New developments in calcium phosphate bone cements: approaching spinal applications
- Autores: María Daniela Vlad
- Directores de la Tesis: E. Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2009
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge Alcalá Cabrelles (presid.), Josep López López (secret.), Luis Álvarez Galovich (voc.), María Vallet-Regí (voc.), María Luisa Mariñoso Barba (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
La presente tesis doctoral (i.e., “New developments in calcium phosphate bone cements: approaching spinal applications”) aporta nuevos conocimientos en el campo de los cementos óseos de fosfato de calcio (CPBCs) en relación a su aplicación clínica en el campo de la cirugía vertebral mínimamente invasiva. La hipótesis central de esta investigación fue formulada en los siguientes términos: “Los cementos apatíticos pueden ser (si se optimizan) una alternativa mejor (debido a sus propiedades de fraguado, endurecimiento y bioactividad) a los actuales cementos poliméricos utilizados en vertebroplastia y cifoplastia”. En este sentido, la presente tesis doctoral ha investigado nuevas soluciones para obtener cementos apatíticos con: (a) mejores propiedades mecánicas (Cap. 2); (b) capacidad para desarrollar macroporosidad abierta e interconectada (Cap. 3); (c) mejor estabilidad y reactividad química (Cap. 4 & 5); (d) óptimas propiedades de biocompatibilidad y osteogénicas (Cap. 6, 7 & 8); y (e) mejores propiedades de inyectabilidad (Cap. 7). Además, en esta tesis se ha investigado la aplicación de los ultrasonidos a la monitorización del fraguado inicial de cementos de base cerámica con el objetivo de relacionar la evolución de las propiedades acústicas con las características de inyectabilidad de estos cementos (Cap. 9 &10). El Capítulo 2 muestra que las propiedades mecánicas, de trabajabilidad y de fluidez de los cementos apatiticos pueden mejorarse con la adición de superplastificantes en la fase líquida de los cementos. Los resultados muestran que estos aditivos pueden mejorar la inyectabilidad inicial de los cementos sin afectar a su resistencia mecánica final. El Capítulo 3 muestra que la adición de cristales de sulfato de calcio dihidratado (CSD) a la fase en polvo de un cemento de base alfa-fosfato tricálcico (?-TCP) puede modular la formación de macroporosidad durante su fraguado. Las propiedades resultantes del fraguado de estos nuevos cementos bifásicos son debidas a la disolución del ?-TCP y a la precipitación de una matriz de cristales entrecruzados de hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA) que contiene porosidad homogéneamente distribuida gracias a la disolución pasiva de la fase de CSD. Estos cementos bifásicos mostraron resistencias mecánicas adecuadas para la aplicación en hueso trabecular. El Capítulo 4 trata sobre la problemática del proceso de fabricación de la fase reactiva principal de los cementos apatíticos, i.e. del ?-TCP (?- Ca3(PO4)2). Los resultados muestran que si la relación calcio-fosforo (Ca/P) de la mezcla reactiva inicial se desvía de la relación estequiométrica Ca/P=1.50 entonces los cementos resultantes poseen malas propiedades de fraguado y de endurecimiento. Estas desviaciones ocurren fácilmente durante el proceso de sinterización del ?-TCP cuando los reactivos de mezcla utilizados varían su pureza de un lote a otro. En estos casos el ?- TCP obtenido produce cementos no-reactivos, i.e. que no fraguan ni endurecen. El Capítulo 5 plantea nuevas soluciones para controlar y mejorar la reactividad química del ?-TCP. En este sentido, se han estudiado nuevas soluciones sólidas sinterizadas del tipo (3.CaO-1.P2O5)1-x(FeO)x con el objetivo de reemplazar al reactivo ?-TCP en las actuales formulaciones de CPBCs. Los resultados muestran que la modificación del ?-TCP con hierro permite recuperar la reactividad química de cementos no-reactivos de base ?-TCP con una mejora adicional de las propiedades de fraguado y reológicas de los cementos resultantes. El Capítulo 6 centra su atención sobre la citocompatibilidad de las nuevas formulaciones de cementos (investigadas en los Caps. 3-5). Los resultados mostraron que los nuevos cementos de fosfato de calcio modificados con hierro (IM-CPCs) poseen características apropiadas de citocompatibilidad ya que la adhesión y la viabilidad celular no fueron afectadas con el tiempo de cultivo por la concentración de hierro. El Capítulo 7 hace referencia a nuevas aproximaciones para mejorar la inyectabilidad de los cementos óseos de base ?-TCP. Los resultados demostraron que la adición de nanopartículas de óxido de hierro en la fase en polvo de un cemento de base ?-TCP mejora la inyectabilidad inicial y también la resistencia máxima a compresión del cemento sin afectar a sus reacciones físico-químicas de fraguado ni a su citocompatibilidad. El Capítulo 8 se centra sobre el carácter de citocompatibilidad, biocompatibilidad y osteogénico de los nuevos cementos bifásicos porosos/modificados con hierro (estudiados en los Caps. 3-7). Los resultados demostraron que los cementos bifásicos formulados a base de CSD y ?-TCP modificado con hierro poseen la habilidad de favorecer la colonización celular in vitro y proporcionan aposición ósea firme in vivo. Se concluye que estas nuevas formulaciones tienen características de cito- y biocompatibilidad de interés como biomaterial para la sustitución/reconstrucción del tejido óseo esponjoso en aplicaciones de cirugía vertebral tales como la vertebroplastia o la cifoplastia. En el Capítulo 9 y en el Capítulo 10 se aproximan los ultrasonidos como una técnica fiable para caracterizar las propiedades iniciales de fraguado de materiales de tipo cemento. Esta técnica no-destructiva permite monitorizar el fraguado del cemento en su totalidad. Los resultados obtenidos relacionan las propiedades acústicas y de material con factores experimentales del proceso de fabricación y con características reológicas. Se concluye que la monitorización ultrasónica del fraguado de cementos óseos puede contribuir a establecer protocolos prácticos adecuados para su inyección mediante técnicas de cirugía mínimamente invasivas en cirugía vertebral. Finalmente, el Capítulo 11 presenta un resumen de los resultados más relevantes de esta investigación.
