DESEMPEÑO DEL CRECIMIENTO INTERNO ÓSEO DE CERÁMICA DE FOSFATO CÁLCICO BIFÁSICO CONTRA SUSTITUTO ÓSEO BOVINO

G. Daculsi1, P. Corre1, O. Malard1, R. Legeros2, E. Goyenvalle1.

1UMR S INSERM Investigación de ingeniería de tejido osteoarticular y dental, Universidad de Nantes, Francia. 2Laboratorio de Investigación de Fosfato Cálcico del Colegio de Odontología de la Universidad de Nueva York.

Palabras Clave: Biocerámica de fosfato cálcico bifásico, xenoinjertos, hueso bovino, modelo animal.

Sumario: La biocerámica de fosfato cálcico y el xenoinjerto de hueso bovino con o sin sinterización son más o menos utilizados en la ortopedia o cirugía maxilofacial. En este estudio compararemos, en un modelo de epífisis femoral en rata después de 3 semanas de implantación, el crecimiento interno óseo a costa de gránulos del mismo tamaño de MBCP® de fosfato cálcico bifásico micro macroporoso, hueso bovino sinterizado y BioOss no sinterizado.

INTRODUCCIÓN

La cerámica de fosfato cálcico actualmente se utiliza principalmente en la ortopedia como relleno de cavidad ósea [1-2]. El fosfato cálcico continúa siendo la mayor familia de sustitutos de injerto óseo utilizada en el mundo para aplicaciones espinales y ortopédicas, mientras que en odontología (periodoncia, implantología) su uso compite con el uso de xenoinjertos de origen bovino, como BioOss [3].

Para implantología, es necesario tener suficiente hueso, con buenas propiedades arquitectónicas para soportar el implante dental. Los cirujanos utilizaron autoinjertos, particularmente hueso cortical denso en lugar de hueso esponjoso altamente reabsorbible, a pesar del problema encontrado en autoinjertos. Para suplir el rechazo del paciente de autoinjertos craneales, los sustitutos óseos de origen sintético o bovino son cada vez más utilizados por los cirujanos. El principal atractivo de los materiales de injerto óseo bioactivos, tales como cerámica de BCP, son su capacidad de formar un fuerte enlace directo con el hueso receptor, lo que resulta en una sólida interfaz comparado con materiales bioinertes o biotolerantes, que forman una interfaz fibrosa [4].

La formación de esta interfaz dinámica resulta de una secuencia de eventos que incluyen la interacción con células; la formación de CHA de hidroxiapatita (similar al mineral óseo) mediante procesos de disolución/precipitación. En aloinjertos o xenoinjertos bovinos, dicho enlace óseo nunca fue observado, ni se han publicado estudios comparativos sobre el crecimiento interno óseo cinético a expensas de estos biomateriales. El propósito de este estudio fue el de comparar la naturaleza química, la estructura y el desempeño biológico en términos de reabsorción y crecimiento interno óseo a expensas del implante.

MATERIALES Y MÉTODO

Todos los implantes fueron gránulos de 0.5 a 1mm de diámetro. Los materiales fueron:

  • Fosfato Cálcico Bifásico MBCP® Biphasic Calcium Phosphate constituido con una porosidad total del 70% y 60/40 Hidroxiapatita HA/Fosfato Tricálcico Beta β-TCP (Biomatlante France). La porosidad total consistió de un 65% de macroporos (tamaño promedio 400 micrones) y 35% de microporos (menos de 10 micrones)
  • BioOss™ Gránulos óseos Bovinos Anorgánicos, no sinterizados, 60% porosos (Geistlich). Se utilizaron los dos tipos de gránulos de origen esponjoso o cortical.
  • BoneAp. Hueso Bovino Anorgánico, alta temperatura, 60% sinterizado, HA altamente cristalino (Legeros New York).

Se crearon orificios perforados de 3 mm en epífisis femoral de ratas y se rellenaron con los gránulos sin la adición de sangre o médula ósea. Tres semanas posteriores a la implantación, todos los animales fueron sacrificados.

El área implantada fue removida y se fijó en una solución neutral de formalina. Las muestras fueron procesadas en tomografías de rayos X en 3D (microscanner SkyScann), y luego incrustadas para pruebas de histología (sin tinción para microscopía de luz polarizada; otras fueron tintadas con pentacromo Movats) y se realizó un análisis de imagen cuantitativo mediante microscopía electrónica de barrido SEM utilizando un detector de electrones retro dispersados. Se evaluó el crecimiento interno óseo y la reabsorción de partículas en la cavidad.

RESULTADOS

Las características de 3 de los materiales se resumen en la siguiente tabla:

MBCP® BonAp BioOss
Fig. 1 y 4Fig. 2 y 5Fig. 3, 6a y 6b
Naturaleza químicaHA 60%//TCP 40%HA 100%No estequiométrica HA
Tamaño del cristal0.5-1μm1μm<0.5μm
Microporosidad35%< 10μm
Macroporosidad65%60-70%
Porosidad total70%70%60%

El tamaño de cristales es completamente distinto entre materiales sinterizados (MBCP® y BonAp) y material no sinterizado como el xenoinjerto BioOss. Entre mayor sea la temperatura de la sinterización, mayor será el tamaño del cristal y el grado de cristalización (figs. 1, 2 y 3).

Fig. 1: MBCP® observado en SEM muestra microporos y tamaño del cristal.

Fig. 2: BonApobservado en SEM muestra microporos y tamaño del cristal.

Fig. 3: BioOss partículas esponjosas.

Tanto el tejido esponjoso de los gránulos de BioOss como de BonAp son más densos sin macroporos (figs. 4, 5, 6a y 6b) que los gránulos de MBCP® del mismo tamaño.

Fig. 4: MBCP® gránulos.

Fig. 5: BonApgranos de hueso bovino sinterizado.

Fig. 6: a, BioOss esponjoso

Fig. 6: b, cortical.

En microscopía óptica de secciones delgadas teñidas, los 4 tipos de partículas mostraron respuestas de células derivadas del sitio de implantación. Estos materiales permiten la adhesión celular, proliferación y expresión osteogénica sin señas de reacción de organismos extraños. Se observaron algunos macrófagos de células gigantes multinucleadas o células tipo osteoclásticas. La examinación por microscopía óptica mostró crecimiento interno óseo con osteoblastos y formación osteoide u ósea entre y sobre la superficie de los gránulos residuales. Se observó una mayor cantidad de células gigantes en partículas de BioOss (tanto esponjosas como corticales).

Se observó cantidad de crecimiento óseo con fibras mineralizadas de colágeno bien organizadas observadas mediante microscopía óptica polarizada en el grupo MBCP® y Bonap. En BioOss, los gránulos se observaron más comprimidos, con menos espacio entre gránulos y formación muy limitada de hueso recién formado en la superficie y entre los gránulos. No obstante, la cantidad de reabsorción es muy limitada para todos los sustitutos de hueso bovino, tanto sinterizados (BonAp) como no sinterizados (partículas esponjosas y corticales BioOss) a pesar de mostrar evidencia de una mayor cantidad de células macrófagas en BioOss. Por el contrario, la biodegradación del MBCP® se asocia con el crecimiento interno óseo en numerosas trabéculas óseas entre los gránulos y la superficie de los materiales residuales. Las observaciones de SEM utilizando BSE confirman el crecimiento interno y un contacto cercano (ósea coalescencia) entre el hueso recién formado y los implantes de partículas.

Fig. 7: MBCP®, microscopía de luz polarizada.
Fig. 8: BonAp, microscopía de luz polarizada.
Fig. 9: BioOss esponjosa, microscopía de luz polarizada.
Fig. 10: BioOss cortical, microscopía de luz polarizada.

El cálculo por imagen del crecimiento óseo y reabsorción de partículas de implante se resume en la siguiente tabla.

MBCP® BonApBioOssControl
% hueso recién formado23%13%14%25%
% partículas de implantes35%48%51%
Total de tejido mineralizado58%61%65%25%
Total de tejido suave42%39%35%75%

El microscanner reveló que la arquitectura ósea de crecimiento interno de hueso fisiológico en todas las muestras resultó más difícil en sustituto de hueso bovino no sinterizado para diferenciar el hueso receptor y el implante óseo.

DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN

El desarrollo de cerámica de fosfato cálcico y otros biomateriales relacionados para injerto óseo involucraron un mayor control del proceso de reabsorción de biomateriales y sustitución ósea. Los materiales de injerto óseo sintético están disponibles como alternativas al hueso autógeno para reparación, sustitución o aumento. Los biomateriales sintéticos incluyen esencialmente cerámica de cristal especial descritas como cristal bioactivo; fosfatos cálcicos (hidroxiapatita cálcica, HA; fosfato tricálcico, TCP; fosfato cálcico bifásico, BCP). La otra familia de sustitutos son Xenoinjertos. El hueso de xenoinjerto pudo ser procesado para garantizar la seguridad de su trasplante en receptor humano [5]. El Xenoinjerto tiene los mismos problemas intrínsecos que los aloinjertos, y siendo de una especie distinta, podría causar problemas inmunológicos aún más acentuados. Los materiales de aloinjerto humano son considerados efectivos y más ampliamente disponibles en comparación con xenoinjertos en el presente [6]. Por estas razones, el futuro será más enfocado en el uso de sustituto de óseo sintético.

Los resultados de este estudio comparativo confirman las propiedades osteoconductivas de ambos sustitutos óseos. No obstante, el crecimiento interno óseo cinético fue mayor para componentes de fosfato cálcico micro macroporoso sintéticos debido a una mayor reabsorción y nuevo tejido óseo formado a expensas de la reabsorción. El hueso bovino sintético reveló, a pesar de sus limitados modelos animales, una baja formación ósea en contacto cercano con la superficie, probablemente debido a un alto contenido cristalino y una naturaleza química de hidroxiapatita. Para hueso bovino no sinterizado, a pesar de su naturaleza microcristalina, la reabsorción y crecimiento interno óseo aún limitados, parecen verse retrasados en comparación al MBCP® sintético.

El mayor contenido de células micrófagas en comparación con materiales sinterizado (de MBCP® y BonAp) se debe a las proteínas desnaturalizadas restantes presentes en el hueso bovino no sinterizado. Las propiedades de biocerámica de BCP relacionadas con su aplicación médica incluyen: macroporosidad, microporosidad, resistencia a la compresión, bioreactividad (asociada con la formación de carbonato-hidroxiapatita en superficies de cerámica in vitro e in vivo), disolución y osteoconductividad. Debido a la disolución preferente del componente de β-TCP, la bioreactividad es inversamente proporcional a la tasa de HA//β-TCP. Por tanto, la bioreactividad de biocerámica de BCP puede ser controlada manipulando la composición (tasa HA/β-TCP) y/o la cristalinidad del BCP Actualmente, se recomienda la biocerámica de BCP para su uso como alternativa o aditivo al hueso autógeno para aplicaciones ortopédicas y dentales. Está disponible en forma de partículas, bloques, diseños personalizados para aplicaciones específicas y como un biomaterial inyectable en un transportador de polímero. Adicionalmente, recientemente se ha demostrado ampliamente la osteoinducción en fosfato cálcico bifásico micro macroporoso [7], mientras que el xenoinjerto mineralizado no fue asociado con osteoconducción, en contraste con el DBM de Matrix Ósea desmineralizado.

La cerámica de BCP y otros materiales de injerto óseo bioactivos (HA, β-TCP, Bioglass, HA derivado de hueso o de coral) son considerados osteoconductivos, mas no osteoinductivos. Los materiales osteoconductivos proporcionan el armazón o plantilla apropiados que permiten “el ingreso vascular, la infiltración y adhesión celular, la formación de cartílagos y la deposición de tejido calficicado”. Los materiales osteoconductivos (ej. proteínas morfogénicas de hueso) “estimulan las células no comprometidas” (ej. células madre mesenquimales) para convertir fenotípicamente a células condroprogenitoras y osteoprogenitoras”. Ripamonti [8] es uno de los pioneros del concepto de osteoconducción [9]. Datos recientes demuestran cómo el fosfato cálcico sintético capaz de ser reabsorbido (como BCP) asociado con una alta estructura de microporosidad presenta el mejor desempeño osteogénico en áreas no óseas o sitios de implantación irritados [10].

BIBLIOGRAFÍA

1. Daculsi G., Laboux O., Malard O., Weiss P., (2003) J. Mater. Sci. Mater. Medecine 14:195-200

2. LeGeros R.Z. (1991) Calcium Phosphates in Oral Biology , Medicine. Monographs in Oral Sciences, Vol. 15, H. Myers, ed., S. Karger, Basel.*

3. Artzi Z., Nemcovsky C. E., Dayan D. (2002), Clinical Oral Implants Res 13:4, 420-427

4. Daculsi G., LeGeros R.Z., Heugheaert M., Barbieux. I. (1990) Calcif Tissue Int 46: 20-27.

5. Poumarat G, Squire P, (1993) Biomaterials 14:337-340

6. Bauer & Muschler (2000), Clin. Orthop. 371:10-27

7. Damien Le Nihouhannen, Guy Daculsi, Olivier Gauthier, Afchine Saffarzadeh, Séverine Delplace, Paul Pilet, Pierre Layrolle (2005) Bone (in press)

8. Ripamonti U. Biomaterials 1996;17:31-5

9. Habibovic P, Li J, van der Valk CM, Meijer G, Layrolle P, van Blitterswijk CA, de Groot K. Biomaterials 2005;26:23-36

10. Malard O., Guicheux J., Bouler J.M., Gauthier O., Beauvillain de Montreuil C., Aguado E., Pilet P., LeGeros R., Daculsi G. (2005) Bone 36:323-330

Biocerámica 18, K. Yamashita, M. Needitors, Trans Tech Publications, Suiza, 2005, vol. 18:1379-1382