Dra. Ing. María J. Santillán

Nuevos Materiales Compuestos

utilizados en recubrimientos

funcionales para implantes y

regeneración de tejido

Facultad de Ccias. Aplicadas a la Industria

Facultad de Ingeniería.

Universidad Nacional de Cuyo

Segundas Jornadas de Bioingeniería: oportunidades y desafíos para Mendoza - 2013

A pesar de sus admirables propiedades y performance, el uso de

materiales sintéticos y “bioinertes” (implantes) no resuelve todos

los problemas en la salud que presenta el aumento de la

espectativa de vida de las personas

necesidad de una segunda operación dada la vida

limitada de muchos implantes

Duración de la vida media de

las personas es 80+ años.

La necesidad de implantes

comienza a los +50 años, los

implantes deben durar por lo

tanto mas de 25 años.

Segundas Jornadas de Bioingeniería: oportunidades y desafíos para Mendoza - 2013

Implantes dentales

Malformaciones.

Desafíos actuales de la Ccias de materiales •Mejorar y optimizar los biomateriales actuales usados en implantes

•Nuevos biomateriales para medicina regenerativa e ingeniería de tejidos (“scaffolds” – substratos, matrices)

Versatilidad de la ciencia de materiales

Segundas Jornadas de Bioingeniería: oportunidades y desafíos para Mendoza - 2013

Ingeniería de Tejidos

In vitro – Cultivo de

células

Implante

Moléculas

señalizadoras

Scaffold

Células

“...the science of persuading the body to regenerate or repair tissues that fail to regenerate or heal spontaneously.” (Agrawal and Ray, 2001)

Segundas Jornadas de Bioingeniería: oportunidades y desafíos para Mendoza - 2013

Investigación en Biomateriales

Biomateriales

Procesamiento/

fabricación

Biología celular

(in-vitro)

Propiedades

Mecánicas

Estudio de

degradación

Análisis

microestructural y

Caracterizacion

superficial

Modelado Reacción

In-vivo

Regulación

fisiológica

Propiedades

estructurales

(porosidad, tamaño de poros,

interconectividad, propiedades

mecánicas) Materiales

(polímeros sintéticos y

naturales, cerámicos, vidrios)

Bioactividad

(modificación química, activación

de superficies, topografía)

Molécules señalizadoras

(biomoléculas, proteínas)

Requerimientos

biológicos

(adhesión, proliferación y

diferenciación de células)

Células

(células madre,

osteoblastos,

chondriocitos,

fibroblastos)

Desarrollo de “scaffolds”

(Guarino et al., Expert Rev. Med. Devices (2007)

Un método para estabilizar la adhesion de del tejido a la superficie del implante metálico y proveer una mejor fijación es recubrir las prótesis con materiales inorgánicos bioactivos. La osteintegracion es crucial para la vida útil de implantes ortopédicos y dentales.

Recubrimientos bioactivos

Recubrimientos "Bioactivos" para acero inoxidable, Ti, aleaciones con memoria de formas (Ti6Al4V) han sido producidos a partir de fosfato de Ca e hidroxiapatita (HA). Nuevos materiales: biovidrio, titania, composites.

Materiales Bioactivos

.45S5 Bioglass® (Novamin, Fl., USA)

• Composition: 45% SiO2 , 24.5% Na2O, 24.5% CaO, 6% P2O5

(Hench, 1971)

Properties of 45S5 Bioglass®

Tamaño de partícula

< 5 m

Densidad (g cm-3)

2.66

Módulo de Young (GPa)

35

Resistencia a la Tensión (MPa)

42

Segundas Jornadas de Bioingeniería: oportunidades y desafíos para Mendoza - 2013

Una ventaja …

Bioglass® facilita la regeneración ósea a través de un control

directo de los genes que regulan la inducción y progreso del ciclo

celular

Resultado RAPIDA REGENERACION ÓSEA

“Gene-expression profiling of human osteoblasts following treatment with the ionic products of Bioglass 45S5 dissolution”, Xynos,…Hench, et al. JBMR 55 (2001) 151-157.

Segundas Jornadas de Bioingeniería: oportunidades y desafíos para Mendoza - 2013

TiO2 (P. 25- Degussa)

• Composición: 70% anatasa , 30% rutilo

Micrografía de TEM del polvo de TiO2 P25-Degussa y distribución de tamaños

de partículas de TiO2 según análisis por TEM.

Segundas Jornadas de Bioingeniería: oportunidades y desafíos para Mendoza - 2013

Nanotubos y nanocintas

de titania

Santillán et al. Funt. Mat . 2011

Nanotubos de carbón

Nanoestructuras

Dr. M. El Fray

Nuevos biopolímeros, colaboración con Dr. M. El Fray (Polonia) y Dr. M. Ninago ( PLAPIQUI)

Biomateriales sintéticos: elastómeros

Gomas vulvanizadas

Gomas de siliconas(SIL)

Uniones químicas transversales

Uniones químicas

poliuretanos, poliésteres

Segmentos flexibles

Segmentos duros

„Uniones físicas

Elastómeros termoplásticos(TPE)

Ac.Poliláctico (PDLLA) Ac.Policaprolactama (PCL)

Implica 2 procesos:

Movimiento de

partículas cargadas

en suspensión bajo

un campo eléctrico

Coagulación densa de partículas en una superficie.

•Deposición

•Electroforesis

Sarkas P,Nicholson PS. J Am. Ceram. Soc.;79

(1996):1987.

Factores a considerar en EPD

•Estabilidad de la suspensión

empleada.

•pH.

•Tamaño de partícula.

•Tiempo de deposición.

•Voltaje empleado.

+ -

EPD anódica

EPD catódica

Electrodos

Deposición electroforética

Recubrimientos de TiO2 sobre fibras de acero inoxidable

Precursor de TiO2 : nanopolvo de

Titania P25 DEGUSSA (d = 21 nm)

Pocas fisuras remanentes

Nano-porosidad

Boccaccini et al., J Mater. Sci. (2004)

Recubrimientos de npTiO2 sobre metales

Santillán et al. Key Eng.Matt. 412 (2009)189

Titanio Acero inoxidable

Pulido

mecánico con

papel 1000.

Ataque químico

con H2SO4 12M-

.

Santillán et al. Nanopartc. Res, (2008)1289

Recubrimientos de Bioglass® -Titania

EPD : conc = 20-5 wt% Bioglass®Alumina, voltaje = 5V, tiempo = 5 min.

SS SS

Superficies homogéneas y suaves Espesor uniforme

a)

a) micrografía de TEM del material compuesto TiO2-Ag. En la esquina superior

imagen de HRTEM de las npAg, b) Distribución de tamaño de las npAg. Sup)

EDS de material

TiO2 dopado con Ag

Santillán M.J. Et al. Surf. Coat. Tech (2010)

Antes

de

inmersión

en

SBF

Posterior

de

inmersión

en

SBF

(28 días)

Formación de

hidroxiapatita

Recubrimientos de TiO2-Ag

Santillán M.J. PhD (2009)

Antes de inmersión en SBF

Después de inmersión en SBF (14 días)

Recubrimientos de Bioglass®- TiO2-Ag

EPD Conc. = 15 wt% voltaje = 6V Tiempo =8 min

Formación de

hidroxiapatita

Santillán M.J. PhD (2008)

Bioglass® and PCL coated Ni-Ti wires

EPD parameters: concentration = 20/3 wt% voltage = 5V, deposition time = 5 min

• Homogeneous coating • High green density

Espumas de PDLLA/Bioglass®

Fomación

de HA

después

de

inmersión

en SBF

PDLLA + 40wt% Bioglass®

Cultivo: 24 h

Osteoblastos

humanos

adheridos sobre

el composite

d

200 nm

a

Fase vítrea

200 nm

Partículas cristalinas b

100 nm

Partículas

amorfas

Partículas

cristalina

c

50 nm

Microestructura de (TEM). (a) Partículas cristalinas embebidas en una matriz amorfa (b) Grandes partículas cristalinas se rompen en partículas mas pequeñas (50 nm de

diámetro) después de la incubación en líquido corporal simulado (SBF) durante una semana.

(c) Incorporación de partículas de fosfato de Calcio amorfo. (d) Nanofibrillas de hidroxiapatita cristalina.

1 semana

en SBF

2 semanas

en SBF

Sinterizado

Existen varios métodos disponibles para producir scaffolds

bioceramicos con alta porosidad

J. R. Jones, A. R. Boccaccini. “Cellular Ceramics in Biomedical Applications: Tissue Engineering”, pp. 550-573 in Cellular

Ceramics: Structure, Manufacturing, Processing and Applications. Edited by M. Scheffler and P. Colombo. Wiley-VCH

Verlag GmbH & Co., Weinheim, 2005.

Biomateriales cerámicos porosos

Muy limitados trabajos previos en la producción de scaffolds basados en Bioglass® de alta porosidad

- Livingstone et al., J. Biomed. Mater. Res. 62 (2002) 1-13 - Kaufman et al., Tissue Eng. 6 (2004) 19-28 -

Notablemente …

Sólo 20-40 % de porosidad

Actualmente:

Control selectivo de porosidad

Bretcanu et al. JMSC (2007)

Diseño y procesamiento de Scaffolds vitroceramicos de

Bioglass® con porosidad graduada (Interfase hueso-cartílago)

Caracterización Mecánica y modelado

(C. Hellmich, TU Vienna, Austria)

Caracterización cuantitativa 3D, e.g. micro-CT

(F. Rustichelli, Univ. Polit. Marche, Ancona, Italy)

60ppi

Interfase

45ppi

Optimización de la porosidad en Scaffolds bioactivos

Gonzalez et al. A Biom (acepted)

Biocomposites nanoestructurados para en ingenieria de tejidos desarrollos futuros

1. Superficies de nanotubos de carbón/Bioglass® composite

2. Polímeros degradables (PDLLA, PEEK) con NPs de TiO2, microBG

(infiltrado y/o recubrimiento)

Las NPs de TiO2 afectan la topografía de las

paredes de la espuma

CNTs en una matriz de Bioglass®

Clavijo, S., et al., J. Mater. Sci. Mater. Med. (submitted)

Boccaccini, A. R., et al. Adv. Funct. Mater. (2007)

Procesos de EPD secuencial y co-deposición electroforética (para producir capas compuestas de CNTs/nanocerámicos)

EPD a voltaje cte.: sobre sustratos de acero inoxidable (15 x 15 x 0.2mm3 )

Campo eléctrico: 2.5 - 35V/cm Tiempo de deposición: 0.5 - 10min

PhD thesis, J. Cho, 2007

Reflujo ácido de MWCNTs (diam: 20 nm)

(Tsinghua-Nafine, China) seguido de filtrado y

lavado con dH2O hasta pH ~7.

Recubrimientos de Nanotubos de carbón (CNTs)

b)

Deposición reproducible con diferentes clases de CNTs

Co-deposición de CNTs y nanopartículas cerámicas

Investigación Actual :

Mejorar la resistencia al desgaste en capas compuestas

Recubrimientos bioactivos. Aplicaciones

CNT TiO2

CNT

TiO2

nanopart

icles

TiO2

nanoparticles

CNT

TiO2 nanoparticles

CNT

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

0 5 10 15

PH

Zeta

po

ten

tial

(m V

)TiO2 (Degussa, P25)

aqueous suspension

CNTs aqueous

suspension

iep

TEM investigation: CNT decorated with TiO2 nanoparticles

Boccaccini et al, Adv. Funct. Mater.

-20

-10

0

10

20

30

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pH

Zeta

Pote

ntia

l [m

V]

bioglass

CNT

Scaffolds espumosos de vidrio bioactivo recubiertos con nanotubos de carbón

CONCLUSIONES

• Los nuevos materiales y composites empleados en la medicina regenerativa son muy prometedores en lo que refiere a la biocompatibilidad y la versatilidad de usos.

• Es factible manipular materiales de diferentes naturaleza y combinarlos de acuerdo al diseño y caracteristicas finales buscadas.

• Se obtienen recubrimientos e impregnaciones uniformes con microestructura controlada en porosidad y espesor.

• Se puede realizar materiales compuestos por deposición secuencial, codeposición y/o impregnación, al igual que otras técnicas como Dip coating.

• Los avances en esta área es una esperanza para la medicina regenerativa.

Integrantes del Grupo

• María José Santillán

• Francisco Membrives

• Omar Arab.

• Silvia Clavijo.

• Elias Gonzalez

• Gisela Quiroga

• Felipe Ortega

• Verónica Cabañas

• Prof. Aldo Boccaccini (Universidad de Erlangen- Alemania)

• Dra. Xanthippi Chatzistavrou (Imperial College London)

• Dra. Nancy Quaranta (UTN- San Nicolás)

• Dr. Alejandro Gurostovich (Universidad Católica de Salta)

• Dra. Viviana Mouriño (Universidad de Buenos Aires)

Colaboraciones

¡Muchas Gracias!

Soporte Financiero • SeCTyP.UNCu

• CONICET

• MinCYT