MX2014014656A - Dispositivos de reparacion de tejido y andamiajes. - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona con dispositivos de reparación de tejido o andamiajes, impresos tridimensionalmente multifásicos útiles para promover el crecimiento de hueso y para tratar fracturas, defectos o deficiencias en los huesos, métodos para elaborar los mismos y métodos para promover el crecimiento de los huesos y tratar fracturas, defectos o deficiencias en los huesos utilizando los mismos; el andamiaje tiene un área porosa de hueso en crecimiento que contiene puntales interconectados rodeados por una cubierta microporosa; en los extremos del andamiaje, la cubierta se puede extender como un reborde de guía para estabilizar el andamiaje entre los extremos de hueso; el centro del andamiaje puede estar vacío y puede servir como un espacio potencial para médula; la estructura porosa en crecimiento se puede infiltrar con un material de relleno o portador soluble tal como, por ejemplo, sulfato de calcio el cual se puede infiltrar con uno o más de un antibiótico, un factor de crecimiento, factores de diferenciación, una citocina, un fármaco o una combinación de estos agentes.

Description

DISPOSITIVOS DE REPARACIÓN DE TEJIDO Y ANDAMIAJES CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con dispositivos de reparación de tejido o andamiajes impresos tridimensionalmente multifásicos útiles para promover el crecimiento de los huesos y tratar fracturas, defectos o deficiencias de los huesos, metodos para elaborar los mismos y métodos para promover el crecimiento de los huesos y tratar fracturas, defectos o deficiencias de los huesos utilizando los mismos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los defectos en hueso y tejido suave, en cirugía plástica craneofacial y en el ámbito ortopédico con frecuencia se rellenan utilizando injertos de tejido autógeno, materiales de aloinjerto humano procesados o materiales aloplásticos (sintéticos), la totalidad de los cuales tienen deficiencias. Los materiales autógenos deben ser cosechados de otros sitio quirúrgico y los aloinjertos humanos procesados son costosos, inconsistentes y pueden representar el riesgo de transmisión de enfermedades. Los materiales aloplásticos algunas veces funcionan pobremente, algunas veces son de larga duración o permanentes y pueden volverse infectados. La totalidad de estos materiales deben ser conformados para ajustarse a sitios complejos o son de forma granular y de alguna manera deben mantenerse en su lugar. La investigación continúa por un material de reparación perfecto para los huesos - uno que pueda fabricarse individualmente para ajustarse a defectos complejos, que estimulen la reparación de los huesos para llenar defectos de huesos largos y que a la postre se disuelva y/o se elimine por remodelado dejando solo hueso regenerado. Algunos materiales aloplásticos disponibles para uso similares incluyen aquellos descritos por Owen et al., JBMR Parí A 2010, Chen et al., Biomaterials 2011, Kim et al., Tiss Eng Part B, 2010 y Fu et al., Acta Biomateríalia 2011.

Los niños que requieren reparación craneal compleja, como aquellos con hendidura alveolar o con síndrome de Treacher-Collin's, a diferencia de los adultos, requieren materiales completamente resorbióles que puedan permitir regeneración ósea junto con crecimiento craneofacial. Con injertado de hueso insuficiente para reparar estos defectos, estos niños requieren innovación en teenologías de reparación de huesos. El andamiaje de reparación de hueso ideal necesita no requerir receta y/o fabricarse individualmente para ajustarse estrechamente a la estructura tridimensional extraviada o perdida. Las tecnicas de fabricación de andamiaje de espuma tridimensional tales como lixiviado de particulado, la separación/inversión de fases, los métodos de porógeno y vaciado y centrifugado, aunque controlan la distribución de tamaño de poro general, no controlan la ubicación individual de los poros, la morfología de los poros y la interconectividad de los poros; esto último es una necesidad bien documentada para promover el intercambio de nutrientes y metabolitos así como para promover la conducción de hueso y células vasculares a través de los andamiajes (Lee et al., J Mater Sci Mater Med 2010; 21:3195-3205.

Un proceso de impresión tridimensional útil, la escritura directa (DW), como se detalla por Nadkarni et al., J Am Ceram Soc 2006; 89:96-103 se basa en la extrusión/deposición de tintas coloidales como filamentos continuos. DW requiere auxiliares de procesamiento mínimos (es decir, polímeros) en la tinta para filamentos/puntales de soporte que permitirán la impresión de las estructuras de retícula requeridas para los andamiajes de huesos. Los andamiajes se imprimen por extrusión de tinta en el plano XY, "escribiendo" la capa inferior, después se mueven a una altura Z para escribir capas adicionales hasta que se forma una estructura tridimensional. El post procesamiento de los cuerpos en bruto impresos requiere la eliminación por quemado del aglutinante y sinterizado en un horno de alta temperatura. Los andamiajes resultantes son de alta resolución y muy reproducibles.

Los trabajos previos por Simón et al., J Biomed Mater Res 2007; 83A: 747-758, consisten en rellenar defectos en el trefino calvario de conejo de 11 mm con hidroxiapatita (HA). Es posible incrementar la resorción de andamiaje al agregar fosfato tricálcico beta (bTOR) a la HA para formar un coloide bifásico el cual se ha demostrado que es osteoconductor y remodelable. Además, se ha agregado sulfato de calcio (CS) para llenar el espacio entre puntales como material de relleno temporal. Se sabe que CS es completamente reabsorbible, osteoconductor, angiogénico y biocompatible (Thomas et al., J Biomed Mater Res 2009; 88B:597-610) y en andamiajes sirve para actuar como un material de relleno que se disuelve justo por delante del frente del hueso en crecimiento.

Sería útil determinar de que manera el espacio de mesoporo y los patrones de puntales determinan la morfología del hueso en crecimiento. Aunque se han realizado muchos estudios para investigar la relación entre el tamaño de poro y la formación de hueso, el tamaño de poro óptimo no está claro y en la mayor parte de los estudios se sugiere un intervalo de 100 a 400 pm (LeGeros, Clin Orthop Relat Res 2002; 395:81-98), la DW permite la producción de tamaños de mesoporo controlados en andamiajes. Un diseño de andamiaje-previo para defectos en la bóveda craneal consiste de un disco de 11 mm con cuadrantes que comprenden separaciones de retícula diferentes que varían de 250 mm a 400 pm..Despues de 8 y 16 semanas in vivo, regiones de poro más pequeño produjeron un patrón diferente de crecimiento óseo y resorción de andamiaje en comparación con las regiones de poro más grande (Ricci et al., J Craniofac Surg 2012; 23:00-00; Ricci et al., "Biomedical Mechanisms of Calcium Sulfate Replacement by Bone". In: Bone Engineering, ed., JE Davis, Em2 Inc. , Toronto, Ont. Canadá, Capítulo 30, 332-344, 2000).

Las muchas situaciones clínicas que requieren reparación y regeneración de huesos compleja extensa continúa representando problemas sin soluciones aceptables. Los tratamientos clínicos actuales son equilibrios que requieren procedimientos de injertado autógeno elaborados y complejos o representan opciones de tratamiento alogeneico o aloplástico imperfectos. En todos los casos estas situaciones de reparación de hueso complejas requieren que los materiales no elaborados para un sitio específico se ajusten tanto como se pueda en el defecto. Sería deseable proporcionar medios nuevos para imprimir andamiajes tridimensionales constituidos de biomateriales osteoconductores que tienen el potencial para ser fabricados individualmente para reparar defectos complejos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En un primer aspecto, la presente invención proporciona un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje que tiene un área de crecimiento de hueso poroso que contiene puntales interconectados rodeados por una cubierta microporosa. La cubierta microporosa puede funcionar para unión pero limitar el crecimiento de tejido suave. En los extremos del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje, la cubierta puede extenderse como un reborde de guía para estabilizar el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje entre extremos de hueso, a traves de un defecto óseo, etc., o un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se puede utilizar para reparar un defecto de un hueso plano. El centro del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede estar vacío y puede servir como un espacio de médula potencial. La estructura porosa en crecimiento se puede infiltrar con un material de relleno o portador soluble tal como, por ejemplo, sulfato de calcio. Este material de relleno o portador soluble tal como por ejemplo sulfato de calcio se puede infiltrar con uno o más de un antibiótico, un factor de crecimiento, un factor de diferenciación, una citocina, un fármaco o una combinación de estos agentes. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ajustarse entre los extremos de hueso corticales de un hueso largo y llevar a cabo el sanado del hueso, el cual surge principalmente de las superficies del endostio y periosto o puede ser utilizado en o cerca de un defecto óseo, por ejemplo, un hueso plano. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se puede utilizar utilizando una placa de hueso modificada o tornillos óseos. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se puede producir por un procedimiento de impresión tridimensional y se puede conformar, por ejemplo, con material cerámico osteoconductor.

El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser un dispositivo de reparación de tejido impreso tridimensionalmente multifásico. Los puntales pueden ser sustancialmente cilindricos y pueden tener un diámetro, por ejemplo, desde aproximadamente 1-1,000, 10-900, 20-800, 30-700, 40-600, 50-500, 60-400, 100-350, 120-300 o aproximadamente 200-275. En algunas modalidades, los puntales pueden tener un diámetro de aproximadamente 20-940 pm. En algunas modalidades, los puntales están dentro de aproximadamente 3x, 2x o 1.5x o sustancialmente pueden ser del mismo diámetro que las trabéculas óseas. En algunas modalidades, los puntales se pueden separar longitudinalmente por un espacio de hasta 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 mm o más o incluso 1.0 mm o mayor. De modo similar, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser poroso con mesoporos que pueden estar presentes en un tamaño generalmente menor de aproximadamente 100, 75, 50, 30, 20, 10 o incluso menos de aproximadamente 5, 4, 3, 2, 1 o incluso 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 o 0.1 pm de diámetro. Los puntales se pueden distribuir en una distribución sustancialmente lineal. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser sustancialmente reabsorbióle de manera que, por ejemplo, después de aproximadamente 8, 10, 12, 16, 18, 20 ó 24 semanas o similar, de presencia in vivo, aproximadamente 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 o 50% o más del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser resorbido. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser de por lo menos aproximadamente 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% o incluso más poroso. De modo similar, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficiente para alentar y promover el crecimiento de hueso de manera que después de aproximadamente 8 o 16 semanas de presencia in vivo, aproximadamente 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 o 50% más del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede estar sustituido por hueso. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede promover o formar hueso cancelar o cortical, dentro del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje o en la región o área del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se puede utilizar para remodelar hueso o para controlar regionalmente la densidad del hueso.

El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede presentar un gradiente de mesoporos formados al hacer variar la separación de puntal en tres dimensiones (X, Y y D. La separación en las dimensiones X e Y se puede llevar a cabo utilizando patrones radiales o en forma de V, con separación, por ejemplo, de 100-940 pm. La separación en la dimensión Z se puede llevar a cabo por apilado de capas múltiples de puntales radiales. La estructura porosa en crecimiento se puede infiltrar con un material de relleno o portador soluble tal como, por ejemplo, sulfato de calcio. En algunas modalidades la estructura porosa en crecimiento puede estar infiltrada con un material de relleno que atrae osteoclastos tal como, por ejemplo, fosfato de calcio mineral y proteína de colágeno tipo I. En algunas instancias, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje impreso puede ser micro/nanoporoso sobre aproximadamente un nivel de tamaño de poro de 0.1-1 pm. Entonces en algunas instancias los poros pueden estar infiltrados con colágeno solubilizado.

El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficaz para promover el crecimiento de huesos y tratar fracturas, defectos o deficiencias de los huesos a través de una distancia de por lo menos 5, 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 o más milímetros. De manera similar, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficaz para promover el crecimiento de hueso tanto cortical como similar a cortical y hueso trabecular o similar a trabecular. El hueso que crece de esta manera puede estar en cualquier proporción adecuada tal como, por ejemplo, 95%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 10% o similar de hueso trabecular o similar a trabecular o justo lo opuesto, es decir, 95%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 10% o similar de hueso cortical o similar a cortical. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficaz para reducir o acortar el tiempo de reparación normal a traves de un defecto de un hueso en 5, 10, 20, 25, 30, 40, 50, 75; 90% o más. En algunas instancias, el defecto del hueso se puede reparar en aproximadamente la mitad, un tercio o un cuarto del período de tiempo requerido normalmente. En muchas instancias, los tamaños de poro más grandes se encuentran cerca de las porciones exteriores del andamiaje y los tamaños de poro más pequeños se encuentran cerca de las porciones interiores del andamiaje. En algunas instancias, la porción del andamiaje que forma la mitad interior del área de superficie puede tener una mediana de tamaño de diámetro de poro o área que es 5, 10, 20, 25, 30, 40, 50, 75; 90% o mayor más pequeña que la mediana de tamaño de diámetro de poro o área de la porción del andamiaje que forma la mitad exterior del área de superficie. En algunas instancias los tamaños de poro están distribuidos arquitectónicamente en cualquier configuración adecuada o deseable de manera que individualizan el tipo de crecimiento de hueso, por ejemplo la densidad de hueso, el hueso similar a trabecular o hueso similar a cortical deseado. De modo similar, en algunas instancias, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se forma y se conforma para individualizar la forma de tejido o reparación de hueso deseada para abarcar de manera óptima un defecto. Además, en algunas instancias, una porción del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede estar sustancialmente hueco, por ejemplo 10, 20, 25. 30, 40, 50, 75, 90% o mayor de la porción interior del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede estar sustancialmente hueco.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un metodo para promover el crecimiento de hueso o para tratar fracturas, defectos o deficiencias de los huesos al promover un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje que tenga un área de hueso poroso en crecimiento que contenga puntales interconectados rodeados por una cubierta microporosa. La promoción de crecimiento de hueso o el tratamiento de fracturas, defectos o deficiencias de huesos puede mostrar control o alteración de la densidad de hueso y puede mostrar remodelado de hueso, por ejemplo, hueso cancelar o cortical. En la mayor parte de las instancias el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se proporciona in vivo a una región que presenta una deficiencia, fractura o hueco óseo. La cubierta microporosa puede funcionar para unir pero limitar el crecimiento de tejido suave. En los extremos del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje la cubierta se puede extender como un reborde de guía para estabilizar el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje entre extremos de hueso. El centro del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede estar vacío y puede servir como un espacio potencial para médula. La estructura porosa en crecimiento puede ser infiltrada con un material de relleno o portador soluble tal como, por ejemplo, sulfato de calcio. Este material de relleno o portador soluble tal como, por ejemplo, sulfato de calcio, puede estar infiltrado con uno o más de un antibiótico, un factor de crecimiento, factores de diferenciación, una citocina, un fármaco o una combinación de estos agentes. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede acoplarse entre los extremos de hueso cortical de huesos largos y llevar a cabo el sanado de hueso, lo cual surge principalmente desde las superficies endóstico y perióstico. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser estabilizado utilizando una placa de hueso modificada o tornillos óseos. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se puede producir por un procedimiento de impresión tridimensional y se puede conformar, por ejemplo, sobre un material cerámico osteoconductor.

El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser un dispositivo de reparación de tejido impreso tridimensionalmente multifásico. Los puntales pueden ser sustancialmente cilindricos y pueden por ejemplo ser de un diámetro de aproximadamente 1-1 ,000, 10-900, 20-800, 30-700, 40-600, 50-500, 60-400, 100-350, 120-300 o aproximadamente 200-275. En algunas modalidades, los puntales son de un diámetro de aproximadamente 20-940 pm. En algunas modalidades, los puntales están dentro de aproximadamente 3x, 2x o 1.5x o sustancialmente el mismo diámetro que las trabeculas óseas. En algunas modalidades, los puntales pueden estar separados longitudinalmente por un espacio de hasta 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 mm o mayor o incluso 1.0 mm o mayor. De manera similar, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser poroso que tenga mesoporos que puedan estar presentes en un tamaño generalmente menor de aproximadamente 100, 75, 50, 30, 20, 10 o incluso menores de aproximadamente 5, 4, 3, 2, 1 o incluso 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 o 0.1 mm de diámetro. Los puntales pueden estar distribuidos en una distribución sustancialmente lineal. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser sustancialmente reabsorbióle de manera que, por ejemplo, después de aproximadamente 8, 10, 12, 16, 18, 20 ó 24 semanas o similar, de presencia in vivo, aproximadamente 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 o 50% o más del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser resorbido. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser de por lo menos aproximadamente 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% o incluso más poroso. De modo similar, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficiente para alentar y promover el crecimiento de hueso de manera que después de aproximadamente 8 o 16 semanas de presencia in vivo, aproximadamente 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 o 50% o más del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser sustituido por hueso.

El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede presentar un gradiente de mesoporos formados al variar la separación de puntales en tres dimensiones (X, Y y D. La separación en las dimensiones X e Y se puede llevar a cabo utilizando patrones radiales o en forma de V, con separación, por ejemplo, de 100-940 pm. La separación en la dimensión Z se puede llevar a cabo por apilado de capas múltiples de los puntales radiales. La estructura porosa en crecimiento puede estar infiltrada con un material de relleno o portador soluble tal como, por ejemplo, sulfato de calcio. En algunas modalidades la estructura porosa en crecimiento puede estar infiltrada con un material de relleno que atrae osteoclastos tal como, por ejemplo, fosfato de calcio mineral y proteína de colágeno tipo I. En algunas instancias, el dispositivo de reparación de tejido impreso o los andamiajes pueden ser micro/nanoporosos un nivel de tamaño de poro de aproximadamente 0.1-1 pm. Los poros despues en algunas instancias pueden estar infiltrados con colágeno solubilizado.

El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficaz para promover el crecimiento de los huesos y tratar fracturas, defectos o deficiencias de los huesos a través de una distancia de por lo menos 5, 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 o más milímetros. De manera similar, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficaz para promover el crecimiento tanto de hueso cortical o similar a cortical así como hueso trabecular o similar a trabecular. El hueso que ha crecido de esta manera puede estar en cualquier proporción adecuada tal como, por ejemplo, 95%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 10% o similar de hueso trabecular o similar a trabecular o justo lo opuesto, es decir, 95%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 10% o similar de hueso cortical o similar a cortical. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje puede ser eficaz para reducir o acortar el tiempo de reparación normal a través de un defecto de hueso en 5, 10, 20, 25, 30, 40, 50, 75; 90% o mayor. En algunas instancias, el defecto del hueso se puede reparar en aproximadamente la mitad, un tercio o un cuarto del período de tiempo requerido normalmente. En muchas instancias, los tamaños de poro más grandes se encuentran cerca de las porciones exteriores del andamiaje y los tamaños de poro más pequeños se encuentran cerca de las porciones interiores del andamiaje. En algunas instancias, la porción del andamiaje que forma la mitad interior del área de superficie puede tener una mediana de tamaño de diámetro de poro o área que es 5, 10, 20, 25, 30, 40, 50, 75; 90% o mayor más pequeña que la mediana de tamaño de diámetro de poro o área de la porción del andamiaje que forma la mitad exterior del área de superficie. En algunas instancias los tamaños de poro se distribuyen arquitectónicamente en cualquier configuración adecuada o deseable de manera que se individualiza el tipo de crecimiento de hueso, por ejemplo la densidad de los huesos, el hueso similar a trabecular o hueso similar a cortical, deseado. De modo similar, en algunas instancias, el dispositivo de reparación de tejido o andamiaje se forma y se conforma para individualizar la forma de tejido o reparación de hueso deseada para abarcar de manera óptima un defecto.

En un tercer aspecto, la presente invención proporciona un metodo para producir un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje útil para promover el crecimiento de los huesos o para tratar fracturas, defectos o deficiencias de los huesos que tiene un área de crecimiento de hueso poroso que contiene puntales interconectados rodeados por una cubierta microporosa. El método describe: (a) proporcionar una cubierta microporosa que puede funcionar para unir pero limitar el crecimiento de tejido suave, (b) infiltrar una estructura porosa en crecimiento con un material de relleno o portador soluble, y opcionalmente (c) infiltrar la estructura porosa en crecimiento con uno o más de un antibiótico, un factor de crecimiento, un factor de diferenciación, una citocina, un fármaco o una combinación de estos agentes. El material de relleno o portador soluble puede ser un material de relleno que atraiga osteoclastos tales como, por ejemplo, fosfato de calcio mineral y proteína de colágeno tipo I. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje útil para promover el crecimiento de los huesos o para tratar fracturas, defectos o deficiencias de los huesos que tenga un área de hueso poroso en crecimiento que contenga puntales interconectados rodeados por una cubierta microporosa puede tener los rasgos descritos en la presente con respecto al primero y segundo aspectos de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 es un diagrama de un diseño de dispositivo de reparación de tejido o andamiaje que se puede utilizar para regenerar un defecto de hueso largo, que muestra su colocación y fijación en el defecto. El andamiaje tiene un área de hueso poroso en crecimiento (A) que contiene interconectados puntales cilindricos de 250 mm rodeados por una cubierta microporosa (B) para unir y limitar el crecimiento de tejido suave. En los extremos del andamiaje la cubierta se puede extender como un reborde de guía (C) para estabilizar la construcción entre los extremos de hueso. El centro del andamiaje (D) puede permanecer vacío como un espacio potencial para médula. La estructura porosa en crecimiento (delineada con una línea tachada en el dibujo izquierdo superior) puede estar infiltrado con material de relleno/portador soluble (tal como sulfato de calcio como un ejemplo) que puede estar infiltrado con uno o más de antibióticos, factores de crecimiento, factores de diferenciación, citocinas, fármacos o una combinación de estos agentes. El andamiaje se puede acoplar entre los extremos de hueso cortical (E) del hueso largo y llevar a cabo el sanado de hueso, el cual surge principalmente de las superficies endóstico y perióstico (F). La construcción puede ser estabilizada utilizando una placa de hueso modificada (G) y tornillos de hueso (H).

La figura 2 muestra un aparato de impresión de escritura directa (DW) basada en la extrusión/deposición de tintas coloidales como filamentos continuos. DW requiere auxiliares de procesamiento mínimos (es decir, polímeros) en la tinta para autosoporte de filamentos/puntales que permitirán la impresión de las estructuras de retícula requeridas para los andamiajes de hueso. Los andamiajes se imprimen por extrusión de tinta en el plano XY, "escribiendo" la capa inferior, y después moviéndose en la altura Z para escribir capas adicionales hasta que se forma una estructura tridimensional. El post-procesamiento de los cuerpos en bruto impresos requiere unión por quemado y sinterizado en un horno de alta temperatura. Los andamiajes resultantes son de alta resolución y muy reproducibles.

La figura 3 muestra un diseño de andamiaje previo para defectos en la bóveda craneal que tengan un disco de 11 mm con cuadrantes que tengan diferentes separaciones de retícula que varía de 250 mm a 400 pm. Despues de 8 y 16 semanas in vivo, las regiones de poro más pequeña producen un patrón diferente de crecimiento óseo y resorción de andamiaje en comparación con las regiones de poro más grande.

Las figuras 4A y 4B muestran dos arquitecturas de andamiaje, (figura 4A) de poro pequeño (SP) y (figura 4B) de poro grande (LP) diseñadas para incrementar la diversidad de geometría de poro. Ambos andamiajes contienen una tapa sólida de puntales paralelos estratificados sobre una superficie la cual sirve biológicamente como una barrera para bloquear el crecimiento de tejido suave del cuero cabelludo, pero que estructuralmente sirve como una base para la impresión de la retícula de andamiaje en la dirección Z. El diseño de andamiaje construido sobre esta base difiere entre los andamiajes SP y LP, pero en general consiste de capas de círculos concéntricos incrustados (CC) que alternan con una o más capas radiales (R). La variación de porosidad de la dirección Z surge del uso de 1, 2 ó 3 apilados de capas radiales y la porosidad en la dirección X e Y proviene de la separación entre puntales radiales en la misma capa.

La figura 5 proporciona un diagrama de un volumen de mesoporo único formado. Se describe un anillo de estos volúmenes a partir del espacio entre las capas CC y R en los andamiajes.

La figura 6 muestra (izquierda) un empalme horizontal de andamiaje SP después de 8 semanas a través de mesoporos de altura 1Z, con poros conformados por círculos concéntricos (CC) y puntales radiales (R). Todos los poros excepto los más grandes en el exterior se evaluaron con microCT. Dado que los puntales R se estrechan, el hueso comienza a unirse a los puntales. El hueso presenta una apariencia discontinua debido a que crece hacia arriba de entre los anillos CC, como se muestra en la imagen superpuesta (superior derecha), un corte vertical de mesoporos de una altura 1Z y 2Z en el anillo exterior del mismo andamiaje. (Parte inferior derecha), un corte horizontal del andamiaje LP después de 16 semanas. Nótese la formación significativa de osteoide (en bruto) en donde los puntales resorbidos han sido sustituidos con hueso nuevo.

La figura 7 proporciona los porcentajes de mesoporo de altura 1Z observados a partir del andamiaje de poro pequeño que tiene tres tamaños de anillo, grande, medio y pequeño, después de 0, 8 y 16 semanas.

La figura 8 proporciona un corte vertical a través del centro y cortes horizontales a través de la parte media de los mesoporos 3Z en el andamiaje LP después de 8 semanas.

La figura 9 proporciona los porcentajes de mesoporo de altura 2Z observados a partir de un andamiaje de poro pequeño que tiene tres tamaños de anillo, grande, mediano y pequeño, después de 0, 8 y 16 semanas.

La figuras 10 proporciona los porcentajes de mesoporo de altura 3Z observados a partir de un andamiaje de poro pequeño que tiene tres tamaños de anillo, grande, mediano y pequeño, despues de 0, 8 y 16 semanas.

Las figuras 11A a 11C muestran: Figura 11 A) un andamiaje de poro grande; Figura 11 B) un andamiaje de poro pequeño, antes y después de separación del anillo exterior; y Figura 11 C) un diagrama agrandado de un mesoporo grande de anillo exterior. Los rectángulos corresponden a las tres capas de puntales radiales entre círculos concéntricos y las flechas indican las cuatro paredes abiertas del mesoporo.

La figura 12 proporciona una exploración microCT de un andamiaje de poro grande después de 16 semanas. El andamiaje se observa cortado digitalmente tanto de modo vertical a través del centro así como horizontalmente, entre mesoporos superficiales y profundos. El andamiaje y la tapa tienen una apariencia más oscura y el tejido duro circundante tiene un matiz más claro.

La figura 13 muestra cortes horizontales de un andamiaje a través de mesoporos.

La figura 14 proporciona un corte vertical a través de los cortes central y horizontal a través de la parte media de los mesoporos 3Z en un andamiaje.

La figura 15 proporciona cortes a través de un andamiaje demostrando el crecimiento de hueso tanto cortical como trabecular.

La figura 16 muestra un andamiaje que tiene un diseño de mesoporo de cuatro cuadrantes que tiene mesoporos de tamaños diferentes en cuadrantes distintos.

Las figuras 17A y 17B muestran dos arquitecturas de andamiaje, (figura 17A) de poro pequeño (SP) y (figura 17B) de poro grande (LP) diseñadas para incrementar la diversidad de geometría de poro. El diseño de poro pequeño tiene dimensiones de poro de 0 - 410 mm y el diseño de poro grande tiene dimensiones de poro de 250-940 pm.

La figura 18 muestra gráficamente la fracción de perdida de andamiaje (remodelado) versus volumen de andamiaje a las 8 semanas después del implante, que muestra con claridad el crecimiento de hueso.

La figura 19 muestra gráficamente el hueso como una fracción de espacio disponible versus volumen de andamiaje a las 8 semanas después del implante lo que demuestra con claridad el crecimiento del hueso.

La figura 20 muestra gráficamente la fracción de andamiaje, espacio o tejido suave y volúmenes de hueso presentes a las 0 y 8 semanas después del implante para un andamiaje de poro grande (izquierda) y de poro pequeño (derecha). El andamiaje de poro grande tiene tamaños de poro en el intervalo de 428-636 pm con un eje Z de 616 pm. El andamiaje de poro pequeño tiene tamaños de poro en el intervalo de 25-188 pm con un eje Z de 410 pm.

Las figuras 21 A a 21 D proporcionan: (figura 21A) un diagrama de un corte longitudinal de un defecto óseo que tiene un andamiaje colocado en el mismo (arriba); (figura 21B) un diagrama de una vista de extremo de un andamiaje impreso (parte inferior izquierda): (figura 21 C) una vista lateral de un defecto óseo adecuado para un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje (parte central inferior); y (figura 21 D) una vista superior de un defecto óseo adecuado para un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje (abajo, derecha).

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los andamiajes de dispositivo de reparación de tejido impresos tridimensionalmente multifásicos (M3DRD) se pueden utilizar para sustituir las teenicas de injertado de hueso actuales y los sustitutos de injerto de hueso. La totalidad de los cuales tienen inconvenientes graves y no se pueden producir en diseños y formas complejas necesarias para reparar defectos complejos en los huesos. M3DRD puede reproducirse individualmente para aplicaciones de injertado complejo para reparación de hueso craneofacial y ortopédico.

El dispositivo de reparación de tejido impreso tridimensionalmente multifásico (M3DRD) es un dispositivo que comienza con por lo menos un componente y que posiblemente comprende tres o más componentes (figura 1). Los componentes principales son: (1) el andamiaje, (2) el material de relleno/portador temporal y (3) la molécula bioactiva/fármaco contenido en el material de relleno/portador.

Andamiaje El núcleo de M3DRD es un andamiaje tridimensional que se puede producir utilizando una téenica de impresión tridimensional denominada como deposición robótica o tecnología de escritura directa (DW) (véase la figura 2). Esta técnica utiliza un proceso de impresión controlado por computadora y tintas coloidales para formar estructuras tridimensionales. Estas estructuras pueden formarse sobre componentes propios o pueden formarse de manera adaptada para rellenado de defectos de hueso individuales a partir de datos tomográficos (rayos X, sonografía o MRI).

La fabricación de tinta y el sistema de impresión en si mismos se describen con mayor detalle en otras referencias pero básicamente el sistema utiliza tintas controladas reológicamente basadas en agua que se solidifican conforme salen de la boquilla de impresión. Estas tintas consisten de partículas cerámicas controladas finamente en una suspensión basada en agua que contiene sustancias químicas orgánicas que controlan las características de manejo de la tinta coloidal. Esto permite que estructuras similares a retícula tridimensionales sean impresas, en capas, sin o con corrimiento mínimo de elementos estructurales no soportados.

Utilizando este sistema, los elementos de la primera capa se pueden imprimir al forzar la tinta a través de una boquilla pequeña (diámetro de ~50-400 pm) sobre una placa de soporte, utilizando un sistema de control de coordenadas x e y de un sistema de pórtico de control x-y-z. Después, el sistema de control z se utiliza para mover la boquilla hacia arriba ligeramente menos de el diámetro de una boquilla. Despues, la siguiente capa se imprime sobre la primera capa. Esto continúa capa por capa hasta que se termina la estructura tridimensional completa.

La estructura completa se puede imprimir en un baño de aceite para evitar secado. El sistema puede tener tres boquillas y depósitos de tinta de manera que se pueden utilizar hasta tres materiales para imprimir una estructura única. Las tintas fugitivas, tintas que consisten completamente de material que es eliminado por quemado durante el incinerado, también se pueden utilizar como parte del proceso de impresión. Esto puede ser utilizado para imprimir estructuras de soporte para partes complejas que requieran soportes temporales.

Las estructuras resultantes después son retiradas del baño de aceite, secadas e incineradas en un horno programable para producir la estructura cerámica final. El incinerado actualmente se realiza a aproximadamente 1100°C durante aproximadamente cuatro horas, lo cual sustancialmente elimina por incinerado los complementos orgánicos, sinteriza las partículas cerámicas uniéndolas en una estructura sólida. Esto puede provocar una cantidad pequeña de encogimiento predecible que puede calcularse en el proceso de impresión para generar estructuras precisas y predecibles.

Las boquillas de impresión pueden ser habitualmente cilindricas lo que produce estructuras impresas en forma de varilla cilindricas. No obstante, las boquillas se pueden elaborar para que se conformen para elaborar estructuras no cilindricas o estructuras con estrías en la superficie de tamaños diseñados para controlar el desplazamiento, crecimiento y diferenciación de células en base en nuestras patentes de modificación de superficie anteriores. (Véase la patente U.S. 6,419,491).

Composición El andamiaje base de fosfato de calcio se elabora a partir de tintas elaboradas sobre materiales permanentes, remodelables (a través de procesos de remodelado de hueso) o materiales solubles, o algunas combinaciones de estos. Algunos materiales promisorios en este momento son cerámica de hidroxiapatita (HA), cerámica de fosfato tricálcico (TCP), y cerámica bifásica (HA/TCP) que tiene una combinación de los dos materiales. Los materiales HA producen andamiajes permanentes o de muy larga duración (en base en las temperaturas de incinerado), las combinaciones de HA/TCP pueden variar con altos porcentajes de HA lo que produce andamiajes de larga duración y se han utilizado andamiajes de ~99% de TCP/1 % de HA para producir andamiajes que se ha demostrado que remodelan significativamente a través de la actividad osteoclástica. Algunos de estos andamiajes contienen un espesor de aproximadamente 3 mm, discos porosos de 11 mm de diámetro con estructuras de poro variable en diferentes regiones del disco y aproximadamente una estructura de tapa sólida de espesor de 0.5 mm, de aproximadamente 12 mm de diámetro. Estas se han insertado en orificios trefino de 11 mm de diámetro en huesos parietales (cráneo) de conejos para probar la respuesta del hueso y el tejido suave. Se ha demostrado que estos andamiajes pueden producirse efectivamente para tener combinaciones de componentes de cubierta sólida para limitar la infiltración de tejido fibroso y estructuras de retícula interna con elementos con un diámetro de 270 mm (este diámetro puede variar utilizando el tamaño de boquilla) y poros (mesoporos) que varían en tamaño desde menos de 100 pm a 1000 pm en su dimensión más grande. Estas construcciones, con tamaños de poro y puntales por encima de escala de micrómetros y por debajo de escala de milímetros se denominan como mesoestructuras. Las estructuras de retícula, debido a la composición de HA y TCP, promueven la osteoconducción de hueso nuevo en los andamiajes Al agregar partículas orgánicas pequeñas a las tintas, también se pueden producir componentes de andamiaje microporoso (a un tamaño de poro de submicras a ~20 pm). Esto se puede diseñar para unir tejido conectivo fibroso. Utilizando estas combinaciones de capas sólidas, diversas retículas de mesoporo de onda abierta de tamaño variable, elementos de retícula microestructurados y elementos de retícula microporosos, se pueden diseñar estructuras complejas y se pueden fabricar para llevar a cabo el crecimiento y formación de hueso, tejido de médula, tejido fibroso y vasos sanguíneos. Un ejemplo de un andamiaje para regeneración de huesos largos se muestra en la figura 1. Puesto que el sistema DW puede imprimir más de un material en un andamiaje, es factible imprimir andamiajes con componentes HA permanentes así como elementos TCP remodelables. Esto puede ser aplicable en aplicaciones ortopedicas en donde es necesaria la resistencia a largo plazo del andamiaje.

Material de relleno/material portador de andamiaje y factores bioactivos Este componente de material de relleno/portador tiene un cemento, polímero o un material basado en hidrogel orgánico/natural que se puede utilizar para infiltrar el andamiaje para producir una estructura compuesta sólida o casi sólida (si el material de relleno es microporoso). Este material de relleno/portador puede ser soluble en alguna velocidad conocida o controlada, proporcionando al andamiaje con mayor resistencia mecánica y estabilidad iniciales y después disolverse para permitir y/o estimular el crecimiento de hueso o tejido suave (en base en la aplicación y diseño). El material de relleno/portador puede disolverse desde el exterior del andamiaje hacia adentro, a su centro, lo que permite que el compuesto se vuelva poroso conforme el componente de andamiaje es expuesto y conforme el tejido y los vasos sanguíneos crecen desde el tejido circundante. Este componente también puede proteger la porción interna del andamiaje de la formación de un coágulo de sangre que normalmente se formaría en ese lugar durante el sanado temprano. Este coágulo de sangre se podría infectar en sitios bucales y craneofaciales en donde estos sitios con frecuencia no son estériles o se volvería tejido de granulación/fibroso o necrótico cualquiera de los cuales puede impedir el crecimiento de los huesos. EL material de relleno/portador de modo inherente puede estimular la formación de tejido o puede contener fármacos incorporados, factores de crecimiento, citocinas o antibióticos.

Algunos materiales de relleno/portadores ejemplares son sulfato de calcio (emplastos o parís), sulfato de calcio de liberación sincronizada (una versión de disolución lenta de sulfato de calcio) y quitosana, un derivado de quitina, un polisaóárido derivado biológicamente que se puede utilizar como un recubrimiento o material de relleno de hidrogel. Otros materiales tales como polímeros reabsorbibles como pol(L-ácido láctico) (PLLA) se pueden utilizar como materiales de relleno/portadores, pero de manera alternativa estos se pueden utilizar como un material de recubrimiento para el andamiaje en vez de material de relleno. De esta manera, aún pueden resistir el andamiaje y actuar como materiales de liberación pero pueden no ser utilizados para llenar el andamiaje y volverlo una estructura sólida.

El sulfato de calcio se utiliza como un material de relleno y como un material portador de fármaco, en donde se ha encontrado que mejora las propiedades mecánicas de las estructuras, libera agentes biológicamente activos de un modo predecible y no interfiere con la formación de hueso. Las moleculas bioactivas investigadas utilizando este portador incluyen factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) recombinante y proteína morfogenética ósea (BMP).

Uso de la mesoestructura de andamiaje para controlar las características mecánicas de andamiaje, características de hueso v remodelado de andamiaje Es posible diseñar y producir andamiajes con propiedades mecánicas adecuadas para uso en reparación de huesos craneofaciales y los cuales, con algún soporte externo, son apropiados para reparaciones ortopedicas. La mesoestructura de andamiaje también se puede utilizar para controlar las características estructurales y densidad de hueso que es conducido en los andamiajes. Utilizando un defecto de trefino de 11 mm de diámetro en conejo como un modelo, se producen tres andamiajes de diseño diferente para rellenar los defectos y examinar la regeneración de hueso. Todos los andamiajes se producen del mismo material, 99% de TCP, 1% de cerámica HA y se elabora de los puntales impresos del mismo tamaño que tienen un diámetro de 270 pm. Todos los andamiajes también se llenan con sulfato de calcio grado médico y se inician como estructuras sólidas. La mesoestructura se hace variar utilizando separación de puntal en las capas del andamiaje (direcciones x e y) y al apilar puntales en la dirección z. Un tipo de andamiaje que contiene tres separaciones de puntales que produce poros abiertos al que se hace referencia (en las direcciones x e y) con poros de tamaño de 250 x 250 mm, 250 x 400 mm y 400 x 400 pm son los que se producen (estas dimensiones son aproximadas). La separación "Z" es ligeramente menor que la altura de un punta, o 230 pm. Según se mide por tomografía microcomputarizada, estas tres zonas presentan porcentajes de volumen de andamiaje de 46, 56 y 70%.

Se producen dos andamiajes que presentan porosidad variable de modo continua producidos utilizando puntales radiales que alternan con anillos concentricos de separaciones diferentes. Un andamiaje tiene capas de separación 1 z y 2 z y regiones en forma de anillo con volúmenes de andamiaje que varían de 55 a 94%. El otro andamiaje tiene una separación 3 z y regiones que varían de 41 a 56% en volumen. De esta manera, una gama de volúmenes de andamiajes se prueban que varían de 41 a 94% de andamiaje. En todos los andamiajes el hueso es capaz de crecer de modo consistente hacia el centro del defecto (a través de una distancia de 5.5 mm) en 8 semanas.

Esta extensión de infiltración de hueso consistente no ha sido observada en otros andamiajes osteoconductores y se debe al tamaño y organización de los elementos de andamiaje en los andamiajes. Mediante la utilización de muchos puntales pequeños en el intervalo de tamaño de la trabécula ósea para llevar a cabo el crecimiento y al organizados de manera que conducen hueso en líneas rectas a través de los defectos, es posible optimizar el proceso de osteoconducción. Este proceso, denominado como "osteoconducción dirigida" es novedoso para este tipo de andamiaje. En andamiajes con organización de poro aleatoria, no se observa el proceso de osteoconducción dirigida y en estos lugares el crecimiento consistente a través de defectos grandes se produce en un tiempo más prolongado. Con las estructuras que aquí de describen, los volúmenes de hueso a los 8 y 16 semanas varían de 9 a 40% (8 semanas) y 10 a 56% (16 semanas). El volumen de hueso se relaciona inversamente con el volumen de andamiaje. Los andamiajes más abiertos (menor volumen de andamiaje) muestran mayor crecimiento de hueso, y un hueso aumentado con respecto al tiempo. El remodelado de andamiaje varía de 5% a 56% con más remodelado que se observa en andamiajes más abiertos en períodos de tiempo posteriores. Los andamiajes de volumen mayor (con poros más pequeños) producen hueso lamelar más compacto con la combinación de andamiaje y hueso que muestra muy poco tejido suave y recuerda una estructura similar a corteza. En contraste, los andamiajes con un volumen menor (con poros más grandes) producen hueso más poroso y desorganizado, con la combinación de hueso y andamiaje recordando a huesos cancerosos. El tipo de hueso adyacente al andamiaje (cortical o canceloso) influye por lo menos parcialmente en el hueso que crece en el andamiaje adyacente.

Rasaos de los andamiajes M3DRD En general, estos datos muestran que los andamiajes osteoconductores con mesoestructuras diseñadas se pueden elaborar con propiedades mecánicas adecuadas para una amplia gama de aplicaciones de reparación de hueso. Estos andamiajes se pueden utilizar para regenerar hueso a traves de distancias significativas sin necesidad de células de hueso o aumento de células pluripotenciales. La velocidad observada de osteoconducción a traves de los defectos grandes se debe a la "osteoconducción dirigida" basada en el uso de muchos puntales pequeños, en el intervalo de tamaño de las trabéculas de los huesos que se organizan en arreglos rectos para conducir eficientemente hueso a través de distancias grandes.

Los andamiajes también se pueden utilizar para controlar la densidad de hueso resultante, la estructura y las velocidades de remodelado de andamiaje. Los andamiajes M3DRD se pueden diseñar de manera que regeneren hueso que se aproxima microestructuralmente o que coincide con el hueso adyacente. Esto es, cuando se necesita hueso canceloso, es posible regenerar la estructura cancelosa o en donde se necesita hueso cortical, es posible regenerar esta forma también. Los rasgos adicionales como las capas de tapa sólida pueden evitar con éxito el crecimiento de tejido suave. El material de relleno de CS puede mejorar temporalmente las propiedades mecánicas estructurales y no impedir la formación de hueso y evitar el crecimiento de tejido fibroso y la infiltración por infección y permitir que se lleve a cabo la angiogénesis.

El CS también se puede utilizar para liberación controlada de moléculas bioactivas. El uso del sistema de impresión DW permite el diseño individualizado y la impresión de macroestructuras complejas con una precisión a escala de micrómetros. Esto permite que las estructuras tanto impresas fuera del anaquel así como los andamiajes M3DRD impresos individualizados para la reparación de defectos complejos en pacientes, en base en datos MRI o CT. Esta teenología tiene una aplicación ampliamente diseminada en los campos de reparación/sustitución de huesos craneofaciales y ortopédicos.

Dispositivo de reparación de tejido o andamiaje ejemplar Los defectos en hueso habitualmente se rellenan por procedimientos de injertado autógeno complejos; o los tratamientos alogeneicos o aloplásticos imperfectos no están diseñados para un sitio específico. La fabricación de escritura directa (DW) permite imprimir andamiajes tridimensionales constituidos de biomateriales osteoconductores, andamiajes de fosfato de calcio bifásicos de multicomponentes complejos (COMBI) que tienen el potencial de ser fabricados individualmente para reparar defectos complejos en los huesos. La literatura actual aún discute los requerimientos óptimos y de umbral de poro para regeneración de hueso. Hemos probado andamiajes en modelos in vivo de tamaño crítico (incapaces de cerrarse por si mismos) para estudiar efectos en la densidad ósea, grado de crecimiento y remodelado de hueso/andamiaje.

Los andamiajes se diseñan con separación de mesoporo en todos los planos (X, Y y D. Para hacer variar los tamaños de poro, dos diseños de andamiaje de capas de círculos concéntricos, que alternan con puntales radiales de 1, 2 ó 3 capas que se superponen en altura Z se fabrican por DW a partir de 15:85 de HAR/b-TCP y se sinterizan a 1100°C. Un relleno temporal de sulfato de calcio evita la invasión de tejido suave y/o la infección.

Los andamiajes se incrustan en in vivo en defectos de trefino. Despues de 8 a 16 semanas, el análisis del crecimiento de hueso y el andamiaje así como el remodelado de hueso se cuantifica por microCT (Scanco Medical) y los andamiajes se incrustan en metacrilato de polimetilo (PMMA) y después se evalúan histológicamente con un microscopio óptico.

El volumen del andamiaje se diseña para variar por sección de anillo. El volumen óseo es mayor en áreas más abiertas o con menos densidad de andamiaje. Los poros distribuidos desde aproximadamente 100 a 940 micrómetros. EL hueso crece en todas las capas de altura variadas, pero parece que requiere más tiempo pasar a través de los tamaños de poro más grandes. Poros más grandes de 500 micrómetros aún se llenan con hueso, de modo muy contrastante con los hallazgos de la literatura previos.

Los andamiaje particulares utilizados demuestran que los andamiajes de fosfato de calcio impresos tridimensionales son capaces de hacer crecer hueso a través de huecos de por lo menos 11 mm en 8 semanas. El hueso puede crecer en poros tan grandes como 940 mm y tan pequeños como 20 pm. La morfología del hueso puede ser similar a trabecular o similar a cortical, dependiendo del diseño del andamiaje. Los andamiajes se pueden diseñar con propiedades biológicas y mecánicas regionalmente diferentes de una amplia gama de aplicaciones clínicas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS EJEMPLO 1 Materiales y Metodos Dos arquitecturas de andamiaje, de poro pequeño (SP) y de poro grande (LP) se diseñaron para incrementar la diversidad de geometría de poro. Ambos andamiajes contienen una tapa sólida de puntales paralelos estratificados sobre una superficie, la cual sirve biológicamente como una barrera para bloquear tejido suave que crece desde el cuero cabelludo, pero que estructuralmente sirve como una base para la impresión de la retícula de andamiaje en la dirección Z. El diseño de andamiaje construido sobre esta base difiere entre los andamiajes SP y LP, pero en general consiste de capas de círculos concéntricos anidados (CC) que alternan con una o más capas radiales (R). La variación de porosidad en la dirección Z surge del uso de 1 , 2 ó 3 apilados de capas radiales y la porosidad en la dirección X e Y proviene de la separación entre puntales radiales en la misma capa. Los diseños específicos de andamiajes SP Y LP se diagrama de las figuras 4A y 4B y la figura 5.

Los andamiajes impresos con tinta de 15:85 de HA/b-TCP e incinerados a 1100°C. Los andamiajes después se exploran a resolución media en microCT (Scanco Medical) para evaluar el volumen de puntales y mesoporos antes de la implantación. Los andamiajes después se rellenan con CS y un anillo de 1 mm de andamiaje por encima de la tapa se retira con un taladro dental para abrir los puntales radiales bloqueados en el perímetro. Esto deja un diámetro de 11 mm.

Procedimiento quirúrgico Se realiza cirugía en 8 conejos blancos New Zealand adultos siguiendo un procedimiento aprobado por el Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). Se realiza una incisión media sagital de 3.0 cm a través de la piel y el tejido suave del dorso de la cabeza. Los defectos de trefino de diámetro de 11.0 mm bilaterales se vuelven inmediatamente posteriores a la sutura de la corona en el hueso parietal, sin involucración dural.

Después de colocación de los andamiajes LP y SP en los defectos derecho e izquierdo, respectivamente, el tejido suave y la piel se cierran con suturas reabsorbióles 4-0. Se limpian las heridas con solución salina estéril y se tratan con ungüento antibiótico triple. No se tiene como resultados signos de infección, dolor u otras complicaciones. Los 7 animales son sacrificados después de 8 semanas y un animal después de 16 semanas.

Análisis de Muestras Los implantes extirpados con tejidos circundantes se fijan en etanol 70% y se exploran en microCT a resolución media. Los volúmenes de interés dentro de cada muestra son los volúmenes ocupados por cada anillo de volúmenes de mesoporo único (véanse las figuras 4A a 4B y la figura 5). El anillo volumetrico exterior de todas las muestras no se mide debido a que se encontró que el hueso rellenó este espacio en un defecto no llenado (Sohn et al., J Periodontal Implant Sci 2010; 40:180-187). Cada andamiaje SP contiene 6 anillos de mesoporo de tamaño único: 3 volúmenes de anillo concéntrico para cada ubicación 1Z y 2Z. Cada andamiaje LP contiene 2 volúmenes de mesoporo de tamaño único formados por los anillos concéntricos dentro de las ubicaciones 3Z. Para cada anillo único de mesoporos, los porcentajes de volumen para hueso, andamiaje y tejido suave/espacio se obtienen al ajustar dos umbrales: andamiaje (S) y andamiaje + hueso (SB). El porcentaje de hueso que crece se mide al restar S de SB y el porcentaje de tejido suave/espacio se mide al restar SB de 100%. La resorción de andamiaje se mide al restar S de los volúmenes de andamiaje medidos antes de la implantación (véanse las figuras 7, 9 y 10).

Las muestras después se incrustan en metacrilato de metilo para histología y se preparan cortes de 80 mm de espesor en puntos específicos a través de las capas R de cada muestra. Para cada andamiaje SP, los cortes horizontales (paralelos a la tapa) se toman a través de secciones de mesoporo 1Z y las dos 2Z. Para cada andamiaje LP, los cortes horizontales se toman a través de dos mesoporos 3Z. Además, un corte vertical (perpendicular a la tapa) se toma a través del centro de todos los andamiajes. Todos los cortes se tiñen y se fotografían digitalmente (véase la figura 6, 8).

Se examinaron otras muestras utilizando microscopía electrónica de exploración (SEM) (Hitachi) con generación de imagen por electrones retrodispersada (BEI) y evaluación EDAX para analizar la composición de minerales. En base en estudios anteriores (Simón et al., J Biomed Mater Res 2008:85A-371-377), el tamaño de muestra utilizado aquí tiene potencia estadística para determinar una diferencia de 15-20% entre los grupos con un valor p menor de 0.05 Resultados El análisis microCT e histológico mostró crecimiento óseo en mesoporas de todas las dimensiones. Los porcentajes más altos de hueso se encontraron en los poros más grandes en el perímetro de andamiajes tanto SP como LP. En general, más resorción de puntales de andamiaje se produce en área con mayor crecimiento de hueso. Aunque en el andamiaje SP en el anillo interior de los mesoporos 2Z, los cuales contienen volúmenes más pequeños con menos crecimiento de hueso, la resorción de puntales es mayor. Los resultados histológicos de estas áreas más cerradas muestran que el hueso que ha crecido directamente sobre los puntales, en vez de entre los mismos. En los mesoporos 1Z, el hueso no parece crecer hacia adentro desde el perímetro, más bien creció desde entre los anillos CC desde los mesoporos 2Z.

El material de relleno CS parece resorber tanto hueso como se rellenó, no obstante las imágenes de histología muestran islas remanentes de precipitado, las cuales SEM, BEI y EDAX muestran que es fosfato de calcio (CaP). Esto ha sido reportado en otros estudios. En la mayor parte de los animales, CaP aparece conducir el crecimiento óseo e integrarse con la formación de hueso, pero en otros animales, las áreas de precipitación de CaP altamente densas parecen bloquear la formación de hueso.

Discusión Los andamiajes de mesoporo variable elaborados de TCP y rellenados con CS permiten diseñar andamiajes para recrecimiento de estructura ósea similar al hueso cortical y trabecular. Es importante hacer notar que el análisis de histología aún se está llevando a cabo. La gran acumulación de precipitado de CaP se considera que es un resultado de una solución saturada de Ca2+ y P043 la cual se acumula en el espacio de mesoporo estrecho conforme se resorbe CaS. La naturaleza ácida de disolución de CaS también puede haber incrementado la liberación de Ca2+ y P043 a partir de TCP que rodea los puntales de andamiaje.

Los resultados de microCT después de 8 semanas muestran un gradiente de porcentajes de andamiaje + hueso (SB) de aproximadamente 68-99% y un gradiente de resorción de andamiaje de 4-14%. De manera más sorprendente, los volúmenes de mesoporo los cuales maximizan la resorción de andamiaje cercano al 14% en donde extremos casi opuestos del espectro de volumen, el más grande es 428-636 mm x 616 pm y el más pequeño 188-253 pm x 410 p. De estos dos volúmenes, el más grande proporcionó un SB de 67.56% (40.19%B + 27.37%S) y el más pequeño un SB de 92.93% (27.25%B + 65.68%S) recordando cercanamente a los porcentajes óseos de hueso trabecular y cortical, respectivamente. Aunque los mesoporos más pequeños conducen menos hueso, parecen provocar resorción de puntales igualmente alta debido a la manera en que dirigen el frente del hueso con osteoclastos asociados, directamente a lo largo de las superficies de puntal.

Estos datos demuestran la relación entre el crecimiento/remodelado de los huesos y el volumen de poro. Estudios futuros probarán los diseños de andamiaje utilizando dimensiones de poro diseñadas para regenerar micoanatómicamente corrección de hueso. El control de resorción de estos andamiajes permitirá su uso para reconstrucción facial de niños con deformidades craneofaciales.

EJEMPLO 2 Antecedentes La reparación de hueso perdido por traumatismo, enfermedad o defecto al nacer actualmente requiere regeneración de grandes volúmenes de huesos estructuralmente complejos. Esto habitualmente involucra injertado de hueso autógeno, lo cual es un proceso imperfecto debido a la generación de morbilidad, tiempo quirúrgico más prolongado y disponibilidad limitada de hueso. Además, las alternativas actuales a injertos autógenos contienen, cada una sus propios inconvenientes únicos. El hueso de cadáver humano procesado y los huesos xenogenicos, aunque resuelven la necesidad para un sitio quirúrgico secundario, presentan el riesgo de transmitir infecciones y de iniciar reacciones autoinmunes. Adicionalmente, el tratamiento con materiales aloplásticos tales como materiales cerámicos de fosfato de calcio y cementos, aunque osteoconductores y/u osteoinductivos, son mecánicamente inestables en defectos grandes e incapaces de resorción osteolástica completa. De esta manera, los equipos de investigación han trabajado en diseñar andamiajes de fosfato de calcio que sean mecánicamente estables y resorbióles.

Uno de tales materiales de andamiaje, un compuesto bifásico de hidroxiapatita (HA) y beta-fosfato tricálcico (b-TCP), comúnmente se conoce como fosfato de calcio bifásico (BCP). El desarrollo de BCP como un material de injerto de hueso se basa en el concepto de disolución preferencial de b-TCP sobre HA.

El crecimiento de hueso dentro de los andamiajes de BCP imita la formación de hueso primaria dentro de un defecto o sitio de herida, lo cual se produce como un crecimiento direccional de trabecula inmadura nueva, desde el endóstico o las capas periósticas de hueso cortical o canceloso dañado dentro del defecto. Esto ocurre únicamente, no obstante, si el andamiaje tiene una química y microestructura de superficie apropiadas, para osteoconducción, y únicamente se puede presentar de una manera controlada estructuralmente con la mesoestructura de andamiaje seleccionada apropiadamente (intervalo 50-1000).

El uso de fabricación de forma libre de sólidos tal como la fabricación de escritura directa (DW) permite imprimir andamiajes tridimensionales constituidos de biomateriales osteoconductores que tienen el potencial de ser fabricados individualmente para reparar defectos complejos grandes. Los andamiajes bifásicos de componentes múltiples (COMBI) complejos se han producido por DW y se han estudiado in vitro. La literatura actual aún discute los tamaños de poro óptimo y umbral necesarios para el crecimiento de hueso.

Se ha diseñado un andamiaje COMBI el cual contiene una separación de mesoporo graduado en todos los planos (X, Y y D. El presente estudio probará este diseño in vivo en un modelo de defecto de la bóveda craneana de conejo de tamaño crítico bilateral (incapaz de cerrarse por si mismo) para demostrar la manera en que el tamaño de poro altera la densidad de hueso, la extensión del crecimiento y el remodelado de hueso/andamiaje.

Metodos Dos andamiajes estructurados de manera única, uno con tamaños de poro más grande y uno con tamaños de poro más pequeños, se diseñan por superposición, en el plano Z, de capas de círculos concéntricos con 1 , 2 ó 3 capas de puntales orientados radialmente. Todos los andamiajes se diseñan con una tapa sólida sobre un extremo para evitar invasión de tejido suave y un antro abierto sobre el otro como resultado de las capas circulares interiores. Estos andamiajes se fabrican por DW, se imprimen como estructuras COMBI a partir de 15:85 de HAR/b-TCP, y después se sinteriza a 1100°C. Se utiliza sulfato de calcio grado quirúrgico como un material de relleno temporal para evitar la invasión de tejido suave y/o la infección a través de los mesoporos. El anillo exterior de todos los andamiajes se retira con un taladro dental para abrir la barrera exterior creada por la estratificación del puntal radial durante el proceso de impresión.

En 8 conejos blancos New Zealand, se incrustan bilateralmente andamiajes con poro, uno grande y uno pequeño mediante el modelo de trefino de conejo. En 7 conejos, se extirpan 14 andamiajes después de 8 semanas para análisis. Los 2 andamiajes se retiran del conejo restante después de 16 semanas para análisis. La cantidad de hueso que ha crecido y el remodelado de andamiaje como fracciones de volumen de mesoporo se cuantifican por microCT (Scanco Medical). Las muestras se deshidratan con alcohol, se depuran con salicilato de metilo y después se incrustan en metacrilato de polimetilo (PMMA). Los andamiajes de poro grande se seccionan en un corte vertical central y dos cortes horizontales a través de los mesoporos de altura 3z. Los andamiajes de poro pequeños se seccionan en un corte vertical central, dos cortes horizontales a través de los mesoporos 2z y un corte horizontal a través del mesoporo 1z. Las secciones se evalúan utilizando microscopía electrónica de exploración (SEM; S-3500 N, Hitachi Instruments) e histología con microscopio óptico (Aperio).

Resultados El volumen de andamiaje se diseña para variar por sección de anillo. El volumen de hueso es mayor en las áreas más abiertas con andamiaje menos denso. Los poros varían de aproximadamente 100 a 940 micrómetros. El hueso creció en la totalidad de capas de altura variada pero parece requerir más para pasar a través de los tamaños de poro más grandes. Poros mayores de 500 micrómetros aún se llenan con hueso, de manera contrastante con reportes de literatura previos. El volumen de andamiaje se diseña para variar por sección de anillo. Los volúmenes de hueso son mayores en las áreas más abiertas con andamiaje menos denso. Los poros varían de aproximadamente 100 a 940 micrómetros. El hueso crece en todas las capas de altura variada, pero parece requerir más para pasar a través de los tamaños de poro más grandes. Poros más grandes de 500 micrómetros aún se llenan con hueso, de manera muy contrastante con los hallazgos de la literatura previos.

La tabla 1 establece la relación del volumen de andamiaje con el volumen total en A) 8 andamiajes de poro grandes después de impresión, B) los mesoporos superficiales de 3 andamiajes de poro grande después de 8 semanas, y C) los mesoporos profundos de 3 andamiajes de poro grande después de 8 semanas.

A B C Aunque la presente invención se ha establecido en términos de una modalidad o modalidades especificas, se entenderá que los presentes andamiajes y métodos descritos en la presente se pueden modificar o alterar por aquellos expertos en el ámbito a otras configuraciones. En consecuencia, la invención se debe considerar de manera amplia limitado únicamente por el alcance y espíritu de las reivindicaciones anexas.

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje que tiene una estructura porosa para hueso en crecimiento que contiene puntales interconectados rodeados por una cubierta microporosa.

2. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la cubierta microporosa se extiende como una guía para estabilizar el dispositivo de reparación de tejido del andamiaje entre uno o más extremos de hueso.

3. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque tiene un centro definido por un espacio vacío.

4. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la estructura porosa en crecimiento está infiltrada con un material de relleno o portador soluble.

5. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el material de relleno o portador soluble es sulfato de calcio.

6. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el material de relleno o portador soluble está infiltrado con uno o más de un antibiótico, un factor de crecimiento, un factor de diferenciación, una citocina, un fármaco o una combinación de los mismos.

7. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque los puntales son de un diámetro de aproximadamente 100-350 pm.

8. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los puntales están dentro de aproximadamente 2x o sustancialmente el mismo diámetro que las trabeculas de hueso.

9. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque uno o más puntales están separados longitudinalmente por un espacio de por lo menos 500 pm.

10. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque es poroso y comprende mesoporos presentes en un tamaño generalmente mayor de aproximadamente 20 mm de diámetro.

11. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque los puntales están distribuidos en una distribución sustancialmente lineal.

12. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque es resorbible de manera que, despues de aproximadamente 8 semanas de presencia in vivo , por lo menos aproximadamente 25% del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje es resorbido.

13. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque es por lo menos aproximadamente 50% poroso.

14. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque es operable para alentar y proporcionar crecimiento de hueso de manera que después de aproximadamente 8 semanas de presencia in vivo, por lo menos aproximadamente 25% del dispositivo de reparación de tejido o andamiaje es sustituido por hueso.

15. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende microporos o nanoporos que tienen un diámetro de aproximadamente 0.1-1 pm.

16. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque uno o más microporos o nanoporos están infiltrados con colágeno solubilizado.

17. El dispositivo de reparación de tejido o andamiaje de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque se produce por un método de impresión tridimensional.

18. Un método para promover el crecimiento de hueso o para tratar fracturas, defectos o deficiencias de huesos que comprende proporcionar un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje que tenga una estructura porosa de hueso en crecimiento que contenga puntales interconectados rodeados por una cubierta microporosa de la reivindicación 1 in vivo a una región que presenta una deficiencia, fractura o hueco de hueso.

19. Un método para producir un dispositivo de reparación de tejido o andamiaje útil para promover el crecimiento de hueso o para tratar fracturas, defectos o deficiencias en los huesos, que tiene una región porosa de hueso en crecimiento que contiene puntales ¡nterconectados rodeados por una cubierta microporosa, que comprende: (a) proporcionar una cubierta microporosa que puede funcionar para unir pero limitar el crecimiento de tejido suave, y (b) infiltrar la estructura porosa en crecimiento con un material de relleno o portador soluble.

20. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende adicionalmente: (c) infiltrar la estructura porosa en crecimiento con uno o más de un antibiótico, un factor de crecimiento, factores de diferenciación, una citocina, un fármaco o una combinación de estos agentes.