrativas y explicativas, y no pretenden limitar la divulgación. Las características adicionales de la divulgación se expondrán en parte en la descripción que sigue o pueden aprenderse poniendo en práctica la divulgación.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran varias realizaciones de la invención, así como ejemplos ilustrativos que no están dentro del alcance de las reivindicaciones y junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la divulgación. Si bien la siguiente memoria descriptiva ilustra diversas realizaciones de implantes, solo aquellas realizaciones que incluyen todas las características de la reivindicación independiente caen dentro del alcance de protección de las reivindicaciones. Las figuras 6C, 8, 9 y 12 muestran realizaciones de acuerdo con la presente invención. Las realizaciones de los dibujos adicionales pueden no mostrar todas las características de la reivindicación 1, pero pueden servir para ilustrar diversos aspectos de la invención y, por lo tanto, aumentar la comprensión de la presente invención.
La figura 1A ilustra una vista en perspectiva de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende dos materiales fibrosos diferentes.
La figura 1B es una vista ampliada de una porción del implante de la figura 1 A.
La figura 1C ilustra una vista parcial de otra realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende dos materiales fibrosos diferentes que tienen diámetros diferentes. La figura 2 ilustra una vista parcial de otra realización ilustrativa más de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende fibras que están fusionadas.
La figura 3 ilustra una vista en sección transversal de una fibra bioactiva individual recubierta con un material bioactivo.
La figura 4 ilustra una vista en sección transversal de una fibra bioactiva individual que tiene un recubrimiento fusionado de un material bioactivo.
La figura 5A ilustra una vista en corte parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende una matriz fibrosa encerrada en una cubierta bioactiva. La figura 5B ilustra una vista en corte parcial de otra realización ilustrativa más de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende una matriz fibrosa encerrada en una cubierta bioactiva endurecida.
La figura 5C ilustra una vista parcial de otra realización ilustrativa adicional de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende una matriz fibrosa endurecida encerrada en una cubierta bioactiva endurecida.
La figura 6A ilustra una vista parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende una matriz fibrosa combinada con agrupamientos fibrosos.
La figura 6B ilustra una vista parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende una matriz fibrosa combinada con gránulos.
La figura 6C ilustra una vista en corte parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante recubierto comprende una matriz fibrosa combinada con gránulos recubiertos.
La figura 7A ilustra una vista en corte parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación que comprende un agrupamiento fibroso.
La figura 7B ilustra una vista en corte parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación que comprende un agrupamiento fibroso fusionado.
La figura 7C ilustra una vista en corte parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente descripción que comprende un gránulo poroso sinterizado.
La figura 8 ilustra una vista en corte parcial de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación que comprende una matriz fibrosa con gránulos y un recubrimiento poroso.
La figura 9 ilustra una vista en sección transversal de una realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación que comprende una matriz fibrosa con una capa de gránulos y un recubrimiento exterior.
La figura 10 ilustra una vista en perspectiva de otra realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende gránulos y agrupamientos fibrosos.
La figura 11 ilustra una vista parcial de otra realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende una matriz fibrosa combinada con agrupamientos fibrosos.
La figura 12 ilustra una vista en perspectiva de otra realización ilustrativa de un implante de injerto óseo de la presente divulgación en la que el implante comprende una matriz fibrosa con gránulos y agrupamientos fibrosos.
La figura 13 muestra una micrografía electrónica de barrido (SEM) de un implante de vidrio bioactivo fibroso de la presente divulgación.
La figura 14 muestra una micrografía electrónica de barrido (SEM) de un implante de vidrio bioactivo de la presente divulgación que comprende una matriz fibrosa con gránulos.
La figura 15 muestra una micrografía electrónica de barrido (SEM) de un agrupamiento fibroso de la presente divulgación.
La figura 16 muestra una micrografía electrónica de barrido (SEM) de la matriz fibrosa dentro del agrupamiento de la figura 15.
Las características anteriores y otras de la presente divulgación resultarán evidentes para un experto en la materia a la que se refiere la presente divulgación tras considerar la siguiente descripción de realizaciones ilustrativas con referencia a los dibujos adjuntos.
Descripción detallada de las realizaciones
La presente divulgación proporciona materiales de injerto óseo e implantes formados a partir de estos materiales que están diseñados con una combinación de características estructurales y funcionales que actúan en sinergia para permitir que el implante de injerto óseo apoye la proliferación celular y el crecimiento de tejido nuevo a lo largo del tiempo. Los implantes proporcionan la porosidad y la distribución del tamaño de los poros necesarias para permitir una vascularización adecuada, acoplamiento celular optimizado, migración, proliferación y diferenciación. Los implantes están hechos de materiales sintéticos que son biocompatibles y ofrecen la integridad mecánica necesaria para apoyar la proliferación celular continua durante todo el proceso de cicatrización. De manera adicional, los materiales están formulados para una mejor manipulación y permiten modelar y/o personalizar fácilmente el tamaño externo y la forma de los implantes para producir un implante personalizado para el sitio anatómico.
Los implantes de injerto óseo pueden estar formados por un material sintético que es tanto biocompatible como bioabsorbible o biorreabsorbible. De acuerdo con la invención, el material sintético es vidrio bioactivo ("BAG").
En una realización, el material puede ser un material que sea bioactivo y forme una capa de fosfato de calcio en su superficie tras la implantación. Los vidrios bioactivos adecuados incluyen vidrio bioactivo derivado de sol gel, vidrio bioactivo derivado de masa fundida, vidrio bioactivo a base de sílice, vidrio bioactivo libre de sílice, tal como vidrio bioactivo a base de borato y vidrio bioactivo a base de fosfato, vidrio bioactivo cristalizado (parcial o totalmente) y vidrio bioactivo que contiene oligoelementos o metales tal como cobre, zinc, estroncio, magnesio, zinc, fluoruro, fuentes mineralógicas de calcio y similares. Los ejemplos de vidrio bioactivo derivado de sol gel incluyen S70C30 caracterizado por el implante general de 70 % en moles de SiO2 , 30 % en moles de CaO. Los ejemplos de vidrio bioactivo derivado de masa fundida incluyen 45S5 caracterizado por el implante general de 46,1 % en moles de SiO2 , 26,9 % en moles de CaO, 24,4 % en moles de Na2O y 2,5 % en moles de P2O5 , S53P4 y 58S caracterizados por el implante general de 60 % en moles de SiO2 , 36 % en moles de CaO y 4 % en moles de P2O5. Otro vidrio bioactivo adecuado también puede ser el vidrio bioactivo 13-93.
El vidrio bioactivo forma el material de base a partir del cual se componen los implantes de injerto óseo de ingeniería de la presente divulgación. El vidrio bioactivo toma la forma de una combinación de fibras y gránulos. Por el término gránulos, lo que se quiere decir es al menos un fragmento o más de material que no tiene forma de varilla, tal como un cuerpo redondeado, esférico, globular o irregular.
El vidrio bioactivo se puede proporcionar en una forma materialmente pura. Adicionalmente, el vidrio bioactivo puede mezclarse con un portador para una mejor manipulación clínica, como para hacer un implante de masilla o espuma. Puede proporcionarse un implante flexible en forma de masilla mezclando el vidrio bioactivo con un portador fluido o viscoso. Puede proporcionarse un implante de espuma incrustando el vidrio bioactivo en una matriz porosa tal como colágeno (ya sea de origen humano o animal) o matriz polimérica porosa. Una de las ventajas de un implante de espuma es que el portador poroso también puede actuar como un sitio para unir células y factores de crecimiento, y puede conducir a una cicatrización mejor gestionada.
El material portador puede ser poroso y contribuir a la cicatrización. Por ejemplo, el material portador puede tener la porosidad apropiada para crear un efecto capilar para llevar células y/o nutrientes al sitio de implantación. El material portador también puede poseer la química para crear una presión osmótica o de hinchamiento para llevar nutrientes al sitio y reabsorberse rápidamente en el proceso. Por ejemplo, el material portador puede ser un polietilenglicol (PEG) que tiene una alta afinidad por el agua.
El vidrio bioactivo puede fabricarse mediante electrohilado o mediante hilado láser por motivos de uniformidad. Por ejemplo, donde el material se desea en forma fibrosa, el hilado láser produciría fibras de diámetros uniformes. Es más, las fibras de vidrio bioactivo se pueden formar con diámetros y/o formas de sección transversal variables, e incluso se pueden estirar como tubos huecos. Adicionalmente, las fibras pueden estar enredadas, tejidas, entrelazadas y similares para su provisión en una amplia variedad de formas.
El material de injerto óseo puede diseñarse con fibras que tienen diferentes tasas de resorción. La tasa de resorción de una fibra está determinada o controlada por su composición material y por su diámetro. La composición del material puede dar como resultado un producto de reacción lenta frente a un producto de reacción más rápida. De manera similar, las fibras de menor diámetro pueden reabsorberse más rápidamente que las fibras de mayor diámetro del mismo implante. Así mismo, la porosidad general del material puede afectar a la tasa de resorción. Que los materiales posean una porosidad más alta significa que hay menos material para eliminar las células. Por el contrario, que los materiales posean una porosidad más baja significa que las células tienen que hacer más trabajo y la resorción es más lenta. Por consiguiente, los implantes de injerto óseo pueden contener fibras que tengan la composición de material apropiada así como el diámetro para un rendimiento óptimo. Se puede incluir una combinación de diferentes fibras en el implante para lograr el resultado deseado.
Tan importante como la composición y el diámetro del material es la distribución del tamaño de los poros de la porosidad abierta y, en particular, el área superficial de la porosidad abierta. Los presentes implantes de injerto óseo proporcionan no solo una distribución mejorada del tamaño de los poros sobre otros implantes de injerto óseo, pero un área superficial más alta para los poros abiertos. El área superficial más grande de la porosidad abierta de los presentes implantes impulsa una resorción más rápida por los fluidos corporales, permitiendo que el fluido acceda mejor a los poros.
De manera similar a las fibras de vidrio bioactivo, la inclusión de gránulos de vidrio bioactivo se puede lograr utilizando gránulos que tienen una amplia gama de tamaños o configuraciones para incluir superficies rugosas, áreas superficiales muy grandes y similares. Por ejemplo, los gránulos se pueden adaptar para incluir luces interiores con perforaciones para permitir la exposición de la superficie del interior del gránulo. Dichos gránulos se absorberían más rápidamente, permitiendo un implante a medida caracterizado por una capacidad de resorción diferencial. Los gránulos perforados o porosos podrían caracterizarse por diámetros uniformes o tamaños de perforación uniformes, por ejemplo. La porosidad proporcionada por los gránulos puede verse como un intervalo secundario de porosidad acorde al material de injerto óseo o al implante formado a partir del material de injerto óseo. Variando el tamaño, diámetro transversal, textura de superficie y configuraciones de las fibras y gránulos de vidrio bioactivo, si se incluye, el fabricante tiene la capacidad de proporcionar un implante de injerto óseo de vidrio bioactivo con características selectivamente variables que pueden afectar en gran medida a la función del implante antes y después de su implantación en un paciente. Los poros de tamaño nano y micro proporcionan una excelente capacidad de remojo y retención de fluidos, lo que mejora la bioactividad y, en consecuencia, el proceso de reparación.
Debido a la flexibilidad de este material de injerto fibroso, estas mismas fibras de vidrio bioactivo pueden formarse o conformarse en agrupamientos fibrosos con relativa facilidad. Estos agrupamientos se pueden lograr con una pequeña agitación mecánica del material fibroso de vidrio bioactivo. Los agrupamientos fibrosos resultantes son extremadamente porosos y pueden absorber fácilmente líquidos u otros nutrientes. Por tanto, proporcionando el material de vidrio bioactivo en forma de un agrupamiento poroso y fibroso, se pueden lograr resultados clínicos aún mayores y una mejor manipulación.
Los materiales de vidrio bioactivo formados y conformados de la presente divulgación, ya sea con o sin sinterización, comparten atributos similares con un material de densidad finita que ha sido dictado por su procesamiento y las dimensiones de la fibra del material base (p. ej., diámetro y longitud de las fibras) que dio como resultado la formación de agrupamientos. Los agrupamientos ultra porosos pueden poseer nano, micro, meso y macro porosidad en un gradiente a lo largo del agrupamiento. Sin limitación, un nanoporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro inferior a aproximadamente 1 miera y tan pequeño como 100 nanómetros o menos, un microporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro entre aproximadamente 1 y 10 micras, un mesoporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro entre aproximadamente 10 y 100 micras, y un macroporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro mayor de aproximadamente 100 micras y tan grande como 1 mm o incluso mayor. Bajo un proceso de fabricación consistente, los agrupamientos formados de vidrio bioactivo se pueden utilizar con dosis volumétricas para rellenar un defecto óseo. Se puede proporcionar cualquier número de agrupamientos de diferentes tamaños para diversas aplicaciones clínicas.
Uno de los beneficios de proporcionar un material de vidrio bioactivo ultraporoso en forma de agrupamiento es que se puede mejorar la manipulación del material. En una forma de manejar el agrupamiento de materiales, los agrupamientos pueden empaquetarse en una jeringa con un portador e inyectarse en el defecto óseo con facilidad. Otro beneficio es el efecto estructural adicional de tener una pluralidad de agrupamientos de fibras empaquetadas juntas, formando macroestructuras adicionales al armazón general de material. Como un tamiz, las aberturas entre agrupamientos individuales pueden ser beneficiosas, como cuando se desea un filtro para diversos nutrientes en la sangre o la médula ósea para concentrar ciertos nutrientes deseados en la ubicación del implante.
Evidentemente, se entiende que, mientras que el término agrupamiento se utiliza para describir la forma de los materiales, dicho término no pretende limitar la invención a formas esféricas. De hecho, la forma de agrupamiento formado puede comprender cualquier forma redondeada o irregular, siempre que no tenga forma de varilla. En la presente divulgación, el término agrupamiento fibroso representa una matriz de fibras orientadas al azar de una variedad de tamaños y longitudes. Se pueden colocar al azar gránulos o partículas de material adicionales dentro de esta matriz para proporcionar ventajas adicionales. Opcionalmente se puede emplear una variedad de materiales y estructuras para controlar la tasa de resorción, osteoestimulación, osteogénesis, resistencia a la compresión, radiopacidad, actividad antimicrobiana, tasa de elución del fármaco y proporcionan una manipulación clínica óptima para una aplicación particular.
El uso de agrupamientos de fibras fusionadas o endurecidas (aunque fuera del alcance de las reivindicaciones) puede ser ventajoso en algunos casos, porque la fusión proporciona una dureza relativa a los agrupamientos, haciendo así que los agrupamientos endurecidos sean mecánicamente más fuertes. Su combinación con los gránulos de vidrio mejora aún más la integridad estructural, resistencia mecánica y durabilidad del implante. Debido a que los gránulos o agrupamientos de mayor tamaño tenderán a tener un tiempo de resorción más prolongado, en casos anteriores, el usuario tuvo que sacrificar la resistencia por la velocidad. Sin embargo, es posible proporcionar gránulos o agrupamientos de mayor tamaño para lograr resistencia mecánica, sin sacrificar significativamente la velocidad de resorción. Para este fin, los agrupamientos ultraporosos se pueden utilizar como se acaba de describir para los agrupamientos a base de fibra y de vidrio. En lugar de usar esferas sólidas o bolas, la presente divulgación proporciona agrupamientos ultraporosos que tienen la integridad que proporcionan los agrupamientos de mayor tamaño en general, junto con la porosidad que permite la velocidad de resorción. Estos agrupamientos ultraporosos tenderán a absorber más nutrientes, reabsorberse más rápido y conducir a una cicatrización y remodelación mucho más rápidas del defecto.
En algunas realizaciones (fuera del alcance de las reivindicaciones), los agrupamientos de fibras se pueden fusionar o endurecer parcial o totalmente para proporcionar agrupamientos duros. Evidentemente, se contempla que una combinación de agrupamientos de fibras fusionadas (agrupamientos duros) y agrupamientos de fibras sueltas o no fusionadas (agrupamientos blandos) puede usarse en una aplicación simultáneamente. De igual manera, combinaciones de masilla, espuma, agrupamientos y otras formulaciones del material de injerto fibroso pueden usarse en una sola aplicación para crear un gradiente de porosidad aún más sofisticado y, en última instancia, ofrecer una mejor respuesta de cicatrización. En algunos casos, también se pueden incorporar al implante gránulos sólidos porosos del material de vidrio bioactivo.
Como se analizó previamente, el implante de injerto óseo ideal debe poseer una combinación de características que actúen en sinergia para permitir que el material del injerto óseo apoye la actividad biológica del crecimiento de tejido y el mecanismo de acción a medida que avanza el tiempo. Se sabe que las porosidades y la distribución del tamaño de los poros juegan un papel crítico en el éxito clínico de los materiales de injerto óseo. Más específicamente, el implante de injerto óseo debe incluir una distribución de tamaño de poro adecuada para proporcionar una unión celular optimizada, migración, proliferación y diferenciación, y permitir el transporte de flujo de nutrientes y residuos metabólicos. De manera adicional, en una estructura porosa, la cantidad y tamaño de los poros, que forman colectivamente el gradiente de tamaño de poro, estarán directamente relacionados con la integridad mecánica del material y afectarán a su tasa de resorción. Tener un gradiente de porosidad estratificado proporcionará un perfil de resorción más complejo para el material de injerto óseo, y diseñar el material con un gradiente de tamaño de poro adecuado evitará una tasa de resorción demasiado rápida o demasiado lenta.
Como el solicitante ha descubierto, esta distribución de tamaño de poro deseada incluye una gama de porosidades que incluye macro, meso, micro y nanoporos. Como se ha mencionado anteriormente, sin limitación, un nanoporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro inferior a aproximadamente 1 micra y tan pequeño como 100 nanómetros o menos, un microporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro entre aproximadamente 1 y 10 micras, un mesoporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro entre aproximadamente 10 y 100 mieras, y un macroporo está destinado a representar un poro que tiene un diámetro mayor de aproximadamente 100 micras y tan grande como 1 mm o incluso mayor. Por consiguiente, el material de vidrio bioactivo puede estar provisto de grados variables de porosidad y es preferentemente ultraporoso. De acuerdo con la invención, el material tiene una gama de porosidades que incluyen macro, meso, micro y nanoporos. El implante de ingeniería resultante también puede incluir la misma gama de porosidades, que podría proporcionarse como una red porosa de matrices dentro del armazón fibroso y alrededor del material. Por consiguiente, la porosidad puede ser proporcionada inherentemente por el propio material de vidrio bioactivo, así como las matrices que separan el material dentro del implante general.
Otra característica de los implantes de injerto óseo de ingeniería de la presente divulgación es su capacidad para proporcionar integridad mecánica para apoyar el crecimiento de tejido nuevo. El implante no solo debe proporcionar la biocompatibilidad y la tasa de resorción adecuadas, sino que el área superficial debe maximizarse para apoyar completamente la proliferación celular. El implante de ingeniería se puede componer y estructurar de manera selectiva para tener una capacidad de resorción diferencial o por etapas, sin dejar de ser fácilmente moldeado o conformado en formas clínicamente relevantes según sea necesario para diferentes aplicaciones quirúrgicas y anatómicas. Adicionalmente, estos implantes de ingeniería pueden tener una capacidad de biorresorción diferencial, resistencia a la compresión y radiopacidad, y también puede maximizar el contenido de ingrediente activo en relación con los materiales portadores como, por ejemplo, colágeno.
La presente divulgación proporciona materiales de injerto óseo e implantes de injerto óseo mejorados formados a partir de estos materiales que son capaces de mantener el crecimiento de tejido durante todo el proceso de cicatrización. Una de las deficiencias de los implantes de injerto óseo disponibles actualmente es su falta de capacidad para proporcionar un armazón mecánico adecuado al tiempo que favorece la proliferación celular a lo largo del tiempo. Los materiales e implantes de ingeniería de la presente divulgación superan este problema proporcionando, entre otras cosas, una combinación apropiada de porosidades (es decir, distribución del tamaño de los poros) y una gran área superficial dentro de una infraestructura de vidrio bioactivo poroso que sirve como un armazón ideal para el crecimiento de tejidos. Aún más importante, la gama de porosidades se distribuye por toda la infraestructura de vidrio bioactivo poroso, que es capaz de apoyar la proliferación celular continua durante todo el proceso de cicatrización.
Inicialmente tras la implantación, los implantes de ingeniería proporcionan una red de macro, meso, micro y nanoporos distribuidos dentro de una matriz de vidrio bioactivo fibroso. Estos poros pueden estar interconectados, permitiendo la migración celular a través de la matriz. Como el área superficial es inversamente proporcional al diámetro del poro, los implantes de ingeniería maximizan el área superficial para la unión celular al proporcionar una relación deseada de superficie a volumen de poros de tamaño nanométrico. Las leyes de la física sugieren que estos poros más pequeños son óptimos para la vascularización. Debido a la presión osmótica del ambiente, se observará un efecto capilar con los poros de tamaño nano y micro que da como resultado que el fluido biológico se absorba hacia el centro de la matriz de vidrio bioactivo. De igual manera, los poros más grandes, como los de tamaño macro, son óptimos para la oxigenación y el intercambio de nutrientes dentro de la matriz.
Después de su implantación, se forma una capa de fosfato de calcio (CaP) alrededor de la construcción. Esta capa de fosfato de calcio es el resultado de la interacción química del material de vidrio bioactivo y el entorno biológico circundante. Al mismo tiempo, los poros de menor tamaño, como los nanoporos, se reabsorberán a un ritmo más rápido que el resto del implante. A medida que estos poros de tamaño nanométrico se reabsorben o se reemplazan con células, traerán actividad celular y crearán una bioestructura tridimensional que, dentro de sí misma, también tiene su propia porosidad. Por lo tanto, con el tiempo, nuevas células reemplazan el material reabsorbido a una velocidad que mantiene la integridad mecánica de la nueva construcción. Las nuevas células forman su propia red alrededor de la matriz de vidrio bioactivo fibroso, fibras que proporcionan conectividad para el crecimiento del tejido. Aún más importante, debido a la amplia distribución de nanoporos a lo largo de la matriz fibrosa, las nuevas células están presentes en una densidad que hace que el implante sea mecánicamente sólido.
A diferencia de los armazones de injerto óseo tradicionales, los implantes de injerto óseo actuales ofrecen tanto la estructura como la función necesarias para el éxito clínico y permiten que el proceso de proliferación celular se produzca de forma no uniforme y multifacética con la tasa equilibrada adecuada de proliferación de nuevas células que reemplazan el material de injerto reabsorbido. Aún más importante, este reemplazo ocurre en ubicaciones seleccionadas dentro de la construcción, sin comprometer la integridad mecánica general. De manera adicional, los materiales y los implantes permiten que se produzca este nuevo proceso de crecimiento de tejido durante todo el proceso de cicatrización, no solo al comienzo del proceso. Las actividades constantes y simultáneas de proliferación y resorción celular ocurren durante todo el tiempo de cicatrización con los presentes materiales e implantes de injerto óseo.
De acuerdo con la invención, el material bioactivo subyacente que forma la base del implante es un vidrio bioactivo. El vidrio bioactivo puede tomar la forma de fibras, haciéndolas fáciles de manejar en un entorno clínico. Por consiguiente, en una realización, el implante diseñado puede ser un armazón fibroso formado por fibras de vidrio bioactivo fibrosas.
De acuerdo con la invención reivindicada, estas fibras no tienen restricciones y se pueden mover libremente unas sobre otras. Como alternativa, pero fuera del alcance de las reivindicaciones, las fibras se pueden fusionar parcial o totalmente para proporcionar una red de fibras más organizada, rígida y estructurada. Tal armazón fibroso permitiría la estimulación e inducción del proceso de cicatrización biológica natural que se encuentra en los coágulos de fibrina cuyo mecanismo es similar al de la formación de hueso nuevo. A continuación se proporciona una teoría del mecanismo de acción como se proporciona por la naturaleza fibrosa del armazón.
El método estándar para curar tejidos naturales con materiales sintéticos ha sido proporcionar un dispositivo que tenga la microestructura y macroestructura del producto final deseado. Cuando el producto final deseado es hueso esponjoso, los injertos de hueso tradicionales se han diseñado para imitar la arquitectura del hueso esponjoso. Aunque este ha sido el estándar actual para los injertos óseos, no tiene en cuenta el hecho de que el hueso es un tejido vivo. Cada trabécula ósea está constantemente sometida a una remodelación biológica activa en respuesta a la carga, estrés y/o daño. De manera adicional, el hueso esponjoso y cortical puede soportar una vasta red de vasculatura. Esta red no solo proporciona nutrientes para sustentar el entorno vivo que rodea al hueso, sino que también es compatible con los glóbulos rojos y la médula necesaria para la función biológica básica. Así, el simple hecho de proporcionar un material sintético con la misma arquitectura que no sea biológico es insuficiente para una cicatrización y una salud óseas óptimas. En su lugar, lo que se requiere es un mecanismo que pueda recrear la estructura viva del hueso.
Los sintéticos tradicionales actúan como molde, o plantilla, para que el tejido óseo normal se organice y se forme. Dado que estos sintéticos no se producen de forma natural, eventualmente, los moldes o las plantillas deben reabsorberse para permitir que se desarrolle un hueso normal. Si estos sintéticos arquitectónicos no se reabsorben y no permiten una cicatrización ósea adecuada, simplemente se convierten en cuerpos extraños que no son solo obstáculos, sino potencialmente perjudiciales, para la cicatrización ósea. Este fenómeno se ha observado en muchos estudios con sintéticos de resorción lenta o de no resorción. Dado que estos sintéticos son estructuras químicamente inertes, no biológicas, que solo se parecen al hueso, se comportan como un bloque mecánico para la cicatrización y el desarrollo normales de los huesos.
Con el entendimiento de que el hueso es un tejido biológico vivo y que las estructuras inertes solo impedirán la cicatrización del hueso, se presenta un enfoque fisiológico diferente con la presente invención. La cicatrización es un proceso fásico que comienza con una reacción inicial. Cada fase se basa en la reacción que ocurrió en la fase anterior. Solo después de una cascada de fases se produce el desarrollo final del producto final: tejido óseo nuevo. El método tradicional ha sido reemplazar o estimular de alguna manera la cicatrización colocando un producto final inerte como catalizador del proceso de cicatrización. Este acto prematuro ciertamente no explica el proceso fisiológico de desarrollo y cicatrización ósea.
El proceso fisiológico de cicatrización ósea se puede dividir en tres fases: (a) inflamación; (b) osteogénesis; y (c) remodelación. La inflamación es la primera reacción a una lesión y un catalizador natural al proporcionar los factores quimiotácticos que iniciarán el proceso de cicatrización. La osteogénesis es la siguiente fase en la que los osteoblastos responden y comienzan a crear osteoide, el material básico del hueso. La remodelación es la fase final en la que los osteoclastos y los osteocitos recrean la arquitectura tridimensional del hueso.
En un proceso normal de reparación de tejidos, en la fase inicial se forma un coágulo de fibrina que proporciona una arquitectura fibrosa para que las células se adhieran. Esta es la piedra angular de toda la cicatrización del tejido conectivo. Es esta arquitectura fibrosa la que permite la unión celular directa y la conectividad entre células. Por último, el objetivo es estimular la proliferación celular y la osteogénesis en la fase de cicatrización temprana y luego permitir que tenga lugar la remodelación fisiológica. Dado que el producto final deseado es tejido vivo, el objetivo principal es estimular tanto hueso vivo como sea posible mejorando la red de fibras naturales implicadas en la iniciación y la osteogénesis, así como en la angiogénesis.
Los materiales de injerto óseo fibroso y los implantes de injerto óseo formados a partir de estos materiales fibrosos se han divulgado previamente en la publicación de solicitud de patente de EE. UU. N.° 2011/0144764 titulada "Bone Graft Material", la Publicación de la Solicitud de Patente de EE.UU. N.° 2011/0144763 titulada "Dynamic Bioactive Bone Graft Material Having an Engineered Porosity", y en la patente de EE.UU. N.° 8.567.162 titulada "Dynamic Bioactive Bone Graft Material and Methods for Handling", todas las cuales están en trámite junto con la presente y/o del mismo del solicitante que la presente. Estos implantes de injerto óseo intentan recapitular el proceso de cicatrización fisiológica normal presentando la estructura fibrosa del coágulo de fibrina. Dado que estos implantes bioactivos hechos de fibras son tanto osteoconductores como osteoestimulantes, la red fibrosa mejorará y acelerará aún más la inducción ósea. Es más, la naturaleza fluida de la matriz fibrosa bioactiva o armazón permite el inicio y la estimulación naturales de la formación ósea en lugar de colocar una plantilla rígida que puede impedir la formación final como ocurre con los materiales de injerto actuales. Las fibras de los implantes también se pueden diseñar para proporcionar una reacción química conocida para estimular selectivamente la proliferación de osteoblastos u otros fenotipos celulares.
La presente divulgación proporciona varias realizaciones de implantes de injerto óseo fibroso formados por fibras de vidrio bioactivo similares a las descritas previamente por el solicitante. Los haces de fibras de vidrio bioactivo son ultraporosos e incluyen una combinación de nano, micro, meso y macroporos. La naturaleza fibrosa del material permite que las fibras de vidrio bioactivo se moldeen o conformen fácilmente en formas clínicamente relevantes según sea necesario para diferentes aplicaciones quirúrgicas y anatómicas, manteniendo la porosidad del material. Una forma de moldear o conformar el armazón es colocando las fibras en una bandeja de molde, de manera similar a la descrita en la patente de EE.UU. N.° 8.567.162 titulada "Dynamic Bioactive Bone Graft Material and Methods for Handling". El implante puede comprender fibras de vidrio bioactivo solas o con aditivos como se describe anteriormente.
Otra forma de conformar el implante es con el uso de un gálibo. Debido a la naturaleza fibrosa y flexible del material base, también es posible añadir un fluido biológico a la matriz fibrosa y presionar hasta una forma conformada con el fluido contenido en la misma. Evidentemente, se entiende que el material fibroso se puede comprimir con la misma facilidad en un molde. Los líquidos como el aspirado de médula ósea, pegamento u otros agentes aglutinantes pueden añadirse al material antes del moldeo. De manera adicional, se puede utilizar un intercambio de disolvente y se puede dejar secar o curar el material conformado para formar un armazón sólido endurecido para la implantación.
Los implantes se pueden proporcionar en formas clínicamente relevantes. Las formas simples como cilindros o varillas, o una tira, pueden ser convenientes para una fácil implantación. Como alternativa, los implantes pueden adoptar la forma de formas complejas para adaptarse mejor a la anatomía del paciente. Por ejemplo, los implantes se pueden formar en forma de concha, tal como por ejemplo una concha de acetábulo. En otro ejemplo, el material puede formarse como una lámina o tira delgada que se pueda envolver alrededor del área del hueso a tratar, como un sitio de defecto óseo, al igual que un apósito para heridas. En ese caso, la lámina o tira de material no necesariamente tendría que insertarse en el sitio de la herida, sino más bien cubrir el sitio de la herida sin dejar de proporcionar los mismos beneficios y actuar de la misma manera que los implantes descritos en el presente documento.
Los implantes se pueden empaquetar en una bandeja amigable y clínicamente útil. La bandeja puede cerrarse para controlar la densidad y, en consecuencia, la dosificación del implante. La dosis puede estar determinada por la aplicación clínica. También es posible utilizar la bandeja como molde, de manera que la forma de la bandeja crea un implante de forma clínicamente relevante. Otro beneficio de la bandeja es permitir que se agreguen fluidos o líquidos al implante. Tales líquidos pueden incluir solución salina, médula ósea, concentrado de médula ósea, células madre, plasma rico en plaquetas, etc. La bandeja cerrada también evita la contaminación del implante mientras está en el quirófano antes de la implantación, ya que minimiza la necesidad de manipulación clínica antes de la implantación y es conveniente para el transporte.
Las fibras que forman el armazón de ingeniería tienen un diámetro relativamente pequeño y, en particular, un diámetro en el intervalo de aproximadamente 500 nanómetros a aproximadamente 50 micras, o un diámetro en el intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 100 micras. En una realización, el diámetro de la fibra puede ser menor de aproximadamente 10 nanómetros, y en otra realización, el diámetro de la fibra puede ser de aproximadamente 5 nanómetros. En algunas realizaciones, el diámetro de la fibra puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 30 micras. En otras realizaciones, el diámetro de la fibra puede estar comprendido entre aproximadamente 2 y aproximadamente 10 micras. En otra realización más, el diámetro de la fibra puede estar comprendido entre aproximadamente 3 y aproximadamente 4 micras.
Las fibras de vidrio bioactivo se pueden fabricar con diámetros de sección transversal predeterminados, según se desee. En un ejemplo, el implante de injerto óseo puede formarse a partir de una matriz de fibras orientadas al azar de diámetros uniformes. Es más, las fibras de vidrio bioactivo se pueden formar con diámetros y/o formas de sección transversal variables, e incluso se pueden estirar como tubos huecos. Adicionalmente, las fibras pueden estar enredadas, tejidas, entrelazadas y similares para su provisión en una amplia variedad de formas.
Por ejemplo, se puede fabricar un implante de fibra de vidrio bioactivo de manera que cada fibra esté yuxtapuesta o desalineada con las otras fibras, lo que podría dar como resultado una apariencia de matriz fibrosa orientada al azar debido a la gran cantidad de espacio vacío creado por la relación aleatoria de las fibras de vidrio individuales dentro del implante. Tal fabricación permite un implante con una textura general blanda o flexible para permitir que el cirujano dé forma manual al implante hasta cualquier forma general deseada para satisfacer los requisitos quirúrgicos o anatómicos del procedimiento quirúrgico de un paciente específico. Un implante de este tipo también se presta fácilmente a incorporar aditivos dispersos aleatoriamente por las fibras, como los descritos anteriormente e incluyendo gránulos de vidrio bioactivo, fibras antimicrobianas, medicinas particuladas, oligoelementos o metales como el cobre, que es un metal altamente angiogénico, estroncio, magnesio, zinc, etc. fuentes mineralógicas de calcio, y similares. Es más, las fibras de vidrio bioactivo también pueden estar recubiertas con ácidos orgánicos (tal como ácido fórmico, ácido hialurónico o similar), fuentes mineralógicas de calcio (tal como fosfato tricálcico, hidroxiapatita, carbonato de calcio, hidróxido de calcio, sulfato de calcio o similar), antimicrobianos, antivirales, vitaminas, opacificantes de rayos X u otros materiales similares.
El implante puede diseñarse con fibras que tienen diferentes tasas de resorción. La tasa de resorción de una fibra está determinada o controlada por, entre otras cosas, su composición material y por su diámetro. El implante del material puede dar como resultado un producto de reacción lenta frente a un producto de reacción más rápida. De manera similar, las fibras de menor diámetro pueden reabsorberse más rápidamente que las fibras de mayor diámetro. Así mismo, la porosidad general del material puede afectar a la tasa de resorción. Que los materiales posean una porosidad más alta significa que hay menos material para eliminar las células. Por el contrario, que los materiales posean una porosidad más baja significa que las células tienen que hacer más trabajo y la resorción es más lenta. Por consiguiente, el implante puede contener fibras que tengan la composición de material adecuada, así como el diámetro para un rendimiento óptimo. Se puede incluir una combinación de diferentes fibras en el implante para lograr el resultado deseado. Por ejemplo, el implante puede comprender un compuesto de dos o más fibras de un material diferente, donde el diámetro medio de las fibras de cada uno de los materiales podría ser igual o diferente.
Tan importante como la composición y el diámetro del material es la distribución del tamaño de los poros de la porosidad abierta y, en particular, el área superficial de la porosidad abierta. Los presentes implantes de injerto óseo proporcionan no solo una distribución mejorada del tamaño de los poros sobre otros implantes de injerto óseo, pero un área superficial más alta para los poros abiertos. El área superficial más grande de la porosidad abierta de los presentes implantes impulsa una resorción más rápida por los fluidos corporales, permitiendo que el fluido acceda mejor a los poros.
En algunas realizaciones, al menos parte o la totalidad del implante de ingeniería puede estar recubierto con un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico. El recubrimiento puede ser sólido o poroso y proporcionar una mejor manipulación del material de vidrio bioactivo fibroso. En una realización, el recubrimiento puede ser un vidrio bioactivo tal como 45S5 o S53P4. En otra realización, el revestimiento se puede fusionar parcial o totalmente, por ejemplo mediante la aplicación de calor intenso para derretir parte del material fibroso, creando una cubierta de material ligeramente endurecida o completamente fusionada. Por ejemplo, esta fusión o endurecimiento daría lugar a una corteza semiblanda, mientras que la sinterización completa daría lugar a una costra dura alrededor de una parte o la totalidad del implante.
De acuerdo con la invención, las fibras de vidrio bioactivo que forman el cimiento del implante se complementan con gránulos bioactivos. Estos gránulos pueden ser de diámetro uniforme o no uniforme, y pueden comprender una mezcla de gránulos de diámetros de diferentes tamaños. De manera adicional, los gránulos pueden estar formados por el mismo tipo de material de vidrio bioactivo, o una mezcla de diferentes materiales seleccionados del grupo de materiales adecuados mencionados anteriormente. Los gránulos pueden ser sólidos o porosos y, en algunos casos, puede usarse una mezcla de gránulos sólidos y porosos. En cualquier caso, el implante de ingeniería que comprende el cimiento granular debe proporcionar todavía la distribución de tamaño de poro deseada, que incluye una gama de porosidades que incluye macro, meso, micro y nanoporos.
Como las fibras, al menos algunos o todos los gránulos que forman el armazón de ingeniería pueden recubrirse con un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico. El recubrimiento puede ser sólido o poroso. En una realización, el recubrimiento puede ser un vidrio bioactivo tal como 45S5 o S53P4. En otra realización, el recubrimiento puede estar parcial o totalmente fundido. Este recubrimiento podría proporcionarse sobre gránulos individuales o podría envolver un agrupamiento o grupo de gránulos. El recubrimiento puede estar parcialmente fundido o endurecido, o totalmente fundido para proporcionar una costra semiblanda a totalmente endurecida alrededor de parte o de todo el armazón. Las características de superficie agregadas que incluyen fibras, gránulos, partículas y similares pueden incluirse en el recubrimiento para proporcionar un exterior con puntos de anclaje bioactivos para atraer la actividad celular y mejorar la adhesión del implante in situ.
De manera adicional, algunas realizaciones pueden incluir una mezcla de vidrio bioactivo granular como material primario con fibras de vidrio bioactivo secundario como material portador. En tales casos, tanto los materiales primarios como secundarios están activos. El portador fibroso podría reabsorberse rápidamente para crear un entorno químicamente rico para inducir una nueva actividad celular. Asimismo, el material fibroso serviría como sitios selectos de unión o anclaje para las células formadoras de hueso.
Además de proporcionar un implante estructuralmente sólido formado de los materiales adecuados y que posea las porosidades y gradiente de tamaño de poro para la proliferación celular, los presentes materiales e implantes de injerto óseo también pueden proporcionar señales celulares. Esto se puede lograr mediante la incorporación de agentes biológicos como factores de crecimiento. Estos factores pueden ser sintéticos, recombinantes o alogénicos, y pueden incluir, por ejemplo, células madre, matriz ósea desmineralizada (DBM), así como otros agentes de señalización celular conocidos.
En algunas realizaciones, los implantes de ingeniería pueden ser también osteoconductores y/u osteoestimuladores. Variando el diámetro y el implante químico de los componentes usados en las realizaciones, los implantes de ingeniería pueden tener activación diferencial (es decir, capacidad de resorción), que puede facilitar funciones avanzadas como la administración de fármacos tal como antibióticos, a modo de ejemplo. Una forma de proporcionar propiedades osteoestimulantes al implante es incorporar médula ósea en la matriz fibrosa. La incorporación de la médula produciría un implante osteoestimulante que acelera la proliferación celular.
En otras realizaciones, el implante de ingeniería también puede incluir oligoelementos o metales tal como el cobre, zinc, estroncio, magnesio, zinc, fluoruro, fuentes mineralógicas de calcio y similares. Estos oligoelementos proporcionan beneficios selectivos a los armazones funcionales y estructurales de ingeniería de la presente divulgación. Por ejemplo, la adición de estos oligoelementos como el estroncio puede aumentar la opacidad de los rayos X, mientras que la adición de cobre proporciona características angiogénicas particularmente eficaces al armazón. Los materiales también pueden estar recubiertos con ácidos orgánicos (tal como ácido fórmico, ácido hialurónico o similar), fuentes mineralógicas de calcio (tal como fosfato tricálcico, hidroxiapatita, sulfato cálcico, carbonato de calcio, hidróxido de calcio o similar), antimicrobianos, antivirales, vitaminas, opacificantes de rayos X u otros materiales similares. Estos implantes de injerto óseo también pueden poseer propiedades antimicrobianas y permitir la administración de fármacos. Por ejemplo, se puede añadir sodio o plata para proporcionar características antimicrobianas. En una realización, se puede proporcionar una capa o recubrimiento de plata alrededor del implante de ingeniería para proporcionar un beneficio antimicrobiano inmediato sobre una superficie extensa del implante. Otros metales adecuados que podrían agregarse incluyen oro, platino, indio, rodio y paladio. Estos metales pueden estar en forma de nanopartículas que pueden reabsorberse con el tiempo.
Adicionalmente, pueden añadirse agentes biológicos al implante de ingeniería. Estos agentes biológicos pueden comprender proteína morfogénica ósea (BMP), un péptido, un factor de crecimiento óseo como el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF), factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), factor de crecimiento derivado de insulina (IDGF), un factor de crecimiento derivado de queratinocitos (KDGF), o un factor de crecimiento derivado de fibroblastos (FDGF), células madre, médula ósea y plasma rico en plaquetas (PRP), por nombrar unos pocos. También se pueden incorporar otras medicinas al armazón, tal como en forma granular o de fibra.
En general, la presente divulgación proporciona materiales de injerto óseo e implantes formados a partir de estos materiales que están diseñados con una combinación de características estructurales y funcionales que actúan en sinergia para permitir que el implante de injerto óseo apoye la proliferación celular y el crecimiento de tejido nuevo a lo largo del tiempo. Los implantes aportan la porosidad necesaria, distribución del tamaño de los poros y alta área superficial para permitir una vascularización adecuada, acoplamiento celular optimizado, migración, proliferación y diferenciación. Los implantes están hechos de materiales sintéticos que son biocompatibles y ofrecen la integridad mecánica necesaria para apoyar la proliferación celular continua durante todo el proceso de cicatrización. Estos implantes pueden comprender una infraestructura fibrosa o granular de material poroso.
Las realizaciones de la presente divulgación se pueden explicar e ilustrar con referencia a los dibujos. Debe entenderse, sin embargo, que los dibujos no están dibujados a escala y no pretenden representar dimensiones absolutas o tamaño relativo. En cambio, los dibujos ayudan a ilustrar los conceptos descritos en el presente documento.
Con referencia, ahora, a los dibujos, la figura 1A muestra una realización ilustrativa de un implante 10 de la presente divulgación. El implante 10 puede estar formado por material de vidrio bioactivo fibroso 20. Opcionalmente, el implante 10 puede comprender uno o más materiales de vidrio diferentes para variar la composición de la matriz fibrosa. Por ejemplo, el implante 10 de la figura 1A comprende una primera fibra de vidrio bioactiva 20 así como una fibra bioactiva 24 que puede comprender otro material. Este material puede ser otro vidrio bioactivo, o puede ser un vidrio, vitrocerámica o material cerámico.
En algunas realizaciones, las diferentes fibras 20, 24 pueden estar provistas del mismo diámetro medio, como se ilustra en la figura 1B. Como alternativa, como se muestra en la figura 1C, una de las fibras 24 puede tener un diámetro diferente al de la otra fibra 20. Variando los diámetros de cada uno de los materiales, esto produce un implante que está compuesto y estructurado selectivamente para tener una capacidad de resorción diferencial o escalonada.
El implante 10 de la presente divulgación puede tener fibras de flujo libre orientadas al azar dentro de una matriz como se ilustra en las figuras 1A-1C. Si así se desea, las fibras 20 pueden fusionarse o sinterizarse parcial o totalmente de la manera descrita anteriormente, creando así una matriz fibrosa semidura o completamente endurecida. La figura 2 ilustra un implante fibroso fusionado 10 en el que las fibras 20 parecen conectarse en las intersecciones 22. De manera similar al implante de la figura 1 A, la matriz fibrosa puede comprender uno o más materiales de vidrio diferentes para variar la composición del implante. De manera adicional, los diámetros de cada uno de los materiales fibrosos también pueden variar para producir un implante de ingeniería que se compone y estructura de forma selectiva para tener una capacidad de resorción diferencial o por etapas.
Cada una de las fibras individuales 20 puede estar recubierta con un recubrimiento 30, tal como se muestra en las figuras 3 y 4. Este recubrimiento 30 puede comprender un material bioactivo como se divulgó anteriormente, pero también podría ser un material de vidrio bioactivo diferente al de las fibras 20. En una realización, el recubrimiento puede ser un vidrio bioactivo tal como 45S5 o S53P4. En otra realización, el recubrimiento puede comprender un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico. El recubrimiento 30 puede ser sólido o puede ser poroso. Por ejemplo, el recubrimiento puede tener puertos o respiraderos que permitan la libre migración de células y nutrientes. Estos respiraderos podrían ser aberturas de tamaño nano, micro, meso o macro. Un revestimiento 30 sobre las fibras individuales 20 puede proporcionar una mejor manipulación del material de vidrio bioactivo fibroso.
En otra realización, el recubrimiento puede estar endurecido, tal como se muestra en la figura 4, sobre las fibras individuales. Como se ha mencionado anteriormente, este endurecimiento se puede lograr aplicando calor muy alto al recubrimiento y derritiendo o fusionando efectivamente parte o todo el material para crear una cubierta protectora 30 alrededor de cada una de las fibras 20. Estas fibras recubiertas luego se formarían en la matriz fibrosa del implante En lugar de recubrir fibras individuales, es posible recubrir toda la matriz fibrosa como se muestra en la figura 5A. La matriz fibrosa puede comprender fibras 20 de flujo libre orientadas al azar que se pueden encerrar en un recubrimiento o cubierta 30. Esta cubierta 30 puede comprender un vidrio, vitrocerámica o cerámica, y podría ser un vidrio bioactivo tal como 45S5 o S53P4. La cubierta 30 puede ser porosa y proporcionar una mejor manipulación del material de vidrio bioactivo fibroso. Estos poros o respiraderos permiten la libre migración de células y nutrientes dentro de la matriz fibrosa interna, mejorando así el proceso de cicatrización. Como se muestra además en la figura 5A, la cubierta 30 también puede incluir segmentos 32 de fibras onduladas cortas que sirven como características de superficie para mejorar el anclaje del implante 10 in situ. Estos segmentos 32 de fibras onduladas cortas pueden ser las fibras 20 que se extienden fuera de la cubierta 30, o pueden ser segmentos 32 de fibras cortas discretas añadidas a la cubierta 30.
En otra realización, como se muestra en la figura 5B, la cubierta 30 puede endurecerse pasando la construcción a fuego muy alto durante un tiempo limitado. La matriz fibrosa subyacente también puede fusionarse parcial o totalmente de la misma manera, como se ilustra en la figura 5C. En el caso de una matriz fibrosa no sinterizada como la que se muestra en la figura 5B, el interior de la construcción podría ser relativamente blando y conformable. El exterior de la construcción sería una corteza o cubierta relativamente dura, sin embargo. La dureza de la corteza dependería necesariamente de la temperatura del calor aplicado y de la duración de la aplicación.
Se contempla que en algunas realizaciones donde se aplica un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico, ya sea fibras o gránulos, o una combinación de ambos, pueden añadirse al recubrimiento. Las fibras o gránulos, que a su vez pueden estar recubiertos o no, se extenderían más allá de la superficie exterior del armazón, proporcionando una característica de superficie que mejora la adhesión y crea una superficie de unión celular. Las figuras 5A-5C ilustran este concepto.
Como se muestra en las figuras 5A--5C, la cubierta 30 también puede incluir segmentos 32 de fibras onduladas cortas que sirven como características de superficie para mejorar el anclaje del implante 10 in situ. Estos segmentos 32 de fibras onduladas cortas pueden ser las fibras 20 que se extienden fuera de la cubierta 30, o pueden ser segmentos 32 de fibras cortas discretas añadidas a la cubierta 30. La cubierta 30 también puede ser porosa o con respiraderos. Estos poros o respiraderos permiten la libre migración de células y nutrientes dentro de la matriz fibrosa interna, mejorando así el proceso de cicatrización.
En algunas realizaciones, el implante 10 puede estar formado por una matriz fibrosa como se ha descrito anteriormente, en combinación con gránulos de material bioactivo. En este caso, la matriz fibrosa puede servir como material portador principal para los gránulos. Los gránulos pueden comprender vidrio, vitrocerámica o cerámica, y pueden estar formados por un material de vidrio bioactivo similar a las fibras 20 o un material de vidrio bioactivo diferente.
Las figuras 6A-6C muestran diversas realizaciones de combinaciones de fibras más gránulos o agrupamientos de fibras. La figura 6A muestra un implante 10 de ingeniería que puede comprender fibras 20 en combinación con agrupamientos fibrosos 40 formados agitando las fibras 20 para crear una forma de agrupamiento. Los materiales de las fibras 20 y los agrupamientos 40 pueden ser los mismos o de diferentes materiales de vidrio bioactivo.
La presencia de materia granular se puede emplear para modificar o controlar la tasa de resorción y el perfil de resorción del implante 10, así como para proporcionar resistencia mecánica y resistencia a la compresión. El gránulo puede ser un vidrio bioactivo, sulfato cálcico, fosfato de calcio, carbonato de calcio, hidróxido de calcio o hidroxiapatita. El gránulo puede ser sólido o puede ser poroso. Estos gránulos pueden servir como anclajes para la unión celular, espaciadores entre fibras para controlar la distribución y la dosificación, o portar agentes biológicos para proporcionar propiedades antimicrobianas o agentes osteoestimulantes.
Como se muestra en la figura 6B, el gránulo 42 puede fundirse o sinterizarse. Las fibras y/o gránulos pueden incluir además un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico, como se ilustra en la figura 6C. El recubrimiento 30 puede ser poroso y proporcionar una mejor manipulación del material fibroso de vidrio bioactivo. En una realización, el recubrimiento puede ser un vidrio bioactivo tal como 45S5 o S53P4. En otra realización, el recubrimiento se puede endurecer como se ha descrito anteriormente. La matriz subyacente puede estar sinterizada o no, como se ha descrito anteriormente. El recubrimiento 30 puede colocarse selectivamente sobre las fibras solamente, los gránulos solamente, o en ambos o en una porción de cada uno.
La figura 6C ilustra una realización de acuerdo con la presente invención en la que el recubrimiento 30 reside como una cubierta sobre toda la matriz fibrosa con gránulos 44 que también están recubiertos individualmente. Como se muestra adicionalmente, la cubierta 30 también puede incluir segmentos 32 de fibras onduladas cortas así como gránulos 52 que sirven como características de superficie para mejorar el anclaje del implante 10 in situ. Estos segmentos 32 de fibras onduladas cortas pueden ser las fibras 20 que se extienden fuera de la cubierta 30, o pueden ser segmentos 32 de fibras cortas discretas añadidas a la cubierta 30. De igual manera, el gránulo 52 en el exterior de la cubierta 30 puede ser el gránulo 44 de la matriz y que se extiende desde la cubierta, o pueden ser gránulos discretos 52 añadidos a la cubierta. La cubierta 30 también puede ser porosa o con respiraderos. Estos poros o respiraderos permiten la libre migración de células y nutrientes dentro de la matriz fibrosa interna, mejorando así el proceso de cicatrización.
La inclusión de gránulos de vidrio bioactivo se puede lograr utilizando gránulos que tienen una amplia gama de tamaños o configuraciones para incluir superficies rugosas, áreas superficiales muy grandes y similares. Por ejemplo, los gránulos se pueden adaptar para incluir luces interiores con perforaciones para permitir la exposición de la superficie del interior del gránulo. Dichos gránulos se absorberían más rápidamente, permitiendo un material a medida caracterizado por una capacidad de resorción diferencial. Los gránulos perforados o porosos podrían caracterizarse por diámetros uniformes o tamaños de perforación uniformes, por ejemplo. La porosidad proporcionada por los gránulos puede verse como un intervalo secundario de porosidad acorde al material de injerto óseo o al implante formado a partir del material de injerto óseo. Variando el tamaño, diámetro transversal, textura de superficie y configuraciones de las fibras y gránulos de vidrio bioactivo, si se incluye, el fabricante tiene la capacidad de proporcionar un material de injerto óseo de vidrio bioactivo con características selectivamente variables que pueden afectar en gran medida a la función del implante 10 antes y después de su implantación en un paciente. Los poros de tamaño nano y macro proporcionan una excelente capacidad de remojo y retención de fluidos, lo que mejora la bioactividad y, en consecuencia, el proceso de reparación.
Por consiguiente, el implante 10 de ingeniería se puede determinar selectivamente controlando las variables del implante y fabricación, tal como el diámetro de la fibra de vidrio bioactivo, tamaño, la forma y las características de superficie, así como la cantidad de contenido de gránulos de vidrio bioactivo y las características estructurales, y la inclusión de aditivos adicionales, tales como, por ejemplo fosfato tricálcico, hidroxiapatita y similares. Controlando selectivamente tales variables de fabricación, es posible proporcionar un material de injerto óseo artificial que tenga grados seleccionables de características tales como porosidad, capacidad de bioabsorción, penetración de tejidos y/o células, biodisponibilidad de calcio, flexibilidad, resistencia, compresibilidad y similares.
Las mismas fibras de vidrio bioactivo 20 se pueden formar en agrupamientos 120 con relativa facilidad. Estos agrupamientos 120 se pueden lograr con una pequeña agitación mecánica del material fibroso de vidrio bioactivo, como se ha mencionado anteriormente. Los agrupamientos fibrosos resultantes son extremadamente porosos y pueden absorber fácilmente líquidos u otros nutrientes. Por tanto, proporcionando el material de vidrio bioactivo en forma de un agrupamiento poroso y fibroso, se pueden lograr resultados clínicos aún mayores y una mejor manipulación.
La figura 7A representa una realización ilustrativa de un agrupamiento fibroso 120. Como se muestra, el agrupamiento 120 puede estar formado completamente por fibras. Opcionalmente, estas fibras se pueden recubrir individualmente con un recubrimiento 30 como se describe anteriormente. Se entiende, evidentemente, que un implante 10 puede estar formado únicamente por agrupamientos fibrosos, cuyo implante 10 se puede recubrir. En una realización, el material fibroso corto puede extenderse desde el exterior de los agrupamientos para crear sitios de anclaje de la manera descrita anteriormente. Las fibras individuales pueden recubrirse con un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico, similar al ya descrito. Como alternativa, todo el agrupamiento fibroso puede recubrirse con el vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico. El recubrimiento puede ser poroso y también puede estar sinterizado.
De manera adicional, estos agrupamientos fibrosos 140 pueden endurecerse calentándolos a temperaturas elevadas, tal como se muestra en la figura 7B. Los agrupamientos fibrosos fusionados 140 pueden incluir opcionalmente fibras endurecidas en la superficie exterior, que actúan como puntas 146 alrededor de los agrupamientos 140. En algunos casos, los agrupamientos fibrosos sinterizados 160 pueden presentar o no arquitectura fibrosa, como se muestra en la figura 7C. En este ejemplo, los agrupamientos porosos 160 se han fusionado de manera que no se detecta la arquitectura fibrosa original.
Como se ha mencionado, se puede emplear la presencia de materia granular para modificar o controlar la tasa de resorción y el perfil de resorción de los agrupamientos de fibras. La figura 8 muestra una realización de un implante de ingeniería que comprende fibras 20 y gránulos 40 similares a los descritos anteriormente. El gránulo puede ser sólido, poroso o sinterizado, y puede recubrirse además con un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico. Al igual que con las realizaciones anteriores, el implante puede incluir características de superficie exterior tales como fibras cortas onduladas y suaves o espigas de fibras endurecidas.
La figura 8 representa una realización de la invención en la que los gránulos 40 están dispersos aleatoriamente por toda la matriz fibrosa 20. Toda la construcción está encerrada en una cubierta 30, que puede ser porosa o con respiraderos. Estos poros o respiraderos 34 permiten la libre migración de células y nutrientes dentro de la matriz fibrosa interna, mejorando así el proceso de cicatrización.
La figura 9 representa una realización de la invención en la que los gránulos 40 están discretamente orientados en una capa que rodea la matriz fibrosa 20. De manera similar a la figura 8, toda la construcción está encerrada en una cubierta 30, que puede ser porosa o con respiraderos. Estos poros o respiraderos 34 permiten la libre migración de células y nutrientes dentro de la matriz fibrosa interna, mejorando así el proceso de cicatrización. Adicionalmente, la cubierta 30 también puede incluir segmentos 32 de fibras onduladas cortas así como gránulos 52 (no mostrados) que sirven como características de superficie para mejorar el anclaje del implante 10 in situ. Estos segmentos 32 de fibras onduladas cortas pueden ser las fibras 20 que se extienden fuera de la cubierta 30, o pueden ser segmentos 32 de fibras cortas discretas añadidas a la cubierta 30. Se entiende, evidentemente, que la orientación de las capas puede invertirse de modo que las fibras 20 residan en una capa alrededor de una matriz que comprende los gránulos 40, si así se desea.
Los implantes de vidrio bioactivo formados y conformados de la presente divulgación, ya sea con o sin sinterización, comparten los atributos similares de un material de densidad finita que ha sido dictado por su procesamiento y las dimensiones de la fibra del material base (p. ej., diámetro y longitud de las fibras) que dio como resultado la formación de agrupamientos. Los agrupamientos ultraporosos pueden poseer micro, meso y macro porosidad en un gradiente a lo largo del agrupamiento. Bajo un proceso de fabricación consistente, los agrupamientos formados de vidrio bioactivo se pueden utilizar con dosis volumétricas para rellenar un defecto óseo. Se puede proporcionar cualquier número de agrupamientos de diferentes tamaños para diversas aplicaciones clínicas.
De manera adicional, también es posible proporcionar una construcción que represente un compuesto de materiales de vidrio bioactivo no solo en diferentes formas (es decir, fibras frente a gránulos) sino también diferentes formulaciones. Por ejemplo, en una realización, se proporciona un material de vidrio bioactivo como una solución concentrada disuelta que puede incorporarse a las fibras o gránulos del componente de vidrio bioactivo primario del implante. En un caso, se puede disolver un vidrio bioactivo a base de borato e introducirse en los poros de un material de vidrio bioactivo de borato a base de sílice. El material a base de borato disuelto actúa como un agente medicinal, liberando una ráfaga de producto de disolución tras la implantación sin tener que esperar a que se disuelva el material de vidrio bioactivo subyacente a base de sílice primario. Es decir, el material de vidrio bioactivo disuelto se transporta dentro de la matriz porosa formada por el material de vidrio bioactivo primario y se administra a través de esta matriz porosa. Esto proporciona al usuario los beneficios de un segundo componente de vidrio bioactivo sin tener que alterar el implante del portador o el material de vidrio bioactivo primario. De manera adicional, un ejemplo de este tipo permitiría el uso de vidrios más estables químicamente sin perder el beneficio de vidrios de reacción o resorción más rápida. El producto de disolución también sirve para ayudar a regular al alza agentes biológicamente activos como BMP, por ejemplo.
Uno de los beneficios de proporcionar un material de vidrio bioactivo ultraporoso en forma de agrupamiento o granulado es que se puede mejorar la manipulación del material. En una forma de manipular el material granular, los gránulos pueden empaquetarse en una jeringa con un portador e inyectarse en el defecto óseo con facilidad. Otro beneficio es el efecto estructural adicional de tener una pluralidad de agrupamientos empaquetados juntos, formando macroestructuras adicionales al armazón general de material. Como un tamiz, las aberturas entre agrupamientos individuales pueden ser beneficiosas, como cuando se desea un filtro para diversos nutrientes en la sangre o la médula ósea para concentrar ciertos nutrientes deseados en la ubicación del implante.
Aunque se puede emplear materia granular para modificar o controlar la tasa de resorción y el perfil de resorción de los agrupamientos de fibras, asimismo, también es posible proporcionar un implante de ingeniería que no tenga fibras. La figura 10 muestra un implante 120 que comprende agrupamientos fibrosos 40 y gránulos 60. En algunas realizaciones, los gránulos 60 que pueden residir dentro de los agrupamientos fibrosos 40. Los gránulos 60 pueden ser sólidos, porosos o sinterizados, y pueden recubrirse además con un vidrio, vitrocerámica o recubrimiento cerámico. Los gránulos 60 proporcionan la base para las células formadoras de hueso y, en este ejemplo, la matriz a base de gránulos sirve como material portador para los agrupamientos fibrosos 40. Aunque no se muestra, se entiende que el implante 120 puede comprender opcionalmente fibras u otros aditivos como se mencionó anteriormente.
Otro implante útil para aplicaciones clínicas es una formulación o masilla amasable, conformable o moldeable de otro modo. Los implantes de masilla son deseables porque la masilla se puede aplicar directamente al sitio de la lesión mediante inyección o enyesado. Los implantes de masilla también son fáciles de manipular y moldear, permitiendo al médico la flexibilidad de moldear el material fácil y rápidamente en cualquier forma deseada. De manera adicional, la masilla posee los atributos de maleabilidad, untabilidad e inyectabilidad.
Por consiguiente, el material de vidrio bioactivo puede mezclarse con un material portador para una mejor manipulación clínica, como para hacer un implante de masilla o espuma. Puede proporcionarse un implante flexible en forma de masilla mezclando el material de vidrio bioactivo con un fluido o portador. Puede proporcionarse un implante de espuma incrustando el material de vidrio bioactivo en una matriz porosa tal como colágeno (ya sea de origen humano o animal) o matriz polimérica porosa. Una de las ventajas de un implante de espuma es que el portador poroso también puede actuar como un sitio para unir células y factores de crecimiento, y puede conducir a una cicatrización mejor gestionada.
El material portador puede ser poroso y contribuir a la cicatrización. Por ejemplo, el material portador puede tener la porosidad apropiada para crear un efecto capilar para llevar células y/o nutrientes al sitio de implantación, similar a los beneficios que brindan las fibras. El material portador también puede poseer la química para crear una presión osmótica o de hinchamiento para llevar nutrientes al sitio y reabsorberse rápidamente en el proceso. Por ejemplo, el material portador puede ser un polietilenglicol (PEG) que tiene una alta afinidad por el agua.
En una realización, la masilla puede tener una consistencia más fluida que amasable para permitir que se inyecte fácilmente con una jeringa u otro sistema de inyección. Esto podría resultar muy útil en un sistema mínimamente invasivo en el que se desea la menor alteración posible del sitio dañado y del paciente. Por ejemplo, un tratamiento puede implicar simplemente inyectar la masilla fluida de material en el área del daño óseo con una jeringa, cánula, aguja de inyección, tornillo de administración u otro portal de administración médica para la dispersión de materiales inyectables. Este tratamiento puede ser quirúrgico o no quirúrgico.
La combinación de los agrupamientos fibrosos ultraporosos formados por vidrio bioactivo, combinado con gránulos de vidrio bioactivo poroso y un material portador, forma un implante de masilla mejorado sobre las masillas disponibles actualmente. Como se muestra en la figura 11, la masilla 200 puede comprender fibras 20 y agrupamientos de fibras 40 en un material portador. En una realización de acuerdo con la invención, el implante de masilla 220 puede comprender agrupamientos fibrosos 40 como se mencionó anteriormente, gránulos de vidrio bioactivo 60 y el material portador, como se muestra en la figura 12. Los agrupamientos fibrosos sinterizados así como los gránulos de vidrio bioactivo pueden ser porosos, donde cada componente puede tener una gama o gradiente de porosidades en todas partes. Por tanto, la combinación proporciona a la masilla tasas de resorción variables. Como se ha mencionado antes, estos agrupamientos de fibra y vidrio pueden diseñarse con porosidades variables, permitiendo la personalización de la formulación de la masilla. En algunas realizaciones, la masilla incluye cualquier combinación de nanoporos, macroporos, mesoporos y microporos.
En otras realizaciones, el colágeno puede ser una forma de colágeno total o parcialmente soluble en agua para permitir que el colágeno se ablande con la adición de líquidos. En otras realizaciones más, el colágeno puede ser una combinación de colágeno soluble y fibroso. El colágeno puede ser colágeno de origen humano, en algunos casos, o colágeno de origen animal.
El uso de agrupamientos de fibras sinterizadas puede resultar ventajoso en algunos casos, porque la sinterización proporciona una dureza relativa a los agrupamientos, haciendo así mecánicamente más fuertes los agrupamientos sinterizados. Su combinación con los gránulos de vidrio mejora aún más la integridad estructural, resistencia mecánica y durabilidad del implante. Debido a que los gránulos o agrupamientos de mayor tamaño tenderán a tener un tiempo de resorción más prolongado, en casos anteriores, el usuario tuvo que sacrificar la resistencia por la velocidad. Sin embargo, como el solicitante ha descubierto, es posible proporcionar gránulos o agrupamientos de mayor tamaño para lograr resistencia mecánica, sin sacrificar significativamente la velocidad de resorción. Para este fin, se pueden utilizar agrupamientos ultraporosos. En lugar de utilizar esferas sólidas o gránulos, los agrupamientos ultraporosos que tienen la integridad que proporcionan los gránulos de mayor tamaño en general, junto con la porosidad que permite la velocidad de resorción, pueden usarse. Estos agrupamientos ultraporosos tenderán a absorber más nutrientes, reabsorberse más rápido y conducir a una cicatrización y remodelación mucho más rápidas del defecto.
Como se muestra en las micrografías electrónicas de barrido de las figuras 13 a 16, la matriz fibrosa del implante puede tomar la forma de un agrupamiento, tal como se muestra en la figura 13, por lo que la arquitectura fibrosa del implante es evidente. Esta arquitectura fibrosa proporciona al implante una estructura que imita la estructura de un coágulo de fibrina humano. Los gránulos pueden incorporarse a la matriz fibrosa y tales gránulos pueden extenderse fuera del exterior del implante, como se muestra en la figura 14.
La figura 15 muestra un gránulo fibroso que tiene una cubierta parcialmente endurecida. Esta cubierta también es porosa para permitir el intercambio de células y nutrientes. Tal como se muestra en detalle en la figura 16, las fibras individuales dentro de la matriz fibrosa del gránulo también son porosas.
En algunas realizaciones, el diámetro de la fibra puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 100 micras. En otras realizaciones, el diámetro puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 y aproximadamente 30 micras. En otras realizaciones más, el diámetro puede ser inferior a aproximadamente 10 micras. En una realización, el diámetro de la fibra puede estar comprendido entre aproximadamente 2 y aproximadamente 10 micras.
En algunas realizaciones, los agrupamientos de fibras pueden tener un diámetro en el intervalo de aproximadamente 0,75 a aproximadamente 4,0 mm. En otras realizaciones, los agrupamientos de fibras pueden tener un diámetro en el intervalo de aproximadamente 2,0 a 4,0 mm.
En algunas realizaciones, los gránulos de vidrio pueden tener un diámetro en el intervalo de aproximadamente 1 a 5 mm, o de aproximadamente 950 micras a aproximadamente 3 mm, o de aproximadamente 850 micras a aproximadamente 3 mm. En otras realizaciones, los gránulos de vidrio pueden tener un diámetro en el intervalo de aproximadamente 50 a 450 micras, o aproximadamente de 150 a 450 micras.
El material portador del implante de masilla puede ser fosfolípidos, carboxilmetilcelulosa (CMC), glicerina, polietilenglicol (PEG), ácido poliláctico (APL), ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA) u otros copolímeros de la misma familia. Otros materiales adecuados pueden incluir ácido hialurónico o alginato de sodio, por ejemplo. El material portador puede ser a base de agua o no a base de agua, y puede ser viscoso. Otra alternativa de material portador es la solución salina o el aspirado de médula ósea, para proporcionar una adherencia al implante. Aditivos como los descritos anteriormente, como por ejemplo, plata u otro componente antimicrobiano, también se pueden agregar para proporcionar mejoras biológicas adicionales.
Como se ha mencionado anteriormente, los agrupamientos de fibras se pueden sinterizar para proporcionar agrupamientos duros. Evidentemente, se contempla que una combinación de agrupamientos de fibras sinterizadas (agrupamientos duros) y agrupamientos no sinterizados (agrupamientos blandos) se pueda usar en una aplicación simultáneamente. Asimismo, la combinación de masilla, espuma y agrupamientos como se describe en el presente documento se puede usar en una sola aplicación para crear un gradiente de porosidad aún más sofisticado y, en última instancia, ofrecer una mejor respuesta de cicatrización. En algunos casos, también se pueden incorporar al implante agrupamientos porosos sólidos del material de vidrio bioactivo.
Adicionalmente, estos agrupamientos fibrosos se pueden encerrar o recubrir con un vidrio, vitrocerámica o material cerámico. El propio material de recubrimiento puede ser poroso y comprender vidrio bioactivo tal como 45S5 o S53P4. Por lo tanto, un agrupamiento fibroso puede protegerse adicionalmente con un recubrimiento formado del mismo material que las fibras, o de un material diferente. La ventaja de recubrir estos agrupamientos fibrosos es proporcionar una mejor manipulación ya que los materiales altamente porosos tienden a tener baja resistencia, son propensos a romperse y pueden enredarse. La adición de un recubrimiento que tenga las mismas propiedades que el cimiento fibroso subyacente crearía, por tanto, un implante en forma de perla que ofrecería otra capa de protección, así como un gradiente de porosidad adicional. El recubrimiento puede estar sinterizado o sin sinterizar, permitiendo al usuario la flexibilidad de personalizar el producto final a la dureza o suavidad deseada. El proceso de recubrir una matriz con una capa de vidrio bioactivo se ha descrito en la solicitud de patente de EE. UU. n.° 13/429.629 presentada el 26 de marzo de 2012.
Se contempla que la masilla podría formularse para administración inyectable. Por ejemplo, una manera de aplicar la masilla incluiría una jeringa que contenga el material bioactivo que se pueda abrir para succionar en la jeringa el fluido necesario para formar la masilla, mientras que la misma jeringa también se puede utilizar para inyectar el implante de masilla tal como está formado. En otros ejemplos, se puede utilizar una jeringa con accesorios roscados, como una tapa extraíble, para la administración en un sitio específico.
En algunas realizaciones, puede proporcionarse un implante de ingeniería que comprende fibras formadas en un agrupamiento de la manera descrita anteriormente, junto con fibras no sinterizadas de un material diferente. Las fibras sin sinterizar servirían como portador de los agrupamientos fibrosos. Se puede formar un implante de masilla agregando solución salina o aspirado de médula ósea, para proporcionar una adherencia al implante. Por tanto, la masilla podría incluir dos materiales de vidrio bioactivo diferentes.
En otra realización más (fuera del alcance de la invención), el material de injerto se puede proporcionar en forma de espuma. Por ejemplo, la adición de colágeno al material base del injerto produciría un implante de espuma que podría moldearse en tiras, láminas o rollos cilíndricos. Estas tiras, láminas o rollos se pueden cortar fácilmente, plegarse o conformarse de otro modo hasta la geometría definitiva del implante. De manera adicional, estas láminas pueden servir como apósito para heridas o envolver el sitio del defecto óseo para cicatrización.
Aunque los implantes de ingeniería de la presente divulgación se describen para su uso en injertos óseos, se contempla que los implantes de la presente divulgación también se puedan aplicar en la reparación de tejido blando o cartílago. Por consiguiente, la aplicación de los implantes proporcionados en el presente documento puede incluir muchos usos médicos diferentes, y especialmente cuando se desea la formación de nuevo tejido conectivo. Una de estas aplicaciones clínicas se encuentra en el área de reemplazo de núcleos, donde el armazón de ingeniería podría insertarse en el núcleo del disco como parte de una terapia de reemplazo de núcleos. Otra aplicación clínica adecuada es para grandes defectos o lesiones óseas, particularmente con la adición de plasma rico en plaquetas (PRP) al implante de armazón. Aun así, el armazón se puede aplicar como relleno óseo, tal como reemplazo o sustituto del cemento óseo en la reparación de defectos óseos. Se puede aplicar un recubrimiento de silano sobre el armazón para hacerlo más adecuado en esa capacidad.
Otras realizaciones de la invención serán evidentes para los expertos en la materia tras el estudio de la memoria descriptiva y la puesta en práctica de la divulgación divulgada en el presente documento. Se pretende que la memoria descriptiva y los ejemplos se consideren solo a modo de ejemplo, con un verdadero alcance de la divulgación indicándose mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un implante de injerto óseo de compuesto poroso que comprende:
un primer componente que comprende una pluralidad de fibras de vidrio bioactivo (20) y gránulos de vidrio bioactivo (60), en donde el primer componente tiene la forma de un agrupamiento (40); y
un segundo componente que comprende un material de vidrio bioactivo en forma de cubierta (30);
teniendo cada uno del agrupamiento (40) y la cubierta (30) una capacidad de resorción diferente; caracterizado por que el material de vidrio bioactivo del segundo componente en forma de cubierta (30) se extiende sobre el agrupamiento como un todo y por que la pluralidad de fibras de vidrio (20) no están fusionadas, teniendo el implante de compuesto una distribución de tamaño de poro que incluye poros caracterizados por diámetros de poro que van desde 100 nanómetros hasta 1 milímetro.
2. Un implante como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que el segundo componente está parcial o totalmente sinterizado.
3. Un implante como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que al menos uno de los gránulos de vidrio bioactivo (60) y la cubierta (30) es poroso.
4. Un implante como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que el segundo componente es poroso.
5. Un implante como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que cada uno de los gránulos (60) comprende además una cubierta (30), además caracterizado por que la cubierta (30) es un material de vidrio bioactivo.
6. Un implante como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que el material de vidrio bioactivo se selecciona del grupo que consiste en vidrio bioactivo derivado de sol gel, vidrio bioactivo derivado de masa fundida, vidrio bioactivo a base de sílice, vidrio bioactivo sin sílice, vidrio bioactivo cristalizado y vidrio bioactivo que contiene oligoelementos.
7. Un implante como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que el material de vidrio bioactivo comprende un vidrio bioactivo libre de sílice seleccionado del grupo que consiste en vidrio bioactivo a base de borato y vidrio bioactivo a base de fosfato.
8. Un implante como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que el material de vidrio bioactivo comprende un vidrio bioactivo parcialmente cristalizado o totalmente cristalizado.
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