Desarrollo de compuestos hidroxiapatita carbonatada tipo-B/quitosano como sustituto óseo con liberación de antibióticos

Abstract

RESUMEN : El enfoque actual en la ingeniería de tejido óseo requiere biomateriales reabsorbibles que promuevan la formación de hueso y conserven al mismo tiempo estabilidad mecánica. Inicialmente, se analizó la influencia de tres niveles de sustitución Tipo B con carbonato en la red de cristalina de la hidroxiapatita, evaluando la resistencia mecánica y la tasa de degradación. Se ha escogido el método de síntesis por vía acuosa inversa para tres polvos con contenidos de carbonato entre 4 y 6% en peso y uno sin sustituir. Se empleó fluorescencia de rayos X (FRX), análisis (C-S), infrarrojo TF, difracción de rayos X, TGA-DTA y MET para investigar la composición química, el tipo de sustitución, el comportamiento térmico y la morfología de los polvos. Se conformaron piezas en forma de disco mediante prensado uniaxial y fueron sinterizadas en flujo de Argón/CO2. Las temperaturas máximas de tratamiento térmico (750, 780 y 850 °C) fueron seleccionadas para obtener niveles de porosidad similares en las diferentes composiciones. El material con mayor sustitución de carbonato (C4-T, 5.3% en peso) presentó mayor resistencia a la compresión y velocidad de disolución que los otros materiales, lo que demuestra el efecto beneficioso de la sustitución de tipo B en materiales para la reparación ósea. En segundo lugar, se fabricaron plataformas de crecimiento celular porosas mezclando polvos de C4 con un 30% en peso de NaCl como agente porogénico. Después de la sinterización es retirado mediante lixiviación en agua, encontrando estructuras con tamaños de poro entre 200-400 µm. Las estructuras porosas disminuyeron su resistencia mecánica aún presentan valores que permitirían tener estabilidad mientras se llevan a cabo los procesos de reabsorción y colonización por células osteoblásticas, propios de un material para injertos óseos. Posteriormente se realizó la infiltración de una solución ácida al 3% peso/volumen de quitosano, un biopolímero que se plantea como una estrategia para que las plataformas puedan ser cargadas con antibiótico y posteriormente liberarlo con el fin de prevenir la adhesión de bacterias. El antibiótico empleado fue sulfato de gentamicina, el cual tiene un efecto de amplio espectro sobre bacterias, la relación empleada fue 1 a 3 (antibiótico/quitosano), encontrando que las plataformas de crecimiento celular cargadas con sulfato de gentamicina liberan durante las primeras 24 h gran parte del antibiótico, lo cual es adecuado para la prevención de adhesión de bacterias y posterior aparición de infecciones postoperatorias. Finalmente, se realizó la evaluación de interacción con células osteoblásticas de las plataformas de crecimiento celular mediante ensayos de citotoxicidad, proliferación y adhesión celular encontrando que la combinación de ion carbonato y estructuras porosas es una excelente alternativa, ya que no generan productos tóxicos, promueven la actividad celular y se convierten en una superficie sobre la cual las células pueden adherirse. De acuerdo, con las características y resultados obtenidos para las plataformas de crecimiento celular de hidroxiapatita tipo B (C4-T)/quitosano cargadas con sulfato de gentamicina, estas pueden convertirse en una gran alternativa para la regeneración ósea con prevención de infecciones postoperatorias comunes como la osteomielitis.

ABSTRACT : The current approach in bone tissue engineering requires resorbable biomaterials that enhance bone formation while maintaining sufficient mechanical stability. First, the influence of three levels of B-type carbonate substitution in hydroxyapatite lattice on mechanical strength and degradation rate is analyzed. The inverse aqueous route has been selected as a synthesis method of three powders with carbonate substitution between 4 and 6 wt.% and other one unsubstituted. X-ray fluorescence (XRF), (C-S)-Analysis, FT-Infrared, X-ray diffraction, DTA-TG and TEM were used to investigate chemical composition, type of substitution, thermal behavior, and morphology of the powders. Disc shaped specimens were processed by uniaxial pressing and sintering in argon/CO2 flow. Maximum temperatures of thermal treatment of 750, 780 and 850° C were selected to obtain similar porosity levels for the different compositions. The highest carbonate substituted material (C4-T, 5.3 wt.%) presented higher compressive strength and dissolution rate than the other materials showing the beneficial effect of B-type substitution in materials for bone repair. Secondly, porous cell growth platforms were fabricated using C4 powders with 30% wt. NaCl as a porogen agent. After sintering, the NaCl was leached in water, resulting in structures with pore sizes ranging from 200 to 400 µm. Despite a reduction in mechanical resistance, these platforms exhibited values conducive to stability during the processes of resorption and colonization by osteoblastic cells, characteristics typical of materials for bone grafts. Subsequently, an acid solution of chitosan (3% wt./vol) was infiltrated—a biopolymer proposed as a strategy for loading the platforms with antibiotics, specifically gentamicin sulfate, to prevent bacterial adhesion. The antibiotic/chitosan ratio employed was 1:3, and it was observed that the cell growth platforms loaded with gentamicin sulfate released a significant amount of the antibiotic within the initial 24 hours. This release profile is advantageous for preventing bacterial adhesion and the subsequent onset of postoperative infections. In conclusion, the interaction assessment with osteoblastic cells was performed for the cell growth platforms through cytotoxicity, proliferation, and cell adhesion assays. The findings indicate that the combination of carbonate ions and porous structures serves as an excellent alternative, as they do not generate toxic by-products, promote cellular activity, and provide a surface for cell adhesion. According to the characteristics and results obtained for the hydroxyapatite type B (C4-T)/chitosan cell growth platforms loaded with gentamicin sulfate; these platforms could emerge as a promising alternative for bone regeneration with the prevention of common postoperative infections such as osteomyelitis.