MATERIAL SUSTITUIDO DE HUESO PARA USO MÉDICO Y MÉTODO PARA PRODUCIR EL MISMO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona a un material sustituto de hueso para uso médico y a un método para producir el mismo, y más particularmente, a un material sustituto de hueso para utilizarse en la regeneración o reparación de tejido estratificado. En los campos médicos y dentales, existen muchos casos en donde un defecto óseo provocado por una enfermedad puede repararse o regenerarse. El primer método posible para reparar el defecto óseo puede ser un trasplante de hueso autoinj ertado, pero este método provoca problemas incluyendo una invasión dentro del tejido sano debido al hueso autoinj ertado asi como limitación cuantitativa y morfológica del hueso recolectado. Los materiales sustitutos de hueso artificialmente producidos se emplean por lo tanto
clínicamente . Se desea para un material sustituto de hueso combinar las características de (1) no histotoxicidad, (2) osteoconductividad, (3) capacidad de reemplazo de hueso, y (4) resistencia mecánica reguerida en una operación de la construcción de hueso. La no histotoxicidad es indispensable para un biomaterial. La histotoxicidad se evalúa a partir de una indicación macroscópica o histopatológica de inflamación en un animal experimental implantado con un material sustituto de hueso. La histotoxicidad se influencia también por la resistencia mecánica de un material sustituto de hueso. Ahi ocurre inflamación cristalina si la resistencia mecánica del material sustituto de hueso es baja de manera que el material se desintegra parcialmente durante la reconstrucción del hueso en forma de polvo y permanece dentro del defecto óseo. La osteocunductividad se define como la propiedad de un material sustituto de hueso aplicado a un defecto óseo para promover la formación de nuevo tejido óseo a partir del sitio de aplicación al hueso de manera que se cubre el material sustituto de hueso. La osteocunductividad es una propiedad crucial de un material sustituto de hueso, la presencia o ausencia del cual se evalúa en la examinación
histopatológica de un animal experimental implantada con el material sustituto de hueso. Se considera generalmente que si la diferenciación de osteoblastos cultivados en un material sustituto de hueso se promueve, entonces el material posee osteocunductividad. La capacidad de reemplazo de hueso es crucial para un material sustituto de hueso. En el reemplazo de hueso por el material sustituto de hueso, es ideal que el proceso de reabsorción por osteoclastos y el proceso de formación de hueso por osteoblastos procedan como en la remodelación. El reemplazo del hueso por el material sustituto de hueso se evalúa histopatológicamente con un animal experimental implantado con el material sustituto de hueso. Sin embargo, la evaluación de la capacidad de reemplazo de hueso con tales animales experimentales requiere mucho tiempo para los experimentos. Un material osteoconductivo opera en el principio del hueso de reemplazo cuando la reabsorción por osteoclastos procede. La capacidad de reemplazo de hueso posible de tal material puede por lo tanto determinarse verificando las cavidades de reabsorción formadas por los osteoclastos en el material. Es también crucial para un material sustituto de hueso tener la resistencia mecánica necesaria para una operación de reparación de hueso. Aunque el grado de la resistencia mecánica requerido no es necesariamente definitivo, es por supuesto indispensable para que el material posea una resistencia mecánica resistente al implante . La Hidroxiapatita es actualmente el material sustituto de hueso más estudiado. El principal componente inorgánico del hueso, los dientes u otro tejido estratificado de vertebrados incluyendo humanos es una apatita básicamente compuesta de hidroxiapatita, Cai0 (P04) 6 (OH) 2. De este modo, se utiliza clínicamente un material sustituto de hueso compuesto de hidroxiapatita sinterizada preparada sinterizando hidroxiapatita químicamente sintetizada. Aunque la hidroxiapatita sinterizada exhibe osteoconductividad y por lo tanto es un material sustituto de hueso muy útil, éste es un material no reabsorbible que no se reabsorberá en los sitios de defecto de hueso aun durante el paso del tiempo. El hueso exhibe funciones biológicas tales como hematopoyesis, y es ideal para utilizar un material sustituto de hueso el cual es capaz de reemplazar el hueso. Bajo las circunstancias se utilizan también clínicamente como el material sustituto de hueso tales materiales como fosfato de ß-tricalcio, sulfato de calcio, carbonato de calcio y similares. Estos materiales exhiben reabsorbabilidad, pero no son osteoconductivos , o son menos osteoconductivos que la hidroxiapatita . Además, cuando se utiliza un material de reabsorción tal como fosfato de ß-tricalcio, sulfato de calcio o carbonato de calcio, la reabsorción se provoca por disolución psicoquimica o células gigantes extrañas y el mecanismo de la reabsorción no se enlaza con la formación de hueso por osteoblastos . De este modo, en un caso en donde el defecto de hueso es severo o el sitio de defecto de hueso es inferior en la capacidad de formación del hueso debido al enve ecimiento y otras razones, la reabsorción de hueso prosigue aún antes de que se lleve a cabo la formación del hueso de manera suficiente, resultando en el material sustituto de hueso que se consume antes de su reemplazo del hueso, y el defecto del hueso llega a repararse por tejido conectivo fibroso.
En el caso de un trasplante de hueso autógeno, el mecanismo del reemplazo de hueso por el hueso trasplantado es el mismo como aquel de la remodelación del hueso vivo. De este modo, la reabsorción ósea se hace avanzar por osteoclastos, aunque la formación ósea se logra por osteoblastos . En la hidroxiapatita sinterizada, la cual exhibe osteoconducrividad, aunque el proceso de formación de
hueso por osteoblastos prosigue, no ocurre ningún reemplazo de hueso debido a que el hueso no se reabsorbe por osteoclastos. La reabsorción por osteoclastos se logra a través de la formación de vacíos de Howship, en el interior del cual se induce un pH inferior que resulta en la descomposición de la apatita del hueso. La apatita del hueso es apatita de carbonato que contiene un grupo carbonato y por lo tanto es capaz de descomponerse en el ambiente del pH bajo inducido por osteoclastos. En contraste, ya que la hidroxiapatita sinterizada no contiene un grupo carbonato, ésta no se descompone en el ambiente de pH bajo, inducido por osteoclastos. De este modo, la hidroxiapatita sinterizada, la cual actualmente se pone en uso clínico como un material sustituto de hueso, no tiene capacidad de reemplazo de hueso debido parcialmente a que no es una apatita que contiene carbonato . En vista de las consideraciones presentes, la apatita de carbonato sería un material sustituto de hueso ideal. Sin embargo, no se ha establecido ninguna tecnología para producir apatita de carbonato prácticamente utilizable como un material sustituto de hueso. Más específicamente, los usos conocidos o propuestos de la apatita de carbonato se limitan a aquellos como absorbentes o portadores para biomateriales y similares, y como materiales restaurativos para huesos y dientes [por ejemplo, la Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1995-61861 (Referencia de Patente No. 1) Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1998-36106 (Referencia de Patente No. 2), la Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1999-180705 (Referencia de Patente No. 3)]. El uso final es sólo para el propósito de llenar los sitios de defecto de los huesos o dientes, y ningún material principalmente compuesto de apatita de carbonato se ha desarrollado, el cual satisface los pre-requisitos de un material sustituto de hueso para uso médico, incluyendo la capacidad de reemplazo de hueso y sin histotoxicidad sin provocar inflamación. La Referencia de Patente No. 1: Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1995-61861 la Referencia de Patente No. 2: la Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1998-36106 la Referencia de Patente No. 3: la Solicitud de Patente Japonesa No. 1999-180705. El objeto de la presente invención es proporcionar un material sustituto de hueso para uso médico, el cual satisface todos los requerimientos de (1) no histotoxicidad,
(2) osteoconductividad, (3) capacidad de reemplazo de hueso, y (4) resistencia mecánica necesaria para una operación de reconstrucción de hueso. A través de estudios extensos, se ha descubierto que puede obtenerse un material sustituto de hueso para uso médico que satisfaga todos los requerimientos mencionados anteriormente formando apatita de carbonato a partir de un compuesto de calcio y una solución de fosfato (una solución acuosa) en la presencia de un qrupo funcional de carbonato bajo una condición especifica, por lo que se logra la presente invención. De este modo, de acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para producir un material sustituto de hueso compuesto predominantemente de apatita de carbonato para uso médico, la cual comprende la etapa de formar apatita de carbonato poniendo en contacto un bloque del compuesto de calcio con una solución que contiene fosfato, en donde el bloque de compuesto de calcio no contiene sustancialmente polvos, en donde al menos uno del bloque de compuesto de calcio y la solución de fosfato contienen un grupo carbonato, y en donde el método no incluye ninguna etapa de sinterización . En una modalidad preferida de la presente invención, el bloque del compuesto de calcio es aquel preparado utilizando un compuesto de calcio artificialmente sintetizado, más preferiblemente un compuesto de calcio que produce espuma. La presente invención proporciona también un material sustituto de hueso compuesto predominantemente de apatita de carbonado para uso médico, producido por el método mencionado anteriormente, el cual contiene un grupo carbonato en una cantidad de 0.5% o más en peso. La presente invención proporciona un material sustituto de hueso para uso médico, el cual satisface todos los requerimientos de (1) no nist©toxicidad, (2) osteoconductividad, (3) capacidad de reemplazo de hueso, (4) resistencia mecánica necesaria para una operación de reconstrucción de hueso. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIGURA 1 ilustra un patrón de difracción de rayos X en polvo del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo 1. La FIGURA 2 ilustra un espectro infrarrojo transformado en Fourier del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo 1. La FIGURA 3 ilustra un patrón de difracción de rayos X en polvo del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo 3.
La FIGURA 4 ilustra un espectro infrarrojo transformado en Fourier del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo 3. La FIGURA 5 ilustra un patrón de difracción de rayos X en polvo del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo Comparativo 2. La FIGURA 6 ilustra un espectro infrarrojo transformado en Fourier del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo Comparativo 2. La FIGURA 7 muestra una fotografía de microscopio electrónico del material sustituto de hueso producido en el Ejemplo 4. La FIGURA 8 ilustra un patrón de difracción de rayos X en polvo del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo 4. La FIGURA 9 ilustra un espectro infrarrojo transformado en Fourier del material sustituto de hueso para uso médico producido en el Ejemplo 4. La presente invención se dirige a la formación de apatita de carbonato poniendo en contacto un compuesto de calcio y una solución de fosfato en la presencia del grupo carbonato, el cual se caracteriza por las materias mencionadas posteriormente (I) a (III) , por lo que se realiza para la primera vez un material sustituto de hueso para uso médico que satisfaga todos los requerimientos de (1) no histotoxicidad, (2) osteoconductividad, (3) capacidad de reemplazo de hueso y (4) resistencia mecánica necesaria para una operación de prótesis ósea. (I) El primer rasgo característico del método para producir un material sustituto de hueso para uso médico de acuerdo con la presente invención reside en la utilización de un bloque del compuesto de calcio que no contiene sustancialmente polvos, como el compuesto de calcio de partida. Como se utiliza en la presente, el término "bloque" se refiere a una sustancia la cual está en estado sólido, pero no es pulverizable, como se ejemplificó por los cuerpos de gránulo, sólidos y porosos. De este modo, el bloque tiene un diámetro de partícula de tamaño de número promedio (tamaño de partícula) de preferencia 0.2 rom o mayor, más preferiblemente 0.5 mm o mayor, y más preferiblemente y de manera satisfactoria más completamente 1 mm o mayor. Un ejemplo particularmente preferido del compuesto de calcio para utilizarse en la presente invención es un compuesto de calcio que produce espuma. Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, por la frase "que no contiene sustancialmente polvo" se quiere decir que el bloque como se menciona anteriormente contiene polvos con un diámetro de 20 µ?a o más pequeños en una cantidad de menos de 1% en peso. Un descubrimiento sorprendente es que la utilización de tal "bloque del compuesto de calcio que no contiene sustancialmente polvo" puede producir un material sustituto de hueso que no tiene histotoxicidad sin provocar reacción inflamatoria. Esto es posible debido a que en el implante del material sustituto de hueso, los fagocitos tales como células gigantes exógenas revisten partículas de polvo de apatita de carbonato de un tamaño pequeño, por lo que no se induce a la respuesta inflamatoria. En términos de histocompatibilidad, los polvos con un diámetro de 20 µp? o más pequeños, los cuales pueden contenerse en el material de bloque son de preferencia menores de 0.8% en peso, y más preferiblemente menores de 0.5% en peso. En contraste, en los usos convencionales de la apatita de carbonato tal como en adsorbentes, el compuesto de calcio de partida está en estado pulverizado. Por ejemplo, en la Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1998-36106 (Referencia de Patente No.2) se requiere que el carbonato de calcio como la materia prima deba tener un diámetro de partícula promedio en el rango de 1 a 50 m. El carbonato de calcio de tal material de partida pulverizado nunca producirá un material sustituto de hueso práctico al cual se dirige la presente invención. (II) El segundo rasgo característico del método para producir una prótesis ósea para uso médico de acuerdo con la presente invención es que sólo comprende la etapa para formar apatita de carbonato poniendo en contacto un compuesto de calcio, como se explica en lo anterior (I) , con una solución de fosfato, bajo las condiciones en donde al menos uno del compuesto de calcio y la solución de fosfato contiene un grupo carbonato, sin ninguna etapa subsecuente de sinterización. En un sistema de reacción al cual la presente invención se dirige, en donde la apatita de carbonato es termodinámicamente estable cuando se compara con el carbonato de calcio, ahi se formó apatita de carbonato con una dureza insuficiente, a una temperatura baja a la cual la sinterización no tendrá lugar. Por el contrario, la sinterización no producirá la apatita de carbonato deseada debido a gue el grupo carbonato se remueve irreversiblemente durante la etapa de sinterización. Además, la sinterización ará avanzar la cristalinidad, la cual disminuye el área superficial especifica, resultando en la dificultad en la reabsorción por osteoclastos asi como tampoco el reemplazo de hueso extremadamente lento. De este modo, el carbonato de apatita sinterizado como se propone convencionalmente (por ejemplo, aguel como se describe en la Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1995-61861, (Referencia de Patente No. 1, en donde el carbonato de apatita pulverizado se sinteriza a una temperatura de 600 a 850°C) no es efectivo para uso en un material sustituto de hueso para uso médico de la presente invención teniendo una excelente capacidad de reemplazo de hueso. (III) Para obtener un material sustituto de hueso para uso médico de acuerdo a la invención, el cual satisfaga todos los requerimientos antes mencionados, es necesario tomar en consideración la pureza de un compuesto de calcio como el material de partida, además de las materias (I) y (II) antes mencionadas. La fuente principal de la histotoxicidad que provoca inflamación en una prótesis ósea son impurezas o sustancias antihigiénicas contenidas en el compuesto de calcio de partida. En este sentido, como el material de calcio de partida para uso en la presente invención se prefiere un compuesto de calcio artificialmente sintetizado ya que es intrínsecamente bajo en impurezas. En contraste, se ha propuesto hasta ahora que la apatita de carbonato se produzca a través de la fragmentación de compuestos de calcio de origen natural. Por ejemplo, en la Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No. 1999-180705 (Referencia de Patente No. 3), se utilizan piedras calizas pulverizadas o similares como el material de partida de la apatita de carbonato de apatita para uso en absorbentes o portadores de biomateriales . Sin embargo, tales materiales de origen natural no pueden producir un material sustituto de hueso de la presente invención, lo cual no provoca inflamación debido a la histotoxicidad, debido a que contienen impurezas inherentemente naturales además de los polvos no favorables (aquellos que tienen un diámetro de 20 m o menores) como se explica en la (I) anterior. Las modalidades de la presente invención se detallarán posteriormente con referencia a los elementos constitucionales del material sustituto de hueso y el método para producir el mismo de acuerdo con la presente invención. Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, "un compuesto de calcio artificialmente sintetizado" se refiere a un compuesto de calcio el cual se ha sintetizado por un método químico o similares, tal como un reactivo. Un compuesto de calcio derivado del organismo o de origen natural no es el material "artificialmente sintetizado". Por ejemplo, aunque los polvos de yeso natural o polvos de huesos son compuestos de calcio, estos no son compuestos de calcio artificialmente sintetizados. Sin embargo, un compuesto de calcio el cual se ha producido procesando yeso natural, hueso similares a través de, por ejemplo, un proceso de disolución-refinación es un compuesto artificialmente sintetizado. Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, "un compuesto de calcio" se refiere a un compuesto que contiene calcio, ejemplificado por calcio metálico, hidróxido de calcio, carbonato de calcio, cloruro de calcio, acetato de calcio, benzoato de calcio, fluoruro de calcio, formiato de calcio, gluconato de calcio, hidruro de calcio, yoduro de calcio, lactato de calcio-calcio, apatita, fosfato tricálcico, fosfato tetracálcico, fosfato ácido de calcio, silicato de calcio, y similares. Un solo compuesto de calcio puede utilizarse, aunque una mezcla de una pluralidad de compuestos de calcio pueden utilizarse también. Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, "un fosfato" se refiere a un compuesto que contiene un grupo fosfato ejemplificado por ácido fosfórico, fosfato de triamonio, fosfato de tripotasio, fosfato trisódico, amoniofosfato disódico, diaomoniofosfato sódico, fosfato diácido de amonio, fosfato diácido de potasio, fosfato diácido de sodio, fosfato de trimagnesio, fosfato ácido de sodio-amonio, fosfato ácido de diamonio, fosfato ácido de dipotasio, fosfato ácido de disodio, fosfato ácido de magnesio-fosfato de tridiacetilo, fosfato de difenilo, fosfato de dimetilo, fosfato de celulosa, fosfato ferroso, fosfato férrico, fosfato de tetrabutilamonio, fosfato de cobre, fosfato de trietilo, fosfato de tricresilo, fosfato de tris-trimetilsililo, fosfato de trifenilo, fosfato de tributilo, fosfato de trimetilo, fosfato de guanidina, fosfato de cobalto y similares. Un compuesto que contiene fosfato sencillo puede utilizarse, aunque una mezcla de una pluralidad de compuestos que contienen fosfato pueden también utilizarse.
En la presente invención, el uso de un compuesto que contiene un grupo carbonato asegura que al menos uno del bloque del compuesto de calcio y la solución de fosfato contienen un o unos grupos de fosfato. Como se utiliza en la presente, "un compuesto que contiene un grupo carbonato" se refiere a un dióxido de carbono (C02) o un compuesto de un grupo carbonato (C032")y un catión, ejemplificado por el gas de dióxido de carbono, hielo seco, carbonato ácido de sodio, carbonato disódico, carbonato ácido de potasio, carbonato dipotásico, carbonato ácido de amonio, carbonato de diamonio, carbonato de calcio y similares. Un grupo sencillo que contiene carbonato puede utilizarse, aunque una mezcla de una pluralidad de compuestos de un grupo que contiene carbonato pueden también utilizarse. Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, "apatita" se refiere a un compuesto que tiene una estructura básica expresada por la fórmula A10 (B04) 6C6, en donde A significa Ca2+, Cd2+, Sr2+, Ba+, Pb2+, Zn2+, Mg+, Mn2+, Fe2+, H+, H30+, Na+, K+, Al3+, Y3+, Ce3+, Nd3+, La3+, C4+ o similares, B04 significa P043_, C032~, Cr03~, As043", V043", U043", S042~, Si044-, Ge04 ~ o similares, C significa OH", OD", F", Br~, BO2-, C032~, O2- o similares. Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, "hidroxiapatita" es Cai0 (P04) 6 (OH) 2· Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, "carbonato de apatita (carbonato de apatita)" se refiere a una apatita en donde una parte de todos los grupos fosfato o grupos hidroxilo en la presente se remplazan con grupos carbonato. La apatita en donde los grupos fosfatos se remplazan con grupos carbonato se llaman apatita de carbonato del tipo B, aunque la apatita en donde los grupos hidroxilo se remplazan con los grupos carbonato se llaman apatita de carbonato del tipo A. Como se utiliza en la presente con respecto a la presente invención, "que produce espuma o en forma de espuma" se refiere a una estructura tridimensional con poros continuos (llamada asi esponja) tal como en una espuma de poliuretano . Un bloque de compuesto de calcio para uso en la presente invención puede producirse, por ejemplo, por las calcinaciones de un compuesto de calcio artificialmente sintetizado, la reacción de endurecimiento de un cemento que se endurece al aire o la reacción de endurecimiento de un cemento hidráulico. La producción de un bloque del compuesto de calcio por la calcinación de un compuesto de calcio puede llevarse a cabo por ejemplo, como sigue: los polvos de fosfato tricálcico se moldean por compresión uniaxialmente, seguidos por la calcinación resultante a 1500°C durante 6 horas, de manera que se produce el bloque de fosfato tricálcico. En la presente invención, la producción de tal bloque de fosfato de calcio es para el propósito de proporcionar un componente de calcio para un material sustituto de hueso para uso médico el cual se compone predominantemente de apatita de carbonato, y por lo tanto no existe una necesidad de un dispositivo especial tal como HIP o CIP para la prevención de la eliminación del grupo carbonato, aunque el uso de tal dispositivo no se excluye exactamente. De este modo, ya que no existe necesidad para HIP o CIP, el costo de producción es bajo, haciendo la producción de masa posible, mientras que puede producirse un material sustituto de hueso en una forma deseada . La producción de un bloque de compuesto de calcio por la reacción de endurecimiento de un cemento que se endurece al aire se ejemplifica por la reacción del hidróxido de calcio y del dióxido de carbono: El Hidróxido de calcio se moldea por compresión uniaxialmente, y luego el cuerpo comprimido resultante se suministra para reaccionar con el dióxido de carbono bajo una corriente de vapor, por lo que se produce un bloque de carbonato de calcio como un precipitado, en donde el hidróxido de calcio comprimido se remplaza parcial o totalmente por el carbonato de calcio.
La producción de un bloque de compuesto de calcio por la reacción de endurecimiento de un cemento hidráulico se ejemplifica por el uso de yeso: el yeso se amasa con agua, y el resultante se vierte en un molde deseado en donde el yeso se endurece para producir un bloque de sulfato de calcio. La producción de tal bloque del compuesto de calcio a partir de un cemento hidráulico tal como un yeso es ventajosa porque permite la producción de un bloque de compuesto de calcio en una forma deseada en una manera sencilla. El bloque del compuesto de calcio ocurre aún naturalmente en abundancia, por ejemplo, como coral, mármol, yeso natural o similares. Sin embargo, como se menciona previamente, estos compuestos de calcio de origen natural no son adecuados como un biomaterial debido a que contienen impurezas, y por lo tanto en la producción del compuesto de calcio para uso en la presente invención debe utilizarse un material de partida altamente puro el cual se ha sintetizado artificialmente a través de una síntesis química o similares. Así mismo, los materiales derivados de organismos no son adecuados como el biomaterial debido a su antigenicidad. Aunque no existe restricción específica en la forma del bloque de compuesto de calcio, una forma porosa se prefiere ya que es ventajosa para acelerar la velocidad de reemplazo de hueso. En el caso de un cuerpo poroso, la porosidad es de preferencia 10% o mayor, más preferiblemente 30% o mayor, y la más preferible 50% mayor. El bloque del compuesto de calcio particularmente preferido es una forma de espuma debido a que proporciona un material sustituto de hueso con un reemplazo de hueso acelerado. Un bloque de compuesto de calcio que produce espuma puede producirse por un método conocido, por ejemplo, por el método como se describe en "Development of Porous Ceramics" (Editado por S. Hattori y A. Yamanaka, Publicado por CMC Co. LTd. , Páginas 277-294 (1991)). Más específicamente, la espuma de poliuretano suave que remueve la membrana celular se sumerge en una suspensión del compuesto de calcio, por lo que se suministra el compuesto de calcio adherido a la superficie de la trabécula de la espuma de poliuretano. La espuma de poliuretano adherida al compuesto de calcio seco se calcina a una temperatura deseada para sinterizar el compuesto de calcio mientras se consume la espuma de poliuretano, por lo que se produce el compuesto de calcio que produce espuma. Una estructura de espuma de poro continuo es bastante útil en el método para producir un material sustituto de hueso de acuerdo con la presente invención, en donde un bloque del compuesto de calcio que produce espuma se utiliza de manera que penetra las células del hueso dentro del interior del bloque que efectúa el reemplazo de hueso tridimensional. En vista de la penetración de las células óseas, el bloque del compuesto de calcio formado de espuma tiene un diámetro de poro promedio de preferencia en el rango de 50 µp? a 1000 µ??, más preferiblemente en el rango de 100 pm a 500 µ?? y más preferiblemente en el rango de 200 µp? a 300 µ? . El bloque del compuesto de calcio producido en la manera mencionada anteriormente se pone en contacto entonces con una solución que contiene un fosfato. La solución de fosfato tiene generalmente un pH de 4.5 o mayor. El contacto se lleva a cabo, por ejemplo sumergiendo el compuesto de calcio en la solución o rociando la solución en el compuesto de calcio. En general, la inmersión es la más conveniente y económica . Al poner en contacto un bloque del compuesto de calcio con una solución que contiene fosfato, en el caso en donde el bloque del compuesto de calcio es de una composición que no contiene un grupo carbonato, es indispensable agregar un componente que contiene un grupo carbonato a la solución que contiene fosfato. En el caso de un bloque del compuesto de calcio que contiene un grupo carbonato tal como un bloque de carbonato de calcio, no se requiere necesariamente para la solución que contiene fosfato que contenga un grupo carbonato. Sin embargo, es bastante aceptable para la solución que contiene fosfato contener también un grupo carbonato para el propósito de ajustar el contenido del grupo carbonato del material sustituto de hueso que se produce. Un componente que contiene un grupo carbonato puede disolverse en la solución que contiene fosfato o puede agregarse a la misma aún en una cantidad que excede la saturación. En cualquier caso, se requiere que el contenido del grupo carbonato sea suficiente para que se produzca el material sustituto de hueso. Aunque no existe restricción en la temperatura a la cual se pone en contacto el bloque de compuesto de calcio con una solución que contiene fosfato, entre más elevada es la temperatura, más rápidamente prosigue la producción del material sustituto de hueso para uso médico predominantemente compuesto de apatita de carbonato. De este modo, la temperatura de reacción es de preferencia 50 °C o más elevada, y más preferiblemente 80°C o más elevada. La síntesis hidrotérmica a 100 °C o más elevada es particularmente preferida debido a que la formación de apatita de carbonato prosigue aún internamente y la velocidad de producción se acelera también. Sin embargo,, como se describe previamente, no se requiere ninguna etapa de sinterización en el método de la producción de un material sustituto de hueso de acuerdo con la presente invención. No existen restricciones en el periodo de tiempo para el cual se pone en contacto el bloque del compuesto del calcio con la solución que contiene fosfato, tampoco. Tal periodo de tiempo para el contacto puede determinarse como se estima apropiado dependiendo de la composición del material sustituto de hueso para uso medico que se produce. El mecanismo no se ha explicado completamente por el cual un material sustituto de hueso para uso médico, predominantemente compuesto de apatita de carbonato, puede producirse de acuerdo con el método de la presente invención. Sin embargo, se considera, como se discute anteriormente, que en un caso en donde se presenta un grupo carbonato, la apatita de carbonato asume termodinámicamente la fase más estable y por lo tanto el compuesto de calcio se convierte a apatita de carbonato. Aunque no se imponen restricciones particulares en el contenido de apatita de carbonato en el material sustituto de hueso producido, se prefiere, en vista de la velocidad de reemplazo de hueso y otros factores, que el contenido de apatita de carbonato en la composición sea 50% o más en peso, y más preferiblemente 70% en peso en la composición. Se prefiere particularmente que la apatita de carbonato esté contenida en 90% o más en peso de la composición. El contenido del grupo carbonato en el material sustituido de hueso producido ejerce una gran influencia en la velocidad de reemplazo de hueso. A medida que el contenido del grupo carbonato se incrementa, la velocidad de reemplazo del hueso se acelera. La presente invención permite la producción de apatita de carbonato que tiene un contenido del grupo carbonato de 0.5% o más en peso con una velocidad de reemplazo de hueso altamente incrementada cuando se compara con la hidroxiapatita sinterizada convencionalmente conocida.
El contenido del grupo carbonato en el material sustituto de hueso es de preferencia 2% o más en peso, más preferiblemente 4% o más en peso y más preferiblemente 6% o más en peso. Aunque la presente invención se explicará en más detalle con referencia a los Ejemplos y Ejemplos Comparativos dados posteriormente, la presente invención no se limita a tales Ejemplos. Con respecto a los polvos que tienen un diámetro de partícula de 20 µta o más pequeños contenidos en los bloques de apatita de carbonato preparados en los Ejemplos y los Ejemplos Comparativos, el porcentaje del contenido de polvo se determinó como sigue: Los bloques de apatita de carbonato
que pesan aproximadamente 10 g se sumergieron en 200 mi de agua destilada, seguida agitando cuidadosamente con una barra de agitación de manera que los bloques de apatita de carbonato no chocaron con el recipiente o la barra de agitación. Entonces, el agua destilada total con los bloques de apatita de carbonato sumergidos en la presente se tamizaron a través de un tamiz de malla 140, seguido por el enjuague de los bloques de apatita de carbonato que permanecen en el tamiz de malla 140 con 100 mi de agua. Esta operación se repitió tres veces. El agua destilada y los polvos tamizados a través del tamiz de malla 140 se filtraron entonces a través de seis diferentes papeles para filtro como se estandariza por JIS P3801, seguidos por operaciones de secado y pesado. Los polvos secos se suspendieron en agua destilada para analizar la distribución de tamaño de poro utilizando un analizador de tamaño de partícula de sedimentación. De este modo, con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula (diámetro de partícula) de 20 µ?a o más pequeños contenidos en la apatita de carbonato, el contenido de polvo se determinó por el porcentaje de tales polvos en la distribución así como el peso total de la apatita de carbonato tamizada a través del tamiz de malla 140. Ejemplo 1 Se amasó sulfato de calcio hemihidratado (Nacalai Tesque Inc.) con agua destilada a una relación del agua de 0.4 (ml/g) para producir bloques del sulfato de calcio. El sulfato de calcio así preparado se sumergió en una solución de fosfato ácido de diamonio 1M (en donde el carbonato de amonio se había suspendido) durante dos días a 80°C. El patrón de difracción de rayos X (FIGURA 1) y el espectro infrarrojo transformado en Fourier (FIGURA 2) del producto de bloque demostró que estaba compuso de apatita de carbonato. Se encontró también al medir con el analizador CHN que el contenido del grupo carbonato fue 7% en peso. La resistencia a la tensión indirecta del material sustituto de hueso producida se encontró que es de 1.2 MPa . Con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µ?a o más pequeños contenidos en el material sustituto de hueso producido el contenido de polvo fue aproximadamente 0.002% en peso . Los bloques de apatita de carbonato producidos se inocularon con osteoblastos , y se llevó a cabo el cultivo. El valor de osteocalcinado, un criterio para la osteocoductividad, fue 11 ng/ml en el día 15 y marcadamente más elevado que el valor del plato de cultivo celular, 3
ng/ml, demostrando que el producto tuvo osteoconductividad. El cultivo de los osteoclastos en los bloques de apatita de carbonato resultó en la formación de las cavidades de reabsorción, sugiriendo que el material sustituto de hueso tuvo capacidad de reemplazo de hueso. No hubo indicación de inflamación cuando el material de prótesis se implantó en la tibia de la rata. Se reconoció también a partir de la observación histopatológica que hubo osteoconducción inducida con el bloque de apatita de carbonato producido. Ejemplo 2 Una mezcla de una cantidad igual en peso del sulfato de calcio hemihidratado (Nacalai Tesqui Inc.) y carbonato de calcio (Nacalai Tesque Inc. ) se amasó con agua destilada a una relación del agua de 0.4 (ml/g) para producir bloques de calcio. Los bloques de sulfato de calcio asi producidos se sumergieron en una solución de fosfato ácido de diamonio 1 M (en donde el carbonato de amonio se había suspendido) durante dos días a 80°C. El patrón de difracción de rayos X y el espectro infrarrojo transformado en Fourier del producto de bloque demostró que se compuso de apatita de carbonato. Se encontró también al medir con el analizador CHN que el contenido del grupo carbonato fue 8% en peso. La resistencia a la tensión indirecta del material sustituto de hueso producido se encontró que es de 4.8 MPa. Con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µ?? o más pequeños contenidos en el bloque de apatita de carbonato producido, el contenido de polvo fue aproximadamente 0.005% en peso. Los bloques de apatita de carbonato producidos se inocularon con osteoblastos , y el cultivo se llevó a cabo. El valor de osteocalcinado, un criterio para la osteoconductividad, fue 12 ng/ml en el día 15 y marcadamente más elevado que el valor del plato de cultivo celular, 3 ng/ml, demostrando que el producto tuvo osteoconductividad. El cultivo de los osteoclastos en los bloques de apatita de carbonato resultó en la formación de cavidades de reabsorción, sugiriendo que el material sustituto de hueso producido tuvo una capacidad de reemplazo de hueso. No hubo indicación de inflamación cuando el material de prótesis se implantó en una tibia de rata. Se reconoció también a partir de la observación histopatológica que hubo osteoconducción inducida con el bloque de apatita de carbonato producido.
Ejemplo Comparativo 1 Este ejemplo se relaciona a la producción del bloque de apatita que no contiene un grupo carbonato, con el fin de demostrar los efectos ventajosos de la presente
invención. Se amasó el sulfato de calcio (Nacalai Tesque Inc.) con agua destilada en una relación del agua de 0.4 (ml/g) para producir bloques de sulfato de calcio. Los bloques de sulfato de calcio asi producidos se sumergieron en una solución de fosfato ácido de diamonio 1M (la cual se había reemplazo con nitrógeno) durante dos días a 80 °C. El patrón de difracción de rayos X y el espectro infrarrojo transformado en Fourier del producto de bloque demostró que se compuso de apatita sin contener el grupo carbonato. La resistencia a la tensión indirecta del material sustituto de hueso producido se encontró que es de 1.8 MPa. Con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µ?t? o más pequeños contenidos en el bloque de apatita producido, el contenido de polvo fue aproximadamente 0.005% en peso. Los bloques de apatita producidos se inocularon con osteoblastos, y se llevó a cabo el cultivo. El valor de osteocalcinado, un criterio para la osteoconductividad, fue 8 ng/ml en el día 15 y marcadamente más elevado que aquel del plato del cultivo celular, 3 ng/ml, demostrando que el producto tuvo osteoconductividad, pero el valor fue más bajo que aquellos con los materiales sustitutos de hueso
producidos en los Ejemplos 1 y 2. No se observaron cavidades de reabsorción por osteoclastos , indicando que no hubo reemplazo de hueso con el material sustituto de hueso de este Ejemplo Comparativo 1, el cual cae fuera del alcance de la presente invención. No hubo indicación de inflamación cuando el material de prótesis se implantó en una tibia de rata. Se reconoció también a partir de la observación histopatológica que hubo osteoconducción inducida con el bloque de apatita producido . Ejemplo 3 Se moldeó por compresión hidróxido de calcio (Nacalai Tesque Inc.) 0.2 g en un molde circular en una presión de compresión axial de 20 kg/cm2 y el cuerpo comprimido resultante se sometió a carbonatación bajo una corriente de dióxido de carbono con una humedad relativa de 100% para producir bloques de carbonato de calcio. El patrón de difracción de rayos X y el espectro infrarrojo transformado en Fourier del producto de bloque demostró que se compuso de carbonato de calcio. Los bloques de carbonato de calcio se sumergieron en una solución de fosfato ácido de disodio 1M a 60°C durante siete días, para producir bloques en la misma forma con el bloque de carbonato de calcio. El patrón de difracción de rayos X (FIGURA 3) y el espectro infrarrojo transformado en Fourier (FIGURA 4) del producto de bloque demostró que se campuso de apatita de carbonato. Se encontró también al medir con un analizador CHN que el contenido del grupo carbonato fue 11% en peso. La resistencia a la tensión indirecta del material sustituto de hueso producido se encontró que es de 1.8 MPa. Con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µp? o más pequeños contenidos en el bloque de apatita de carbonato producido, el contenido de polvo fue aproximadamente 0.005% en peso. Los bloques de apatita de carbonato producidos se inocularon con osteoblastos, y el cultivo se llevó a cabo. El valor de osteocalcinado, un criterio para osteoconductividad, fue 13 ng/ml en el día 15 y marcadamente más elevado que el valor del plato de cultivo celular, 3 ng/ml, demostrando que el producto tuvo osteoconductividad. El cultivo de los osteoclastos resultó en la formación de cavidad de reabsorción, sugiriendo que el material sustituto de hueso producido tuvo capacidad de reemplazo de hueso. No hubo indicación de inflamación cuando el material de prótesis se implantó en una tibia de rata. Se reconoció también a partir de la observación histopatológica que hubo osteoconducción inducida con el bloque de apatita de carbonato producido. Ejemplo Comparativo 2 Este ejemplo se relaciona a la producción de hidroxiapatita sinterizada la cual no contiene un grupo carbonato, con el fin de demostrar los efectos ventajosos de la presente invención. Se moldearon por compresión los polvos de hidroxiapatita (Taihei Chemicals Ltd. ) en una presión axial de 20 kg/cm2. El cuerpo comprimido resultante se calentó hasta 1250 °C a la velocidad de 4°C por minuto y se mantuvo a 1250°C durante seis horas, seguido por enfriamiento para producir hidroxiapatita sinterizada. El patrón de difracción de rayos X (FIGURA 5) y el espectro infrarrojo transformado en Fourier (FIGURA 6) del cuerpo de hidroxiapatita sinterizado producido demostró que se compuso de apatita sin contener un grupo carbonato. La resistencia a la tensión indirecta del material sustituto de hueso producido se encontró que es de 9C MPa. Con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µ?? o más pequeños contenidos en el bloque de apatita producido, el contenido de polvo fue aproximadamente 0.001% en peso. Los bloques de apatita producidos se inocularon con osteoblastos, y se llevó a cabo el cultivo. El valor de osteocalcinado, un criterio para la osteoconductividad, se llevó a cabo. El valor de osteocalcinado, un criterio para la osteoconductividad, fue 8 ng/ml en el día 15 y marcadamente más elevado que aquel del plato de cultivo celular, 3 ng/ml, demostrando que el producto tuvo osteoconductividad, pero que el valor fue más bajo que aquellos con los materiales sustitutos de hueso producidos en el Ejemplo 1, 2 y 3. No se observaron cavidades de reabsorción por osteoclastos, indicando que no hubo reemplazo de hueso con el material sustituto de hueso producido en este Ejemplo Comparativo 2, que cae fuera del alcance de la presente invención. No hubo indicación de inflamación cuando el material de prótesis se implantó en una tibia de rata. Se reconoció también a partir de la observación histopatológica que hubo osteoconducción inducida con el bloque de apatita producido. Ejemplo Comparativo 3 Este ejemplo se relaciona a la producción del bloque de apatita a partir de un material de origen natural, con el fin de demostrar los efectos ventajosos de la presente invención: Piedras calizas naturales molidas que tienen un tamaño de partícula de aproximadamente 1 mm se sumergieron en una solución de fosfato ácido de disodio 1M a 60 °C durante siete días para producir bloques en la misma forma con las piedras calizas molidas de partida. El patrón de difracción de rayos X y el espectro infrarrojo transformado en Fourier del producto de bloque demostró que se compuso de apatita de carbonato. Se encontró también al medir con el analizador CHN que el contenido del grupo carbonato fue 10% en peso. Con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µp? o más pequeño contenidos en el bloque de apatita de carbonato producido, el contenido de polvo fue aproximadamente 1.2% en peso. Al implantar el producto en una tibia de rata, se observó clara indicación de inflamación presumiblemente debida a impurezas inherentemente contenidas en el material de origen natural. A partir de la observación histológica no hubo osteoconducción reconocida con el producto de bloque de apatita de carbonato. Ejemplo Comparativo 3-2 Este ejemplo se relaciona a la producción de un bloque de apatita de carbonato que cae fuera del alcance de la presente invención, con el fin de demostrar los efectos ventajosos de la presente invención, particularmente en términos del estado del polvo. Para el propósito de remover polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µp? o más pequeña contenido en los bloques de apatita de carbonato como se produce en el Ejemplo Comparativo 3, los bloques de apatita de carbonato producidos se colocaron en un tamiz de malla 140, seguido por el enjuague con agua de manera que los polvos finos pasan a través del tamiz. Los bloques de apatita de carbonato que permanecen en el tamiz se secaron. El bloque de apatita de carbonato así producido tuvo un contenido de polvo de aproximadamente 0.05% en peso con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 µp? o más pequeños . Al implantar el producto en una tibia de rata, se observó una clara indicación de inflamación presumiblemente debida a impurezas inherentemente contenidas en el material de origen natural. Aunque la inflamación fue ligera cuando se compara con aquella en el Ejemplo Comparativo 3, a partir de la observación histológica no se reconoció osteoconducción con el producto de apatita de carbonato de nuevo aquí. Ejemplo 4 Se mezclaron polvos de fosfato de a-tricalcio (Taihei Chemicals Ltd.) con agua a una relación de 1:1 en peso para preparar una suspensión. Se sumergió la espuma de poliuretano (Bridgestone Corp. ) en la suspensión de polvos de fosfato de a-tricalcio, seguida por secado. La espuma de poliuretano asi preparada con los polvos de fosfato de a-tricalcio adherida a las trabéculas de la misma se calcinó a 1500 °C durante cinco horas elevando la temperatura a la velocidad de 1°C por minuto hasta 400°C, y luego a la velocidad de 5 °C, después de que se enfrió el producto calcinado. De este modo, se produjo la espuma de fosfato de a-tricalcio sinterizada. La espuma de fosfato de a-tricalcio producida se sumergió en una solución acuosa en donde se suspenden carbonato de sodio y fosfato ácido disódico, para experimentar tratamiento hidrotérmico a 200 °C durante doce horas . La FIGURA 7 muestra el compuesto de espuma obtenido. El patrón de difracción de rayos X (FIGURA 8) y el espectro infrarrojo transformado en Fourier (FIGURA 9) del compuesto en espuma mostró que se compuso de apatita de carbonato. Se encontró también al medir con el analizador CHN que el contenido del grupo carbonato fue 6% en peso. La resistencia a la tensión indirecta se encontró que es 0.3 MPa. Con respecto a los polvos que tienen un tamaño de partícula de 20 pm o más pequeña contenidos en el bloque de apatita de carbonato producido, el contenido de polvo fue aproximadamente 0.001% en peso. Los bloques de apatita de carbonato producidos se inocularon con osteoblastos , y se llevó a cabo el cultivo. El valor de osteocalcinado, un criterio para la osteoconductividad, fue 13 ng/ml en el día 15 y marcadamente más elevada que el valor del plato de cultivo celular, 3 ng/ml, demostrando que el producto tuvo osteoconductividad. La formación de las cavidades de reabsorción por osteoclastos indicó que el material sustituto de hueso producido tuvo capacidad de reemplazo de hueso. No hubo indicación de inflamación, cuando el material de prótesis se implantó en una tibia de rata. Se reconoció también a partir de la observación histopatológica que se indujo la osteoconducción con el bloque de apatita de carbonato producido. Ejemplo Comparativo 4 Este ejemplo se relaciona a la producción de espuma de apatita de carbonato sinterizando el proceso, cuyo proceso cae fuera del alcance de la presente invención, con el fin de demostrar los efectos ventajosos de la presente invención. Los polvos de apatita de carbonato de partida se sintetizaron por proceso húmedo: Cinco litros de una solución de carbonato ácido de sodio, preparada disolviendo carbonato ácido de sodio en una solución acuosa de 0.6 moles de fosfato ácido de sodio, y cinco litros de una solución acuosa de acetato de calcio 1M se agregaron al mismo tiempo en gotas a tres litros de agua de intercambio de ión mantenida a 80 °C, aunque se control el pH del agua de intercambio de ión para ser 9.0 a 9.5. Al terminar la adición en gotas, el producto resultante se mantuvo a 80°C durante doce horas para envejecimiento, seguido por la filtración y operaciones de lavado de manera que se remueven iones de Na+. Los polvos asi obtenidos se secaron a 110 °C durante veinticuatro horas. El patrón de difracción de rayos X y el espectro infrarrojo transformado en Fourier del producto en polvo mostró que se compuso de apatita de carbonato. Se mostró también encontrarse al medir con un analizador CHN que el contenido del grupo carbonato fue 9% en peso. Los polvos de apatita de carbonato producidos se mezclaron con agua destilada en una relación de 1:1 para preparar una suspensión. La espuma de poliuretano (Bridgestone Corp.) se sumergió en la suspensión de los polvos de apatita de carbonato, seguida por secado. La espuma de poliuretano asi preparada con los polvos de apatita de carbonato adheridos a las trabéculas del mismo se calcinaron a 900 °C durante cinco horas elevando la temperatura a la velocidad de 1°C por minuto hasta 400 °C y luego a la velocidad de 5°C, después de que se enfrió el producto calcinado. Aunque se confirmó que no se formó una estructura de espuma en el horno, ésta se colapso en la remoción del horno. De este modo, se evidenció que no es posible producir una espuma de apatita de carbonato deseada. Los resultados son similares aún con una temperatura de calcinación de 1000°C, 1100°C, 1200°C o 1300°C. Ejemplo Comparativo 5 Este ejemplo se relaciona a la producción de espuma de apatita de carbonato sinterizando el proceso, cuyo proceso cae fuera del alcance de la presente invención, con el fin de demostrar los efectos ventajosos de la presente invención. Los polvos de apatita de carbonato preparados en el Ejemplo Comparativo 3 se mezclaron con agua destilada a una relación de 1:1 para preparar una suspensión. La espuma de poliuretano (Birdgestone Corp.) se sumergió en la suspensión de polvos de apatita de carbonato, seguida por el secado. La espuma de poliuretano asi preparada con los polvos de apatita de carbonato adheridos a las trabéculas de la misma, se calcinó a 1400 °C durante cinco horas elevando la temperatura a una velocidad de 1°C por minuto hasta 400°C y luego a la velocidad de 5°C por minutos, después que se enfrió el producto calcinado. Aunque el producto fue frágil, se manejó la remoción a partir del horno. El patrón de difracción de rayos X y el espectro infrarrojo transformado en Fourier del producto mostró que se compuso de hidroxiapatita, y se encontró también que el producto no contuvo ningún grupo carbonato por un analizado CHN. Ninguna de las cavidades de reabsorción por osteoclastos se observaron, indicando que no hubo reemplazo de hueso inducido con el material sustituto de hueso producido. Ejemplo Comparativo 6 Con el fin de demostrar los efectos ventajosos de la presente invención, el polvo de apatita de carbonato producido en el Ejemplo Comparativo 4 (teniendo un tamaño de partícula promedio de 1 pm o más pequeño) se implantó en el sitio de defectos de hueso formado en una tibia de rata. En dos días a partir del implante hubo una clara indicación de inflamación, es decir, la piel al sitio de inflamación llegó a hincharse. Al hacer una incisión en la piel, se observó una efusión transparente amarillenta humoral. No hubieron polvos de apatita de carbonato presentes en el sitio de defectos de hueso, y no hubo indicación de osteconducción en absoluto.