Un nuevo biovidrio disminuye el riesgo de fallas en implantes de titanio

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Agência FAPESP* –Por Elton Alisson
Agência FAPESP – Científicos del Departamento de Ingeniería de Materiales de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en el interior de São Paulo, Brasil, desarrollaron un nuevo vidrio con propiedades bioactivas (biovidrio) que, al depositárselo sobre la superficie de implantes dentales y ortopédicos fabricados con titanio, disminuye el riesgo de fallas causadas por infecciones bacterianas y acelera el proceso de unión de esas prótesis metálicas con el tejido óseo (osteointegración).
El nuevo material y el proceso de su deposición sobre la superficie de implantes, desarrollado en el ámbito del Centro de Enseñanza, Investigación e Innovación en Vidrios (CeRTEV) –uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs), financiados por la FAPESP, han sido patentados y han suscitado el interés de empresas de Brasil y del exterior.
“Realizamos pruebas in vivo [en animales] y los resultados indicaron que la etapa inicial de osteointegración de implantes dentales con la superficie cubierta por el nuevo biovidrio fue hasta una vez y media más rápida en comparación con los implantes sin la superficie cubierta con este material”, dijo Clever Ricardo Chinaglia, posdoctorando en el Departamento de Ingeniería de Materiales del Centro de Ciencias Exactas y Tecnología de la UFSCar, con Beca de la FAPESP, y participante en el proyecto.
De acuerdo con Chinaglia, el nuevo material, denominado informalmente F18, está compuesto por sílice, calcio, sodio, potasio, magnesio y fósforo, y reúne propiedades que le confieren capacidad para acelerar la formación de tejido óseo (osteoinductora), controlar inflamaciones (antiinflamatoria) y facilitar la formación de vasos sanguíneos (angiogénica), halladas en determinados organismos vivos, como el ser humano, por ejemplo.
Una de las principales diferencias de este material con relación al 45S5 –el primer biovidrio desarrollado en el mundo, en la década de 1960– y otros vidrios bioactivos creados posteriormente, radica en que el F18 posee algunos elementos químicos que impiden su cristalización y lo vuelven capaz de eliminar bacterias (bactericida). La mayoría de los biovidrios existentes actualmente tan sólo detienen la proliferación de determinados tipos de bacterias (son bacteriostáticos).
Debido a que no se cristaliza fácilmente, este material puede obtenerse en forma de fibras largas y flexibles (fibras bioactivas) –que, según los investigadores, son las únicas fibras de biovidrio existentes en el mundo– aparte de otras formas complejas tridimensionales (3D).
Asimismo, también es posible molerlo y obtener partículas con una granulometría del orden de los micrones o submicrones (milésimas de milímetros), que pueden fijarse a la superficie de implantes de titanio para ser biofuncionalizado, es decir, para conferirle funciones bioactivas que se hallan presentes tan sólo en determinados organismos vivos, tales como la capacidad de inducir la formación de tejido óseo y de vasos sanguíneos.
Al implantarse las partículas de biovidrio en la superficie de las prótesis de titanio, éstas empiezan a disolverse y a liberar iones importantes para a osteointegración, y desaparecen totalmente al cabo de los estadios iniciales del proceso –que duran de 7 a 10 días–, explicó Chinaglia.
Aparte de acelerar el proceso de osteointegración, al ser bactericida, el nuevo material también impide la fijación de bacterias sobre la superficie de los implantes, con lo cual disminuye la formación de biofilme –una estructura compleja creada por las bacterias, de difícil control y tratamiento– y se genera un ambiente en el lugar de la colocación del implante exento de estos microorganismos, detalló.
“Un proceso infeccioso ocasionado por bacterias puede causar cambios en el pH, en la temperatura y en las condiciones de cicatrización, y perjudicar de este modo el proceso de osteointegración. Por eso la presencia de un agente bactericida en esa fase inicial del proceso es sumamente importante”, declaró Chinaglia a Agência FAPESP.
Biofuncionalización
Para depositar las partículas del nuevo biovidrio sobre la superficie de implantes y biofuncionalizarlos, los científicos también crearon una técnica con la cual, inicialmente, se dispersan las partículas del material en geles específicos.
Luego se aplican estos geles con las partículas dispersas sobre la superficie de implantes, y así se genera una superficie con un determinado patrón de tamaño y de distribución de las mismas.
Al calentárselas mediante diferentes métodos, las partículas fluyen sin cristalizarse y se adhieren en algunas regiones de la superficie del implante.
“Los procesos de deposición generan una capa discontinua de biovidrio sobre la superficie de un implante, formando islas de este material que hacen posible que algunas áreas de la superficie del implante queden cubiertas por el biovidrio y otras no”, explicó Chinaglia.
El área cubierta con el biomaterial ayuda a estimular la formación del nuevo tejido óseo e impedir la fijación de bacterias en la superficie del implante durante la etapa inicial de osteointegración, detalló Chinaglia.
“La partículas del biovidrio que desarrollamos tienen una solubilidad mayor que el 45S5 y que otros vidrios bioactivos. Se empiezan a disolver durante los primeros instantes después de la implantación y quedan totalmente disueltas al final del proceso de osteointegración”, dijo el investigador.
“Esto evita también problemas de inestabilidad en la interfaz entre el metal y el material cerámico, la fuente más común de fallas en los implantes recubiertos con hidroxiapatita [un mineral a base fosfato de calcio]”, explicó.
El titanio y el vidrio poseen diferentes propiedades mecánicas y térmicas, que normalmente impiden la compatibilización entre ambos materiales.
Por eso los intentos de combinarlos para la fabricación de implantes dentales y ortopédicos realizados durante las últimas décadas fracasaron, dijo Chinaglia.
“Fue por esas razones que el intento realizado hace 20 años para cubrir la superficie de implantes dentales con una capa de hidroxiapatita fracasó. También por eso es que aún no existe en el mercado un implante metálico con una capa de material cerámico con la función de acelerar la osteointegración”, explicó.
“Probamos implantes dentales de titanio biofuncionalizados con el biovidrio en animales y no hallamos ningún resto del material en su superficie al cabo del proceso de osteointegración, lo que muestra que el material se reabsorbe totalmente”, afirmó.
Según Chinaglia, los análisis histomorfométricos [de cuantificación de estructuras óseas] demostraron también que la formación ósea sobre los implantes recubiertos durante las primeras dos semanas es una vez y media más rápida que en los implantes no recubiertos.
Comercialización
Los científicos pretenden ahora comenzar los ensayos clínicos [con humanos], y algunas empresas interesadas en la tecnología –dos estadounidenses y dos brasileñas– pretenden financiarlos. Los investigadores fundaron la spin-off Vetra, que es titular de las licencias de las patentes derivadas del nuevo material y del nuevo proceso de deposición.
La idea es que la empresa produzca y recubra la superficie de los implantes dentales y ortopédicos elaborados en titanio que fabrican las industrias del sector, explicó Chinaglia.
“El modelo de negocio que pensamos se basa en la provisión no del producto final sino del biovidrio y de su proceso de deposición sobre la superficie de los implantes”, afirmó.
Los científicos también vislumbran la posibilidad de emplear fibras obtenidas a partir del nuevo material para desarrollar membranas que se utilizan en el área de Odontología, para la regeneración de tejidos óseos y la contención de injertos.
“La composición de este nuevo biovidrio y su dificultad para cristalizarse abren una gama muy grande de posibilidades de procesamiento, hasta ahora impensadas en el área”, dijo Edgar Dutra Zanotto, docente del Departamento de Ingeniería de Materiales del Centro de Ciencias Exactas y Tecnología de la UFSCar, y coordinador del CeRTEV.
Otro producto que los científicos desarrollaron y patentaron es una estructura sumamente porosa (scaffold) para injertos óseos.
“El injerto óseo más utilizado en el mercado actualmente se elabora con partículas inorgánicas de hidroxiapatita. Un injerto con biovidrio únicamente, o combinado con otros materiales, sería mucho más eficaz en el proceso de regeneración tisular”, comparó Chinaglia.
El investigador fue uno de los conferencistas en el coloquio intitulado "Research excellence in a globalised world – Experiences and challenges from a Brazilian-German perspective", organizado entre los días 26 y 28 de febrero por la Fundación Alexander von Humboldt en São Paulo.
Dicho evento es uno de los dos grandes coloquios que la fundación con sede en la ciudad de Bonn, Alemania, realiza fuera del país germánico en 2015. El otro se concretará en noviembre en Corea del Sur.

<p><b>Por Elton Alisson</b></p>
<p><b>Agência FAPESP</b> – Científicos del Departamento de Ingeniería de Materiales de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en el interior de São Paulo, Brasil, desarrollaron un nuevo vidrio con propiedades bioactivas (biovidrio) que, al depositárselo sobre la superficie de implantes dentales y ortopédicos fabricados con titanio, disminuye el riesgo de fallas causadas por infecciones bacterianas y acelera el proceso de unión de esas prótesis metálicas con el tejido óseo (osteointegración).</p>
<p>El nuevo material y el proceso de su deposición sobre la superficie de implantes, desarrollado en el ámbito del <b><a href="http://cepid.fapesp.br/centro/16/" target="_blank">Centro de Enseñanza, Investigación e Innovación en Vidrios</a></b> (CeRTEV) –uno de los <b><a href="http://cepid.fapesp.br/home/" target="_blank">Centros de Investigación, Innovación y Difusión</a></b> (CEPIDs), financiados por la FAPESP, han sido patentados y han suscitado el interés de empresas de Brasil y del exterior.</p>
<p>“Realizamos pruebas <i>in vivo</i> [<i>en animales</i>] y los resultados indicaron que la etapa inicial de osteointegración de implantes dentales con la superficie cubierta por el nuevo biovidrio fue hasta una vez y media más rápida en comparación con los implantes sin la superficie cubierta con este material”, dijo Clever Ricardo Chinaglia, posdoctorando en el Departamento de Ingeniería de Materiales del Centro de Ciencias Exactas y Tecnología de la UFSCar, con <b><a href="http://www.bv.fapesp.br/pt/bolsas/143636/desenvolvimento-de-superficies-de-titanio-com-atividade-antibacteriana-via-aplicacao-de-camada-de-um/" target="_blank">Beca de la FAPESP</a></b>, y participante en el proyecto.</p>
<p>De acuerdo con Chinaglia, el nuevo material, denominado informalmente F18, está compuesto por sílice, calcio, sodio, potasio, magnesio y fósforo, y reúne propiedades que le confieren capacidad para acelerar la formación de tejido óseo (osteoinductora), controlar inflamaciones (antiinflamatoria) y facilitar la formación de vasos sanguíneos (angiogénica), halladas en determinados organismos vivos, como el ser humano, por ejemplo.</p>
<p>Una de las principales diferencias de este material con relación al 45S5 –el primer biovidrio desarrollado en el mundo, en la década de 1960– y otros vidrios bioactivos creados posteriormente, radica en que el F18 posee algunos elementos químicos que impiden su cristalización y lo vuelven capaz de eliminar bacterias (bactericida). La mayoría de los biovidrios existentes actualmente tan sólo detienen la proliferación de determinados tipos de bacterias (son bacteriostáticos).</p>
<p>Debido a que no se cristaliza fácilmente, este material puede obtenerse en forma de fibras largas y flexibles (fibras bioactivas) –que, según los investigadores, son las únicas fibras de biovidrio existentes en el mundo– aparte de otras formas complejas tridimensionales (3D).</p>
<p>Asimismo, también es posible molerlo y obtener partículas con una granulometría del orden de los micrones o submicrones (milésimas de milímetros), que pueden fijarse a la superficie de implantes de titanio para ser biofuncionalizado, es decir, para conferirle funciones bioactivas que se hallan presentes tan sólo en determinados organismos vivos, tales como la capacidad de inducir la formación de tejido óseo y de vasos sanguíneos.</p>
<p>Al implantarse las partículas de biovidrio en la superficie de las prótesis de titanio, éstas empiezan a disolverse y a liberar iones importantes para a osteointegración, y desaparecen totalmente al cabo de los estadios iniciales del proceso –que duran de 7 a 10 días–, explicó Chinaglia.</p>
<p>Aparte de acelerar el proceso de osteointegración, al ser bactericida, el nuevo material también impide la fijación de bacterias sobre la superficie de los implantes, con lo cual disminuye la formación de biofilme –una estructura compleja creada por las bacterias, de difícil control y tratamiento– y se genera un ambiente en el lugar de la colocación del implante exento de estos microorganismos, detalló.</p>
<p>“Un proceso infeccioso ocasionado por bacterias puede causar cambios en el pH, en la temperatura y en las condiciones de cicatrización, y perjudicar de este modo el proceso de osteointegración. Por eso la presencia de un agente bactericida en esa fase inicial del proceso es sumamente importante”, declaró Chinaglia a <b>Agência FAPESP</b>.</p>
<p><b>Biofuncionalización</b></p>
<p>Para depositar las partículas del nuevo biovidrio sobre la superficie de implantes y biofuncionalizarlos, los científicos también crearon una técnica con la cual, inicialmente, se dispersan las partículas del material en geles específicos.</p>
<p>Luego se aplican estos geles con las partículas dispersas sobre la superficie de implantes, y así se genera una superficie con un determinado patrón de tamaño y de distribución de las mismas.</p>
<p>Al calentárselas mediante diferentes métodos, las partículas fluyen sin cristalizarse y se adhieren en algunas regiones de la superficie del implante.</p>
<p>“Los procesos de deposición generan una capa discontinua de biovidrio sobre la superficie de un implante, formando islas de este material que hacen posible que algunas áreas de la superficie del implante queden cubiertas por el biovidrio y otras no”, explicó Chinaglia.</p>
<p>El área cubierta con el biomaterial ayuda a estimular la formación del nuevo tejido óseo e impedir la fijación de bacterias en la superficie del implante durante la etapa inicial de osteointegración, detalló Chinaglia.</p>
<p>“La partículas del biovidrio que desarrollamos tienen una solubilidad mayor que el 45S5 y que otros vidrios bioactivos. Se empiezan a disolver durante los primeros instantes después de la implantación y quedan totalmente disueltas al final del proceso de osteointegración”, dijo el investigador.</p>
<p>“Esto evita también problemas de inestabilidad en la interfaz entre el metal y el material cerámico, la fuente más común de fallas en los implantes recubiertos con hidroxiapatita [<i>un mineral a base fosfato de calcio</i>]”, explicó.</p>
<p>El titanio y el vidrio poseen diferentes propiedades mecánicas y térmicas, que normalmente impiden la compatibilización entre ambos materiales.</p>
<p>Por eso los intentos de combinarlos para la fabricación de implantes dentales y ortopédicos realizados durante las últimas décadas fracasaron, dijo Chinaglia.</p>
<p>“Fue por esas razones que el intento realizado hace 20 años para cubrir la superficie de implantes dentales con una capa de hidroxiapatita fracasó. También por eso es que aún no existe en el mercado un implante metálico con una capa de material cerámico con la función de acelerar la osteointegración”, explicó.</p>
<p>“Probamos implantes dentales de titanio biofuncionalizados con el biovidrio en animales y no hallamos ningún resto del material en su superficie al cabo del proceso de osteointegración, lo que muestra que el material se reabsorbe totalmente”, afirmó.</p>
<p>Según Chinaglia, los análisis histomorfométricos [<i>de cuantificación de estructuras óseas</i>] demostraron también que la formación ósea sobre los implantes recubiertos durante las primeras dos semanas es una vez y media más rápida que en los implantes no recubiertos.</p>
<p><b>Comercialización</b></p>
<p>Los científicos pretenden ahora comenzar los ensayos clínicos [<i>con humanos</i>], y algunas empresas interesadas en la tecnología –dos estadounidenses y dos brasileñas– pretenden financiarlos. Los investigadores fundaron la <i>spin-off </i>Vetra, que es titular de las licencias de las patentes derivadas del nuevo material y del nuevo proceso de deposición.</p>
<p>La idea es que la empresa produzca y recubra la superficie de los implantes dentales y ortopédicos elaborados en titanio que fabrican las industrias del sector, explicó Chinaglia.</p>
<p>“El modelo de negocio que pensamos se basa en la provisión no del producto final sino del biovidrio y de su proceso de deposición sobre la superficie de los implantes”, afirmó.</p>
<p>Los científicos también vislumbran la posibilidad de emplear fibras obtenidas a partir del nuevo material para desarrollar membranas que se utilizan en el área de Odontología, para la regeneración de tejidos óseos y la contención de injertos.</p>
<p>“La composición de este nuevo biovidrio y su dificultad para cristalizarse abren una gama muy grande de posibilidades de procesamiento, hasta ahora impensadas en el área”, dijo Edgar Dutra Zanotto, docente del Departamento de Ingeniería de Materiales del Centro de Ciencias Exactas y Tecnología de la UFSCar, y coordinador del CeRTEV.</p>
<p>Otro producto que los científicos desarrollaron y patentaron es una estructura sumamente porosa (<i>scaffold</i>) para injertos óseos.</p>
<p>“El injerto óseo más utilizado en el mercado actualmente se elabora con partículas inorgánicas de hidroxiapatita. Un injerto con biovidrio únicamente, o combinado con otros materiales, sería mucho más eficaz en el proceso de regeneración tisular”, comparó Chinaglia.</p>
<p>El investigador fue uno de los conferencistas en el coloquio intitulado "Research excellence in a globalised world – Experiences and challenges from a Brazilian-German perspective", organizado entre los días 26 y 28 de febrero por la Fundación Alexander von Humboldt en São Paulo.</p>
<p>Dicho evento es uno de los dos grandes coloquios que la fundación con sede en la ciudad de Bonn, Alemania, realiza fuera del país germánico en 2015. El otro se concretará en noviembre en Corea del Sur.</p>
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