ES2372341B1 - COMPOSITE MATERIAL OF POLYMER AND MAGNESIUM PARTICLES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS. - Google Patents
COMPOSITE MATERIAL OF POLYMER AND MAGNESIUM PARTICLES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS. Download PDFInfo
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Abstract
Material compuesto de polímero y partículas de magnesio para aplicaciones biomédicas.#La presente invención se refiere a un material de matriz polimérica y partículas de magnesio, biocompatible y reabsorbible con aplicaciones médicas en concreto para su aplicación como material de osteosíntesis y en ingeniería tisular ósea para la regeneración de tejido óseo.Composite material of polymer and magnesium particles for biomedical applications. # The present invention relates to a polymer matrix material and magnesium particles, biocompatible and reabsorbable with medical applications in particular for application as osteosynthesis material and bone tissue engineering for Bone tissue regeneration.
Description
Material compuesto de polímero y partículas de magnesio para aplicaciones biomédicas. Composite material of polymer and magnesium particles for biomedical applications.
La presente invención se refiere a un material de matriz polimérica y partículas de magnesio biocompatible y reabsorbible con aplicaciones médicas, en concreto como material de osteosíntesis y en la ingeniería tisular ósea. The present invention relates to a polymeric matrix material and biocompatible magnesium particles and reabsorbable with medical applications, in particular as osteosynthesis material and in bone tissue engineering.
Estado de la técnica anterior Prior art
El hueso es un tejido que se renueva de forma continua a lo largo de la vida del individuo mediante el proceso de remodelado óseo. Esta continua remodelación permite al hueso regenerarse tras ser dañado mediante la creación de un tejido idéntico al original. Habitualmente, la dinámica del hueso es suficiente para reparar fracturas y reconstruir defectos comunes. Sin embargo, tras la destrucción de grandes volúmenes de masa ósea, como en el caso de traumatismos graves, tumores, infecciones y desórdenes en el desarrollo, el tejido dañado no es capaz de regenerarse por sí mismo. En estos casos se requiere un injerto óseo o un sustitutivo sintético para ayudar o completar la reparación de la deficiencia esquelética. El mejor sustitutivo óseo es el propio hueso, ya sea proveniente del propio paciente o bien obtenido de un donante. Sin embargo, existen problemas asociados al uso de injertos óseos, como la insuficiente cantidad de tejido disponible cuando se trata del mismo paciente o el riesgo de transmisión de enfermedades en el caso de donaciones. Como alternativa, la Ingeniería Tisular propone el desarrollo de materiales sintéticos de distinta naturaleza (polímeros, cerámicos o metales) sobre los cuales cultivar células para implantarse posteriormente en el paciente. La búsqueda de nuevas estrategias y materiales para la reparación y regeneración del tejido óseo dañado es asimismo una prioridad motivada por el desafío socio-económico que se deriva del incremento en patologías óseas asociadas al envejecimiento de la población en las sociedades avanzadas. Bone is a tissue that is renewed continuously throughout the life of the individual through the process of bone remodeling. This continuous remodeling allows the bone to regenerate after being damaged by creating a tissue identical to the original. Usually, bone dynamics is sufficient to repair fractures and reconstruct common defects. However, after the destruction of large volumes of bone mass, as in the case of severe trauma, tumors, infections and developmental disorders, the damaged tissue is not able to regenerate on its own. In these cases, a bone graft or a synthetic substitute is required to help or complete the repair of skeletal deficiency. The best bone substitute is the bone itself, either from the patient himself or from a donor. However, there are problems associated with the use of bone grafts, such as the insufficient amount of tissue available when dealing with the same patient or the risk of disease transmission in the case of donations. As an alternative, Tissue Engineering proposes the development of synthetic materials of different nature (polymers, ceramics or metals) on which to grow cells to be implanted later in the patient. The search for new strategies and materials for the repair and regeneration of damaged bone tissue is also a priority motivated by the socio-economic challenge that derives from the increase in bone pathologies associated with the aging of the population in advanced societies.
En los años 50 se buscaban materiales bioinertes, con una interacción mínima con el entorno biológico. La segunda generación de biomateriales, en los ochenta, propició el desarrollo de materiales bioactivos que perseguían una reacción controlada con el entorno. A partir del año 2000, el objetivo ha sido desarrollar biomateriales de tercera generación que permitan la regeneración de los tejidos en lugar de su sustitución. En el caso de las reparaciones del tejido óseo, los materiales deberían ser preferentemente osteoconductores, permitiendo el crecimiento del hueso hacia el interior del material, biocompatibles, es decir, que sean tolerados por el tejido circundante y no promuevan una respuesta adversa, y en lo posible deberían incorporar moléculas osteoinductoras, capaces de promover la formación ósea. Muchos de los materiales desarrollados son cerámicos bioactivos, vidrios bioactivos, polímeros sintéticos o biológicos, y sus compuestos. In the 50s bioinert materials were sought, with minimal interaction with the biological environment. The second generation of biomaterials, in the eighties, led to the development of bioactive materials that pursued a controlled reaction with the environment. Since 2000, the objective has been to develop third generation biomaterials that allow tissue regeneration instead of replacement. In the case of bone tissue repairs, the materials should preferably be osteoconductive, allowing bone growth into the material, biocompatible, that is, that they are tolerated by the surrounding tissue and do not promote an adverse response, and as far as Possible should incorporate osteoinductive molecules, capable of promoting bone formation. Many of the materials developed are bioactive ceramics, bioactive glasses, synthetic or biological polymers, and their compounds.
Los materiales inorgánicos bioactivos de interés clínico tienen una composición similar a la fase mineral del hueso. Los vidrios bioactivos, por ejemplo, cuando se sumergen en fluidos biológicos producen rápidamente una capa de apatita bioactiva que puede unirse al tejido biológico. Además, se pueden formular para liberar de forma controlada iones Si, capaces de aumentar la diferenciación celular y la osteogénesis. La velocidad de reabsorción de los vidrios bioactivos y biocerámicos se puede ajustar con hidroxiapatita cristalina durante largos periodos de tiempo, mientras que existen otros fosfatos cálcicos que tienen una mayor capacidad para reabsorberse pero poca resistencia para soportar cargas. Bioactive inorganic materials of clinical interest have a composition similar to the mineral phase of bone. Bioactive glasses, for example, when immersed in biological fluids quickly produce a layer of bioactive apatite that can bind to biological tissue. In addition, they can be formulated to release Si ions in a controlled manner, capable of increasing cell differentiation and osteogenesis. The reabsorption rate of bioactive and bioceramic glasses can be adjusted with crystalline hydroxyapatite for long periods of time, while there are other calcium phosphates that have a greater capacity to reabsorb but little resistance to withstand loads.
Los polímeros biológicos tales como colágeno y ácido hialurónico son materiales en uso para la reconstrucción de tejidos en aplicaciones clínicas. Sin embargo, su debilidad está relacionada con el riesgo potencial de transmisión de enfermedades y las dificultades para su manipulación. Por otro lado, los polímeros sintéticos tales como policaprolactona (PCL), polifumaratos, ácido poliláctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA) y sus copolímeros (PLGA), se emplean en la actualidad para la fabricación de suturas, clavos, tornillos y placas, constituyendo una alternativa muy versátil. Aunque sus productos de degradación son metabolizados y eliminados por el organismo, cuando se encuentran en concentraciones muy elevadas pueden provocar un descenso local del pH, comprometiendo la viabilidad de los tejidos. Biological polymers such as collagen and hyaluronic acid are materials in use for tissue reconstruction in clinical applications. However, its weakness is related to the potential risk of disease transmission and the difficulties in handling it. On the other hand, synthetic polymers such as polycaprolactone (PCL), polyfumarates, polylactic acid (PLA), polyglycolic acid (PGA) and their copolymers (PLGA), are currently used for the manufacture of sutures, nails, screws and plates , constituting a very versatile alternative. Although its degradation products are metabolized and eliminated by the body, when they are in very high concentrations they can cause a local decrease in pH, compromising the viability of the tissues.
En general, la naturaleza frágil de los materiales cerámicos bioactivos y las bajas propiedades mecánicas de los polímeros biodegradables desaconseja su uso en aplicaciones en las que se precise soportar altas cargas, como en la mayoría de las aplicaciones ortopédicas. In general, the fragile nature of bioactive ceramic materials and the low mechanical properties of biodegradable polymers discourage their use in applications where high loads are required, as in most orthopedic applications.
Los materiales compuestos de origen orgánico-inorgánico tienden a mimetizar la naturaleza del hueso combinando la tenacidad de un polímero con la resistencia a compresión de un cerámico, lo que da lugar a materiales con mejores propiedades mecánicas y perfiles de degradación. Como materiales de refuerzo se han utilizado tanto hidroxiapatitacomo biovidrios (ME Navarro, Desarrollo y Caracterización de Materiales Biodegradables para Regeneración Ósea, Tesis Doctoral, UPC, 2005). La utilización de materiales compuestos cargados con metales ha sido poco investigada en este campo. Sin embargo, parece ser una forma efectiva de controlar la degradación del metal, tal como se ha observado durante la degradación de nanocompuestos de Cu con polietilenos de baja densidad (S Cai, Xia X, Xie C, Biomaterials 26 (2005) 2671-2676). Composite materials of organic-inorganic origin tend to mimic the nature of the bone by combining the toughness of a polymer with the compressive strength of a ceramic, which results in materials with better mechanical properties and degradation profiles. As reinforcement materials, both hydroxyapatite and biovidrios have been used (ME Navarro, Development and Characterization of Biodegradable Materials for Bone Regeneration, Doctoral Thesis, UPC, 2005). The use of composite materials loaded with metals has been little investigated in this field. However, it seems to be an effective way to control metal degradation, as observed during the degradation of Cu nanocomposites with low density polyethylenes (S Cai, Xia X, Xie C, Biomaterials 26 (2005) 2671-2676 ).
Cabe destacar el desarrollo de materiales metálicos degradables para componentes sometidos a cargas. Las aleaciones de Mg, ampliamente investigadas en la actualidad, se introdujeron en la primera mitad del siglo pasado. Su principal ventaja en relación con otros biomateriales metálicos es su baja densidad (1,7-2,0 g/cm3). Adicionalmente, su tenacidad a la fractura es superior a la de los materiales cerámicos, con un valor del módulo elástico (41-45 GPa) muy próximo al del hueso natural (<20 GPa). Uno de los problemas asociados a su utilización estuvo relacionado con su rápida velocidad de corrosión in vivo (D. Williams, Med. Device Technol. 17 (2006), 9, p8-10), que producía una acumulación importante de hidrógeno (1 litro por gramo de Mg). Debido a este problema su utilización entró en desuso con el desarrollo de los aceros inoxidables. En la actualidad son numerosos los esfuerzos que se están haciendo para disminuir su velocidad de degradación y aumentar sus propiedades mecánicas (MP Staiger, AM Pietak, J Huadmai, G Dias, Biomaterials 27 (2006) 1728-1734 y en WD Müller, ML Nascimento, M Sedéis, M. Corsico, L.M. Gassa, MAF Lorenzo de Mele, Mat. Res. 10 (2007) 5-10]. Desafortunadamente esto se está consiguiendo a partir de la introducción de elementos de aleación que, una vez degradado el implante, podrían plantear problemas de biocompatibilidad. Note the development of degradable metal materials for components subjected to loads. Mg alloys, widely investigated today, were introduced in the first half of the last century. Its main advantage in relation to other metal biomaterials is its low density (1.7-2.0 g / cm3). Additionally, its fracture toughness is superior to that of ceramic materials, with an elastic modulus value (41-45 GPa) very close to that of natural bone (<20 GPa). One of the problems associated with its use was related to its rapid rate of corrosion in vivo (D. Williams, Med. Device Technol. 17 (2006), 9, p8-10), which produced a significant accumulation of hydrogen (1 liter per gram of Mg). Due to this problem, its use became obsolete with the development of stainless steels. At present there are numerous efforts being made to decrease its degradation rate and increase its mechanical properties (MP Staiger, AM Pietak, J Huadmai, G Dias, Biomaterials 27 (2006) 1728-1734 and in WD Müller, ML Nascimento , M Sedéis, M. Corsico, LM Gassa, MAF Lorenzo de Mele, Mat. Res. 10 (2007) 5-10] Unfortunately this is being achieved from the introduction of alloy elements that, once the implant is degraded , could pose biocompatibility problems.
La Ingeniería Tisular persigue la utilización de andamios o estructuras materiales, decorados o no con moléculas bioactivas, sobre los que cultivar células para generar constructos implantables que promuevan la regeneración del tejido en el paciente. Esta aproximación, que forma parte de lo que se conoce como Medicina Regenerativa, busca un sustrato que idealmente pudiese ser biodegradable, con el fin de que la regeneración tisular fuese lo más completa posible, al menos en la mayoría de las aplicaciones, y en el caso de la regeneración del tejido óseo, que sea necesariamente poroso para asegurar la osteoconducción y vascularización del nuevo tejido. La gran mayoría de los andamios desarrollados para aplicaciones en Ingeniería de Tejidos, se basan en materiales de naturaleza polimérica. Existen varias técnicas de procesado para generar estructuras tridimensionales con distintos grados de porosidad y características superficiales. Tissue Engineering pursues the use of scaffolds or material structures, decorated or not with bioactive molecules, on which to grow cells to generate implantable constructs that promote tissue regeneration in the patient. This approach, which is part of what is known as Regenerative Medicine, seeks a substrate that could ideally be biodegradable, so that the tissue regeneration was as complete as possible, at least in most applications, and in the case of bone tissue regeneration, which is necessarily porous to ensure osteoconduction and vascularization of the new tissue. The vast majority of scaffolds developed for applications in Tissue Engineering, are based on polymeric materials. There are several processing techniques to generate three-dimensional structures with varying degrees of porosity and surface characteristics.
Un aspecto esencial para garantizar la osteoconducción en los andamios reside en que su porosidad esté interconectada (Hing et al. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 16, (2005) 469-475), para permitir no sólo la colonización celular, sino también una adecuada vascularización. Esta consideración exige que los poros tengan un tamaño superior a las 100 micras de diámetro para que las células precursoras de las células formadoras de hueso colonicen zonas profundas del material y regeneren una estructura tridimensional lo más próxima posible a la del hueso trabecular. Así, el proceso de osteoconducción se verá favorecido por una alta porosidad de la matriz polimérica. Se considera que para una adecuada colonización y vascularización el tamaño del poro debe estar en el rango de 200 a 500 μm. Sin embargo, este requerimiento está limitado por la necesidad de que el andamio tenga una adecuada resistencia mecánica a la compresión y un valor del módulo elástico igual o ligeramente superior al del hueso para evitar que se colapse una vez sometido a cargas in vivo. El efecto de la porosidad en el módulo elástico es diferente para los distintos tipos de materiales, siendo los materiales metálicos los únicos ofrecen una combinación de rigidez y porosidad próximas a las del hueso (40-80%). Consecuentemente, son numerosos los estudios realizados recientemente con materiales porosos de naturaleza metálica (Ti, Mg, NiTi). Entre ellos, sólo el Mg puede considerarse biodegradable. Su utilización en ambientes acuosos está desaconsejado por la rápida velocidad de degradación, tal y como se ha comentado anteriormente. An essential aspect to guarantee osteoconduction in scaffolding is that its porosity is interconnected (Hing et al. J. Mater. Sci .: Mater. Med. 16, (2005) 469-475), to allow not only cell colonization , but also adequate vascularization. This consideration requires that the pores have a size greater than 100 microns in diameter so that the precursor cells of the bone-forming cells colonic deep areas of the material and regenerate a three-dimensional structure as close as possible to that of the trabecular bone. Thus, the osteoconduction process will be favored by a high porosity of the polymer matrix. It is considered that for proper colonization and vascularization the pore size should be in the range of 200 to 500 μm. However, this requirement is limited by the need for the scaffold to have an adequate mechanical resistance to compression and an elastic modulus value equal to or slightly greater than that of the bone to prevent it from collapsing once subjected to in vivo loads. The effect of porosity on the elastic modulus is different for different types of materials, the only metallic materials offering a combination of stiffness and porosity close to those of bone (40-80%). Consequently, there have been numerous recent studies with porous materials of a metallic nature (Ti, Mg, NiTi). Among them, only Mg can be considered biodegradable. Its use in aqueous environments is discouraged by the rapid degradation rate, as previously mentioned.
Descripción de la invención Description of the invention
La presente invención proporciona material biodegradable para la fabricación de dispositivos útiles como material de osteosíntesis o para la regeneración ósea, y su procedimiento de obtención. The present invention provides biodegradable material for the manufacture of useful devices such as osteosynthesis material or for bone regeneration, and its method of production.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un material (a partir de ahora material de la invención) que comprende la mezcla de: A first aspect of the present invention refers to a material (from now on material of the invention) comprising the mixture of:
- a. to.
- una matriz polimérica que comprende un polímero biodegradable, y a polymeric matrix comprising a biodegradable polymer, and
- b. b.
- partículas de magnesio. magnesium particles
Esta invención se centra en el desarrollo de materiales híbridos basados en polímeros comerciales biocompatibles y biodegradables cargados con partículas de Mg, con un perfil de degradación modulado por la fracción en volumen y tamaño de las partículas de Mg. Es de esperar que, de esta forma, la velocidad de liberación del hidrógeno durante el proceso de degradación sea tolerada por los tejidos humanos, permitiendo la reparación y/o regeneración del tejido óseo a medida que se produce su reabsorción. Entre las ventajas que presenta la utilización de Mg destacan su biocompatibilidad y sus propiedades osteoconductoras. Además, los iones liberados durante el proceso de degradación son solubles en medios fisiológicos y se excretan fácilmente a través de la orina. This invention focuses on the development of hybrid materials based on biocompatible and biodegradable commercial polymers loaded with Mg particles, with a degradation profile modulated by the volume and size fraction of the Mg particles. It is expected that, in this way, the rate of hydrogen release during the degradation process will be tolerated by human tissues, allowing the repair and / or regeneration of bone tissue as its reabsorption occurs. Among the advantages of using Mg, its biocompatibility and osteoconductive properties stand out. In addition, the ions released during the degradation process are soluble in physiological media and are easily excreted in the urine.
En una realización preferida el polímero biodegradable se selecciona de entre policaprolactona (PCL), polifumaratos, ácido poliláctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA) y cualquiera de sus combinaciones. In a preferred embodiment the biodegradable polymer is selected from polycaprolactone (PCL), polyfumarates, polylactic acid (PLA), polyglycolic acid (PGA) and any combination thereof.
En una realización más preferida el polímero biodegradable es un copolímero formado por al menos ácido poliláctico. Y en una realización más preferida la relación en peso de ácido poliáctico a copolímero es de entre 100:0 a In a more preferred embodiment the biodegradable polymer is a copolymer formed by at least polylactic acid. And in a more preferred embodiment the weight ratio of polylactic acid to copolymer is between 100: 0 to
60:40. 60:40
Preferiblemente las partículas de magnesio tienen un tamaño de entre 50 y 250 μm si se considera su uso en ingeniería de tejidos (regeneración ósea), y preferiblemente las partículas de magnesio tienen un tamaño inferior a 50 μm si se considera su uso como material de osteosíntesis (reparación ósea). Preferably the magnesium particles have a size between 50 and 250 μm if their use in tissue engineering (bone regeneration) is considered, and preferably the magnesium particles have a size less than 50 μm if their use as osteosynthesis material is considered (bone repair).
En otra realización preferida el porcentaje en volumen de las partículas de magnesio respecto al material total es menor o igual al 70%. In another preferred embodiment the volume percentage of the magnesium particles with respect to the total material is less than or equal to 70%.
El conjunto polímero/Mg presenta unas características mecánicas (resistencia, módulo) superiores a la de los polímeros reabsorbibles densos o porosos. La selección del polímero dependerá de su aplicación, utilizando formas semicristalinas (L-PLA), cuando se requieran mayores prestaciones mecánicas (o plazos largos de degradación), o formas amorfas (DL-PLA) ya que está construido por las dos formas isoméricas del PLA, si se requieren menores cargas mecánicas (o tiempos menores de reabsorción). También podrían utilizarse copolímeros para modular tanto las propiedades mecánicas como velocidades de degradación. Por ejemplo el L-PLA tiene un módulo elástico de 3 GPa, mientras que al combinar el DL-PLA con policaprolactona (PCL) en una proporción 60PLA/40PCL, se obtiene un material moldeable manualmente. The polymer / Mg assembly has mechanical characteristics (strength, modulus) superior to that of dense or porous resorbable polymers. The selection of the polymer will depend on its application, using semi-crystalline forms (L-PLA), when greater mechanical performance (or long degradation periods), or amorphous forms (DL-PLA) are required since it is constructed by the two isomeric forms of the PLA, if lower mechanical loads are required (or shorter resorption times). Copolymers could also be used to modulate both mechanical properties and degradation rates. For example, the L-PLA has an elastic modulus of 3 GPa, while combining the DL-PLA with polycaprolactone (PCL) in a 60PLA / 40PCL ratio, a manually moldable material is obtained.
Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención del material de la invención, que comprende las etapas: A second aspect of the present invention relates to a process for obtaining the material of the invention, which comprises the steps:
- a. to.
- mezclado del polímero formador de la matriz y de las partículas de magnesio con un disolvente orgánico. mixing the matrix forming polymer and the magnesium particles with an organic solvent.
- b. b.
- evaporación del disolvente orgánico del producto obtenido en la etapa (a), y evaporation of the organic solvent from the product obtained in step (a), and
- c. C.
- procesado del producto obtenido en la etapa (b). processing of the product obtained in step (b).
En una realización preferida el mezclado de la etapa (a) se realiza por una técnica que se selecciona de entre: gel casting, disolución y colada con liberación de partículas, laminación de membranas, separación de fases, liofilización In a preferred embodiment the mixing of step (a) is performed by a technique that is selected from: gel casting, dissolution and casting with particle release, membrane lamination, phase separation, lyophilization
o unión de fibras. or union of fi bers.
Preferiblemente el disolvente empleado en la etapa (a) es cloroformo. Si bien se puede emplear cualquier disolvente orgánico que facilite la dispersión de las partículas de magnesio en la matriz polimérica. Preferably the solvent used in step (a) is chloroform. While any organic solvent that facilitates the dispersion of magnesium particles in the polymer matrix can be used.
Preferiblemente la evaporación del disolvente en la etapa (b) se realiza por agitación orbital. Tras la evaporación se puede obtener un producto laminar que se puede preparar mediante troceado previo al procesado siendo este procesado cualquier método de conformado de polímeros conocidos por cualquier experto en la materia. Preferably evaporation of the solvent in step (b) is performed by orbital agitation. After evaporation a laminar product can be obtained which can be prepared by chopping prior to processing, this method being any polymer forming method known to any person skilled in the art.
En otra realización preferida el procesado de la etapa (c) es un procesado termomecánico de compactación y moldeado. En una realización más preferida el procesado termomecánico de la etapa (c) se realiza a un intervalo de temperaturas de entre 100 y 200ºC. Y en una realización aún más preferida el procesado termomecánico de la etapa In another preferred embodiment the processing of step (c) is a thermomechanical processing of compaction and molding. In a more preferred embodiment the thermomechanical processing of step (c) is performed at a temperature range of between 100 and 200 ° C. And in an even more preferred embodiment the thermomechanical processing of the stage
(c) se realiza a un intervalo de temperaturas de entre 130 y 170ºC. (c) is performed at a temperature range between 130 and 170 ° C.
En un tercer aspecto, la presente invención se refiere al uso del material de la invención, para la fabricación de un implante o dispositivo biomédico. In a third aspect, the present invention relates to the use of the material of the invention, for the manufacture of a biomedical implant or device.
Preferiblemente el implante es para permitir la reparación ósea, como material de osteosíntesis, más preferiblemente cuando las partículas de magnesio tienen un tamaño inferior a 50 μm, o preferiblemente el implante es para la regeneración del tejido óseo en la ingeniería tisular ósea, más preferiblemente las partículas de magnesio tienen un tamaño de entre 50 y 250 μm. Preferably the implant is to allow bone repair, as an osteosynthesis material, more preferably when the magnesium particles are less than 50 μm in size, or preferably the implant is for bone tissue regeneration in bone tissue engineering, more preferably Magnesium particles have a size between 50 and 250 μm.
Al ser un material denso, la posibilidad de que el conjunto polímero/Mg colapse y modifique su arquitectura por efecto de las cargas mecánicas in vivo sería inferior, lo que facilitaría que desempeñara su papel de andamio en tanto se produce la regeneración y vascularización del tejido óseo en la superficie. La utilización de un material completamente biodegradable ofrece ventajas importantes en relación con el uso de aleaciones metálicas convencionales como eliminación del efecto de protección de carga (“stress shielding”) y posibilidad de diagnóstico post-operatorio utilizando campos electromagnéticos. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra “comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Being a dense material, the possibility of the polymer / Mg set collapsing and modifying its architecture due to the effect of mechanical loads in vivo would be lower, which would facilitate it to play its role as scaffold while tissue regeneration and vascularization occurs bone on the surface. The use of a completely biodegradable material offers important advantages in relation to the use of conventional metal alloys such as elimination of the effect of load protection (“stress shielding”) and the possibility of post-operative diagnosis using electromagnetic fields. Throughout the description and the claims the word "comprises" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will be derived partly from the description and partly from the practice of the invention. The following examples and drawings are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting of the present invention.
Descripción de las figuras Description of the fi gures
Fig. 1. Imágenes de microscopía óptica correspondientes a: A) aspecto de las probetas de polímero cargado con Mg; y B) sección transversal de la misma; La imagen C se corresponde con una imagen electrónica de barrido mostrando un detalle de la interfaz polímero/Mg. Fig. 1. Optical microscopy images corresponding to: A) appearance of the Mg-loaded polymer specimens; and B) cross section thereof; Image C corresponds to an electronic scanning image showing a detail of the polymer / Mg interface.
Fig. 2. Variación de la carga en función de la profundidad para el PLA y el PLA/Mg. Fig. 2. Variation of load as a function of depth for PLA and PLA / Mg.
Fig.3. Curva tensión-desplazamiento para el PLA con y sin magnesio. Fig. 3. Voltage-displacement curve for PLA with and without magnesium.
Fig. 4. Viabilidad de células madre mesenquimales humanas cultivadas sobre muestras de PLA/Mg. Los resultados se expresan como porcentaje de la viabilidad celular medida al cabo de 1 día, a la que se asignó un valor arbitrario de Fig. 4. Viability of human mesenchymal stem cells cultured on PLA / Mg samples. The results are expressed as a percentage of the cell viability measured after 1 day, to which an arbitrary value of
100. 100
Ejemplos Examples
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que ponen de manifiesto la especificidad y efectividad del material de la invención y de su procedimiento de obtención para la fabricación de un biomaterial de regeneración ósea. The invention will now be illustrated by tests carried out by the inventors, which show the specificity and effectiveness of the material of the invention and its method for obtaining a bone regeneration biomaterial.
Síntesis del material Material Synthesis
Se ha preparado un material compuesto de ácido poliláctico (PLA) y una fracción en volumen nominal del 30%. La mezcla se ha producido previa disolución del polímero en cloroformo. Una vez disuelto se ha procedido al mezclado con el polvo de Mg, con un tamaño medio de unas 250 micras, y a continuación a la evaporación del disolvente. Las imágenes de la Figura 1 muestran el aspecto del material después de la mezcla (A), y las secciones transversales examinadas en el microscopio óptico (B) y electrónico (C). A composite material of polylactic acid (PLA) and a nominal volume fraction of 30% have been prepared. The mixture has been produced after dissolving the polymer in chloroform. Once dissolved it has been mixed with the Mg powder, with an average size of about 250 microns, and then evaporation of the solvent. The images in Figure 1 show the appearance of the material after mixing (A), and the cross sections examined in the optical (B) and electron microscope (C).
Una vez secado, se ha procedido a su troceado y posterior extrusión a una temperatura de 160ºC. El análisis microestructural pone de manifiesto una distribución homogénea del polvo de Mg. Once dried, it has been chopped and then extruded at a temperature of 160 ° C. The microstructural analysis shows a homogeneous distribution of the Mg powder.
Medida de propiedades del material Measurement of material properties
Las propiedades mecánicas que presentan los polímeros son en general insuficientes para su uso como biomaterial, ya sea para su aplicación como andamio, como material de relleno, etc. Por lo tanto, se hace necesaria la combinación de propiedades mecánicas polímero/metal para incrementar las prestaciones mecánicas que por sí solo el polímero es incapaz de ofrecer, y asemejarlas a las del hueso. The mechanical properties of polymers are generally insufficient for use as a biomaterial, whether for application as scaffolding, as filler material, etc. Therefore, the combination of polymer / metal mechanical properties is necessary to increase the mechanical performance that the polymer alone is unable to offer, and resemble those of the bone.
La caracterización mecánica ha sido efectuada a través de técnicas de indentación instrumentadas, empleando para ello un ultramicroindentador Nanotest 600. El uso de este equipamiento permite medir de forma simultánea la dureza y el módulo elástico del material compuesto usando el modelo de Oliver & Pharr, empleando las siguientes ecuaciones. Mechanical characterization has been carried out through instrumented indentation techniques, using a Nanotest 600 ultramicroindentifier. The use of this equipment allows the hardness and elastic modulus of the composite material to be measured simultaneously using the Oliver & Pharr model, using The following equations.
En la ecuación (1) los parámetros Pmax y Ac representan la carga máxima y el área de contacto proyectada entre el indentador y la muestra, respectivamente. En la ecuación (2), ν y νi,y E y Ei, denotan la relación de Poisson y el módulo de Young de la muestra y de la cabeza del indentador, respectivamente. Er se refiere al valor del módulo de Young reducido correspondiente a la muestra. Las medidas han sido realizadas con una punta de diamante tipo Berkovich. Su módulo de Young (Ei) y los coeficientes de Poisson (νi) son 1141 GPa y 0,07, respectivamente. In equation (1) the parameters Pmax and Ac represent the maximum load and the projected contact area between the indenter and the sample, respectively. In equation (2), ν and νi, and E and Ei, denote Poisson's relationship and Young's modulus of the sample and the indenter's head, respectively. Er refers to the value of the reduced Young's modulus corresponding to the sample. The measurements have been made with a Berkovich type diamond tip. Its Young's modulus (Ei) and Poisson's coefficients (νi) are 1141 GPa and 0.07, respectively.
Los ensayos de indentación han sido efectuados en diferentes muestras de PLA y PLA/Mg empleando en ambos casos cargas de 500 mN, velocidades de deformación en las curvas de carga y descarga de 12,5 nms−1 y 15 s de presión con el valor máximo alcanzado en la curva de carga (500 mN). En la Figura 2 se muestra las curvas carga /descarga para el polímero con y sin magnesio. Tal y como se puede ver en la imagen, las curvas de carga y descarga presentan sustanciales diferencias. Por una parte, la mayor penetración en el caso del PLA pone de manifiesto su menor dureza. Por otra parte, la pendiente correspondiente a la curva de descarga para el material compuesto es mayor que para el caso del polímero, lo que indica que el módulo de Young correspondiente al material compuesto es superior al del polímero. Indentation tests have been carried out on different samples of PLA and PLA / Mg using in both cases loads of 500 mN, deformation speeds in the loading and unloading curves of 12.5 nms − 1 and 15 s of pressure with the value maximum reached in the load curve (500 mN). Figure 2 shows the loading / unloading curves for the polymer with and without magnesium. As you can see in the image, the loading and unloading curves have substantial differences. On the one hand, the greater penetration in the case of the PLA shows its lower hardness. On the other hand, the slope corresponding to the discharge curve for the composite material is greater than in the case of the polymer, which indicates that the Young's modulus corresponding to the composite material is greater than that of the polymer.
En la Tabla 1 se recogen los valores de la dureza (H), del módulo de Young reducido (ER), y del módulo de Young Table 1 shows the values of the hardness (H), the Young's reduced module (ER), and the Young's module
(E) calculado a partir de la ecuación 2 para el polímero con y sin magnesio. ν representa el valor del coeficiente de Poisson utilizado para el calculo del módulo. (E) calculated from equation 2 for the polymer with and without magnesium. ν represents the value of the Poisson coefficient used to calculate the module.
TABLA 1 TABLE 1
Valores de dureza y módulo determinados a partir de medidas de ultramicroindentación Hardness and module values determined from ultra-microindentation measurements
El módulo elástico del PLA depende del grado de polimerización que presentan las cadenas de monómeros. Cabe destacar que con una fracción en volumen de un 30% de Mg prácticamente se triplica el valor del módulo elástico, acercándose al valor correspondiente al hueso cortical. The elastic modulus of the PLA depends on the degree of polymerization of the monomer chains. It should be noted that with a volume fraction of 30% Mg, the value of the elastic modulus almost triples, approaching the value corresponding to the cortical bone.
Los ensayos de compresión ponen de manifiesto un claro aumento de la tensión máxima alcanzada durante el ensayo. En la Figura 3 se puede apreciar como durante el ensayo de compresión el polímero sin magnesio no sufre deformación alguna, presentando por tanto ruptura frágil, sin embargo el polímero reforzado con magnesio manifiesta deformación plástica semejante a la que presentan los metales. En ninguno de los ensayos de compresión efectuados en las muestras de PLA/Mg se alcanzó la rotura, manifestando deformación en barrilete. Compression tests show a clear increase in the maximum tension reached during the test. In Figure 3 it can be seen how during the compression test the polymer without magnesium does not undergo any deformation, thus presenting a fragile rupture, however the magnesium reinforced polymer manifests this plastic deformation similar to that presented by the metals. In none of the compression tests carried out on the PLA / Mg samples, breakage was achieved, showing deformation in the skipjack.
En la Tabla 2 se recogen los valores de limites elástico (σ0) y carga máxima (σmax) registrados en el ensayo de compresión. Table 2 shows the values of elastic limits (σ0) and maximum load (σmax) recorded in the compression test.
TABLA 2 TABLE 2
Valores medios de límite elástico (σ0) y carga máxima (σmax) registrados en el ensayo de compresión Average values of elastic limit (σ0) and maximum load (σmax) recorded in the compression test
Comparando los valores del módulo de Young y de la tensión correspondiente al límite elástico, obtenidos para el polímero reforzado con magnesio con los correspondientes al hueso trabecular, se puede comprobar como el refuerzo con magnesio permite obtener materiales compuestos polímero/metal con propiedades mecánicas semejantes a las del hueso humano, permitiendo de este modo una mejor transferencia de carga entre este material artificial y el tejido óseo. By comparing the values of the Young's modulus and the tension corresponding to the elastic limit, obtained for the polymer reinforced with magnesium with those corresponding to the trabecular bone, it can be verified how the reinforcement with magnesium allows obtaining polymer / metal composite materials with mechanical properties similar to those of the human bone, thus allowing a better load transfer between this arti fi cial material and the bone tissue.
Ensayos de biocompatiblidad Biocompatibility tests
La biocompatibilidad in vitro del polímero reforzado con magnesio se ha ensayado empleando células madre mesenquimales humanas procedentes de médula ósea. Las células se cultivaron hasta 15 días sobre las muestras de PLA/Mg, incubadas previamente en medio de cultivo durante al menos 1 h. Al cabo de estos tiempos de incubación se cuantificó la actividad metabólica, como parámetro asociado a la viabilidad celular, empleando el reactivo comercial AlamarBlueTM. La Figura 4 muestra que la viabilidad celular incrementa con el tiempo de cultivo sobre los materiales compuestos polímero/metal. In vitro biocompatibility of the magnesium reinforced polymer has been tested using human mesenchymal stem cells from bone marrow. The cells were grown for up to 15 days on the PLA / Mg samples, previously incubated in culture medium for at least 1 h. After these incubation times the metabolic activity was quantified, as a parameter associated with cell viability, using the commercial reagent AlamarBlueTM. Figure 4 shows that cell viability increases with the culture time on polymer / metal composites.
Claims (20)
- a. to.
- una matriz polimérica que comprende un polímero biodegradable, y a polymeric matrix comprising a biodegradable polymer, and
- b. b.
- partículas de magnesio. magnesium particles
- 2. 2.
- Material según la reivindicación 1, donde el polímero biodegradable se selecciona de entre policaprolactona, polifumaratos, ácido poliláctico, ácido poliglicólico y cualquiera de sus combinaciones. Material according to claim 1, wherein the biodegradable polymer is selected from polycaprolactone, polyfumarates, polylactic acid, polyglycolic acid and any combination thereof.
- 3. 3.
- Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde el polímero biodegradable es un copolímero formado por al menos ácido poliláctico. Material according to any one of claims 1 or 2, wherein the biodegradable polymer is a copolymer formed by at least polylactic acid.
- 4. Four.
- Material según la reivindicación 3, donde la relación en peso de ácido poliláctico a copolímero es de entre 100:0 a 60:40. Material according to claim 3, wherein the weight ratio of polylactic acid to copolymer is between 100: 0 to 60:40.
- 5. 5.
- Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde las partículas de magnesio tienen un tamaño de entre 50 y 250 μm. Material according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnesium particles have a size between 50 and 250 μm.
- 6. 6.
- Material según cualquiera de las reivindicaciones1a4, donde las partículas de magnesio tienen un tamaño inferior a 50 μm. Material according to any of claims 1-4, wherein the magnesium particles have a size less than 50 μm.
- 7. 7.
- Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el porcentaje en volumen de las partículas de magnesio al respecto del material total es menor o igual al 70%. Material according to any one of claims 1 to 6, wherein the volume percentage of the magnesium particles with respect to the total material is less than or equal to 70%.
- 8. 8.
- Procedimiento de obtención del material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende las etapas: Method of obtaining the material according to any of claims 1 to 7, comprising the steps:
- a. to.
- mezclado del polímero formador de la matriz y de las partículas de magnesio con un disolvente orgánico. mixing the matrix forming polymer and the magnesium particles with an organic solvent.
- b. b.
- evaporación del disolvente orgánico del producto obtenido en la etapa (a), y evaporation of the organic solvent from the product obtained in step (a), and
- c. C.
- procesado del producto obtenido en la etapa (b). processing of the product obtained in step (b).
- 9. 9.
- Procedimiento según la reivindicación 8, donde el mezclado de la etapa (a) se realiza por una técnica que se selecciona de entre: gel casting, disolución y colada con liberación de partículas, laminación de membranas, separación de fases, liofilización o unión de fibras. Method according to claim 8, wherein the mixing of step (a) is carried out by a technique that is selected from: gel casting, dissolution and casting with particle release, membrane lamination, phase separation, lyophilization or bonding of fibers. .
- 10. 10.
- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, donde el disolvente empleado en la etapa (a) es cloroformo. Process according to any of claims 8 or 9, wherein the solvent used in step (a) is chloroform.
- 12. 12.
- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, el procesado de la etapa (c) es un procesado termomecánico de compactación y moldeado. Method according to any of claims 8 to 11, the processing of step (c) is a thermomechanical processing of compaction and molding.
- 13. 13.
- Procedimiento según la reivindicación 12, donde el procesado termomecánico de la etapa (c) se realiza a un intervalo de temperaturas de entre 100ºC y 200ºC. Process according to claim 12, wherein the thermomechanical processing of step (c) is carried out at a temperature range between 100 ° C and 200 ° C.
- 14. 14.
- Procedimiento según la reivindicación 13, donde el procesado termomecánico de la etapa (c) se realiza a un intervalo de temperaturas de entre 130ºC y 170ºC. Method according to claim 13, wherein the thermomechanical processing of step (c) is carried out at a temperature range between 130 ° C and 170 ° C.
- 15. fifteen.
- Uso del material según cualquiera de las reivindicaciones1a7, para la fabricación de un implante o dispositivo biomédico. Use of the material according to any of claims 1-7, for the manufacture of a biomedical implant or device.
- 16. 16.
- Uso del material según la reivindicación 15, donde el implante es para la reparación del tejido óseo como material de osteosíntesis. Use of the material according to claim 15, wherein the implant is for bone tissue repair as osteosynthesis material.
- 17. 17.
- Uso del material según la reivindicación 16, donde las partículas de magnesio tienen un tamaño inferior a 50 μm. Use of the material according to claim 16, wherein the magnesium particles are less than 50 μm in size.
- 18. 18.
- Uso del material según la reivindicación 15, donde el implante es para la regeneración de tejido óseo en ingeniería tisular ósea. Use of the material according to claim 15, wherein the implant is for the regeneration of bone tissue in bone tissue engineering.
- 19. 19.
- Uso del material según la reivindicación 18, donde las partículas de magnesio tienen un tamaño de entre 50 y 250 μm. Use of the material according to claim 18, wherein the magnesium particles are between 50 and 250 μm in size.
- Categoría Category
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected
- X X
- US 2002127265 A1 (BOWMAN et al.) 12.09.2002, 1-3,15,16,18 US 2002127265 A1 (BOWMAN et al.) 12.09.2002, 1-3,15,16,18
- párrafos [0010],[0028]-[0033],[0037]-[0039], reivindicaciones 9,12. paragraphs [0010], [0028] - [0033], [0037] - [0039], claims 9,12.
- X X
- US 2008249638 A1 (ASGARI) 09.10.2008, 1,2,5,6,15-19 US 2008249638 A1 (ASGARI) 09.10.2008, 1,2,5,6,15-19
- párrafos [0002],[0037],[0054]-[0059],[0067],[0077]. paragraphs [0002], [0037], [0054] - [0059], [0067], [0077].
- A TO
- US 2006024377 A1 (YING et al.) 02.02.2006, 1-19 US 2006024377 A1 (YING et al.) 02.02.2006, 1-19
- reivindicaciones 1,4,5,20,72-76. claims 1,4,5,20,72-76.
- A TO
- US 2007191963 A1 (WINTERBOTTOM et al.) 16.08.2007, 1-19 US 2007191963 A1 (WINTERBOTTOM et al.) 16.08.2007, 1-19
- párrafos [0008]-[0011]. paragraphs [0008] - [0011].
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 13.10.2011 Date of completion of the report 13.10.2011
- Examinador N. Vera Gutiérrez Página 1/4 Examiner N. Vera Gutiérrez Page 1/4
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 4, 7-14 1-3, 5, 6, 15-19 SI NO Claims Claims 4, 7-14 1-3, 5, 6, 15-19 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 4, 7-14 1-3, 5, 6, 15-19 SI NO Claims Claims 4, 7-14 1-3, 5, 6, 15-19 IF NOT
- Documento Document
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