ES2553302B1

ES2553302B1 - Cemento inorgánico, inyectable y termosensible para reconstrucción ósea: preparación y uso.

Info

Publication number: ES2553302B1
Application number: ES201430644A
Authority: ES
Inventors: Edgar Benjamin MONTUFAR JIMENEZ; Yassine MAAZOUZ; David PASTORINO; Maria Pau Ginebra Molins
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2034-05-05
Also published as: ES2553302A1; EP3144016A4; EP3144016A1; WO2015169992A1

Abstract

Cemento inorgánico, inyectable y termosensible para reconstrucción ósea: preparación y uso.#Cemento inorgánico, inyectable y termosensible para aplicaciones biomédicas: preparación y uso.#Se propone la preparación de un cemento termosensible inyectable con aplicaciones clínicas en cirugía ósea y odontología mínimamente invasiva, basado en mezclas autofraguables de óxido de magnesio, fosfatos de calcio, sodio o amonio, carbonatos de calcio, sulfatos de calcio u otras sales inorgánicas con un hidrogel de poloxámero. Este cemento presenta como propiedad principal un efecto termosensible. Asimismo, presenta una alta cohesión en contacto con fluidos a temperatura fisiológica, acompañada de una disminución de la fuerza necesaria para su inyección con la temperatura.#Se indica la utilización del cemento para aplicaciones óseas y dentales, así como el llenado de defectos óseos. El cemento está especialmente indicado en casos en los que fuera necesario un uso mínimamente invasivo.

Description

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DESCRIPCION

Cemento inorganico, inyectable y termosensible para reconstruction osea: preparation y uso. Campo de la Invencion

La presente invencion se refiere a biomateriales para la regeneration de tejidos duros: huesos y dientes. Estos materiales se pueden preparar en forma de granulos, cementos, recubrimientos, ceramicas densas o porosas, etc. Entre otras aplicaciones se pueden aplicar para rellenar cavidades oseas, defectos craneales o cavidades despues de remover un tumor, llenar espacios vaclos despues de una fractura multiple, rellenar huecos despues de quitar un diente, aumentar la cantidad de hueso antes de colocar un implante dental, fijar tornillos cuando se colocan placas metalicas, estabilizar fracturas oseas o recubrir protesis e implantes.

Se propone un cemento inorganico completamente inyectable por lo que es especialmente adecuado para procedimientos medicos y veterinarios de minima invasion quirurgica. Sin embargo, tambien se puede usar en cirugla tradicional. En particular, el cemento presenta propiedades termosensibles, es decir, ciertas propiedades como la cohesion, la fuerza de inyeccion o el tiempo de fraguado se pueden modular controlando la temperatura de la pasta. Por otro lado, el producto final de la reaction de fraguado, dependiendo de la composition de partida, puede comprender fosfatos de calcio, como hidroxiapatita, hidroxiapatita deficiente en calcio, brushita o monetita, con gran similitud composicional y estructural con la fase mineral de los huesos y dientes, o bien otras sales inorganicas como fosfatos de magnesio, carbonatos de calcio o sulfatos de calcio con una resistencia mecanica adecuada para aplicaciones oseas y dentales. Asimismo, el cemento puede actuar como soporte para la liberation controlada de farmacos (Drug Delivery system) y para el crecimiento celular en ingenierla de tejidos (Tissue Engineerings scaffolds). La presente invencion se refiere tambien a procedimientos para la obtencion de dichos biomateriales.

Esta invencion tambien se refiere a un procedimiento para la preparacion del citado cemento y al uso de dicho cemento para aplicaciones oseas y dentales.

Estado de la tecnica anterior

Desde mediados de los anos ochenta, la comunidad cientlfica ha realizado importantes avances en el campo del diseno y la fabrication de nuevos materiales para la sustitucion y la regeneracion de tejidos biologicos mineralizados. Un tipo de materiales que ha sido ampliamente estudiado son los materiales basados en sales inorganicas, como fosfatos de calcio o de magnesio, sulfatos de calcio o carbonatos de calcio. De entre las distintas formas en las que se pueden presentar dichos materiales, los cementos merecen especial atencion debido a ciertas ventajas intrlnsecas como su moldeabilidad y perfecta adaptation a la cavidad osea, la posibilidad de inyectarlos utilizando tecnicas mlnimamente invasivas y su capacidad de endurecer una vez implantados dentro del cuerpo. Es de destacar que en el caso de los cementos de fosfato de calcio se puede obtener como producto de la reaccion hidroxiapatita, que presenta numerosas similitudes con el componente oseo inorganico natural, tales como la composicion qulmica y el tamano nanometrico de los cristales.

Los recientes desarrollos en cirugla mlnimamente invasiva han reducido el riesgo que corre el paciente durante la intervention quirurgica y el costo hospitalario de la misma. Esta nueva tecnica quirurgica requiere de nuevos materiales de regeneracion osea totalmente inyectables, capaces de endurecer in situ y de regenerar el hueso danado. A pesar de la reconocida capacidad de los cementos inorganicos para rellenar y/o regenerar satisfactoriamente el hueso danado, tambien presentan ciertas limitaciones. En primer lugar, la inyectabilidad de las pastas de cementos inorganicos es limitada. En segundo lugar, el tiempo de fraguado de los cementos inyectables tiende a ser mayor al de los cementos no inyectables. Finalmente, la tercera limitacion es la baja resistencia mecanica de los cementos inyectables.

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La inyectabilidad de los cementos inorganicos se puede mejorar aumentando la relacion |[quido-polvo de mezclado. Sin embargo, esta alternativa retarda el fraguado del cemento, facilita la desintegracion de la pasta al entrar en contacto con un medio llquido y disminuye considerablemente la resistencia mecanica. Otra alternativa es la incorporation de un pollmero, por lo general un hidrogel, en la fase llquida del cemento. En este caso la inyectabilidad y la cohesion de las pastas aumentan considerablemente pero tambien aumenta significativamente la fuerza requerida para inyectar la pasta. Ademas, la incorporacion del hidrogel produce efectos colaterales como el aumento del tiempo de fraguado y la disminucion de la resistencia mecanica. Los hidrogeles utilizados para mejorar la inyectabilidad de los cementos inorganicos de uso biomedico son en su mayorla de origen natural como la celulosa y sus derivados, el quitosano, el colageno, la gelatina, el alginato de sodio o el acido hialuronico. Precisamente debido a su origen natural se debe tener especial precaucion en evitar posibles rechazos inmunologicos o variaciones en las propiedades entre los diferentes lotes del hidrogel.

Una familia de pollmeros de origen sintetico, y por tanto sin problemas asociados como el rechazo inmunologico o la variabilidad de sus propiedades, son los poloxameros. Los poloxameros son copollmeros de tres bloques compuestos por una parte central hidrofobica de poli (oxido de propileno) flanqueada por dos partes hidrofilas laterales de poli (oxido de etileno) [1]. En funcion de la longitud de las tres cadenas existen diferentes tipos de poloxameros. En general los poloxameros son considerados surfactantes no ionicos. Al aumentar la concentration en agua, las moleculas de este copollmero se asocian para formar micelas y si la concentracion sigue aumentando son capaces de formar hidrogeles. La concentracion a la cual se forma el hidrogel depende del tipo de poloxamero y de la temperatura. En general, a bajas temperaturas las soluciones de poloxameros poseen una baja viscosidad y se comportan como llquidos, mientras que a altas temperaturas su viscosidad aumenta y se comportan como hidrogeles. Los poloxameros son biocompatibles, no alteran las funciones biologicas de manera significativa y son excretados por via renal. Por estas razones los poloxameros se utilizan en gran variedad de aplicaciones biomedicas como sistemas para la liberacion controlada de farmacos, excipientes en medicamentos o agentes embolizadores temporales, entre muchas otras [1].

En un ambito muy distante del desarrollo de cementos inorganicos de uso biomedico en cirugla mlnimamente invasiva, los poloxameros se han utilizado por sus caracterlsticas reologicas en procesos de impresion tridimensional directa para formar tintas ceramicas para la fabrication por moldeo robotizado aditivo de andamios para ingenierla de tejidos. En particular los poloxameros se han mezclado con fosfatos de calcio no reactivos como vidrios bioactivos, hidroxiapatita, fosfato tricalcico beta o mezclas de los dos ultimos [2]. El hecho de que estas tintas no tienen la capacidad de fraguar como un cemento tiene tres consecuencias importantes. La primera es que el tiempo transcurrido entre el mezclado y la impresion de las tintas no afecta a la fuerza requerida para la extrusion. La segunda es que la consolidation de las estructuras fabricadas se realiza mediante sinterizacion entre 700 y 1400 °C, lo cual implica que a pesar de que la similitud composicional con la fase mineral de los huesos y dientes se mantiene, la similitud microestructural se pierde, produciendo materiales diflciles de reabsorber in vivo. Finalmente, los andamios fabricados son rlgidos y poseen formas y tamanos predefinidos, por lo que no pueden ser implantados mediante tecnicas quirurgicas no invasivas.

Debido a su capacidad de gelificar al aumentar la temperatura, su solubilidad en medios acuosos, su biocompatibilidad y la capacidad de ser excretados por via renal, los hidrogeles de poloxamero se utilizan como agente embolizador temporal en el campo de la medicina cardiovascular [3]. Sin embargo, las propiedades termosensibles de los poloxameros no se han explotado en cirugla ortopedica u oral, ni mucho menos en formulaciones de cementos inorganicos de uso biomedico. El uso de poloxameros en cementos de fosfatos de calcio se limita a su caracter tensoactivo para evitar la agregacion del polvo del cemento [4] o para la formation de espumas [5].

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Breve explicacion de la invencion

A diferencia de los trabajos y patentes mencionadas, esta invencion presenta un cemento hlbrido inorganico/organico de uso biomedico cuyas propiedades como la cohesion, el tiempo de fraguado y la inyectabilidad se pueden modular controlando la temperatura. La pasta se basa en la mezcla de sales inorganicas autofraguables con agua o soluciones acuosas, con o sin la adicion de aditivos que aceleren o retarden el fraguado del cemento, y la incorporation de un poloxamero en la fase llquida o en la fase solida, para proporcionar el caracter termosensible deseado. Las aplicaciones del cemento son aplicaciones cllnicas, oseas o dentales, tanto tradicionales como de cirugla mlnimamente invasiva. Dicho cemento presenta varias propiedades intrlnsecas que le dotan de especial interes. La primera caracterlstica a destacar del material es que, sin importar la temperatura inicial de la pasta, el cemento tiene cohesion cuando es inyectado en un medio cuya temperatura es 37 °C. Esta caracterlstica hace posible que el cemento frague y endurezca in situ sin desintegrarse ni sufrir ninguna erosion. La segunda caracterlstica relevante es que las pastas de cemento con poloxamero son totalmente inyectables aplicando fuerzas inferiores a las usadas para inyectar cementos acrllicos, y no presentan separation de fases. El punto mas importante a destacar es que la fuerza de inyeccion disminuye con la disminucion de la temperatura de la pasta. La fuerza de inyeccion alcanza un mlnimo y se mantiene constante por debajo de 15 °C. Ademas, las pastas presentan tiempos de fraguado cortos comparados con otros cementos que incorporan hidrogeles para mejorar la inyectabilidad. El cemento endurece o bien por la formation y entrecruzamiento de cristales de las fases que se producen en la reaction de fraguado, o por la formacion de una fase amorfa, que dan lugar a un aumento de la resistencia mecanica.

Todas estas caracterlsticas en su conjunto hacen que el cemento aqul presentado sea idoneo para cirugla mlnimamente invasiva donde se requiera regenerar lesiones oseas o dentales, pero tambien es apto para cirugla tradicional, tanto en medicina como en veterinaria. Modular la fuerza de inyeccion permite al cirujano inyectar el material con la mayor precision posible y con el mlnimo esfuerzo, mientras que la cohesion de la pasta asegurara el exito del procedimiento quirurgico logrando que la pasta frague en la position deseada, alcanzando una resistencia mecanica razonable y similar al hueso trabecular. Finalmente, el producto de fraguado del cemento es completamente biocompatible, y en algunos casos especlficos puede llegar a ser osteoconductivo y reabsorbible, por lo que se garantiza la regeneration del tejido danado.

La composition del material se ha optimizado con la finalidad de garantizar los aspectos mencionados en el parrafo anterior. La preparacion del cemento requiere de un polvo o fase solida compuesto por una o varias sales inorganicas y una fase llquida compuesta principalmente por agua o algun solvente biocompatible donde se pueda disolver el poloxamero. La mezcla de ambas fases se puede llevar a cabo manualmente o en un mezclador de alta energla, a una temperatura inferior o igual a la temperatura ambiente. La temperatura de la fase solida y/o de la fase llquida en el momento de la mezcla puede ser igual o inferior a 25°C, preferiblemente inferior a 12°C. La pasta obtenida se puede implantar directamente en el paciente mediante cirugla tradicional o se puede colocar en una jeringa para ser implantada mediante cirugla mlnimamente invasiva. Alternativamente, la pasta se puede colocar en una jeringa o dispositivo similar para su posterior congelacion, preferentemente a temperaturas iguales o inferiores a -20°C, para su almacenamiento, y posteriormente se descongela preferentemente a menos de 12°C para su utilization en la aplicacion cllnica. Una vez implantada la pasta de cemento endurecera in situ debido a su buena cohesion a temperatura fisiologica y producira un cuerpo rlgido con resistencia a la compresion similar a la del hueso trabecular.

Es importante tener en cuenta que para la utilizacion del cemento in vivo, el polvo y el llquido tienen que haber sido esterilizados previamente. Ademas, se requiere una zona de trabajo

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esteril para evitar la contamination de los reactivos en el momento de preparation e introduction de la pasta.

Explication detallada de la invention

Esta invention presenta un cemento inorganico termosensible para aplicaciones oseas y/o dentales, tanto en medicina como en veterinaria. El cemento en cuestion posee varias propiedades especlficas que le dotan de especial interes. Con la finalidad de potenciar dichas propiedades, se han optimizado las condiciones de preparation del material, tal como se detalla a continuation.

En primer lugar el cemento objeto de esta invention posee propiedades termosensibles, que no han sido descritas anteriormente en ninguna otra formulation de cemento de uso biomedico de fosfato de calcio o magnesio, carbonato o sulfato de calcio. En otras palabras, ciertas propiedades de la pasta de cemento como la fuerza de inyeccion, la cohesion o el tiempo de fraguado, se pueden modular controlando la temperatura de la pasta. Esto se consigue sin comprometer la biocompatibilidad del material mediante el uso de un poloxamero como aditivo en la formulacion del cemento.

En segundo lugar, incluso con un bajo contenido de llquido en la pasta y a diferencia de otros cementos totalmente inyectables que incorporan hidrogeles en su fase llquida, la fuerza de inyeccion del cemento presentado en esta invention es relativamente baja (~50 N) y facil de alcanzar inyectando a mano. Esto se consigue porque la fuerza de inyeccion disminuye al disminuir la temperatura de la pasta. Esta propiedad permite al cirujano inyectar el material con la mayor precision posible y con el mlnimo esfuerzo. Las temperaturas de trabajo para obtener las fuerzas de inyeccion mas bajas son temperaturas ligeramente inferiores a la temperatura ambiente de un quirofano (preferentemente entre -5 y 18 °C), que se pueden conseguir facilmente con el uso de sistemas de refrigeration, banos termicos, neveras u otros dispositivos similares o equivalentes, de facil acceso en hospitales, cllnicas o consultas medicas.

En tercer lugar, es importante senalar que la cohesion de las pastas del cemento aqul presentado aumenta con el incremento de la temperatura del medio donde son inyectadas. Es de particular interes que, sin importar la temperatura inicial, las pastas del cemento aqul presentado tienen cohesion justo despues de ser mezcladas e inyectadas en un medio a temperatura fisiologica (37 °C). Esto asegura que una vez implantada la pasta de cemento en el cuerpo del paciente, esta no se desintegrara sino que mantendra la forma y endurecera in vivo, garantizando el exito del procedimiento quirurgico.

En cuarto lugar, el tiempo de fraguado del cemento es aceptable para aplicaciones cllnicas, dando suficiente margen de tiempo al cirujano para implantar el cemento con una buena inyectabilidad de la pasta, y endurece rapidamente una vez implantado. El endurecimiento del cemento se debe a dos procesos que actuan en paralelo, uno es la reaction de fraguado del cemento y el otro es la gelificacion del poloxamero con el aumento de la temperatura debido al calor corporal.

En quinto lugar, la incorporation del poloxamero no afecta al producto de la reaction de fraguado del cemento, el cual en el caso de un cemento de fosfato de calcio y dependiendo de la composition especifica del cemento puede ser hidroxiapatita deficiente en calcio, hidroxiapatita, brushita, monetita, u otro fosfato de calcio. En particular, estos fosfatos son similares a la fase mineral de los huesos y dientes. Lo que hace a los cementos de fosfatos de calcio biocompatibles, osteoconductivos y reabsorbibles, por tanto poseen un gran potencial para regenerar lesiones en tejidos duros, huesos y dientes, de cualquier vertebrado. Por otro lado, en el caso de otros cementos oseos inorganicos, el producto de fraguado comprende fosfatos de magnesio, carbonatos de calcico, sulfatos de calcio o mezclas de ellos. El producto del fraguado puede ser tanto cristalino como amorfo.

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En sexto lugar, la resistencia mecanica del cemento fraguado puede llegar a ser superior a la del hueso trabecular. En particular los cementos optimizados tienen resistencias similares a varios cementos oseos inorganicos disponibles comercialmente (resistencia a la compresion de alrededor de 30 MPa).

El procedimiento de preparation del cemento objeto de esta patente requiere de un polvo compuesto por una o varias sales inorganicas capaces de endurecer mediante una reaction de fraguado al entrar en contacto con la fase llquida. La fase llquida se compone preferentemente de agua, poloxamero en solution y puede incorporar o no, segun sea necesario, un aditivo para acelerar o retardar la reaccion de fraguado. Ademas de agua tambien se pueden usar otros llquidos biocompatibles donde el poloxamero sea soluble y el cemento sea capaz de fraguar. Dado que la distribution de tamanos de partlcula del polvo de cemento es un parametro que controla la inyectabilidad de las pastas, el control del tamano de partlcula es un factor clave de esta invention. El tamano de partlcula optimo para mejorar la inyectabilidad sin retardar el fraguado, ni perjudicar la resistencia mecanica del cemento se puede conseguir preferentemente mediante molienda de los componentes del polvo, tanto en seco como en humedo, usando un llquido libre de agua como por ejemplo, etanol o acetona, entre otros. El caracter termosensible del cemento se consigue incorporando poloxamero en solucion en la fase llquida o en forma de polvo en la fase solida del cemento. Se puede usar cualquier variedad de poloxamero dependiendo de las propiedades particulares que se quieran alcanzar. La mezcla del polvo con la fase llquida se puede llevar a cabo a varias relaciones llquido-polvo, aunque se prefieren relaciones bajas para mejorar la resistencia mecanica del cemento fraguado, y a varias temperaturas de mezclado, preferentemente temperaturas por debajo de la temperatura ambiente para poder incorporar mayor cantidad de polvo en la solucion de poloxamero. Se recomienda que las temperaturas de la fase solida y/o de la fase llquida antes del mezclado sean inferiores a 25°C y preferentemente inferiores a 12°C. El mezclado se puede realizar a mano o con un dispositivo mecanico de cualquier tipo. Para obtener pastas mas homogeneas en el menor tiempo posible se prefiere un dispositivo mecanico de mezclado de alta energla, del tipo mezclador planetario. La pasta obtenida se puede implantar directamente en la lesion osea o dental a tratar, o se puede colocar en el interior de una jeringa u dispositivo similar para su posterior implantation mediante inyeccion. Alternativamente, una vez colocada la pasta en el interior de una jeringa o dispositivo similar se puede congelar, preferentemente a temperaturas iguales o inferiores a -20 °C, para su almacenamiento, y posterior descongelacion, preferentemente a menos de 12 °C para su utilization en la aplicacion cllnica.

Los cementos inorganicos termosensibles tienen interes para aplicaciones oseas y dentales, tanto en medicina como en veterinaria, especialmente en situaciones donde se necesita incrementar la masa de hueso o rellenar una cavidad osea o dental. Dichos cementos pueden ser utilizados para rellenar cavidades oseas, defectos craneales o cavidades despues de remover un tumor, llenar espacios vaclos despues de una fractura multiple, rellenar huecos despues de quitar un diente, aumentar la cantidad de hueso antes de colocar un implante dental, fijar tornillos cuando se colocan placas metalicas, fijar dispositivos de fijacion de fracturas, estabilizar fracturas oseas o recubrir protesis e implantes, entre otras. Asimismo, el cemento puede actuar como soporte para la liberation controlada de farmacos (Drug Delivery system) o de sustrato para el crecimiento celular en ingenierla de tejidos (Tissue Engineerings scaffolds).

Preparacion de un cemento inorganico termosensible de uso biomedico

Con la finalidad de ilustrar de forma practica la invencion a continuation se indican los reactivos posibles para la preparacion de cementos inorganicos inyectables y termosensibles de uso biomedico. Sin embargo, las posibilidades no se limitan a estos ejemplos. En el caso de cementos de fosfatos de calcio la fase en polvo del cemento comprende fosfato tricalcico alfa, mezclas de fosfato tetracalcico con fosfato dicalcico anhldrido o dihidratado, o bien mezclas de

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fosfato tricalcico beta con fosfato monocalcico anhldrido o hidratado. Para cementos de fosfatos de magnesio la fase en polvo del cemento comprende mezclas de oxido de magnesio con una sal de fosfato, como fosfatos de sodio, potasio, amonio o sus mezclas. Para cementos de carbonato calcico la fase en polvo del cemento comprende vaterita y/o carbonato de calcio amorfo. Para cementos de sulfato de calcio la fase en polvo del cemento comprende sulfato de calcio hemihidrato. En todos los casos mencionados la fase en polvo se encuentra preferentemente a una temperatura inferior a 25 °C, y mas preferentemente inferior a 12 °C.

Como principal componente de la fase llquida se puede usar preferentemente agua destilada o agua bidestilada. Alternativamente se puede usar agua, soluciones acuosas salinas, fluidos fisiologicos simulados u otros llquidos donde el poloxamero sea soluble y el cemento sea capaz de fraguar. El poloxamero a utilizar puede ser cualquiera de los poloxameros existentes aunque se prefieren, sin implicar ninguna limitation, los de alto peso molecular. El poloxamero se puede incorporar en forma de polvo fino molido en el polvo de cemento, aunque se prefiere su incorporation en solution en la fase llquida del cemento. Para favorecer el efecto termosensible del cemento se prefiere el uso de poloxameros a una concentration tal que la temperatura de gelificacion de la disolucion sea cercana a la temperatura ambiente, como por ejemplo poloxamero 407 entre 10 y 30 % en peso. La temperatura de la fase llquida en el momento del mezclado debe ser inferior a 25°C y preferentemente inferior a 12°C.

A fin de conseguir una pasta totalmente inyectable, as! como el maximo de resistencia mecanica del cemento, es necesario controlar el tamano de partlcula de los reactivos que conforman el polvo y el protocolo de mezclado con la fase llquida. En el caso del tamano de partlcula, el tamano optimo se puede alcanzar mediante molienda del polvo, tanto en seco como en humedo, en este ultimo caso usando un llquido libre de agua como por ejemplo, etanol o acetona, entre otros. La distribution de tamanos de partlcula del polvo puede variar entre 0.1 y 80 pm, pero de preferencia tiene que ser menor a 20 pm. Alternativamente se puede realizar una separation de tamanos de partlcula despues de la molienda para conseguir la distribucion de tamanos deseada. La mezcla del polvo con la fase llquida se puede llevar a cabo a diferentes relaciones llquido-polvo, entre 0,15 y 1,0 mL/g. Preferentemente se recomienda usar relaciones llquido-polvo entre 0,2 y 0,4 mL/g para mejorar la resistencia mecanica del cemento. El mezclado se puede realizar a mano o mediante un dispositivo mecanico de cualquier tipo. Para obtener pastas mas homogeneas en el menor tiempo posible se prefiere un dispositivo mecanico de mezclado de alta energla, del tipo mezclador planetario. Se recomienda que las temperaturas la fase solida y/o de la fase llquida antes del mezclado sean inferiores a 25°C y mas preferentemente inferiores a 12°C. Se recomienda que la temperatura de mezclado sea preferentemente entre -5 y 20 °C. Bajo estas condiciones se obtiene una pasta con consistencia trabajable que se puede implantar directamente en la lesion osea o dental, o se puede colocar en el interior de una jeringa u dispositivo similar para su posterior implantation mediante inyeccion. El tiempo transcurrido entre la preparation y la implantation de la pasta depende de la formulation especlfica del cemento y puede variar entre 5 a 60 minutos.

En referencia al caracter termosensible del material y para minimizar la fuerza necesaria para inyectar el cemento, la temperatura de la pasta en el momento de la inyeccion debe ser inferior a 25 °C. Preferentemente se recomienda que la pasta se encuentre entre -5 y 20 °C. Cualquier metodo disponible para enfriar la pasta puede ser utilizado. Como ejemplo, sin limitar las alternativas, se pueden usar sistemas de refrigeration, banos termicos, neveras u otros dispositivos similares o equivalentes.

La pasta, una vez colocada en el interior de una jeringa o dispositivo similar tambien se puede congelar, preferentemente a temperaturas iguales o inferiores a -20 °C, para su almacenamiento, y posteriormente se descongela preferentemente a menos de 12°C para su utilization en la aplicacion cllnica.

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Es importante tener en cuenta que para la utilization del cemento in vivo, el polvo y el llquido tienen que haber sido esterilizados previamente. Ademas, se requiere una zona de trabajo esteril para evitar la contamination de los reactivos en el momento de preparation e introduction de la pasta.

Realizaciones preferidas

Los ejemplos que se incluyen a continuation son descritos con la finalidad de ilustrar de forma practica la invention, sin la intention de limitar ni restringir las composiciones especlficas que se recogen en los mismos y el procedimiento de preparacion de la mezcla de ingredientes.

Ejemplo 1: Cemento de fosfato de calcio termosensible: control de la fuerza de inyeccion

150 g de fosfato tricalcico alfa se molieron en un tarro de agata utilizando un molino planetario y las siguientes tres etapas de molienda: 1) 450 rpm durante 60 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 2) 500 rpm durante 40 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 3) 500 rpm durante 60 minutos con 100 bolas de agata de 10 mm de diametro. 2,5 g de Na2HPO4 y 20 g de poloxamero 407 se disolvieron en un volumen total de 100 mL de agua destilada. La disolucion de los componentes se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energla durante 30 minutos a 3000 rpm usando agua a 4 °C. La preparacion de la pasta consistio en mezclar 5,714 g del polvo de fosfato tricalcico alfa con 2 ml de la disolucion de Na2HPO4 y poloxamero 407 previamente enfriada a 0 °C. La mezcla se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energla durante 20 segundos a 1650 rpm.

La pasta obtenida se incorporo en una jeringa de 5 mL de capacidad y con una apertura de 2 mm de diametro. Antes de inyectar la pasta de cemento las jeringas se colocaron durante 15 minutos en un bano de agua a diferentes temperaturas, de tal forma que la temperatura de la pasta en el momento de la inyeccion fue de 0, 7, 12, 15, 18 o 20 °C. Las jeringas a la temperatura indicada se colocaron en un soporte para realizar el ensayo de inyeccion. Este ensayo consiste en medir la fuerza necesaria para inyectar la pasta a una velocidad de avance del embolo de la jeringa de 15 mm/min. El ensayo se realizo en una maquina universal de ensayos mecanicos (MTS Bionix 858). El resultado del ensayo es la curva de inyectabilidad, la cual relaciona la fuerza necesaria para inyectar la pasta a una velocidad constante en funcion del desplazamiento del embolo, este ultimo expresado en porcentaje respecto al maximo recorrido posible.

La Figura 1 muestra las curvas de inyeccion para la pasta de cemento que contiene poloxamero 407 a 7 y 20 °C. La Figura 1 tambien muestra las curvas de inyeccion para la pasta de cemento sin poloxamero 407 a las mismas temperaturas. Sin poloxamero 407 la fuerza de inyeccion no se modifico considerablemente entre 7 y 20 °C (valor aproximado de 20 a 50 MPa). Sin poloxamero 407 la pasta se inyecto parcialmente, puesto que el embolo unicamente alcanzo entre un 45 % y un 55 % del recorrido posible. La razon es el fenomeno conocido como separation de fases o filtrado por presion, el cual consiste en que el llquido es inyectado a traves del polvo, por lo que la fraction de solido en el interior de la jeringa aumenta durante el ensayo. El incremento de la fraccion de solido en la jeringa hace cada vez mas diflcil inyectar la pasta, requiriendo mas fuerza para la inyeccion. En cambio, independientemente de la temperatura, con poloxamero 407 la pasta de cemento se inyecto completamente puesto que el embolo alcanzo el maximo recorrido posible y visualmente no se observo pasta remanente dentro de las jeringas. Es interesante notar que, a pesar de que en todos los casos las pastas se inyectaron completamente, la fuerza requerida para inyectarlas fue significativamente diferente entre 7 y 20 °C.

La Figura 2 resume los resultados de la fuerza requerida para inyectar las pastas de cemento termosensible a diferentes temperaturas (0, 7, 12, 15, 18 y 20 °C). Los valores se presentan como promedio y desviacion estandar de al menos tres ensayos. La Figura 2 muestra que la fuerza requerida para inyectar la pasta disminuye al disminuir la temperatura. Se observa

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tambien que para temperaturas de la pasta iguales o inferiores a 12 °C la fuerza para la inyeccion es minima, tomando valores entre 30 y 60 MPa. A todas las temperaturas las pastas de cemento son completamente inyectables y no presentan en ningun caso senales de separacion de fases.

Ejemplo 2: Cemento de fosfato de calcio termosensible: cohesion de las pastas

150 g de fosfato tricalcico alfa se molieron en un tarro de agata utilizando un molino planetario y las siguientes tres etapas de molienda: 1) 450 rpm durante 60 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 2) 500 rpm durante 40 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 3) 500 rpm durante 60 minutos con 100 bolas de agata de 10 mm de diametro. 2,5 g de Na2HPO4 y 20 g de poloxamero 407 se disolvieron en un volumen total de 100 mL de agua destilada. La disolucion de los componentes se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energia durante 30 minutos a 3000 rpm usando agua a 4 °C. La preparation de la pasta consistio en mezclar 5,714 o 3,636 g del polvo de fosfato tricalcico alfa con 2 mL de la disolucion de Na2HPO4 y poloxamero 407 previamente enfriada a 0 °C. La mezcla se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energia durante 20 segundos a 1650 rpm.

Inmediatamente la pasta obtenida se incorporo en una jeringa de 5 mL de capacidad y con una apertura de 2 mm de diametro. Las jeringas se colocaron durante 15 minutos en un bano de agua a diferentes temperaturas, de tal forma que la temperatura de la pasta fue de 0, 7 o 18 °C. Una vez la pasta alcanzo la temperatura deseada esta se inyecto a mano en una solution de Ringer (0,9 % en peso de NaCl en agua) a diferentes temperaturas entre 0 y 37 °C. La cohesion de las pastas de determino visualmente durante un maximo de 24 h, tiempo suficiente para el endurecimiento del cemento.

La Figura 3 muestra imagenes de la pasta inicialmente a 18 °C e inyectada en solucion de Ringer a temperaturas entre 0 y 37 °C. Se puede observar que al aumentar la temperatura de la solucion de Ringer la pasta inyectada retiene en mejor medida su forma de extrusion, lo que indica que la cohesion de la pasta aumenta con la temperatura del medio donde es inyectada. En particular, a 37 °C (temperatura fisiologica), la retention de la forma del cemento es completa, por lo que se puede inyectar con la seguridad de que el cemento conservara su integridad in situ. La Figura 4 muestra que la temperatura inicial de la pasta (0, 7 o 18 °C) no afecta la cohesion del cemento cuando es inyectado en solucion de Ringer a 37 °C. La Figura 5 muestra que cementos sin poloxamero 407 no tienen cohesion en solucion de Ringer a 37 °C. Por un lado, cuando poca cantidad de polvo (3,636 g) es mezclada con 2 mL de solucion de Na2HPO4 al 2 % en peso, la pasta es tan liquida que se desintegra inmediatamente al entrar en contacto con la solucion de Ringer. Por otro lado, cuando la cantidad de polvo es mayor (5,714 g), la pasta parece tener cohesion despues de las primeras horas en contacto con la solucion de Ringer, pero con el paso del tiempo la forma de extrusion pierde continuidad, dando lugar a varios fragmentos macroscopicos que aunque terminan endureciendo no mantienen su forma original. En cambio con poloxamero 407 las pastas de cemento endurecen manteniendo completamente su forma para las dos cantidades de polvo usadas.

Ejemplo 3: Fraguado y endurecimiento del cemento de fosfato de calcio termosensible

150 g de fosfato tricalcico alfa se molieron en un tarro de agata utilizando un molino planetario y las siguientes tres etapas de molienda: 1) 450 rpm durante 60 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 2) 500 rpm durante 40 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 3) 500 rpm durante 60 minutos con 100 bolas de agata de 10 mm de diametro. 2,5 g de Na2HPO4 y 20 g de poloxamero 407 se disolvieron en un volumen total de 100 mL de agua destilada. La disolucion de los componentes se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energia durante 30 minutos a 3000 rpm usando agua a 4 °C. La preparacion de la pasta consistio en mezclar 5,714 g del polvo de fosfato tricalcico alfa con 2 mL de la disolucion de Na2HPO4 y poloxamero 407 previamente enfriada a 0 °C. La mezcla se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energia durante 20 segundos a 1650 rpm.

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Los tiempos de fraguado inicial y final se midieron mediante el ensayo de las agujas de Gilmore, segun el cual el tiempo de fraguado inicial se define como el tiempo transcurrido desde el momento en que el polvo contacta con el liquido, hasta que una presion de 0,3 MPa no deja ninguna marca en la superficie del cemento, mientras que el tiempo de fraguado final se define como el tiempo transcurrido desde el momento en que el polvo contacta con el liquido, hasta que una presion de 5 MPa no deja ninguna marca en la superficie del cemento. El ensayo se realizo introduciendo la pasta del cemento en moldes de plastico cilmdricos de 10 mm de altura. El tiempo de fraguado inicial del cemento fue de 11,6 minutos y el tiempo final fue de 33,7 minutos.

Para determinar el producto final de la reaccion de fraguado y la resistencia a la compresion del cemento se prepararon probetas del cemento de 12 mm de altura y 6 mm de diametro en moldes de teflon. Dichos moldes se introdujeron en solucion de Ringer (0,9 % en peso de NaCl en agua) y se mantuvieron a 37 °C durante 7 dias. En la Figura 6 se presenta el diagrama de difraccion de rayos X del cemento fraguado durante 7 dias. Los maximos de difraccion que se observan concuerdan con la ficha cristalografica de la hidroxiapatita (JCPDS 09-0342). Esto indica que durante el fraguado el fosfato tricalcico alfa se hidroliza para formar hidroxiapatita. En particular, y de acuerdo a la relacion Ca/P del fosfato tricalcico alfa usado como reactivo (Ca/P = 1,5), la hidroxiapatita formada corresponde a una hidroxiapatita deficiente en calcio. La resistencia a la compresion se midio utilizando una maquina universal de ensayos mecanicos, con una celula de carga de 10 kN, usando una velocidad de desplazamiento de mordazas de 1mm/min. La resistencia a la compresion del cemento termosensible fraguado fue de 28,4 ± 5,1 MPa. La densidad esqueletica del cemento termosensible fraguado medida mediante picnometria de helio fue de 2,68 g/cm3.

Ejemplo 4: Almacenamiento de la pasta de cemento a baja temperatura: Congelacion y descongelacion

150 g de fosfato tricalcico alfa se molieron en un tarro de agata utilizando un molino planetario y las siguientes tres etapas de molienda: 1) 450 rpm durante 60 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 2) 500 rpm durante 40 minutos con 10 bolas de agata de 30 mm de diametro; 3) 500 rpm durante 60 minutos con 100 bolas de agata de 10 mm de diametro. 2,5 g de Na2HPO4 y 20 g de poloxamero 407 se disolvieron en un volumen total de 100 mL de agua destilada. La disolucion de los componentes se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energia durante 30 minutos a 3000 rpm usando agua a 4 °C. La preparation de la pasta consistio en mezclar 5,714 g del polvo de fosfato tricalcico alfa con 2 mL de la disolucion de Na2HPO4 y poloxamero 407 previamente enfriada a 0 °C. La mezcla se llevo a cabo en un mezclador planetario de alta energia durante 20 segundos a 1650 rpm.

Inmediatamente la pasta obtenida se incorporo en una jeringa de 5 mL de capacidad y con una apertura de 2 mm de diametro. Las jeringas se colocaron durante 15 minutos en nitrogeno liquido e inmediatamente se colocaron a -80 °C en un congelador durante 3, 7, 14, 21 y 49 dias. Despues de estos tiempos las jeringas con la pasta de cemento se descongelaron durante 13 minutos en un bano de agua a 7 °C. La fuerza requerida para inyectar la pasta de cemento descongelada se determino mediante el ensayo de inyeccion. El ensayo se realizo en una maquina universal de ensayos mecanicos (MTS Bionix 858) a una velocidad de avance del embolo de la jeringa de 15 mm/min. La Figura 7 muestra que la fuerza necesaria para inyectar las pastas de cemento descongeladas no aumento significativamente (p > 0.05) respecto a la fuerza necesaria para inyectar la pasta recien preparada a la misma temperatura. En todos los casos la pasta se inyecto en su totalidad puesto que el embolo alcanzo el final del recorrido y no se observo pasta remanente en las jeringas. Las pastas descongeladas presentaron cohesion total al ser inyectadas en solucion de Ringer (0,9 % en peso de NaCl en agua) a 37 °C. Los tiempos de fraguado inicial y final, medidos mediante el ensayo de las agujas de Gilmore despues de los diferentes tiempos de congelacion no cambiaron significativamente (p > 0.05) respecto a los tiempos de fraguado inicial y final (respectivamente) de pastas no

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congeladas. Tampoco se encontraron cambios estadlsticamente significativos (p > 0.05) en la resistencia a la compresion del cemento fraguado durante 7 dlas por el hecho de congelar y descongelar la pasta de cemento.

Breve descripcion de las figuras

En las Figuras se ha representado lo siguiente:

Figura 1. Curvas de inyeccion (fuerza - desplazamiento del embolo) correspondientes a cementos con poloxamero 407 (llneas continuas) a 7 y 20 °C, y sin poloxamero 407 (llneas discontinuas) a 7 y 20 °C.

Figura 2. Fuerzas requeridas para inyectar las pastas de cemento termosensible a diferentes temperaturas (0, 7, 12, 15, 18 y 20 °C).

Figura 3. Imagenes de la cohesion de las pastas de cemento termosensible en solucion de Ringer a temperaturas entre 0 y 37 °C. En todos los casos la temperatura inicial de la pasta fue de 18 °C.

Figura 4. Imagenes de la cohesion de las pastas de cemento termosensible mantenidas inicialmente a 0, 7 o 18 °C, al ser inyectadas en una solucion de Ringer a 37 °C.

Figura 5. Imagenes de la cohesion de las pastas de cemento con diferentes cantidades de polvo y 2 mL de fase llquida, con y sin la incorporation de poloxamero 407.

Figura 6. Difraccion de rayos X del producto de reaction de un cemento termosensible fraguado en solucion de Ringer durante 7 dlas a 37 °C.

Figura 7. Fuerzas necesarias para inyectar las pastas de cemento termosensible despues de 0, 3, 7, 14, 21 y 49 dlas de estar congeladas a -80 °C. En todos los casos las pastas se descongelaron e inyectaron a 7 °C.

Invencion escalable a aplicacion industrial

Los cementos inorganicos termosensibles que se han descrito presentan varias aplicaciones en el campo cllnico y veterinario, especialmente en los campos de la cirugla ortopedica, para rellenar cavidades oseas, defectos craneales o cavidades despues de remover un tumor, llenar espacios vacios despues de una fractura, fijar tornillos cuando se colocan placas metalicas, estabilizar fracturas oseas o recubrir protesis e implantes, o en odontologla para rellenar huecos despues de quitar un diente o para aumentar la cantidad de hueso antes de la colocation de un implante dental. Esta invencion es facilmente aplicable a escala industrial. La preparation del polvo y la fase llquida de los cementos es muy sencilla ya que todos los reactivos son comerciales y solo se requiere la optimization del tamano de partlcula del polvo y la temperatura de la pasta para poder conseguir las ventajas enumeradas a continuation, las cuales incrementan el valor de dicho cemento en el ambito de los biomateriales.

(a) Minimization de la fuerza necesaria para inyectar la pasta, facilitando el proceso de implantation mediante inyeccion;

(b) Obtencion de cohesion total de la pasta cuando es inyectada a temperatura fisiologica;

(c) Fraguado rapido acompanado de resistencias a la compresion elevadas;

(d) Ausencia de subproductos toxicos;

(e) Adherencia a tejidos vivos como el hueso; f) Reabsorcion in vivo.

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Asimismo, la preparation del cemento es sencilla. El uso del cemento en aplicaciones

biomedicas requiere la esterilizacion de los reactivos asl como un empleo adecuado de estos.

Ademas, hay que introducir el cemento en el defecto oseo o dental en un tiempo corto, limitado

por el endurecimiento de este.

REFERENCIAS

[1] G. Dumortier, J. L. Grossiord, F. Agnely, and J. C. Chaumeil, "A review of poloxamer 407 pharmaceutical and pharmacological characteristics.,” Pharm. Res., vol. 23, no. 12, pp. 2709-28, Dec. 2006.

[2] J. Franco, P. Hunger, M. E. Launey, a P. Tomsia, and E. Saiz, "Direct write assembly of calcium phosphate scaffolds using a water-based hydrogel.,” Acta Biomater., vol. 6, no.

1, pp. 218-28, Jan. 2010.

[3] J. Raymond and A. Schwarz, "Temporary embolization using inverse thermosensitive polymers,” US Pat. App. 10/794,804, 2004.

[4] D. O’mahony and V. Garigapati, "Post irradiation shelf-stable dual paste direct injectable bone cement precursor systems and methods of making same,” US Pat. App. 13/..., 2013.

[5] M. P. Ginebra, J. A. Planell, and F. X. Gil, "Injectable, Self Setting Calcium Phosphate Foam,” EP20050782615 200508112007.

Claims

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ES 2 553 302 A1

REIVINDICACIONES

I. - Un cemento inorganico termosensible de uso biomedico caracterizado porque comprende un cemento hidraulico inorganico y un poloxamero, que se puede anadir bien en la fase solida o bien en la fase llquida, dicha fase solida del cemento hidraulico inorganico comprende fosfatos de calcio, sodio y/o amonio, carbonatos de calcio, sulfatos de calcio, oxido de magnesio o cualquier mezcla de ellos, y la fase llquida es agua o una solucion acuosa.

2- Un cemento segun la reivindicacion 1 en el que el poloxamero se incorpora preferentemente en la fase llquida del cemento, que comprende agua destilada o una solucion acuosa.
3. - Un cemento segun la reivindicacion 1, en que el componente autofraguable es fosfato tricalcico alfa.
4. - Un cemento segun la reivindicacion 1 en el que el poloxamero utilizado como aditivo es poloxamero 407, caracterizado porque el poloxamero 407 se puede incorporar como polvo en la fase solida del cemento o preferentemente disuelto en la fase llquida del cemento.
5. - Un cemento segun la reivindicacion 4 en el que el poloxamero 407 se incorpora en la fase llquida del cemento en una concentration entre 10 y 30 % en peso, preferentemente 20 % en peso.
6. Un cemento segun las reivindicaciones 3 a 5 en el que la fase llquida del cemento es preferentemente una solucion acuosa de Na2HPO4, con una concentracion inferior al 10% en peso, preferentemente del 2.5% en peso.
7. - Un cemento segun las reivindicaciones 3 a 5 en el que la mezcla de la fase llquida con la solida se lleva a cabo a una proportion llquido-polvo entre 0,15 y 1,0 mL/g, preferentemente entre 0,2 y 0,4 mL/g.
8. - Un procedimiento para la preparation del cemento inorganico termosensible para aplicaciones biomedicas donde la fase llquida formada por un hidrogel de poloxamero, a una temperatura inferior a 25 °C y preferentemente inferior a 12 °C, se mezcla con la fase en polvo del cemento, que comprende fosfatos de calcio, sodio y/o amonio, carbonatos de calcio, sulfatos de calcio, oxido de magnesio o cualquier mezcla de ellos.
9. - Un procedimiento para la preparacion de un cemento inorganico termosensible para aplicaciones biomedicas segun la reivindicacion 8 en el que la fase en polvo se encuentra preferentemente a una temperatura inferior a 25 °C, y mas preferentemente inferior a 12 °C.
10. - Un procedimiento para la preparacion de un cemento inorganico termosensible para aplicaciones biomedicas segun las reivindicaciones 8 y 9 en el que la fase en polvo comprende preferentemente fosfato tricalcico alfa.

II. - Un procedimiento para la preparacion de un cemento inorganico termosensible para aplicaciones biomedicas segun la reivindicacion 10 en el que la mezcla de la fase llquida con la solida se lleva a cabo a una proporcion llquido-polvo entre 0,15 y 1,0 mL/g, preferentemente entre 0,2 y 0,4 mL/g.
12. - Un procedimiento para la preparacion del cemento inorganico termosensible para

aplicaciones biomedicas, segun la reivindicacion 8, donde la mezcla del polvo con la fase

llquida se realiza preferentemente en un mezclador de alta energla.
13. - Un procedimiento para la preparacion del cemento inorganico termosensible para

aplicaciones biomedicas, segun la reivindicacion 8, en el que la pasta una vez colocada en el

interior de una jeringa o dispositivo similar se congela, preferentemente a temperaturas iguales o inferiores a -20 °C, para su almacenamiento, y posteriormente se descongela preferentemente a menos de 12 °C para su utilization en la aplicacion cllnica.