Biovidrio 45S5

El Biovidrio 45S5 o fosfosilicato de calcio y sodio es un vidrio bioactivo compuesto específicamente por un 45  % en peso de SiO₂ _, un 24,5  % en peso de CaO, un 24,5  % en peso de Na₂O _y un 6,0  % en peso de P₂O₅ _. [ ₁ ] ^{Las aplicaciones típicas} del Biovidrio 45S5 incluyen: biomateriales para injertos óseos , reparación de defectos periodontales, reparación craneal y maxilofacial, cuidado de heridas, control de hemorragias, estimulación de la regeneración vascular y reparación nerviosa. ^{[ 2 ]}

El nombre " Bioglass " fue registrado como marca comercial por la Universidad de Florida para la composición original 45S5. Por lo tanto, solo debe usarse en referencia a la composición 45S5 y no como término general para vidrios bioactivos. ^{[ 3 ]} Bioglass 45S5 está disponible comercialmente bajo el nombre comercial registrado NovaMin , propiedad de la compañía farmacéutica GlaxoSmithKline . NovaMin es un vidrio bioactivo molido en partículas finas con un tamaño medio inferior a 20  μm. Puede reducir la hipersensibilidad dentinaria bloqueando los túbulos dentinarios abiertos y suministrando iones de calcio (Ca ²⁺ ) y fosfato ( PO 3− 4 ) para formar apatita de hidroxicarbonato (HCA), el principal componente mineral del tejido óseo en mamíferos. NovaMin es el ingrediente activo de la pasta dental Sensodyne "Repair & Protect", excepto cuando se vende en Estados Unidos, donde contiene fluoruro estannoso . ^{[ 4 ]}

El vidrio bioactivo 45S5 es de color blanco y se presenta en forma de polvo, con partículas de un tamaño medio inferior a 20 μm. Su composición _química  en peso es: sílice (SiO₂ ₎ 43–47%, óxido de calcio (CaO) 22,5–26,5%, pentóxido de fósforo (P₂O₅ ) _5–7 % y óxido de sodio (Na₂O ₎ 22,5–26,5%. ^{[ 2 ]}

Los vidrios son sólidos desordenados no cristalinos que suelen estar compuestos de materiales a base de sílice con otros aditivos menores. En comparación con el vidrio de sílice-soda (de uso común, como en ventanas o botellas), el Bioglass 45S5 contiene menos sílice y mayores cantidades de calcio y fósforo.  El nombre 45S5 indica un vidrio con un 45 % en peso de SiO₂ _y una relación molar de calcio a fósforo de 5:1. Esta alta relación de calcio a fósforo promueve la formación de cristales de apatita ; los iones de calcio y sílice pueden actuar como núcleos de cristalización. ^{[ 5 ]} Las relaciones Ca:P más bajas no se unen al hueso. ^{[ 6 ] [ 7 ]} La composición específica del Bioglass 45S5 es óptima en aplicaciones biomédicas debido a su composición similar a la de la hidroxiapatita , el componente mineral del hueso. ^{[ 7 ]} Esta similitud proporciona al Bioglass 45S5 la capacidad de integrarse con el hueso vivo.

Esta composición de vidrio bioactivo es mecánicamente blanda en comparación con otros vidrios . Se puede mecanizar , preferiblemente con herramientas de diamante, o moler hasta convertirla en polvo. El Biovidrio 45S5 debe almacenarse en un ambiente seco, ya que absorbe fácilmente la humedad y reacciona con ella. ^{[ 6 ]} El Biovidrio 45S5 es la primera formulación de un material artificial que se encontró que se une químicamente al hueso, y su descubrimiento dio lugar a una serie de otros vidrios bioactivos . Una de sus principales ventajas médicas es su biocompatibilidad, que se observa en su capacidad para evitar una reacción inmunitaria y la encapsulación fibrosa. Su aplicación principal es la reparación de lesiones o defectos óseos demasiado grandes para ser regenerados por el proceso natural. ^{[ 6 ]}

El biovidrio 45S5 es importante para el campo de los materiales biomiméticos, ya que es uno de los primeros materiales completamente sintéticos que se adhiere perfectamente al hueso. Fue desarrollado por Larry L. Hench a finales de la década de 1960. La idea para el material surgió durante un viaje en autobús en 1967. Mientras trabajaba como profesor asistente en la Universidad de Florida, Hench decidió asistir a la Conferencia de Investigación de Materiales del Ejército de los Estados Unidos celebrada en Sagamore, Nueva York, donde planeaba hablar sobre materiales electrónicos resistentes a la radiación. Comenzó a conversar sobre su investigación con un compañero de viaje en el autobús, el coronel Klinker, quien había regresado recientemente a los Estados Unidos después de servir como oficial de suministros médicos del Ejército en Vietnam. ^{[ 8 ]}

Tras escuchar la descripción que Hench hizo de su investigación, el Coronel preguntó: «Si se puede crear un material que resista la exposición a radiación de alta energía, ¿se puede crear un material que resista la exposición al cuerpo humano?» ^{[ 8 ]} Klinker procedió entonces a describir las amputaciones que había presenciado en Vietnam, resultantes del rechazo del cuerpo a los implantes de metal y plástico. Hench comprendió la necesidad de un material novedoso que pudiera formar una unión vital con los tejidos del cuerpo. ^{[ 8 ]}

Cuando Hench regresó a Florida después de la conferencia, presentó una propuesta al Comando de Investigación y Diseño Médico del Ejército de los Estados Unidos. Recibió financiación en 1968, y en noviembre de 1969 Hench comenzó a sintetizar pequeños rectángulos de lo que él llamó vidrio 45S5. Ted Greenlee, profesor adjunto de Cirugía Ortopédica en la Universidad de Florida, los implantó en fémures de ratas en el Hospital de Veteranos de Gainesville. Seis semanas después, Greenlee llamó a Hench preguntándole: «Larry, ¿qué son esas muestras que me diste? No se desprenden del hueso. He tirado de ellas, las he empujado, he fracturado el hueso y siguen adheridas». ^{[ 8 ]}

Con este primer experimento exitoso, nació Bioglass y se estudiaron las primeras composiciones. Hench publicó su primer artículo sobre el tema en 1971 en el Journal of Biomedical Materials Research, y su laboratorio continuó trabajando en el proyecto durante los siguientes 10 años con financiación continua del Ejército de los EE. UU. Para 2006, se habían publicado más de 500 artículos sobre el tema de los vidrios bioactivos de diferentes laboratorios e instituciones de todo el mundo. ^{[ 8 ]} El primer uso quirúrgico exitoso de Bioglass 45S5 fue en el reemplazo de huesecillos en el oído medio como tratamiento de la pérdida auditiva conductiva , y el material continúa utilizándose en aplicaciones de reconstrucción ósea en la actualidad. ^{[ 1 ]}

Otros usos incluyen conos para implantes en la mandíbula tras una extracción dental . Los materiales compuestos hechos de Bioglass 45S5 y hueso del propio paciente pueden utilizarse para la reconstrucción ósea. ^{[ 5 ]} Se están realizando investigaciones adicionales para el desarrollo de nuevas técnicas de procesamiento que permitan más aplicaciones del Bioglass.

El biovidrio 45S5 se utiliza en aplicaciones de mandíbula y ortopedia, ya que se disuelve y estimula la regeneración ósea natural. Este vidrio bioactivo ofrece buena osteoconductividad y bioactividad, permite la incorporación de células y es biodegradable. Esto lo convierte en un excelente candidato para su uso en ingeniería de tejidos. Si bien este material es frágil, se utiliza ampliamente para potenciar el crecimiento óseo, dado que las nuevas formulaciones de vidrio bioactivo se basan en composiciones de borato y borosilicato. El biovidrio también puede doparse con diferentes cantidades de elementos como cobre, zinc o estroncio, lo que favorece el crecimiento y la formación de hueso sano. La formación de neocartílago también puede inducirse con vidrio bioactivo mediante el cultivo in vitro de hidrogeles con condrocitos, y puede servir como sustrato subcondral para la creación de estructuras osteocondrales mediante ingeniería de tejidos. ^{[ 1 ]}

El vidrio bioactivo a base de borato tiene tasas de degradación controlables para igualar la velocidad de formación ósea. Se ha demostrado que la formación ósea mejora con el uso de este tipo de material. Al implantarse en fémures de conejo, el vidrio bioactivo 45S5 demostró inducir la proliferación ósea a un ritmo mucho más rápido que la hidroxiapatita sintética (HA). El vidrio 45S5 también puede ser osteoconductor y osteoinductor , ya que permite el crecimiento de nuevo tejido óseo tanto en la interfaz hueso-implante como dentro de ella. Se han realizado estudios para determinar el proceso mediante el cual induce la formación ósea. Se ha demostrado que el vidrio 45S5 se degrada y libera iones de sodio, así como sílice soluble; se cree que la combinación de todos estos iones produce nuevo tejido óseo. El biovidrio de borato ha demostrado que puede favorecer la proliferación y diferenciación celular in vitro e in vivo. También ha demostrado ser adecuado para su uso como sustrato para la liberación de fármacos en el tratamiento de infecciones óseas. Sin embargo, ha existido preocupación sobre si la liberación de boro en una solución en forma de iones borato será tóxica para el organismo. Se ha demostrado que, en condiciones de cultivo celular estático, los vidrios de borato resultaron tóxicos para las células, pero no en condiciones de cultivo dinámico. ^{[ 9 ]}

En 1984, se aplicó vidrio bioactivo a dispositivos médicos para ayudar a restaurar la audición de una paciente sorda utilizando Bioglass 45S5. La paciente perdió la audición debido a una infección de oído que degradó dos de los tres huesecillos de su oído medio. Se diseñó un implante para reemplazar el hueso dañado y transmitir el sonido desde el tímpano hasta la cóclea, restaurando así la audición de la paciente. Antes de que este material estuviera disponible, se utilizaban plásticos y metales porque no producían ninguna reacción en el cuerpo; sin embargo, con el tiempo fallaban porque el tejido crecía a su alrededor después de la implantación. Se fabricó una prótesis de Bioglass 45S5 a medida para la paciente, y la mayoría de las prótesis fabricadas lograron mantener su funcionalidad después de 10 años. ^{[ 10 ]} El implante de mantenimiento de cresta endoósea, también de Bioglass 45S5, fue otro dispositivo que se podía insertar en los sitios de extracción dental para reparar las raíces de los dientes y proporcionar una cresta estable para las prótesis dentales. ^{[ 11 ]}

Otra área en la que se ha investigado el uso del vidrio bioactivo es la reconstrucción del esmalte dental , que ha demostrado ser una tarea difícil en el campo de la odontología. El esmalte está compuesto por una microestructura jerárquica muy organizada de nanocristales de hidroxiapatita carbonatada. Se ha informado que la pasta de Bioglass 45S5-ácido fosfórico puede usarse para formar una capa de interacción que puede obstruir los orificios de los túbulos dentinarios y, por lo tanto, puede ser útil en el tratamiento de lesiones de hipersensibilidad dentinaria . ^{[ 11 ]} Este material en un medio acuoso podría tener una propiedad antibacteriana que es ventajosa en procedimientos quirúrgicos periodontales . En un estudio realizado con Bioglass 45S5, se cultivaron biopelículas de Streptococcus sanguinis en partículas de vidrio inactivo y la biopelícula cultivada en el Bioglass fue significativamente menor que la que se encontraba en el vidrio inactivo. Se concluyó que el Bioglass puede reducir la colonización bacteriana, lo que podría ayudar a la osteointegración. Un vidrio bioactivo antibacteriano altamente efectivo es el S53P4, del cual se ha informado que exhibe una alta actividad antimicrobiana  y  no pareció seleccionar  resistencia en las cepas microbianas analizadas. ^{[ 12 ]} Los vidrios bioactivos derivados de sol-gel, como CaPSiO y CaPSiO II, también han exhibido propiedades antibacterianas. Estudios realizados con S. epidermidis y E. coli cultivadas con vidrio bioactivo han demostrado que el vidrio bioactivo 45S5 tiene una resistencia antibacteriana muy alta. También se observó en el experimento que había restos de biovidrio en forma de aguja que podrían haber roto las paredes celulares de las bacterias y las habían inactivado. ^{[ 13 ]}   

GlaxoSmithKline utiliza este material como ingrediente activo en la pasta de dientes bajo el nombre comercial NovaMin, que puede ayudar a reparar pequeños orificios y disminuir la sensibilidad dental . ^{[ 11 ] [ 14 ]} Se han desarrollado formulaciones más avanzadas de Bioglass que contienen flúor, las cuales proporcionan una protección más fuerte y duradera contra la sensibilidad. Se afirma que la inclusión de flúor dentro del vidrio en lugar de como un aditivo soluble, como en la pasta de dientes BioMin, ^{[ 15 ]} optimiza la tasa de desarrollo de apatita, que protege los dientes de la sensibilidad hasta por 12 horas. ^{[ 16 ]}

Cuando se implanta, Bioglass 45S5 reacciona con el fluido fisiológico circundante, provocando la formación de una capa de apatita hidroxicarbonatada (HCA) en la superficie del material. La capa de HCA tiene una composición similar a la de la hidroxiapatita , la fase mineral del hueso, una cualidad que permite una fuerte interacción e integración con el hueso. El proceso por el cual ocurre esta reacción se puede dividir en 12 pasos. Los primeros 5 pasos están relacionados con la respuesta de Bioglass al entorno dentro del cuerpo y ocurren rápidamente en la superficie del material en varias horas. ^{[ 17 ]} Los pasos de reacción 6-10 detallan la reacción del cuerpo a la integración del biomaterial y el proceso de integración con el hueso. Estas etapas ocurren en una escala de varias semanas o meses. ^{[ 18 ]} Los pasos se separan de la siguiente manera: ^{[ 17 ] [ 18 ]} 

1. Los iones alcalinos (como Na⁺ ^y  Ca²⁺ ⁾ presentes en la superficie del vidrio se intercambian rápidamente con los iones hidrógeno o hidronio de los fluidos corporales circundantes. La siguiente reacción ilustra este proceso, que provoca la hidrólisis de los grupos sílice. Como consecuencia, el pH de la solución aumenta.

   Si⎯O⎯Na ⁺  + H ⁺  + OH ⁻  → Si⎯OH ⁺  + Na ⁺  (ac) + OH ⁻

2. Debido a un aumento en la concentración de hidroxilo (OH⁻ ⁾ en la superficie (resultado del paso 1), se produce la disolución de la red de vidrio de sílice, evidenciada por la ruptura de los enlaces Si⎯O⎯Si. La sílice soluble se transforma en Si(OH) _₄  y se generan silanoles (Si⎯OH) en la superficie del material. La reacción que tiene lugar en esta etapa se muestra a continuación:

   Si⎯O⎯Si + H₂O _→ Si⎯OH + OH⎯Si

3. Los grupos silanol en la superficie del material se condensan y repolimerizan para formar una capa de gel de sílice en la superficie del biovidrio. Como resultado de los primeros pasos, la superficie contiene muy poco contenido alcalino. La reacción de condensación se muestra a continuación:

   Si⎯OH + Si⎯OH → Si⎯O⎯Si

4. Los iones ^Ca²⁺  y PO₄³⁻ amorfos se acumulan en la capa rica en sílice (creada en _el paso 3) a partir del fluido corporal circundante y del material base del Biovidrio. Esto crea una capa compuesta principalmente de CaO⎯P₂O₅ _sobre la capa de sílice .  
5. La película de CaO⎯P₂O₅ creada _en el paso 4 incorpora OH⁻ y CO₂⁻³ _de ^la solución corporal , lo que provoca su cristalización. Esta capa se denomina hidroxiapatita carbonatada mixta (HCA).   
6. Los factores de crecimiento se adsorben ( adsorción ) a la superficie del Biovidrio debido a sus similitudes estructurales y químicas con la hidroxiapatita.
7. Los factores de crecimiento adsorbidos provocan la activación de los macrófagos M2 . Los macrófagos M2 tienden a promover la cicatrización de heridas e iniciar la migración de células progenitoras al sitio de la lesión. Por el contrario, los macrófagos M1 se activan cuando se implanta un material no biocompatible, desencadenando una respuesta inflamatoria. ^{[ 19 ]} 
8. Tras la activación de los macrófagos M2, las células madre mesenquimales y las células osteoprogenitoras migran a la superficie del Bioglass y se adhieren a la capa de HCA.    
9. Las células madre y las células osteoprogenitoras en la superficie del HCA se diferencian para convertirse en células osteogénicas típicamente presentes en el tejido óseo , en particular osteoblastos .  
10. Los osteoblastos adheridos y diferenciados generan y depositan componentes de la matriz extracelular (MEC), principalmente colágeno tipo I , el principal componente proteico del hueso.   
11. La matriz extracelular de colágeno se mineraliza , como ocurre normalmente en el hueso nativo. Los cristales de hidroxiapatita a nanoescala forman una estructura en capas con el colágeno depositado en la superficie del implante.  
12. Tras estas reacciones, el crecimiento óseo continúa a medida que las células recién reclutadas siguen funcionando y facilitando el crecimiento y la reparación de los tejidos. El implante de Biovidrio continúa degradándose y transformándose en nuevo material de matriz extracelular (MEC).

Existen dos técnicas principales de fabricación que se utilizan para la síntesis de biovidrio. La primera es la síntesis por fusión y enfriamiento rápido, que es la tecnología convencional de fabricación de vidrio utilizada por Larry Hench cuando fabricó el material por primera vez en 1969. Este método incluye la fusión de una mezcla de óxidos como SiO₂ _, Na₂O _, CaO y P₂O₅ _a altas temperaturas , generalmente superiores a 1100–1300 °C. ^{[ 20 ]} Se utilizan crisoles de platino o aleación de platino _para evitar la contaminación, que interferiría con la reactividad química del producto en el organismo. El recocido es un paso crucial en la formación de piezas a granel, debido a la alta expansión térmica del material. El tratamiento térmico del biovidrio reduce el contenido de óxido de metal alcalino volátil y precipita cristales de apatita en la matriz de vidrio. Sin embargo, los andamios que resultan de las técnicas de fusión y enfriamiento rápido son mucho menos porosos en comparación con otros métodos de fabricación, lo que puede provocar defectos en la integración tisular cuando se implantan in vivo. ^{[ 21 ]} 

El segundo método es la síntesis sol-gel de biovidrio. Este proceso se lleva a cabo a temperaturas mucho más bajas que los métodos de fusión tradicionales. Implica la creación de una solución (sol), compuesta por precursores organometálicos y sales metálicas. Posteriormente, se forma un gel mediante reacciones de hidrólisis y condensación, que se somete a un tratamiento térmico para su secado, formación de óxido y eliminación de materia orgánica. Debido a las bajas temperaturas de fabricación utilizadas en este método, se logra un mayor control sobre la composición y homogeneidad del producto. Además, los biovidrios sol-gel presentan una porosidad mucho mayor, lo que resulta en una mayor superficie y grado de integración en el cuerpo. ^{[ 22 ] [ 20 ]}

Entre los métodos más recientes se encuentran la síntesis de Biovidrio mediante llama y microondas, que ha cobrado gran relevancia en los últimos años. La síntesis por llama consiste en hornear los polvos directamente en un reactor de llama. ^{[ 23 ]} La síntesis por microondas es un método rápido y económico para la síntesis de polvos, en el que los precursores se disuelven en agua, se transfieren a un baño ultrasónico y se irradian. ^{[ 24 ]}

Una desventaja del uso de Bioglass 45S5 es la dificultad para procesarlo en andamios 3D porosos. Estos andamios porosos se preparan generalmente mediante la sinterización de partículas de vidrio ya formadas en geometría 3D, permitiendo que se unan a las partículas para formar una fase vítrea resistente compuesta por una red de poros. Dado que este tipo particular de biovidrio no puede sinterizarse completamente por flujo viscoso por encima de su Tg , y su Tg está cerca del inicio de la cristalización, es difícil sinterizar este material en una red densa. ^{[ 1 ]}

El vidrio 45S5 también presenta una degradación lenta y una baja tasa de conversión a un material similar a la hidroxiapatita (HA). Este inconveniente dificulta que la tasa de degradación del andamio coincida con la tasa de formación de tejido. Otra limitación es que su degradación puede influir fácilmente en el entorno biológico. El aumento de los iones de sodio y calcio y los cambios en el pH se deben a su degradación. Sin embargo, las funciones de estos iones y su toxicidad para el organismo no se han investigado completamente. ^{[ 1 ]}

Diversos estudios han investigado métodos para mejorar la resistencia mecánica y la tenacidad del Biovidrio 45S5. Entre ellos se incluye la creación de compuestos de polímero-vidrio , que combinan la bioactividad del Biovidrio con la flexibilidad relativa y la resistencia al desgaste de diferentes polímeros. Otra solución consiste en recubrir un implante metálico con Biovidrio, aprovechando la resistencia mecánica del material base del implante y conservando los efectos bioactivos en la superficie. Algunas de las modificaciones más destacadas han utilizado diversas formas de carbono para mejorar las propiedades del vidrio 45S5. ^{[ 25 ]}

Por ejemplo, Touri et al. desarrollaron un método para incorporar nanotubos de carbono (CNT) a la estructura sin interferir con las propiedades bioactivas del material. Se eligieron los CNT debido a su gran relación de aspecto y alta resistencia. Al sintetizar Bioglass 45S5 sobre un andamio de CNT, los investigadores lograron crear un compuesto que duplicó con creces la resistencia a la compresión y el módulo elástico en comparación con el vidrio puro. ^{[ 26 ]}

Otro estudio realizado por Li et al. analizó diferentes propiedades, como la tenacidad a la fractura y la resistencia al desgaste del Biovidrio 45S5. Los autores incorporaron nanoplaquetas de grafeno (GNP) a la estructura del vidrio mediante un método de sinterización por plasma de chispa . Se eligió el grafeno por su elevada superficie específica y resistencia, así como por su citocompatibilidad y la ausencia de interferencia con la bioactividad del Biovidrio 45S5. Los compuestos creados en este experimento alcanzaron una tenacidad a la fractura superior al doble de la del control. Además, las propiedades tribológicas del material mejoraron notablemente. ^{[ 25 ]}

• Propiedades mecánicas de los biomateriales
• Síntesis de biovidrio