Biocomposites por impresión 3D basados en ácido poliláctico y hidroxiapatita

Abstract

El envejecimiento de la población y las enfermedades asociadas suponen en la actualidad un importante reto social y económico, dado que cada vez son más las personas que precisan soluciones clínicas que requieren la utilización de implantes, prótesis y dispositivos biomédicos a lo largo de su vida. En este sentido, el creciente desarrollo de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa conlleva la necesidad de investigar en biomateriales avanzados e inteligentes y también en procesos de fabricación innovadores. Entre estos biomateriales, los compuestos de ácido poliláctico (PLA) ofrecen una alternativa prometedora a los biomateriales tradicionales y a los polímeros no biodegradables porque es bioabsorbible, biodegradable y biocompatible. Ya es ampliamente utilizado en casi todas las especialidades médicas debido a su rápida traducibilidad clínica: aplicaciones ortopédicas (scaffolds, tornillos bioabsorbibles); aplicaciones cardíacas (stents); odontología; cirugía plástica (suturas, rellenos dérmicos, etc.); y sistemas para la liberación de fármacos. Recientemente, el interés por los dispositivos médicos basados en el PLA aumentó drásticamente, ya que es un material adecuado para las tecnologías emergentes, como la impresión 3D. Sus propiedades y su baja temperatura de transición vítrea lo hacen deformable a altas temperaturas (190-220 °C) convirtiéndolo en un de los filamentos más utilizados en esta tecnología, siendo el modelado de deposición fundida (FDM), una de las técnicas más comunes. El uso de la impresión 3D fue bien aceptado en el campo biomédico, permitiendo la rápida fabricación de estructuras personalizadas con geometrías complejas y excelente reproducibilidad para adentrarnos en la medicina personalizada. Otras estrategias para el desarrollo de biomateriales avanzados de gran interés clínico, en particular, orientados a la regeneración del tejido óseo, se basan en la utilización de compuestos de fosfato cálcico, como la hidroxiapatita y la incorporación de antibióticos para evitar infecciones postoperatorias. Los antibióticos sistémicos pueden provocar reacciones adversas no deseadas, y las concentraciones más altas están limitadas por los perfiles de excreción y la vida media de los fármacos. Así pues, un dispositivo biodegradable con antibióticos colocado en el nido de la infección o en un lugar con riesgo podría permitir la administración de un fármaco localizado y específico que puede administrarse la una concentración más alta que una dosis sistémica eliminando o manteniendo la infección controlada a medida que se va reabsorbiendo el dispositivo biodegradable. Por tanto, la combinación de PLA con estos dos materiales en forma de filamento para impresión 3D abren la posibilidad de fabricar de forma personalizada prótesis e implantes y aunando las propiedades y ventajas de todos los componentes en un único dispositivo. Por una parte, la hidroxiapatita podría mejorar las propiedades mecánicas del PLA, al concederle más rigidez y favorecerían la bioactividad y la osteointegración. Además, con la incorporación del antibiótico también se podría hacer frente a las infecciones más recurrentes del tejido óseo, como las causadas por Sthapylococcus aureus. Finalmente, debemos hablar de la importancia que tiene la esterilización, siendo un paso fundamental en el proceso de fabricación de cualquiera biomaterial o dispositivo médico que vaya a estar en contacto con el cuerpo humano con el fin de evitar cualquier complicación asociada a ellos como las infecciones o rechazos. Las técnicas convencionales de esterilización más usadas hoy en día son el vapor y la radiación gamma, pero estas pueden presentar ciertas desventajas con algunos materiales termosensibles. En este sentido, surge la noticia técnica de esterilización mediante CO2 supercrítico que, al trabajar a temperaturas próximas a la ambiental, la hace una técnica idónea para biomateriales que se degradan a altas temperaturas, como es el caso del PLA.

O envellecemento da poboación e as enfermidades asociadas supoñen na actualidade un importante reto social e económico, dado que cada vez son máis as persoas que precisan solucións clínicas que requiren a utilización de implantes, próteses e dispositivos biomédicos ao longo da súa vida. Neste sentido, o crecente desenvolvemento da enxeñería de tecidos e a medicina regenerativa conleva a necesidade de investigar en biomateriales avanzados e intelixentes e tamén en procesos de fabricación innovadores. Entre estes biomateriales, os compostos de ácido poliláctico (PLA) ofrecen unha alternativa prometedora aos biomateriales tradicionais e aos polímeros non biodegradables porque é bioabsorbible, biodegradable e biocompatible. Xa é amplamente utilizado en case todas as especialidades médicas debido á súa rápida traducibilidad clínica: aplicacións ortopédicas (scaffolds, parafusos bioabsorbibles); aplicacións cardíacas (stents); odontoloxía; cirurxía plástica (suturas, recheos dérmicos, etc.); e sistemas para a liberación de fármacos. Recentemente, o interese polos dispositivos médicos baseados no PLA aumentou drasticamente, xa que é un material adecuado para as tecnoloxías emerxentes, como a impresión 3D. As súas propiedades e a súa baixa temperatura (55-65 °C) de transición vítrea fano deformable a altas temperaturas (190-220 °C) converténdoo nun dos filamentos máis utilizados nesta tecnoloxía, sendo o modelado de deposición fundida (FDM), unha das técnicas máis comúns. O uso da impresión 3D foi ben aceptado no campo biomédico, permitindo a rápida fabricación de estruturas personalizadas con xeometrías complexas e excelente reproducibilidad para penetrarnos na medicina personalizada. Outras estratexias para o desenvolvemento de biomateriales avanzados de gran interese clínico, en particular, orientados á rexeneración do tecido óseo, baséanse na utilización de compostos de fosfato cálcico, como a hidroxiapatita e a incorporación de antibióticos para evitar infeccións postoperatorias. Os antibióticos sistémicos poden provocar reaccións adversas non desexadas, e as concentracións máis altas están limitadas polos perfís de excreción e a vida media dos fármacos. Así pois, un dispositivo biodegradable con antibióticos colocado no niño da infección ou nun lugar con risco podería permitir a administración dun fármaco localizado e específico que pode administrarse a unha concentración máis alta que unha dose sistémica eliminando ou mantendo a infección controlada a medida que se vai reabsorbiendo o dispositivo biodegradable. Por tanto, a combinación de PLA con estes dous materiais en forma de filamento para impresión 3D abren a posibilidade de fabricar de forma personalizada prótese e implantes e axuntando as propiedades e vantaxes de todos os compoñentes nun único dispositivo. Por unha banda, a hidroxiapatita podería mellorar as propiedades mecánicas do PLA, ao concederlle máis rixidez e favorecerían a bioactividad e a osteointegración. Ademais, coa incorporación do antibiótico tamén se podería facer fronte ás infeccións máis recorrentes do tecido óseo, como as causadas por Sthapylococcus aureus. Finalmente, debemos falar da importancia que ten a esterilización, sendo un paso fundamental no proceso de fabricación de calquera biomaterial ou dispositivo médico que vaia a estar en contacto co corpo humano co fin de evitar calquera complicación asociada a eles como as infeccións ou rexeitamentos. As técnicas convencionais de esterilización máis usadas hoxe en día son o vapor e a radiación gamma, pero estas poden presentar certas desvantaxes con algúns materiais termosensibles. Neste sentido, xorde a nova técnica de esterilización mediante CO2 supercrítico que, ao traballar a temperaturas próximas á ambiental, fana unha técnica idónea para biomateriales que se degradan a altas temperaturas, como é o caso do PLA.

The aging of the population and associated diseases currently represent a major social and economic challenge, as more and more people require clinical solutions that require the use of implants, prostheses and biomedical devices throughout their lives. In this regard, the growing development of tissue engineering and regenerative medicine brings with it the need for research into advanced and intelligent biomaterials and innovative manufacturing processes. Among these biomaterials, polylactic acid (PLA) composites offer a promising alternative to traditional biomaterials and non-biodegradable polymers because it is bioabsorbable, biodegradable and biocompatible. It is already widely used in almost all medical specialties due to its rapid clinical translatability: orthopedic applications (scaffolds, bioabsorbable screws); cardiac applications (stents); dentistry; plastic surgery (sutures, dermal fillers, etc.); and drug delivery systems. Recently, interest in PLA-based medical devices increased dramatically, as it is a suitable material for emerging technologies such as 3D printing. Its properties and low glass transition temperature (55-65 °C) make it deformable at high temperatures (190-220 °C) making it one of the most widely used filaments in this technology, with fused deposition modeling (FDM) being one of the most common techniques. The use of 3D printing was well accepted in the biomedical field, allowing the rapid fabrication of customized structures with complex geometries and excellent reproducibility to penetrate into personalized medicine. Other strategies for the development of advanced biomaterials of great clinical interest, in particular, aimed at bone tissue regeneration, are based on the use of calcium phosphate compounds such as hydroxyapatite and the incorporation of antibiotics to prevent postoperative infections. Systemic antibiotics can cause unwanted adverse reactions, and higher concentrations are limited by the excretion profiles and half-life of the drugs. Thus, a biodegradable device with antibiotics placed in the nidus of infection or at a site at risk could allow delivery of a targeted, localized drug that can be administered at a higher concentration than a systemic dose eliminating or keeping the infection under control as the biodegradable device is reabsorbed. Therefore, the combination of PLA with these two materials in the form of a 3D printing filament opens up the possibility of manufacturing customized prostheses and implants, combining the properties and advantages of all the components in a single device. On the one hand, hydroxyapatite could improve the mechanical properties of PLA, giving it more rigidity and favoring bioactivity and osseointegration. In addition, the incorporation of the antibiotic could also address the most recurrent infections of bone tissue, such as those caused by Sthapylococcus aureus. Finally, we must talk about the importance of sterilization, being a fundamental step in the manufacturing process of any biomaterial or medical device that is going to be in contact with the human body in order to avoid any complications associated with them such as infections or rejections. The conventional sterilization techniques most commonly used today are steam and gamma radiation, but these may present certain disadvantages with some thermosensitive materials. In this sense, the new technique of sterilization by means of supercritical CO2, which works at temperatures close to the ambient temperature, makes it an ideal technique for biomaterials that degrade at high temperatures, as is the case of PLA.