Proceso de preparación de materiales acrílicos dentales y ortopédicos con propiedades antimicrobianas mediante tecnología de nanopartículas de cobre.
CAMPO DE LA INVENCIÓN.
El objetivo de la presente Invención se enmarca en un proceso para la producción de un nuevo biomaterial acríllco para la fabricación de productos dentales o médicos con propiedades antlmicroblanas, para ser utilizado en el control del crecimiento de microorganismos en la cavidad oral o en tratamientos ortopédicos, tales como prótesis dentales removlbles y fijas, resina dental de restauración, adhesivo de resina de restauración, adhesivo de bracket ortodóntlco, sellante de fosas y fisuras o cementos óseos ortopédicos basado en tecnología de nanopartículas de cobre y con propiedades antlmicroblanas frente a patógenos dentales, especialmente Candida albicans, patógeno responsable de la estomatitis subprótesica o Streptococcus mutans, bacteria responsable de la formación de caries, así como para Staphylococcus aureus que genera Infecciones perlprotésicas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.
El uso de prótesis dentales continúa siendo la solución de rehabilitación dental más utilizada dentro de la población, particularmente en estratos socioeconómicos medio bajos. La limpieza de las prótesis es esencial para mantener una buena higiene oral y para prevenir Estomatitis Subprótesica, Inflamación crónica que se puede generar en la mucosa oral en contacto con la prótesis, y que a pesar de no tener una etiología definida, una de sus causas es la Infección por hongos del género Candida. Siendo la gran mayoría de los portadores de prótesis adultos mayores, la higiene ideal de la prótesis muchas veces no es realizada adecuadamente, además de las limitaciones ópticas y pslcomotrices, condiciones características de los pacientes de la tercera edad. El actual tratamiento para este tipo de Infección es la administración de agentes antimlcóticos orales y tópicos. Sin embargo, este tipo de agentes puede conllevar efectos adversos para los pacientes, tales como malestar general y sabores particularmente desagradables.
En la actualidad se busca desarrollar aproximaciones terapéuticas basadas en el diseño del material de prótesis, como la obtención de materiales nanocompósitos con actividad antimicrobiana. Un nanocompósito es un material que combina materiales de distinta naturaleza, como un polímero y un metal, en donde uno de ellos presenta dimensiones nanométricas. El cobre es un conocido antimicrobiano, con propiedades antibacterianas y antifúngicas; que son actualmente potenciadas con el uso de partículas del metal con dimensiones nanométricas.
Las prótesis removibles son la alternativa más usada en rehabilitación de pacientes parcial o totalmente desdentados, especialmente en grupos de escasos recursos y es la principal forma de rehabilitación dental en los servicios de atención primaria, dado principalmente por su bajo costo.
Las prótesis al ser un elemento externo, producen en su superficie la formación de un biofilm, el cual no puede ser eliminado de forma natural. Este biofilm puede provocar un proceso inflamatorio crónico de la mucosa adyacente a la prótesis, que se conoce como Estomatitis Subprótesica. Esta patología se caracteriza por la inflamación y eritema de la mucosa cubierta por la prótesis. Es asintomática, y sólo en algunos casos presenta sensación de ardor, por lo general es pesquisada mediante el examen clínico. A pesar de que su etiología no está claramente definida, se asocia principalmente a la infección de la mucosa de Candida albicans y a una pobre la pobre higiene oral de los pacientes (Gendreau, L. and Z.G. Loewy, Epidemiology and Etiology of Denture Stomatitis. Journal of Prosthodontics, 201 1 . 20(4): p. 251 -260). Estudios epidemiológicos hablan de una prevalencia que abarca un rango de 15 - 70% presentando mayor incidencia en adultos mayores y mujeres. En general, se considera que las dos terceras partes de los portadores de prótesis removibles, presentan estomatitis subprótesis en grado variable.
Candida albicans es una levadura que se presenta normalmente en la cavidad oral, tracto gastrointestinal y vagina, viviendo de forma comensal. Su patogenicidad es regulada por sus factores de virulencia y el resultado de su interacción con la respuesta inmune del hospedero
(Schaller M, Borelli C, Korting HC, Hube B. Hydrolytic enzymes as virulence factors of Candida albicans. Mycoses. 2005;48(6):365-77). Entre los factores de virulencia se encuentran factores de transcripción para proteínas de membrana celular, adhesinas, enzimas proteolíticas, y lipolíticas (Calderone RA, Fonzi WA. Virulence factors of Candida albicans. Trends in Microbiology. 2001 ;9(7):327-35), así también, posee la capacidad de adherirse a las células y penetrar el epitelio (Machado A., Komiyama E., Santos S., Jorge A., Brighenti F., Koga-lto C, In vitro adherence of Candida albicans isolated from patients with chronic periodontitis. J Appl Oral Sci. 2010; 384-387). Además, Candida albicans se presenta en forma de biofilm sobre la superficie del acrílico de prótesis dentales, formando una matriz cerrada de microcolonias de levaduras e hifas, conteniendo un gran número de bacterias, como Streptococcus sps., polímeros extracelulares, e incluso un fenotipo distinto al que se presenta en estado planctónico. Esta conformación la hace mucho más resistente a agentes antimicrobianos (Douglas LJ. Candida biofilms and their role in infection. Trends in Microbiology. 2003;1 1 (1 ):30- 6). Además, Candida albicans posee una alta prevalencia en la cavidad oral, y es común encontrarla en sacos periodontales, lo que nos pueden indicar un posible rol en la génesis o en la exacerbación de las condiciones clínicas de enfermedad Periodontal (Urzúa B., Hermosilla G., Gamonal J., Morales-Bozo I., Canals M., Barahona S., et al. Yeast diversity in the oral microbiota of subjects with periodontitis: Candida albicans and Candida dubliniensis colonize the periodontal pockets. Med Mycol. 2008; 46:783-93; y Sardi J., Duque C, Mariano F., Peixoto I., Hofling J., Goncalves B. Candida spp. in periodontal disease: a brief review. J Oral Science. 2010. Vol. 52, No. 2, 177-185). En los pacientes con periodontitis refractaria, el 83.3% de los sacos periodontales poseen Candida albicans, lo que nos indica una relación entre ésta y la infraestructura de la microbiota periodontal (Machado et al). Canabarro et al., (Canabarro A., Valle C, Farias MR., Santos FB, Lazera M., Wanke B. Association of subgingival colonizaron of Candida albicans and other yeast with severity of chrionic periodontitis. J Periodont Res 2013; 48: 428-432) han hipotetizado que la profunda perturbación epitelial estructural en el saco periodontal y la inmunosupresión causada por la severidad de la enfermedad periodontal, facilitaría la colonización de Candida albicans subgingival. Por lo tanto existen, claras evidencias de la coexistencia de Candida albicans, responsable de la estomatitis y de los patógenos periodontales.
El tratamiento de primera opción para estomatitis subprótesica, es la aplicación de antifúngicos sistémicos y tópicos, como la Nistatina y el Fluconazol. Éstos antimicóticos pueden presentar efectos adversos como dolores de cabeza, náuseas, vómitos y malestar general; además de generar incomodidad y sabor desagradable para el paciente, lo que aumenta la descontinuación de este tipo de tratamiento. Se conoce que el tratamiento con antifúngicos tópicos resulta exitoso en erradicar la contaminación por Candida albicans y aliviar sus síntomas, pero si no se realiza una apropiada y mantenida higiene de las prótesis, la estomatitis subprótesis volverá a recurrir una vez terminado el tratamiento (Gendreau et al).
Buscando nuevas alternativas terapéuticas, se ha observado que la modificación de las características de la superficie del material acrílico, es un método efectivo en reducir la adhesión de Candida albicans a la prótesis (Park, S.E., et al., Candida albicans Adherence to Surface-Modified Denture Resin Surfaces. Journal of Prosthodontics, 2008. 17(5): p. 365-369). Mediante modificaciones de las propiedades químico físicas de los materiales de uso médico, es posible otorgarles propiedades antimicrobianas, y así prevenir y controlar las infecciones. En esta línea, se han realizado estudios orientados a incorporar compuestos antifúngicos al acrílico de prótesis, como modificar la superficie del acrílico mediante una impregnación de la superficie del acrílico con histaminas y defensinas salivales (Pusateri CR, Monaco EA, Edgerton M. Sensitivity of Candida albicans biofilm cells grown on denture acrylic to antifungal proteins and chlorhexidine. Archives of Oral Biology. 2009;54(6):588-94). Redding et al., prepararon un recubrimiento polimérico cargado con clorhexidina, nistatina y anfotericina, siendo el recubrimiento de clorhexidina el que obtuvo mejores resultados ((Redding S, Bhatt B, Rawls HR, Siegel G, Scott K, Lopez-Ribot J. Inhibition of Candida albicans biofilm formation on denture material. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, Oral Radiology, and Endodontology. 2009;1 07(5):669-72).
Los metales presentan propiedades antimicrobianas conocidas por siglos; y actualmente, se investiga su uso en múltiples aplicaciones con la ayuda de la nanotecnología, como su aplicación en desinfección de superficies y aplicación tópica en geles y pastas. El cobre, ha
sido muy utilizado en medicina desde el siglo 19, era indicado en el tratamiento de infecciones de piel, lupus, e incluso fue un agente antimicrobiano utilizado hasta la aparición de los antibióticos el año 1932 (Grass, G., C. Rensing, and M. Solioz, Metallic Copper as an Antimicrobial Surface. Applied and Environmental Microbiology, 201 1 . 77(5): p. 1541 -1547). Además, el cobre se ha utilizado por décadas por sus propiedades antimicóticas (Cioffi , N., Torsi, L, Ditarantano, N., Tantalillo, G., Ghibelli, L, Sabbatini, L, Bleve-Zacheo, T., D'Alessio, M., Zambonin, PG., Traversa, E., Copper nanoparticle/polymer composites with antifungal and bacteriostatic properties. Chem. Mater, 2005, 17, 5255-5262; y Palza, H., Quijada, R., Delgado, K., Antimicrobial polymer composites with copper micro- and nanoparticles: Effect of particle size and polymer matrix. Journal of Bioactive and compatible polymers. 201 5, 1 -15). Sin embargo, en los últimos años ha resurgido el interés por el uso de las propiedades antimicrobianas de este metal, principalmente debido a la posibilidad de producir partículas de cobre con tamaño nanométrico.
La manipulación de la estructura y aplicación de materiales con dimensiones nanométrica es lo que se conoce como nanotecnología, la cual se basa en el control de las propiedades de los materiales a una escala nanométrica (1 -100 nm) con el propósito de explotar, las características distintas que posee los materiales nanodimensionales (Ravishankar Rai V. and Jamuna Bai A., Nanoparticles and their potential application as antimicrobials. Science against microbial pathogens: communicating current research and technological advances 201 1 . 1 (1 ): p. 10). Se espera que con el desarrollo de la nanotecnología se logren avances importantes en las ciencias biológicas y biomédicas, al entregar las herramientas que logren comprender las estructuras de materiales y tejidos, así como diseñar tecnologías para poder explorarlas, tratarlas y posiblemente reconstruirlas (Ahmed, W., A. Elhissi, and K. Subramani, Chapter 1 - Introduction to Nanotechnology, in Nanobiomaterials in Clinical Dentistry, K.S.A.K. Hartsfield, Editor. 2013, William Andrew Publishing. p. 3-16). Las nanopartículas por su tamaño adquieren nuevas propiedades en relación a las observadas en estructuras de tamaño micrométrico. Estas propiedades están determinadas por el efecto que generan los átomos ubicados en la capa superficial de la estructura y por presentar una mayor área superficial en relación al volumen de las nanopartículas, en comparación a la que se da en las estructuras micro o
macrométricas (Ren, G., et al., Characterisation of copper oxide nanoparticles for antimicrobial applications. International Journal of Antimicrobial Agents, 2009. 33(6): p. 587-590). Una de las nanopartículas metálicas más estudiadas es la de Plata (AgNP), las cuales han demostrado propiedades antibacterianas frente Escherichia coli, Staphylococcus aureus, y Klebsiella pneunomiae (Ravishankar et al.).
Con respecto a las nanopartículas de cobre (CuNP), se han observado mejores propiedades antimicrobianas, en comparación al tamaño micro (Theivasanthi, T., Studies of Copper Nanoparticles Effects on Micro-organisms. Annals of Biological Research, 201 1 . 2(3): p. 368- 373). También han sido efectivas al matar numerosas cepas de infecciones intrahospitalarias, aunque se observa la necesidad de la liberación controlada de iones al ambiente local, para lograr una actividad antimicrobiana óptima (Ren, G., et al.). Las propiedades antimicrobianas de CuNPs han sido evaluadas hasta ahora frente a las bacterias Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneunomiae, Lysteria monocytogenes y Pseudomonas aeruginosa; como también frente a la levadura Saccharomyces cerevisiae. Sin embargo, referente a bacterias orales no se ha encontrado evidencia en el arte previo.
Estudios referentes al mecanismo bactericida del cobre como nanopartícula, indican que el efecto se atribuye a su pequeño tamaño y a su gran superficie de contacto, en relación a su volumen, lo que le permite interactuar fácilmente con las membranas microbianas (Chatterjee AK, Ruchira C, Tarakdas B. Mechanism of antibacterial activity of copper nanoparticles. Nanotechnology. 2014;25(13):135101 ). Un método de acción muy aceptado es la muerte celular por contacto, la cual se produciría por una serie de eventos sucesivos, desde el daño a la membrana celular, la entrada de cobre hacia la célula, la formación de especies reactivas del oxígeno por iones cobre que participan en la reacción redox y la posterior degradación del DNA, produciendo muerte celular (Grass et al.). En un estudio del año 2014, se reportaron nuevos antecedentes acerca del mecanismo de acción antibacteriano de las nanopartículas de cobre. En el estudio de CuNP sobre Escherichia coli, se observó un cambio de la morfología bacteriana hacia una formación filamentosa y posterior muerte celular. Este efecto se atribuye a la respuesta celular causada por una sobreproducción de especies reactivas del oxígeno, lo
que resulta en una considerable peroxidación lípidica, oxidación de proteínas y degradación de DNA (Chatterjee et al.)- Sin embargo, los autores también concluyen que probablemente no existe un solo mecanismo de acción bactericida para las CuNP, pudiendo ser el agente activo tanto la nanopartícula misma o los iones metálicos que se liberan desde la partícula. Las últimas evidencias indican que el mayor efecto antimicrobiano sería producido por la liberación de iones desde las nanopartículas (Palza, H., Antimicrobial Polymers with Metal Nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 2099-21 16).
Por otra parte, no se han realizados estudios con nanopartículas de cobre sobre el efecto con Candida albicans, pero si se encuentran estudios con AgNP, en donde se han reportado los efectos de AgNP usadas tópicamente sobre biofilm de Candida albicans (Monteiro, D.R., et al., Silver colloidal nanoparticle stability: influence on Candida biofilms formed on denture acrylic. Medical Mycology, 2014. 52(6): p. 627-635); y Candida glabrata (Silva, S., et al., The effect of silver nanoparticles and nystatin on mixed biofilms of Candida glabrata and Candida albicans on acrylic. Medical Mycology, 2013. 51(2): p. 178- 184) formado sobre superficies de acrílico, exhibiendo efectos biocidas para ambas cepas.
Debido a la capacidad antimicrobiana de estas partículas se explorado la posibilidad de modificar el material acrílico de prótesis, incorporando nanopartículas metálicas a su matriz polimérica. Kamikawa et al. evaluó la adherencia de Candida albicans y Candida glabrata sobre acrílicos dentales modificados con un recubrimiento polímerico cargado con AgNP, observando una considerable reducción en el crecimiento de colonias de Candida albicans (Kamikawa, Y., et al., In Vitro Antifungal Activity against Oral Candida Species Using a Denture Base Coated with Silver Nanoparticles. Journal of Nanomaterials, 2014. 2014: p. 6). En otros enfoques, se ha ensayado la incorporación de AgNP en el interior de la resina de acrílico. Estos materiales tendrían la capacidad liberar en forma controlada el agente activo y así controlar la proliferación de los microorganismos en la superficie de la prótesis. La existencia de una prótesis dental con éstas características antimicrobianas, permitiría prevenir y tratar la estomatitis, a diferencia de la terapia antimicótica que sólo trata la enfermedad. Utilizando esta estrategia de modificación del material acrílico, (Nam K-Y, Lee C-H, Lee C-J. Antifungal and
physical characteristics of modified denture base acrylic incorporated with silver nanoparticles. Gerodontology. 2012;29(2):e413-e9), incorporaron AgNP a acrílicos de prótesis dentales, mezclando suspensiones coloidales de plata con el acrílico, por medio de utilizar contenidos de plata entre 20- 30% en peso, lograron una significativa inhibición de Candida albicans con respecto al control. También observaron una liberación sostenida de plata en el tiempo, manteniendo propiedades antifúngicas. Sin embargo, el color oscuro del material nanocompósito resultante, producido por las partículas de AgNP, es claramente un aspecto desfavorable desde el punto de vista estético-odontológico.
Por otro lado, las CuNPs han sido utilizadas para la preparación de diferentes nanocompositos poliméricos con propiedades antimicrobianas. Además, se estudiaron polímeros tales como polivinilcetona cargada con CuNP, en donde se observó la capacidad de liberar metal lentamente y de forma controlada, como también de inhibir el crecimiento de bacterias y hongos como Saccharomyces cervisiae; y la actividad antimicrobiana se correlaciona directamente con la concentración de nanopartículas (Cioffi et al.). Otros polímeros estudiados son matrices celulosas vegetales y bacterianas cargadas con nanoestructuras, tales como nanofilamentos y CuNP, mostrando acción bactericida frente a Staphylococcus aureus y Klebsiella pneunomiae. Éste polímero con la potencial aplicación para su uso en papeles para envoltorios (Theivasanthi et al.). Con respecto a polímeros acrílicos modificados con CuNP, Liu et al. (Liu, YY., Liu, DM., Chen, SY., Tung TH., Liu TY., In situ synthesis of hybrid nanocomposite with highly order arranged amoorphous metallic copper nanoparticle in poli (2- hidroxyethyl methacrylate) and its potential for blood-contact uses. Acta Biomateralia, 2008, (4), 2052-2058), incorporó CuNP en una matriz de poli(2-hidroxietil metacrilato) (pHEMA) utilizada en la fabricación de dispositivos biomédicos con aplicación cardiovascular. Los resultados muestran que la incorporación (0,03-0,15 % cobre) de CuNP reduce la adhesión plaquetaria, evitando así la producción de trombos sanguíneos, sin embargo en este trabajo no se evalúan propiedades antimicrobianas del material nanocompósito. Respecto al mecanismo antimicrobiano de los nanocompositos poliméricos/metálicos, se postula un mecanismo de liberación de iones producidos por la corrosión de las nanopartículas presentes en la matriz, debido a la difusión de moléculas de agua desde el medio externo. La difusión de moléculas de
agua se ha observado incluso en matrices polímericas no polares, como el polietileno y polipropileno (Palza et al., y Ton-That, TM., Jungnickel, BJ. Water diffusion into transcrystalline layers on polypropylene. J. Appl. Polum. Sci. 1999, 74, 3275-3285). También, con el paso del tiempo, se produciría la corrosión del polímero, lo que también produciría liberación de iones, contribuyendo a la liberación sostenida de cobre en el tiempo (Palza et al.).
La incorporación de nanopartículas metálicas en acrílicos dentales para impartirles propiedades antimicrobianas, presentaría ventajas respecto a los antimicrobianos orgánicos tradicionales. Los antibióticos generan resistencia microbiana y efectos adversos a nivel sistémico en los pacientes, por lo que el arte previo plantea investigar nuevas alternativas antibacterianas (Nam et al.). Por otra parte, en un estudio se incorporaron clorhexidina a acrílicos dentales, encontrando que este tipo de compuestos sufre una rápida liberación en medio acuoso, además se encontró una alta liberación de monómero residual por una incompleta polimerización (Wilson, SJ1 , Wilson, HJ. The reléase of chlorhexidine from modified dental acrylic resin J Oral Rehabil. 1993 May;20(3):31 1 -9). Además, agentes dentales como clorhexidina se han estudiado en geles de metilcelulosa y ácido poliacrílico, presentando una temperatura de liberación entre 22 y 42 °C. (Musial, W., Kokol, V., Voncina, B., Deposition and reléase of chlorhexidine from non-ionic and anionic polymer matrices. Chemical Papers, 201 0 (64), 3, 346-353). En general, la incorporación de antimicrobianos orgánicos presenta un alta tasa de liberación con el aumento de la temperatura, de lo cual se puede esperar una alta pérdida del agente activo al ser usado en las condiciones de termopolimerización del acrílico de prótesis (temperaturas mayor a 90°C, bajo presión). Estos aspectos de estabilidad del agente antimicrobiano bajo las condiciones de termocurado podrían ser mejorados al utilizar nanopartículas metálicas, como las de cobre.
Es de conocimiento que la cavidad bucal es un tipo de hábitat donde viven un conjunto de microorganismos (comunidad microbiana). En donde la manifestación de las caries dentales está mediada por mecanismos complejos que son iniciados por factores, entre los que se incluyen genéticos, conductuales, ambientales y microbianos. En el caso de los factores microbianos, la presencia de patógenos es fundamental para el inicio y progresión de las
lesiones de caries, sin bacterias no existe lesión. De hecho se trata de una enfermedad infecciosa polimicrobiana, en donde cada especie bacteriana individual puede contribuir colectivamente a la cariogenicidad total de la biocomunidad de la placa dental (biopelícula dental) asociada a caries. Las fuentes intrínsecas de nutrientes para los microorganismos de la cavidad bucal son los materiales que se encuentran en torno de los dientes, los exudados, las células epiteliales degradadas y los componentes de la saliva, ciertas proteínas salivales proporcionan aminoácidos que influyen en el crecimiento de Streptococcus mutans y de Streptococcus sanguis; la saliva de los sujetos con caries influye mejor en el crecimiento de los Streptococcus mutans. Además la comida que ingerimos permanece en la cavidad bucal, sirve como fuente extrínseca de nutrientes para la microflora bucal.
La caries dental es una enfermedad infecciosa de etiología multifactorial, donde los microorganismos organizados en una biopelícula, denominada placa dental, constituyen un factor determinante en el desarrollo de la lesión de caries, y esta representa el signo tardío de la enfermedad. En cada etapa de progresión de la lesión predominan especies microbianas, como resultado de una sucesión de microorganismos. En el caso de sujetos sanos libres de caries se ha podido observar el predominio de microorganismos distintos a aquellos asociados con la enfermedad, tal como Streptococcus sanguinis. Sin embargo, en sujetos afectados por la caries dental los estreptococos pertenecientes al grupo mutans han sido los preponderantes durante el inicio y progresión de la lesión, especialmente Streptococcus mutans, mientras que Lactobacillus y Bifidobacterium predominan en las etapas avanzadas de la lesión.
Otro tipo de enfermedad microbiana que afecta a los tejidos orales, está relacionada con el microorganismo Candida albicans, el cual es una especie de levadura que causa la estomatitis subprótesica que es causada por el uso de una prótesis dental; y generalmente dicho microorganismo se desarrolla debido a un ajuste escaso de dicha prótesis o a una limpieza escasa de la misma. La estomatitis subprótesica relacionada con C. albicans es una reacción inflamatoria no específica a los antígenos, las toxinas y las enzimas microbianos que son producidos por los microorganismos colonizadores, la cual es una sería infección de la mucosa oral, es una enfermedad común y periódica que afecta hasta 67% de los usuarios de prótesis
dental. Es sabido que factores, tal como la higiene oral deficiente, alta ingesta de carbohidrato, flujo salival reducido, uso continuo de la prótesis, envejecimiento, desnutrición, supresión inmunológica, radioterapia, diabetes mellitus y posiblemente tratamiento con antibióticos, aumentan la susceptibilidad a la C. albicans.
Los biomateriales pueden ser de origen artificial o biológico. En el primer caso podemos mencionar a los materiales metálicos, poliméricos y cerámicos. Los implantes metálicos, junto con sus aleaciones, son los más utilizados para implantes ortopédicos (clavos, alambres, placas) e implantes dentales (tornillos), ya que deben poseer una gran resistencia al desgaste mecánico y ser capaces de soportar la carga adecuada para su función. Los metales usados para la fabricación de estos implantes son: acero inoxidable, aleaciones de cobalto con cromo, molibdeno y níquel, titanio puro (Ti) y sus aleaciones con aluminio y vanadio. Con respecto a los biomateriales biológicos, se pueden nombrar por ejemplo fragmentos de huesos, injertos de piel, matriz extracelular hasta células madres (humana o animal).
Actualmente, con el advenimiento de la nanotecnología se han desarrollado ciertos nanomateriales, en particular nanopartículas (NPs) inorgánicas, que presentan un marcado efecto microbicida sobre una amplia variedad de microorganismos, tales como virus, bacterias y hongos. La capacidad microbicida de las NPs está vinculada a la naturaleza del material y a ciertas características intrínsecas de las mismas, como sus dimensiones nanómetricas (lo cual les permite ser internalizadas con mayor facilidad en microorganismos) y la alta relación área/volumen que permite un mayor contacto e interacción con dichos microorganismos. Entre las NPs metálicas que han demostrado tener propiedades microbicidas las más importantes son las de plata, óxido de zinc, cobre u óxidos de hierro. Las primeras tres sustancias ya presentan esta propiedad en su forma macroscópica, mientras que los óxidos de hierro únicamente resultan ser microbicidas en forma nanoestructurada. Las NPs presentan mecanismos de acción microbicida totalmente diferentes a los antibióticos tradicionales, proporcionando así una alternativa promisoria. Los mecanismos de acción bactericida de las NPs metálicas no han sido completamente dilucidados, aunque se han postulado varios tipos de mecanismos. Entre los cuales, se pueden mencionar perturbaciones en las funciones de la
membrana celular (las cuales alteran la permeabilidad y la respiración celular), el ingreso de las nanopartículas a la célula, lo que genera una alteración en las funciones de las proteínas y el ADN, o la producción de especies oxidativas debido a la presencia de NPs en el interior de la célula. No es sencillo realizar un análisis comparativo de los datos de la bibliografía ya que la acción bactericida dependerá de una amplia variedad de factores entre los que se pueden mencionar: el tamaño y la forma de las NPs, su composición química, el recubrimiento y su carga superficial potencial y la concentración de NPs usada.
La preparación de dicho material dental se basa en la incorporación de nanopartículas de cobre (CuNPs) al material mediante su formación in-situ a partir de un precursor de cobre o mediante su adición directa previa síntesis. La ventaja de esta tecnología radica en el hecho que no se altera el proceso comercial utilizado actualmente para la producción de las prótesis, dado que se basa en la misma resina utilizada actualmente sin alterarla. Estos nuevos dispositivos protésicos con tecnología de nanopartículas de cobre, presentarían propiedades antifúngicas que permitirían prevenir y/o tratar la estomatitis subprotésica así como reducir la cantidad de bacterias cariogénicas en los usuarios con prótesis dentales. En resumen, la tecnología que se propone para la elaboración del material de prótesis antimicrobiana, considera la síntesis y/o incorporación de las CuNPs durante el proceso de preparación de las prótesis que actualmente se comercializa lo que facilitaría la penetración de nuestra metodología al mercado.
Se han realizado diversos esfuerzos para proporcionar una acción antimicrobiana a dispositivos y materiales dentales, de los cuales podemos citar:
El documento RU 2444349 describe una composición adhesiva modificada para fijación de la dentadura, la cual contiene porcentaje en peso de: polivinilpirrolidona-5, ácido poliacrílico -15, glicerol-4, cetrimida antiséptico; alginato de sodio-5, abeto balsámico-10, nanopartículas de plata de tamaño de 1 a 5 nm, y el resto agua destilada. La simplicidad, seguridad y eficacia de la composición de adhesivo modificado desarrollado para la fijación de la dentadura permite utilizarla en la práctica ortopédica común, en donde la composición de adhesivo proporciona considerable reducción de una longitud de adaptación del pacientes sin dentadura con prótesis
total, no causa ninguna acción tóxica sobre los tejidos de área y el cuerpo de soporte de la prótesis en su conjunto y muestra propiedades adhesivas óptimas, permaneciendo sin resolver por un largo tiempo con la Ingesta de comida callente.
El documento US 2013014671 describe un material dental antlmicroblano que se caracteriza por la adición de aproximadamente 0,1 a 0,5% en peso de partículas metálicas antibacterlanas a un óxido de circonio (Zr02) como un sustrato de polvo de material dental antlmicroblano. El material metálico posee excelentes propiedades antlbacterianas que liberan iones, los cuales Incluyen: plata, oro, platino, paladlo, iridio, titanio, cobre, estaño, antimonio, bismuto y zinc, especialmente se prefiere utilizar plata, cobre y titanio. Después de estar completamente mezclado y slnterizado a partir de las partículas metálicas antibacterlanas se difunde de forma natural en el sustrato de óxido de circonio, de modo que se dispone de un material dental antlmicroblana para implantes de prótesis dentales o prótesis o cualquier otra reconstrucción oral.
El documento US 6267590 describe un aparato dental, tal como del tipo de ortodoncia, para ser colocado en la boca y que tiene un agente antimlcrobiano Inorgánico sobre una superficie, en donde el agente es preferiblemente una zeollta. El aparato dental puede comprender metal o un polímero (pollcarbonato) y el agente puede estar presente en un recubrimiento que se aplica a las superficies del aparato para ser contactado por líquidos o sólidos en la boca. El aparato puede ser de una resina pollmérica o un elastómero que Incorpora el agente. Un agente antlmicroblano preferido es partículas de cerámica (por ejemplo, partículas de zeollta) que contienen iones metálicos antimlcrobianos, por ejemplo, Iones de plata, como el agente activo.
El documento US 3.476.854 describe una formulación de un material acríllco (metacrilatos de alquilo), resinas de slllcona, copolímeros de vlnilo, y pollamida para formar revestimientos o acondicionadores de tejidos para dentaduras postizas, cargado con compuestos antifúnglcos de carboxilatos de zinc (undecilenato), el cual se dispersa en dicha resina, en donde dicho agente antlfúngico se selecciona desde sales de metales pesados de ácidos grasos monocarboxíllcos, hasta ácidos grasos de longitud de cadena media, ácido benzoico, benzoato
de bencilo, ácido salicílico, y salicilato de bencilo, y estando dicho agente antifúngico presente en dicha resina en una cantidad eficaz para retardar el crecimiento de hongos en dicha composición, y siendo dicha cantidad al menos aproximadamente al 1 % en peso de dicha composición.
El documento EP 2536379 A2 describe una prótesis dental antibacteriana que comprende un sustrato polimérico con un componente de polimérico funcional y un agente antimicótico liberable y el cual se encuentra unido al componente polimérico funcional de tal manera que el agente antifúngico se eluya lentamente desde el componente polimérico funcional durante un período prolongado de tiempo.
El documento EP 0081962 A2 describe una composición sólida comprimida para la limpieza de prótesis dentales que es muy efervescente cuando se añade al agua, la cual está compuesta por una mezcla de perborato, dicloroisocianurato y un álcali, lo cual produce una solución de limpieza de pH 1 1 .
El documento EP 0400080 B1 describe un método para proporcionar una prótesis dental con un revestimiento protector, el cual comprende aplicar a dicha prótesis una dispersión acuosa de un recubrimiento de un polisacárido no tóxico, antibacteriano para prótesis, el cual reduce la adhesión de células Streptococcus salivarius para prótesis de resina acrílica por al menos 25% en comparación con un control sin revestí.
El documento EP 1 003791 A4 describe una formulación de una crema limpiadora adhesiva y antimicrobiana para prótesis dental, la cual comprende nistatina o una combinación de 8- hidroxiquinolina (o su sal) y al menos una sal de cobre (II), en donde dicha formulación es para evitar la estomatitis protésica mediante la inhibición de Candida albicans.
El documento US 4.332.791 describe una composición acuosa para pasta dental que contiene al menos un compuesto de cobre soluble en agua y al menos un agente de pulido, la mayor parte de dicho agente de pulido es dióxido de silicio.
El documento EP 0471396 describe una composición oral que comprende una sal de bicarbonato, un compuesto de cobre presente en una cantidad eficaz para inhibir el crecimiento bacteriano y un agente complejante presente en una cantidad eficaz para estabilizar el compuesto de cobre.
El documento US 201 1 /0229534 A1 , describe form u laciones para el cuidado oral que comprende u na cantidad anti -i rritante de u na sal de sal ici lato y u na cantidad eficaz de u n agente potenciador de sabor, además de una cantidad anti -inflamatoria de un agente irritante , por ejemplo ketorolac. Dic ha form u laciones para el cuidado bucal pueden util izarse en diversos dispositivos para tratar y/o preven i r la i rritación de las m ucosas tales como u lceraciones .
El documento US 9034354 B2 describe recubrimientos de superficie antibacterianas y antimicrobianas y materiales dentales mediante la utilización de las propiedades antimicrobianas de calcogénuro de cobre y/o haluro de cobre (CuQ, donde Q = calcógenos que incluye oxígeno, o halógenos, o nada). En donde una barrera antimicrobiana se crea mediante la incorporación de nanopartículas CuQ de un tamaño adecuado y a una concentración necesaria y suficiente para crear un entorno bioeléctrico único. Los resultados del entorno bioeléctrico único en eficacia biocida es a través de un mecanismo de multi-factorial que comprenden una combinación del flujo cuántico intrínseco de iones de cobre (Cu0, Cu1 +, Cu2+) y el fregadero de electrones de alta de superficie a volumen facilitadas por la nanopartículas. El resultado es el flujo constante cuántico de cobre que se manifiesta y establece el entorno antimicrobiano para prevenir o inhibir el crecimiento de bacterias. La presencia de CuQ resulta en la inhibición o el retraso de la destrucción bacteriana y la descomposición enzimática endógena de la zona de resina inter-difusión, la integridad de los cuales es esencial para la longevidad de la restauración dental. Es así como, dicha invención se encuentra dirigida a un adhesivo bacteriostático/bactericida y anti-colagenolítico que se utiliza para controlar la invasión y proliferación de microorganismos.
En relación al uso de cobre para el control de la estomatitis subprotésica, el documento EP 1003791 A4 describe una formulación de una crema adhesiva antimicrobiana para prótesis dentales, en donde el principio activo del adhesivo consiste de 8-hidroxiquinolina (0,0001 -0,5%) y de una sal de cobre II (0,001 -0,3%) es aquel que produce mayor actividad frente a C. albicans mediante ensayos in vitro.
El cobre también aparece como agente activo en la formulación de pastas dentales con propiedades para el control de placa microbiana. Es así como, el documento US 4.332.791 describe una pasta dental que contiene sílice y una sal de cobre (0,001 -5%) como componentes activos, mientras que en el documento EP 0471396 A1 , la fracción activa consiste de una sal de cobre (0,01 -5%), bicarbonato de sodio y de una alquilamina que actúa como estabilizante del ion metálico. También se han utilizado sales como el salicilato de cobre (0,05-0,3%), en la formulación de colutorios para el control de úlceras e irritaciones orales, tal como se describe en el documento US 201 1 /0229534 A1 .
La mayoría de los materiales dentales actualmente utilizados para la preparación de restauraciones, implantes, elementos ortodónticos, prótesis y otros; no poseen propiedades antimicrobianas que permitan controlar la actividad de los microorganismos en la cavidad oral. Por lo cual, el estado de la técnica no describen la preparación de prótesis dentales a base de acrílico (PMMA) con cobre, utilizando este elemento como aditivo antimicrobiano, ya sea en forma de sal ó de nanopartícula. Tampoco se detectó la formulación de productos ó materiales dentales, así como de terapias de salud oral utilizando cobre como nanopartícula.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN.
La presente invención se encuentra orientada al desarrollo de un nuevo material para la fabricación de un dispositivo de prótesis dental con propiedades antimicrobianas, en forma preferente para prevenir la estomatitis subprotésica provocada por el patógeno Candida
albicans, y la reducción de bacterias como Streptococcus mutans, patógeno responsable por el inicio y progresión de la formación de caries. Además, de una forma preferente se describe la síntesis del material antimicrobiano para prótesis utilizando nanopartículas de cobre como agente antifúngico a través de la incorporación de nanopartículas de cobre dentro de una resina acrílica de termocurado, la cual permite generar un material de prótesis con propiedades antimicrobianas especialmente frente Candida albicans y particularmente frente a Streptococcus mutans, de tal manera de mantener las propiedades mecánicas, de color y de citocompatibilidad.
En una realización preferida, la presente invención proporciona un material de prótesis dental nanocompósito CuNP/PMMA antimicrobiano a base de nanopartículas de cobre (CuNP) y polimetilmetacrilato (PMMA), que comprende las CuNP dispersas en dicha resina y formadas in situ durante el proceso de termopolimerizacion a partir de una sal de cobre como precursor.
En otras realizaciones preferidas, la presente invención proporciona un material nanocompósito que incluye CuNP/PMMA de termopolimerizacion a base de nanopartículas de cobre (CuNP) y polimetilmetacrilato (PMMA); en donde las aplicaciones de dicho material nanocompósito (polímeros acrílicos con CuNP) son realizadas en: prótesis dental removible o fija; resinas de restauración dental; adhesivo de resina (adhesivo para unir la resina de restauración al diente), sellante de fosas y fisuras (sellante acrílico que se usa para prevenir el desarrollo de una caries a partir de fisuras menores en los dientes, ampliamente usados en niños), adhesivo ortodóncico (utilizado para adherir el bracket sobre la superficie del diente), vidrio ionómero (un material versátil en odontología, que puede ser usado como una restauración, temporal en adultos o permanente en niños, o como agente cementante de otros materiales dentales) y cemento óseo o quirúrgico (acrílico de autocurado que se usa para la fijación de prótesis ortopédicas con el hueso o en craneoplastías).
En otra realización preferida, la presente invención comprende un sellante dental antimicrobiano que comprende un sellante dental; y una resina dental antimicrobiana que incluye una cantidad antimicrobiana de nanopartículas de cobre (CuNP) difundido en el mismo.
En otra forma de realización preferida, la invención proporciona un método para prevenir caries dentales secundarias incluyendo la aplicación de una resina dental de restauración nanocompósita a base de nanopartículas de cobre (CuNP).
En otra realización preferida, la invención proporciona un método para prevenir o inhibir la caries dental que comprende aplicar un sellante dental antimicrobiano sobre fosas y fisuras de un diente, en donde el sellador antimicrobiano incluye una resina dental antimicrobiana que incluye una cantidad antimicrobiana de nanopartículas de cobre (CuNP) difundido en el mismo.
En otra realización preferida, la presente invención proporciona un método para inhibir o limitar el crecimiento microbiano en el área de esmalte en contacto con bracket ortodoncicos que comprende el uso de un adhesivo ortodoncico antimicrobiano de nanopartículas de cobre (CuNP) difundido en el mismo.
Cabe señalar que en cada una de las realizaciones preferidas, las nanopartículas de cobre (CuNP) poseen un tamaño de partículas de cobre de entre 40 a 100 nm.
La existencia de una prótesis dental con estas propiedades antimicrobianas, permitiría prevenir la estomatitis subprotésica y la formación de caries. A diferencia de la actual terapia antimicótica orientada a tratar la enfermedad, el uso de una prótesis antifúngica tendría el doble efecto de prevenir y tratar dichas patologías. Las propiedades antifungicas del nuevo material de prótesis a base de nanopartículas de cobre, controlaría la proliferación de los microorganismos en la superficie de la prótesis, matando las colonias del patógeno (efecto fungicida) así como reduciendo su adhesión en la superficie de la prótesis (efecto antifouling). Estas condiciones antimicrobianas provistas por el nuevo material de prótesis, deberían reducir considerablemente las posibilidades de manifestar dichas patologías. Adicionalmente, los usuarios que manifiesten la patología podrían reemplazar la prótesis dental convencional por el dispositivo antimicrobiano, lo cual constituiría una nueva alternativa de tratamiento de la estomatitis subprotésica sin los inconvenientes causados por la terapia antimicótica tradicional.
La prevención de la estomatitis subprotésica, mejoraría considerablemente la calidad de vida de los usuarios de prótesis, así como evitaría que los pacientes inviertan en gastos y tiempo extra que implica el tratamiento odontológico de la patología. Particularmente, tendría un significativo impacto social en la salud oral de la alta población de adultos mayores; así como en los estratos socioeconómicos más vulnerables que utilizan la prótesis removible como la única alternativa de rehabilitación dental.
La prótesis removible es actualmente la alternativa más usada en la rehabilitación de pacientes parcial o totalmente desdentados, especialmente en grupos de escasos recursos, y es la principal forma de rehabilitación dental en los servicios de atención primaria del país. A nivel mundial, este tipo de implementos se ve generalizado en toda la población en un alto porcentaje. Es así como, en países como Holanda el 1 9% de la población mayor de 16 años usa prótesis [Central Bureau of Statistics (Statistics Netherlands), Web magazine, 28 December 2005], en España se estiman 9 millones de usuarios (20 % de la población) [U&N AC Nielsen, Análisis de Mercados, El Blog de la Salud Bucal (Dentaid), http://www.blogsaludbucal.eS/archive/2010/10/25/protesis-dentales-comodas-y-limpias.html (2009)], mientras que en Estados Unidos más de 35 millones de personas usan prótesis totales o parciales [The National Center for Health Care Statistics http://www.cdc.qov/nchs/)1. En Chile, el uso de prótesis dental aparece en el 50% de los planes del "Flujograma de Tratamiento Odontológico para adultos de 60 años" de la "Guía Clínica de Salud Oral Integral para Adultos de 60 años" del MINSAL (2010). Datos de la "Encuesta Nacional de Salud" realizada el 2003, indican que más del 60% de la población mayor de 65 años es usuaria de prótesis dentales.
Como todo elemento externo, las prótesis deben tener un mantenimiento ligado principalmente a su limpieza, situación que no siempre se realiza de manera adecuada, lo que se ve incrementado en el caso de adultos mayores. Esta falencia favorece la formación de placa microbiana que en múltiples casos genera estados inflamatorios de la mucosa bucal, cuyos medios de cultivo son los restos de alimentos depositados en la prótesis. Lo anterior tiene como resultado la generación de un proceso inflamatorio crónico de la mucosa adyacente a la
prótesis, conocido como estomatitis subprotésica. El diagnóstico de esta patología es fundamentalmente clínico y la sintomatología es variable, desde asintomática hasta cuadros con dolor y/o ardor de variada intensidad en la mucosa oral comprometida. La estomatitis subprotésica es una de las alteraciones que con más frecuencia se diagnostica dentro de las patologías bucales, y constituye un problema de salud oral que requiere alternativas de prevención y/o control más eficaces. Esta patología puede degenerar en una lesión hiperplásica si no se trata oportunamente. Generalmente se presenta en la mucosa de soporte, en pacientes portadores de prótesis removibles, las cuales comúnmente se encuentran en mal estado. La estomatitis subprotésica delimita y evita el uso óptimo de prótesis removibles, además que bajo esta condición clínica el usuario debe ser tratado según la guía con antimicóticos tópicos específicos, generando una carga económica relevante al servicio responsable de la atención. Estudios realizados revelan que la prevalencia de estomatitis subprotésica varía entre 25-65% [N. González, I. de Jesús et al., Prevalencia de la estomatitis subprótesis, AMC, Camagüey, v. 13, n. 1 , Feb. 2009, y Zissis A, Yannikakis S, Harrison A., Comparison of denture stomatitis prevalence in 2 population groups, Int J Prosthodont, 2006 Nov-Dec;19(6):621 -5], comprometiendo a sujetos cuyas edades fluctúan entre los 25 y 90 años. La patología tiene una prevalencia de un 40% en personas entre 50 a 65 años de edad, y presenta un predominio en el género femenino con una relación de 4:1 [La estomatitis subprotésica, Apuntes de Odontochile, www.odontochile.cll. En general se considera que las dos terceras partes de los portadores de prótesis removibles presentan estomatitis subprotésica en un grado variable.
Aunque la estomatitis puede obedecer a factores locales tales como el desajuste de la prótesis, sistema inmune alterado ó consumo de tabaco; esta patología es generada principalmente por una infección microbiana. Se estima que un gran porcentaje es producto de una respuesta exagerada del organismo frente una infección de la mucosa por microorganismos que colonizan la superficie de la prótesis, en la mayoría de los casos hongos del género Candida. Estos patógenos son miembros comensales de la microbiota oral, y se encuentran presentes en alrededor del 40 por ciento de la población sin provocar problemas en la mayoría de estos. Sin embargo, su multiplicación descontrolada producto de un período de inmunosupresión o
por la presencia de factores locales, permite la colonización de los tejidos del paciente. Esto genera alteraciones en la mucosa oral que se manifiestan con una serie de síntomas y signos que se conocen genéricamente como Candidiasis Oral. La Candidiasis Crónica Atrófica, es aquel tipo de candidiasis oral que se asocia directamente con el uso de prótesis removible, y se distingue de otros tipos de candidiasis porque se presenta en áreas que están cubiertas por los aparatos, como el paladar duro, apreciándose como un eritema y edema de la zona. La candidiasis crónica atrófica se puede manifestar como máculas hiperémicas bien definidas (Tipo I), como un eritema difuso de una parte o toda la zona cubierta por la prótesis (Tipo II), ó como una hiperplasia papilar (granular) que compromete el paladar duro o el reborde alveolar (Tipo III). Los microorganismos más relevantes responsables de esta infección son especies de levaduras del género Candida, tales como C. glabrata, C. tropicalis, C. kefyr, C. krusei y C. guilliermondii, sin embargo Candida albicans es la que con mayor frecuencia se aisla desde lesiones de la cavidad oral [Williams DW, Kuriyama T, Silva S, Malic S, Lewis MA (2002), Candida biofilms and oral candidosis: treatment and prevention, Postgrad Med J;78:455-459]. Se considera que C. albicans coloniza en primer lugar el dorso de la lengua y que, desde ahí, es capaz de invadir otros sitios de la cavidad oral como la mucosa, piezas dentarias ó materiales dentales que son colonizados en forma secundaria [Webb BC, Thomas CJ, Willcox MD, Harty DW, Knox KW (201 1 ), Candida-associated denture stomatitis, Aetiology and management: a review. Part 1 ; Factors influencing distribution of Candida species in the oral cavity, Aust Dent J 39(1 1 ):71 1 -9]. C. albicans es la especie que expresa una mayor cantidad de factores de virulencia asociados a la patogenicidad, entre los que se encuentran: capacidad para adherirse a las células del huésped (adhesión a la mucosa), secreción de proteinasas (destrucción de tejido), y cambios de morfología desde levaduras a pseudohifas e hifas. El principal mecanismo que permite que estos microorganismos puedan mantenerse en cavidad oral, es mediante la formación de biofilms sobre las superficies. El biofilm protege a las levaduras de la acción de remoción mecánica que producen la saliva, además funciona como barrera protectora frente a la penetración de factores de la respuesta inmune del huésped, así como de antimicrobianos administrados. Candida se adhiere inicialmente a las superficies en la forma de levadura, luego prolifera mediante un crecimiento de las levaduras y la generación de extensiones filamentosas pluricelulares en la forma de hifas.
La existencia de la estomatitis subprotésica no solo afecta la calidad de vida de una gran parte de la población (el 60% del 20% de la población que usa prótesis dentales), especialmente en la tercera edad, afectando sus funciones normales tales como masticación, fonación y estética, sino que genera un gran costo económico directo. Este costo está relacionado con la necesidad de consultas dentales extras, y el someterse a controles y tratamientos que pueden considerar el recambio del dispositivo. Desde el punto de vista país, en los servicios de atención pública esta patología hace necesario una planificación especial, así como el empleo de recursos adicionales.
Las terapias actuales, anteriormente mencionadas, para controlar la estomatitis, resultan efectivas siempre y cuando exista un compromiso de los pacientes con el tratamiento, y se logre modificar las condiciones que permiten la proliferación descontrolada de los microorganismos. Sin embargo, de acuerdo a la experiencia clínica, estas medidas de control en general no se cumplen, lo cual se traduce en una alta incidencia de esta patología en la población chilena, alcanzando un 22,3 %. El tratamiento, por lo general, es complejo lo que implica un gran costo económico para los pacientes, debido a la necesidad de asistir de manera frecuente al odontólogo, así como por el uso de fármacos y materiales que permitan restablecer la salud del tejido. Si se considera que los principales usuarios de este tipo de aparato son los grupos sociales de menores ingresos, surge la necesidad de buscar alternativas que permitan disminuir la incidencia de la candidiasis asociada al uso de prótesis removible.
El tratamiento de un paciente con candidiasis oral generalmente considera varios aspectos. Como parte esencial del tratamiento, se instruye al paciente en una técnica de higiene apropiada que permita la remoción completa del biofilm, tanto desde la superficie de la mucosa así como desde la prótesis dental. Además de los procedimientos de remoción mecánica del biofilm, se recomienda el uso de enjuagues bucales que posean actividad frente a levaduras del género Candida como la clorhexidina y el triclosán. A los pacientes también se les enfatiza la importancia de dejar de fumar, debido a que el tabaco genera una mayor incidencia de
candidiasis oral. Además, se busca detectar y corregir cualquier deficiencia en la dieta, tales como una inaproplada ingesta de carbohidrato. En la mayoría de los pacientes, estas medidas podrían ser suficientes para controlar la Infección, sin embargo existe un Importante porcentaje en los cuales a pesar de que se cumplan estas Intervenciones, no es posible controlar la enfermedad. Esto se debe a que existen otros factores involucrados, y que no pueden ser modificados. Entre estos se encuentran pacientes con VIH ó aquellos que han sido sometidos a trasplante de órganos, y que se encuentran bajo tratamiento con inmunosupresores. En estos casos particulares así como en aquellos en que la patología no se controla con las medidas iniciales, se recurre al tratamiento en base al uso de agentes antlfúngicos. Actualmente, se conocen una serle de antlfúngicos que han demostrado ser efectivos para el tratamiento de la candldiasls, tales como los pollenos (Nistatlna, Anfotericlna B), triazoles (Fluconazol, Itraconazol, Vorlconazol y Posaconazol), Equlnocandinas (Caspofunglna, Micafunglna, Anidulafunglna), y Flucltosina. Estos fármacos pueden ser administrados tópicamente o de manera slstémica. Sin embargo, el uso de antlfúngicos también puede producir una serle de reacciones adversas, tales como dolores de cabeza, nauseas, vómitos y malestar gastrointestinal en general. Debido a su mecanismo de eliminación, algunos fármacos slstémicos pueden ser hepatotóxlcos, ó generar neutropenla. Los anifúnglcos sistémlcos en general también ¡nteractúan con otros medicamentos, por lo que se debe realizar una completa anamnesis antes de prescribirlos. Es por esta razón, que los odontólogos tratan de evitar el uso de antlfúngicos slstémicos, y solo se prescriben en situaciones claramente justificadas. En el caso de candldiasls menos agresivas, los antlfúngicos tópicos son la primera línea terapéutica. Estas sustancias, generalmente tienen una favorable respuesta al ser utilizadas en contacto directo con la lesión. Sin embargo, la administración tópica suelen ser poco efectiva en comparación con el uso slstémico, debido a la necesidad de la aplicación frecuente del fármaco en la superficie afectada, lo que no siempre es realizado por los pacientes. Además, los fármacos tópicos se caracterizan por presentar sabores muy desagradables, generar Incomodidad durante su uso y mantenerse por poco tiempo en contacto con la mucosa oral. Por otra parte, también se pueden producir varias reacciones adversas por el contacto del fármaco con la lesión, en este caso las más Importantes corresponden a la Irritación de la mucosa o la piel, alteraciones en el gusto y ardor de la zona.
En un estudio reciente publicado por AL-Dwairi et al., se concluye que la exposición del acrílico de prótesis (PMMA) a los antifúngicos tópicos, puede también afectar la rugosidad, mojabilidad y energía libre superficial del material protésico. Los resultados de este estudio muestran que los cambios producidos por el antifúngico en el acrílico, paradójicamente incrementan la adhesión de C. albicans en el material.
En resumen, el alto impacto de esta patología y el crecimiento que se pronostica debido al constante aumento en la población más vulnerable como es la tercera edad, hace que se genera una demanda por soluciones innovadoras que ayuden a aminorarla. Dentro de este contexto, surge la oportunidad de desarrollar un nuevo tipo de prótesis que contengan agentes antimicrobianos que ayuden a minimizar la prevalencia de esta enfermedad. Es así que se propone el desarrollo de nuevas resinas con partículas de cobre de tal manera de generar materiales que sean capaces de liberar en forma controlada el agente activo (iones metálicos) y así evitar el desarrollo de esta patología.
Es así como, una aproximación al desarrollo de resinas antimicrobianas a base de cobre presenta un desafío científico y tecnológico desde varios puntos de vistas. El fundamento del desafío se basa en la necesidad de desarrollar partículas de cobre nanométricas o nanoestructuradas que sean estables en la matriz polimérica usada en las prótesis dentales. Para esto, es necesario encontrar la mejor nanopartícula de cobre a incorporar además de la mejor metodología para preparar el composito polimérico. Además, este composito debe presentar una liberación controlada de los iones cobre a una tasa que sea menor a la mínima requerida para evitar la toxicidad y cercana a las concentraciones necesarias para que tenga un efecto biocida. Todo lo anterior, sin alterar el proceso de polimerización y/o curado de la resina, o el proceso actual de preparación comercial de las prótesis. Desde el punto de vista tecnológico, las nuevas prótesis deben mantener las propiedades estructurales de la resina original, sin alteración sustancial en su coloración o estética. Lo anterior plantea nuevos desafíos relacionados al tipo de partícula de cobre, concentración, y su distribución en la matriz polimérica.
En la presente Invención se desarrolla un material antimicrobiano para prótesis, utilizando elementos y técnicas que ofrece actualmente la nanotecnología. Particularmente, el uso de cobre metálico con tamaño de partícula nanométrico, a diferencia de la utilización de las sales de iones de cobre más estudiadas tradicionalmente. El nuevo material antifúngico corresponde a un nanocompósito, es decir aquel material compuesto que combina materiales de distinta naturaleza en donde uno de ellos posee dimensiones nanométricas. La preparación de este nanocompósito utilizando el actual acrílico de prótesis como matriz polimérica y las partículas de cobre nanométricas (CuNPs) como el componente antimicrobiano, constituye el aspecto central de la invención.
La preparación de este material nanocompósito considera encontrar las condiciones más adecuadas para la incorporación de las CuNPs en la matriz, pero todo aquello conjugado con las propiedades antimicrobianas, estéticas (color), mecánicas y de citocompatibilidad del material resultante. El método más tradicional para la preparación de nanocompositos poliméricos consiste en la mezcla física del polímero fundido ó disuelto en algún solvente con las nananopartículas (método ex situ). La fabricación de una prótesis dental es un proceso de polimerización que ocurre sobre un material descartable, que posee el registro dental del paciente, dado por la posición de piezas dentales artificiales. De este modo, el uso del método ex situ, requeriría disolver las prótesis dentales ya fabricadas, razón por lo que no es factible para esta aplicación.
En un trabajo previo realizado por los inventores (Correa, S., Preparación de Resinas Acrílicas cargadas con nanopartículas de cobre y sus propiedades antimicrobianas frente a Candida Albicans, Instituto de Ciencias Odontológicas. 2012, Universidad de Chile: Santiago de Chile), se estudió la incorporación de CuNP en acrílico de prótesis dentales. En este estudio se utilizó el monómero metil metacrilato y un solvente orgánico como agentes reductores para permitir la formación in situ de las nanopartículas de cobre durante el proceso de polimerización del acrílico mediante autocurado. Se observó que el material acrílico nanocompósito cargado con CuNPs, posee una marcada actividad antimicrobiana frente a la especie Candida albicans, permitiendo inhibir el crecimiento de Candida albicans en el material de prótesis sobre un 80% con respecto al control. Este efecto resultó ser proporcional al contenido de CuNPs en el
compósito. El efecto antimicrobiano del acrílico (CuNP/PMMA) fue sostenido en el tiempo, lo cual indica que las CuNPs y/o iones de cobre, se liberan gradualmente al medio [31 ]. El método desarrollado, así como el nuevo material, aparecen como una promisoria alternativa para el control de infecciones subprótesicas causadas por Candida albicans. Adicionalmente, la presencia de cobre en el material de prótesis, también podría tener un control sobre el desarrollo de patógenos periodontales. Estudios previos de nuestro grupo de laboratorio, han desarrollado geles de biopolímero cargados con nanopartículas de cobre, que son capaces de inhibir el crecimiento de Aggregatibacter actinomycetemcomitans (González, J.P., Síntesis de materiales bactericidas basados en nanopartículas metálicas y biopolímeros para terapia periodontal odontológica. Instituto de Ciencias Odontológicas. 2013, Universidad de Chile: Santiago de Chile). Esto nos indicaría que la presencia de nanopartículas de cobre en el acrílico, y por consiguiente su interacción con la cavidad oral, podría reducir el crecimiento de patógenos periodontales.
La aproximación al desarrollo de esta resina antimicrobiana a base de cobre presenta un desafío científico y tecnológico desde varios puntos de vista. El fundamento del desafío se basa en la necesidad de desarrollar partículas de cobre nanométricas o nanoestructuradas que sean estables en la matriz polimérica usada para las prótesis dentales. Para esto, es necesario encontrar la mejor nanopartícula de cobre a incorporar (tamaño, naturaleza, forma), además de la mejor metodología para preparar el compósito polimérico. Además, este compósito debe presentar liberación controlada de los iones cobre a una tasa que sea menor a la mínima requerida para evitar la toxicidad y cercana a las concentraciones necesarias para que tenga un efecto biocida. Todo lo anterior, sin alterar la etapa de polimerización de la resina en el proceso actual de preparación comercial de las prótesis. En el estudio de tesis anterior, se trabajó con acrílicos de autopolimerización, por lo que en el presente proyecto tesis se propone la optimización del proceso de preparación del nanocompósito en condiciones de termopolimerización, el cual es el proceso utilizado comercialmente para la fabricación de prótesis dentales. Se considerará además comparar el proceso in situ previamente desarrollado con el método proceso tradicional ex situ. En este último procedimiento, la CuNP es sintetizada previamente mediante otra técnica, y luego incorporada a la matriz polimérica.
Este nuevo material tendría propiedades antlmlcroblanas frente a Candida albicans, Inhibiendo su crecimiento, y de este modo, previniendo o tratando la estomatitis subprótesica. También se esperaría que el nuevo material de prótesis, presente actividad antimlcrobiana frente a patógenos perlodontales. Esto último podría tener consecuencias en controlar las Infecciones perlodontales en pacientes parcialmente desdentados (portadores de prótesis), y así estimular la salud perlodontal de los dientes remanentes, mejorando su pronóstico en boca. Por otro lado, las nuevas prótesis deben mantener las propiedades estructurales de la resina original, sin alteración sustancial en su color desde el punto de vista estético - odontológico. Lo anterior plantea la necesidad de optimizar del proceso de preparación del material nanocompósito de prótesis en función de las diferentes propiedades (antlmicroblanas, mecánicas, color), relacionados al tipo de partícula de cobre, concentración, método de Incorporación y su distribución en la matriz pollmérica entre otras variables.
La presente Invención se enfoca en la preparación de un material nanocompósito a base de nanopartículas de cobre y pollmetilmetacrllato de termocurado; con propiedades antlmicroblanas frente Candida albicans; optimizando sus propiedades mecánicas, de cltocompatibllldad y estéticas, el cual utiliza un método in situ de formación del nanocompósito, Incorporando las nanopartículas durante el proceso de polimerización. En este caso las partículas previamente sintetizadas, son incorporadas dispersándolas en alguno de los componentes de la reacción (monómeros, solvente), para luego permitir que ocurra la polimerización. La invención no solo se propone la preparación in situ del nanocompósito, sino que también las CuNPS se sintetiza durante el proceso de polimerización. Dicho proceso se plantea basado en las propiedades reductoras que posee el monómero metllmetacrllato, y que podrían ser potenciadas por la adición de pequeñas fracciones de algún solvente orgánico, como etanol. De este modo las CuNPs pueden ser formadas por la acción reductora del monómero sobre Iones de cobre Incorporados a partir de una sal del metal. Este tipo de procesos de formación in situ de la nanopartícula, permiten una incorporación más eficiente y una dispersión más homogénea de la partícula en la matriz del nanocompósito. Estos aspectos son factores conocidos que favorecen las propiedades bloactivas, mecánicas y
ópticas (color) del compósito obtenido. De manera adicional se considera la preparación del nanocompósito, utilizando CuNPs previamente sintetizadas por otros métodos. En este caso se usarán CuNPs disponibles comercialmente, así como CuNPs soportadas sobre partículas de un material cerámico. Este último enfoque también constituye una importante contribución desde el punto de vista científico.
El cobre soportado sobre matrices cerámicas tienen en promedio una menor densidad y un menor impacto sobre la coloración de compósitos poliméricos.
Además, como parte del desarrollo de la presente invención, se ha desarrollado un método que permite la síntesis de CuNPs sobre materiales cerámicos nanoestructurados como zeolitas ó sílice. Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos que presentan una nanoestructura constituida por poros, canales y cavidades con dimensiones sub-nanométricas. De este modo, se puede obtener un material cobre-zeolita, en donde las nanopartículas del metal se encuentran soportadas en el interior de las cavidades del material cerámico. El procedimiento de síntesis de las CuNPs soportadas en partículas cerámicas, utiliza agentes reductores biocompatibles, lo que hace de estos materiales particularmente más apropiados para aplicaciones biomédicas.
Debido a que en el estado del arte no se reportan estudios de preparación de acrílico dental con CuNPs, son de interés todas las técnicas y estrategias de síntesis para la preparación de acrílicos dentales con propiedades antimicrobianas. La aplicación de estos procedimientos se extiende a cualquier tipo de resinas acrílicas dentales, tales como las usadas en compositos de restauración, adhesivos de restauración, adhesivos ortodóncicos, sellantes, ó vidrios ionómeros; aplicaciones en las que el control antimicrobiano es un aspecto de actual interés.
La prótesis dental fabricada con el material nanocompósito presenta un marcado efecto antimicrobiano frente a C.albicans y Streptococcus mutans debido a las reconocidas propiedades antimicrobianas del cobre, particularmente por ser un efectivo antifúngico. De acuerdo a los principios de la nanotecnología, partículas de cobre con tamaño nanométrico
deberían presentar una mayor actividad, lo cual se traduce en que bajos contenidos del metal pueden producir un importante efecto antimicrobiano. Las propiedades antifúngicas del nanocompósito están dadas por el efecto fungicida ó antifouling (antiadherente) que presenta el cobre. Estos efectos se producen por una controlada liberación de las partículas de cobre desde la matriz polimérica, al exponer el nanocompósito con el medio acuoso. Comúnmente las matrices poliméricas también sufren erosión en contacto con el medio fisiológico, lo cual también facilitaría la liberación de cobre desde la superficie del nanocompósito. Adicionalmente se ha demostrado que las moléculas de agua pueden penetrar entre las cadenas poliméricas, oxidando las nanopartículas, produciendo su difusión y posterior liberación desde la matriz polimérica en forma de iones. El uso de diferentes técnicas avanzadas de caracterización tales como XPS, complementado con estudios de liberación de cobre en medio acuoso y ensayos microbiológicos; hacen que se pueda llegar a comprender de manera bastante cercana, el modo de acción antifúngico del nuevo material.
Las actuales soluciones al problema de la estomatitis subprotésica se centran principalmente en la aplicación de antimicóticos tópicos sobre la mucosa afectada. Aún cuando el tratamiento con antimicóticos puede llegar a remediar la infección, los procedimientos de aplicación tópica no siempre son seguidos adecuadamente por los pacientes, especialmente por aquellos pertenecientes a la tercera edad. Los antimicóticos tópicos además se caracterizan particularmente por poseer desagradables sabores, generar incomodidad durante su uso y de mantenerse por poco tiempo en contacto con la mucosa oral. Debido a las desventajas que presentan los antimicóticos tópicos, así como por las limitaciones que tienen los pacientes para seguir los protocolos de aplicación del antimicótico; se requieren nuevas alternativas de solución para este problema de salud oral. Estrategias orientadas a prevenir el desarrollo de la enfermedad resultan siempre más recomendables para la salud de la población. En este contexto el desarrollo de prótesis dentales con propiedades antimicrobianas parece ser una alternativa atractiva para el control de la infección oral. El dispositivo dental fabricado con un material especialmente formulado para tener un efecto antimicrobiano frente a C. albicans, debería reducir significativamente la aparición de estomatitis producida por aquel patógeno. Por lo cual, el nuevo material de prótesis se desarrolla con elementos que actualmente entrega
la nanotecnología. Esta disciplina basada en el control de la materia a una escala nanométrica (10~9 m) para generar productos con mejoradas o nuevas propiedades, se encuentra globalmente afectando diversos ámbitos de impacto industrial y social. En el ámbito odontológico, la influencia de los nanomateriales se puede encontrar por ejemplo en las actuales resinas nanocompositas de restauración dental, que presentan mayor durabilidad y mejoradas propiedades estéticas.
En los últimos años se ha encontrado que nanopartículas de cobre son más efectivas como agentes antimicrobianos que micropartículas, lo que abre oportunidades en nanotecnología en el ámbito de materiales antimicrobianos. Lo anterior justifica el uso de estas partículas como agentes a incorporar en matrices plásticas, como se ha visto en otros sistemas como por ejemplo en polímero/plata. Aunque las propiedades antimicrobianas del cobre nanométrico son conocidas en otros ámbitos de aplicación, no se conoce su uso en productos dentales, lo cual constituye un componente de investigación e innovador de la presente propuesta.
El material antimicrobiano consiste en un nanocomposito, esto es un material compuesto que combina materiales de distinta naturaleza (polímero y metal) y en donde alguno de ellos posee dimensiones nanométricas. El nanocomposito está constituido por una matriz de polimetilmetacrilato (PMMA), la que llevará dispersa diversas nanopartículas de cobre (CuNPs). La selección de la matriz se basa en su amplio uso en aplicaciones de prótesis, de manera de facilitar su incorporación en el mercado.
La presente invención se focaliza en desarrollar la tecnología más adecuada para fabricar el material nanocomposito, conjugando las variables de preparación con sus propiedades antimicrobianas frente al C. albicans; así como con su características mecánicas y estéticas. El proceso de formación del nanocomposito considera la síntesis in situ de las CuNPs durante la polimerización del PMMA, aunque alternativamente se considerará también la incorporación ex situ de las partículas metálicas, variando el porcentaje de carga en la matriz. El objetivo es encontrar la mejor partícula, su contenido en la matriz polimérica y el método más apropiado para su incorporación, teniendo en cuenta el comportamiento antimicrobiano, estético y
mecánico del material nanocompósito resultante,
En la Figura 1 se esquematiza el proceso de preparación del nanocompósito. En el procedimiento in situ se utiliza como precursor de las CuNPs una sal de cobre, mientras que los procesos ex situ se usan CuNPs puras en polvo o un material cerámico como zeolita ó sílice modificado con cobre En general, en el método in situ el precursor de la CuNP es incorporado en el mónomero, para luego ser mezclado con el polímero de acuerdo al procedimiento tradicional de preparación de acrílico de prótesis y producir la polimerización mediante auto o termo curado. Estas diferentes metodologías permiten optimizar el proceso de obtención de la resina antimicrobiana de manera de encontrar la mejor formulación, y son el fundamento de la innovación que muestra la presente invención dado que se contempla diferentes aspectos como por ejemplo la coloración. En particular, el cobre soportado en una matriz inorgánica tiene en promedio una baja densidad y menor impacto en la coloración de la matriz.
Figura 1 . Esquema del procedimiento de síntesis del material nanocompósito CuNP/PMMA.
Se considera que al adicionar nanopartículas de cobre a la resina que se utiliza actualmente en prótesis, se genera un nuevo material antimicrobiano con propiedades estéticas y mecánicas similares a las resinas usadas actualmente. Esto dado que el cobre es un agente antimicrobiano efectivo, siendo sus nanopartículas más efectivas que sus micropartículas. Además, al ser las partículas de tamaño nanométrico, estas no afectan considerablemente el desempeño de la matriz original. Todo esto justifica nuestra aproximación basado en nanotecnología.
Con respecto al mecanismo de acción antimicrobiana del nuevo material nanocomposito, se observa que éste ejerce una acción antimicrobiana fundamentalmente mediante la liberación de iones de cobre al medio (Figura 2). Los iones se liberan de manera sostenida desde el seno de la matriz del polímero, las que ejercen una acción fungicida sobre los microorganismos existentes que entran en contacto con la superficie del material o se localizan en la vecindad de la interfase . Este mecanismo reducen la viabilidad y adhesión del patógeno en la superficie del material protésico, así como en la mucosa que se encuentra en contacto con el dispositivo dental. Estas propiedades del nuevo material de prótesis, crean las condiciones antimicrobianas para prevenir o tratar la infección subprotésica.
Figura 2. Posibles mecanismos de acción antifúngica del nanocomposito CuNP/PMMA
Con respecto a las regulaciones existentes para el uso de cobre en seres humanos, la Food and Drug Administration (FDA) considera niveles máximos de cobre en agua embotellada para consumo de 1 mg/mL (FDA 2001 a). Por otro lado el Institute of Occupational Medicine (IOM) informa una dieta recomendada permitida (RDA) de 0,9 mg/día, así como una ingesta tolerable
máxima de 10 mg/día. En la presente Invención, los nanocompositos poseen un contenido de cobre de entre aproximadamente 30-150 μg/g. El material acrílico de una base de prótesis tiene una masa de aproximadamente 10 g, por lo que una prótesis fabricada con el nanocompósito posee contenidos máximos de cobre entre 0,3-1 ,5 mg. Esto sugiere que la cantidad de cobre liberado en la cavidad oral se debe encontrar bajo los niveles recomendados en algunas de las regulaciones. Además, se realizaron estudios de citoxicidad de cada uno de los materiales formulados, de manera de optimizar la actividad antmicrobiana del nanocompósito en función de los niveles de cobre biotolerables e indicados por las regulaciones existentes.
Desde el punto de vista metodológico se sintetiza el material compuesto mediante diferentes estrategias de síntesis in-situ. En dichas estrategias, el cobre, ya sea como precursor de la posterior nanopartícula o como partícula ya sintetizada, es mezclado con el monómero para en conjunto realizar la polimerización. En una primera estrategia tanto el polímero como la nanopartícula son sintetizados en una misma etapa mediante la adición de un precursor de cobre y el monómero; en la segunda estrategia la nanopartícula ya sintetizada es mezclada con el monómero para su la posterior polimerización. En esta última estrategia se estudió dos formas de nanopartículas de cobre: metálica y de cobre soportado en una matriz cerámica.
Dado que la efectividad antimicrobiana y la toxicidad están relacionadas con la liberación de iones de cobre, se busca encontrar aquella metodología que permita controlar de mejor manera la tasa de liberación de los iones, sin alterar el proceso de polimerización ni las propiedades finales de la resina: mecánicas, estéticas (coloración) y de citocompatibilidad.
DESCRIPCIÓN DETALLADAS DE LAS FIGURAS.
La Figúral a muestra una imagen de microscopía SEM de las nanopartículas de cobre (CuNP) sintetizadas in situ en el monómero acrílico, en donde el tamaño promedio de las CuNP es de 40 nm y su naturaleza nanométrica fue también confirmada mediante el plasmón de resonancia superficial detectado por la característica banda de absorción a 593 nm (ver Fig. 1 b).
La Fig. 1 b muestra una imagen SEM de nanopartículas de cobre sintetizadas por el método in situ en monómero acrílico (a) y espectro de absorción indicando el plasmón de resonancia superficial.
La Figura 2a, 2b y 2c muestra la presencia de las nanoaprtícuas de cobre en la matriz acrílica de los nanocompósitos que fue confirmada mediante mapeo elemental EDX, encontrándose una distibución relativamente homogénea del metal sobre toda la matriz polimérica. El análisis FTIR de los materiales indicó que los espectros de los nanocompósitos presentan todas las bandas correspondientes al espectro del PMMA, indicando que la estructura química del polímero no es alterada con la incorporación de las nanopartículas metálicas. En donde, la figura 2a muestra una imagen SEM de nanocomposito CuNP/PMMA, la figura 2b muestra un mapeo elemental EDX confirmando la distribución de cobre en la matriz acrílica; y la figura 2c muestra un análisis FTIR-ATR de acrílico PMMA y materiales nanocompósitos.
FIGURA 2a FIGURA 2b FIGURA 2c
Las figura 3a y 3b muestra que los materiales nanocompósitos con diferentes contenidos de
CuNP mantienen las propiedades mecánicas originales del acríllco control PMMA. En donde, la figura 3a muestra la propiedad mecánica de resistencia a la flexión del acríllco PMMA y de los nanocompósltos con diferente contenido de CuNP; y la figura 3b muestra la propiedad mecánica del módulo de compresión del acríllco PMMA y de los nanocompósltos con diferente contenido de CuNP:
FIGURA 3a
FIGURA 3b
Los resultados de la actividad antimlcrobiana de los materiales nanocompósltos frente a C. albicans fue expresada como una capacidad de inhibición del crecimiento del microorganismo en su superficie respecto al número de colonias crecidas en el material PMMA control sin CuNP, la cual es definida por la siguiente expresión:
(CFUpfrm^ CFU ^CUNP /PMMA ^)
Capacidad de Inhibición = ~~ rr¡ :— ; x 100
Cr
CFU PMMA : Unidades hormadoras de colonia crecidas en la superficie de acrílico PMMA.
CFUPMMA■ Unidades formadoras de colonia crecidas en la superficie de nanocompósito CuNP/PMMA.
La Figura 4 muestra la capacidad de inhibición de materiales nanocompósitos frente a C. albicans luego de 48 horas de incubación preparados con diferentes contenidos de CuNP, en donde se observa que los nanocompósitos de acrílico de prótesis preparados poseen un rango de contenido de cobre entre 0,01 5 a 0,068% , y los cuales producen un rango de porcentaje de inhibición entre 65% a 92 %, en donde se obtiene la máxima capacidad de inhibición del crecimiento de C. albicans con un contenido de CuNP de 0,045 %.
0.015% 0,045% 0,053% 0,060% 0.068%
Contenido de cobre ¡%¡
FIGURA 4
La Figura 5 muestra la capacidad de inhibición de materiales nanocompósitos (CuNP/PMMA) frente a C. Albicans a diferentes tiempos de incubación, en donde se comprobó que el efecto antimicrobiano en la superficie del material se prolonga con el tiempo.
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Tiempo de incubación [días]
FIGURA 5
Con el propósito de dilucidar el posible mecanismo de acción antimicrobiana del material nanocompósito, se analizó la superficie del material mediante espectroscopia XPS La Figura 6 muestra el espectro XPS de la superficie del acrílico nanocompósito CuNP(0,045%)/PMMA. Los resultados del análisis indican que no existen átomos de cobre detectables en la superficie del material; por lo que el efecto antimicrobiano debería ser atribuido fundamentalmente a las cantidades de cobre liberadas al medio producto de la difusión de los iones o nanopartículas de cobre desde la matriz acrílica al medio.
FIGURA 6
La Figura 7 muestra la liberación de cobre en función del tiempo desde acrílicos nanocompósitos en saliva artificial (pH 6,5), en donde se observa que los materiales liberan muy bajas concentraciones de cobre al medio, con valores máximos alrededor de 5,8 x10"3 μg/mL después de luego de 35 días de incubación en saliva artificial. Sin embargo, estos bajos
niveles de cobre liberados son suficientes para producir el efecto antimicrobiano observado y al mismo tiempo mantener la biocompatibilidad del nuevo material de prótesis.
Tiempo de incubación (días)
FIGURA 7
En la FIGURA 8 se presenta la viabilidad de células fibroblásticas humanas cultivadas a diferentes tiempos de incubación con el material acrílico actual de prótesis (PMMA) y el nanocomposito CuNP/PMMA medida mediante el ensayo de actividad mitocondrial MTS. Se puede observar que la viabilidad celular sobre el nanocomposito CuNP/PMMA es equivalente a la observado sobre el acrílico PMMA actual de prótesis. Estos resultados demuestran que la incorporación de CuNPs en el acrílico no altera sus características de citocompatibilidad.
FIGURA 8
En el proceso de preparación de acríllcos antlmlcroblanos se puede también extender en la preparación de diferentes materiales acríllcos de uso dental, tales como resinas de restauración dental, adhesivos para resinas de restauración o brackets ortodónticos, sellantes de fosas y fisuras oclusales así como vidrios ionómeros modificados con resina. Estos materiales son preparados utilizando monómeros acríllcos diferentes al MMA, tales como Bls- GMA, TEGDMA, UDMA, HEMA o PENTA y pueden ser polimerizados mediante fotocurado, autocurado o mediante un sistema dual. En la TABLA 1 se muestran las capacidades de inhibición de la bacteria cariogénlca S. mutans para los diferentes materiales dentales nanocompósltos preparados mediante el proceso ex situ de Incorporación de CuNPs.
TABLA 1
Capacidad de inhibición
Material Dental de S. mutans (%) ± DS
Acríllco de prótesis 97 ± 2
Resina dental restauración 97 ± 2
Adhesivo dental 99 ± 3
Sellante dental 99 ± 3
Vidrio ionómero 95 + 4
El material acríllco dental nanocompóslto CuNP/PMMA también presentó capacidad de inhibición frente a la bacteria agreggatibacter actinomycetemcomitans (93 % ± 3), un patógeno representativo de la gingivitis y periodontitis.
El proceso de preparación del nanocompósito CuNP/PMMA puede ser también utilizado para la fabricación de cemento óseo con propiedades antimicrobianas. El cemento óseo a base de PMMA autocurable es utilizado en ortopedia para la fijación de prótesis de caderas, rodilla, hombro y otras prótesis articulares. El cemento óseo a base de CuNP/PMMA presentó una capacidad de inhibición de 94 % ± 3 frente a la bacteria Staphylococcus aureus, principal patógeno responsable de las infecciones periprotésicas.
La presente invención está orientada a desarrollar un material polimérico con nanopartículas de cobre (CuNP), para lo cual se sintetizó el material compuesto mediante diferentes estrategias de síntesis ex situ e in-situ. En donde, el compósito puede ser preparado mediante el m étodo ex situ, i nco rpo rando las partícu las de Cu N Ps/Zeo o nanopartícu las de cobre (Cu N P) preparadas ex situ por éste u otros métodos .
En todas estas estrategias, el cobre, ya sea como precursor de la posterior nanopartícula o como partícula ya sintetizada; es mezclado con el monómero (PMMA) para en conjunto realizar la polimerización. En una primera estrategia tanto el polímero como la nanopartícula se sintetizaron en una misma etapa mediante la adición de un precursor de una sal orgánica de cobre [Cu(CH3COO)2] y el monómero; en la segunda estrategia la nanopartícula sintetizada fue mezclada con el monómero para su la posterior polimerización. En esta última estrategia se busca estudiar dos formas de nanopartículas de cobre: metálica y de cobre soportado en una matriz cerámica. Debido a que la efectividad antimicrobiana y la toxicidad están relacionadas con la liberación de iones de cobre, se pretende encontrar aquella metodología que permita controlar de mejor manera la tasa de liberación de los iones, sin alterar el proceso de polimerización ni las propiedades finales de la resina, tal como mecánicas, estéticas (coloración) y de citocompatibilidad.
EJEMPLOS
EJEMPLO 1.
En este ejemplo, se detalla la preparación de nanocompósltos CuNP/PMMA mediante una síntesis in situ del material nanocompósitoutilizando polimerización de auto o termocurado. En donde se utiliza soluciones acuosas de acetato de cobre [Cu(CH3COO)2] de distinta concentración (0,1 -0,8 M), preferentemente entre 0,6-0,7 M, para lo cual 100 μΙ_ de la solución de cobre (Cu2+) se agrega sobre 2 ml_ de etanol absoluto, a la mezcla resultante se agrega bajo constante agitación 2 ml_ del monómero dental líquido de metilmetacrilato de auto o termocurado. La solución resultante se mantiene con agitación constante a temperaturas entre 50 - 70 °C hasta la formación de las nanopartículas (CuNP), lo cual se visualiza por la aparición de la coloración rojiza que toma la mezcla de reacción. Posteriormente, dicha solución de monómero líquido cargada con CuNPs, se mezcla con acrílico dental en polvo en una proporción 3:2 de masa de acrílico:volumen de monómero (PMMA) para llevar a cabo la reacción de polimerización en condiciones de auto o termocurado según corresponda.
EJEMPLO 2.
En este ejemplo, se detalla la preparación de compósitos CuNP/PMMA utilizando CuNPS soportadas. El material compósito se preparó usando también Cu N Ps previamente soportadas en partícu l as de u n materi al cerám ico . E l uso de Cu N Ps i ncl u idas e n partícu las cerám icas podría mejorar las propiedades de coloración del compósito : así como ofrecer una cinética de liberación de cobre diferente desde el material . Además: al tratarse de un soporte cerámico : la densidad será menor que en el caso de partículas metál icas : por lo que problemas de estabi lidad y decantación podrán ser resueltos . Como materiales de soporte se usaron partículas de zeolita (al umi nosil icato cristalino nanoporoso) y nanopartículas de sílice, para lo cual, se uti lizaron u na zeol ita natural de procedencia nacional (MO R) y nanopartícu las de síl ice de 1 00 n m comerciales . Las Cu N Ps serán form adas in situ en el m aterial , para este
propósito cierta masa de MOR fue contactada con una solución de acetato de cobre 0,1 M durante 24 h a temperatura ambiente. Una vez completado el periodo de intercambio iónico, la zeolita fue separada y lavada mediante repetidos ciclos de centrifugación/dispersión. El material obtenido fue luego dispersado en una solución reductora de almidón/ácido ascórbico, y sometida a microondas por ciertos segundos. Este sistema de formación de CuNPs en biopolímeros fue desarrollado por nuestro equipo de laboratorio, como un método bajo el concepto de "Química Verde" para la síntesis de nanopartículas metálicas más benignas, y compatible con aplicaciones biomédicas. Las partículas de CuNPs/MOR fueron separadas, lavadas y secadas para ser usadas posteriormente en el proceso de preparación del compósito CuNP/PMMA. El compósito fue preparado mediante el método ex situ antes descrito, incorporado las partículas deshidratadas de CuNPs/MOR en el monómero líquido de metilmetacrilato.
EJEMPLO 3.
En este ejemplo, se detalla la preparación de compósitos CuNP/PMMA mediante un método ex situ de incorporación de CuNP en acrílico dental de auto o termocurado, en donde se utilizan CuNPs de 5 nm en polvo y disponibles comercialmente (Nanotec SpA, Chile). Las CuNPs fueron adicionadas al monómero líquido metilmetacrilato (4 mL) de auto o termocurado, masas de CuNPs en el rango de 0,79 - 6,28 mg, seguidamente se dispersan en ultrasonido por 10 minutos y luego se mezclan con acrílico dental en polvo en una proporción 3:2 de masa de acrílico/volumen de monómero (polimetilmetacrilato: con iniciador incorporado) para dar lugar a la reacción de polimerización), posteriormente se efectúa la polimerización en condiciones de auto o termocurado.
EJEMPLO 4
En este ejemplo se describe la evaluación in vitro de las propiedades antimicrobianas de los nanocompositos CuNPs/PMMA, para lo cual se desarrolla un estudio microbiologico utilizando
una cepa ATCC 90029 de Candida albicans, a partir de la cual se preparan caldos de cultivos con una concentración 0,5 de Mcfarland (1 -5 x106 UFC /mi). En la suspensión del microorganismo se incuba las muestras del material nanocompósito CuNPs/PMMA preparadas con diferentes contenidos de CuNPs, así como de muestras del material acrílico sin CuNPs como control (PMMA). El período de incubación es inicialmente de 48 horas a 37 SC en condiciones de aerobiosis. El efecto antimicrobiano de los materiales se evalúa mediante recuento de colonias en el caldo sobrenadante así como en la superficie de los materiales. Para el primer caso, se siembran diluciones del caldo de cultivo en placas de agar Sabouraud y se incuban por 48 h a 37 °C. Por otro lado, los microorganismos adheridos en la superficie del material, se remueven mediante una solución de surfactante inocuo, para luego ser sembradas e incubadas en agar y realizar el recuento de UFC.
Adicionalmente, se evaluó el efecto antimicrobiano de los materiales por un período prolongado de 10 días en contacto con los microorganismos.
EJEMPLO 5
En este ejemplo se ensayó la liberación de cobre desde el material, con el propósito de explicar el mecanismo de actividad antimicrobiana de los nanocompósitos. Estos ensayos se realizaron sumergiendo una pieza de cada tipo de nanocompósito CuNP/PMMA en saliva artificial (KCI- NaCI-CaCI2-2H20-NaH2P04-2H20-Na2S-9H20-urea) pH 6,5 a 37 SC, cada ciertos intervalos de tiempo se tomó una muestra del líquido sobrenadante, fracción que fue reemplazada con saliva artificial fresca. La concentración de cobre total en las alícuotas recolectadas se determinó mediante espectrometría de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-AES). A partir de estas concentraciones se determinó las cantidades liberadas del metal en función del tiempo.
EJEMPLO 6
En este ejemplo se ensayó la cltocompatlbllldad de los materiales nanocompósitos, para lo cual se evaluó mediante su incubación en cultivos de células fibroblásticas. La viabilidad celular se determinó mediante el ensayo espectrofotométrico de actividad mitocondrial MTS (3-(4,5- dimetiltiazol-2-il) 5-(3-carboximetoxifenil) -2-(4-sulfofenil)-2H-tetrazolio), durante 3, 5 y 10 días de incubación con el material.
EJEMPLO 7
En el presente ejemplo se realizó la fabricación de prótesis dentales utilizando el material nanocompósito previamente optimizado en función de su composición, propiedades antimicrobianas, mecánicas, estéticas (color) y de citocompatibilidad. Para dicho propósito se usaron dos protocolos diferentes de fabricación utilizados normalmente por los laboratorios dentales. Las prótesis se fabricaron en las instalaciones de los laboratorios dentales, de acuerdo a protocolos establecidos con respecto a las condiciones de temperatura, tiempo y presión de termocurado; así como del tipo de cubetas, materiales de impresión, muflas, y otros elementos utilizados para el diseño de la prótesis de acuerdo con las características del paciente. Las prótesis fabricadas se evalúan de acuerdo a criterios odontológicos con respecto a las propiedades mecánicas de la base acrílica, estabilidad de los dientes artificiales, características estéticas, entre otros.
EJEMPLO 8
En este ejemplo, se detalla la preparación de nanocompósitos CuNP/acrílico mediante un método ex situ de incorporación de CuNPs en resina de restauración dental. Las CuNPs en polvo son incorporadas en un sistema de fotocurado o dual a base de monómeros acrílicos, tales como Bis-GMA, TEGDMA, UDMA u otro, el cual puede contener un micro o nanorelleno a base de partículas cerámicas. Se incorporan concentraciones de CuNPs, preferentemente en el rango 0,015 - 0,045 % en peso. La mezcla resultante se trata mediante ultrasonido por 1 0
minutos, para luego efectuar la reacción de polimerización aplicando luz L.E.D. por 40 segundos en presencia de canforquinona como fotoiniciador.
EJEMPLO 9
En este ejemplo, se detalla la preparación de nanocompositos CuNP/acrílico la preparación de nanocompositos CuNP/ mediante un método ex situ de incorporación de CuNPs en un sistema adhesivo de resina de restauración dental. Las CuNPs en polvo son incorporadas en sistemas adhesivos a base de monómeros acrílicos tales como UDMA o PENTA de fotocurado o dual. Se incorporan concentraciones de CuNPs preferentemente en el rango 0,015 - 0,045 % en peso. La mezcla resultante se trata mediante ultrasonido por 30 segundos, para luego efectuar la reacción de polimerización aplicando luz L.E.D. por 10 - 30 segundos en presencia de canforquinona como fotoiniciador o mediante polimerización dual.
EJEMPLO 10
En este ejemplo, se detalla la preparación de nanocompositos CuNP/acrílico utilizando acrílico de adhesivos ortodonticos mediante un método ex situ de incorporación de CuNPs. Las CuNPs en polvo son incorporadas en sistemas de adhesivos para la cementación de brackets ortodonticos a base de monómeros acrílicos tales como TEGDMA, Bis-GMA, UDMA, o HEMA foto o autopolimerizables. Se incorporan concentraciones de CuNPs preferentemente en el rango 0.01 5-0.045 % en peso. La mezcla resultante se trata mediante ultrasonido por 30 segundos, para luego efectuar la reacción de polimerización aplicando luz L.E.D. por 10 segundos en presencia de canforquinona como fotoiniciador o mediante autopolimerización.
EJEMPLO 11
En este ejemplo, se detalla la preparación de nanocompositos CuNP/acrílico mediante un método ex situ de incorporación de CuNPs utilizando vidrio ionomero modificado con resina acrílica fotopolimerizable utilizado como agente cementante y material restaurador en dientes
temporales y como provisional en dientes permanentes. Las CuNPs en polvo son incorporadas en el vidrio ionomero líquido de foto o autocurado a concentraciones preferentemente en el rango 0.01 5-0.045 % en peso. Lamezcla resultante se trata mediante ultrasonido por 30 segundos, para luego efectuar la reacción de polimerización aplicando luz L.E.D. por 10 -30 segundos en presencia de canforquinona como fotoiniciador o a través de polimerización de autocurado.
EJEMPLO 12
En este ejemplo, se detalla la preparación de nanocompósitos CuNP/acrílico mediante un método ex situ de incorporación de CuNPs en sellantes de fosas y fisuras aplicado a superficies oclusales de los dientes molares que son especialmente susceptibles a la acumulación de placa bacteriana y al consecuente desarrollo de caries. Las CuNPs en polvo son incorporadas en el vidrio sellantes a base de monómeros acrílicos tales como Bis-GMA o TEGDMA de foto o autocurado a concentraciones preferentemente en el rango 0.015-0.045 % en peso. La mezcla resultante se trata mediante ultrasonido por 30 segundos, para luego efectuar la reacción de polimerización aplicando luz L.E.D. por 10 -30 segundos en presencia de canforquinona como fotoiniciador o a través de polimerización de autocurado.
EJEMPLO 13
En este ejemplo, se detalla la preparación de compósitos CuNP/PMMA mediante un método ex situ de incorporación de CuNP en acrílico de cemento óseo utilizado en la fijación de prótesis ortopédicas, tales como de cadera, rodilla, hombro y otras prótesis articulares. Las CuNPs son incorporadas en 4 mL de la fracción líquida monómero/activador de autocurado en cantidades de 0,79 - 6,28 mg, seguidamente se dispersan en ultrasonido por 1 0 minutos y luego se mezclan con acrílico óseo en polvo en una proporción 3 : 2 masa de acrílico (gramos): volumen de monómero (mL). Posteriormente se efectúa la polimerización en condiciones de autocurado.