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.
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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