BIOACTIVIDAD DE VIDRIOS MODIFICADOS DEL SISTEMA Na₂O·CaO·SiO₂·P₂O₅

I. Barrios de Arenas¹, C. Schattner², M. Vásquez²

 

1 Lab. de Microscopía Electrónica, Departamento de Tecnología de Materiales, I.U.T. - Región Capital, PO Box 40347, Caracas 1040. Venezuela. e - mail:fredaren@telcel.net.ve.
2. Departamento de Ciencias de Materiales, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas. Venezuela.

 Resumen.

Desde hace algunos años se han ido desarrollando materiales cerámicos especiales, cuyas propiedades permiten que éstos sean usados como reemplazo de hueso en humanos. Una de las propiedades que se destaca en estos materiales es la biocompatibilidad, que permite que el material sea aceptado por el organismo aún cuando no interactúe con el. Muchos investigadores han estudiado la bioactividad de cerámicas y vidrios, así como su capacidad de unión con tejidos blandos y duros. Hench y sus colaboradores descubrieron que es posible la unión química entre huesos y vidrios de ciertas composiciones, los cuales denominaron vidrios bioactivos, encontrando numerosas aplicaciones en la reparación y reconstrucción de tejidos enfermos y dañados, especialmente en huesos. El B₂O₃ y Al₂O₃ se usan para modificar la superficie de disolución, la durabilidad y las características de fusión y formabilidad de los vidrios bioactivos; sin embargo el alúmina (Al₂O₃) a diferencia del B₂O₃ puede inhibir el proceso de unión entre el material bioactivo y el hueso, siendo la cantidad aceptable de alúmina, una función de la composición del vidrio. El propósito de este trabajo fue estudiar la influencia de la adición B₂O₃ y Al₂O₃ en proporciones variables sobre la bioactividad de vidrios del sistema Na₂O·CaO·SiO₂·P2O₅, investigando in vitro la formación de la capa de apatita en la superficie de los vidrios, sumergiendo las muestras en un fluido simulado del cuerpo, que es una solución acuosa sin celulas de una concentración iónica similar a la del plasma de sangre humana. La superficie de reacción fue estudiada usando Microscopía Eléctrica de Barrido (MEB) y la capa depositada fue analizada por distribución lineal de barrido usando un detector UTW. Los perfiles composicionales de la capa formada sobre la superficie de los substratos mostraron que esta capa es rica en calcio y fósforo, caracterizada en trabajos anteriores como apatita. Esta fase creció en los vidrios todas las composiciones estudiadas excepto en aquellas con una relación B₂O₃ / Al₂O₃ mayor a 0,55.

Palabras Claves: Bioactividad, Biocompatibilidad, Fluido Simulado del Cuerpo (SBF), Microscopía Electrónica.

Abstract.

Special materials have been developed with properties which allow them to be used where a bone replacement is needed. An important property of these materials is the biocompatibility, this property allows that these materials are accepted by the organism although there is not interaction with it. Research works have been carried out on the bioactivity of ceramics and glasses studying their bond to soft or hard tissues. Hench and co-workers discovered that chemical bonding between a bone and certain glass compositions is possible, so called bioactive glasses, encountering them numerous applications in the repair and reconstruction of diseased and damaged tissue, especially hard one (bone). B₂O₃ and Al₂O₃ have been used in bioactive glasses to modify its surface dissolution and durability, melting and forming characteristics; however, Al₂O₃ in contrast to B₂O₃ can inhibit bone bonding, being the acceptable amount of alumina a function of glass composition. The purpose of this work was to study the influence of variable B₂O₃ / Al₂O₃ addition on the bioactivity Na₂O·CaO·SiO₂·P₂O₅ glasses, being the formation of the apatite layer on the glasses surface investigated in vitro soaked at different time intervals, using simulated body fluid, an acellular aqueous solution which has similar ion concentration to human blood plasma. The reaction surface was studied using Scanning Electron Microscopy (SEM) and the deposited layer was analysed by EDX line scans using UTW detector. The compositional profiles of the deposited surface and substrate showed a layer rich in calcium and phosphorous characterised in previous works as apatite. This phase has grown in all studied compositions except those with B₂O₃ / Al₂O₃ contents higher than 0,55.

Keywords: Bioactivity, Biocompatibility, Simulated Body Fluid (SBF), Electron Microscopy.

1. Introducción.

Un material bioactivo es aquel que proporciona una respuesta biológica específica en la interfase del material, que resulta en la unión entre el material y los tejidos. Todo material bioactivo forma una unión interfacial con tejidos adyacentes. Sin embargo, el tiempo de unión, la resistencia de la unión, el mecanismo de unión y el espesor de la zona de unión difiere entre ellos [1-4].
La tasa de desarrollo de la unión interfacial entre el implante y el hueso puede ser referido a un nivel de bioactividad. Hench, introdujo un índice de bioactividad (I_B) (Ec. 1) relacionado al tiempo donde más del 50% de la superficie se ha unido al hueso (t_0,5bb). Un valor alto de este índice (entre 8 - 10), implica un tiempo de unión muy corto, lo cual garantiza una unión firme y estable tanto con el hueso como con los tejidos blandos [5].

(Esc.1)

En el diagrama ternario Na₂O-SiO₂-CaO (fig. 1) se puede observar la dependencia composicional con la bioactividad. En la región A, los vidrios son bioactivos y se unen al hueso, todas las composiciones en esta región tienen un 6% peso de P₂O₅; en el medio de esta área, hay una pequeña región indicada con una línea discontinua dentro de la cual también ocurre la unión con los tejidos blandos (I_B > 8). Los vidrios de la región B, se comportan como materiales aproximadamente inertes y son encapsulados por tejidos fibrosos no adherentes cuando son implantados. Las composiciones en la región C, son reabsorbidos por el tejido en un lapso de 10 a 30 días.[5]

Fig. 1 Dependencia composicional (% peso) de la capacidad de los vidrios y vitrocerámicas bioactivas de establecer enlace con el hueso y los tejidos suaves. [5]

Es importante tomar en cuenta que pequeños cambios en la composición de un biomaterial pueden afectar significativamente sus características, siendo posible que un material bioactivo se transforme en un material bioinerte o reabsorbible. Se ha demostrado que ciertas composiciones de vidrios, cerámicas, vitrocerámicas y composites tienen la capacidad de desarrollar uniones mecánicamente fuertes con el hueso [1-4], estos son conocidos como "materiales bioactivos", existen otras composiciones de vidrios bioactivos que forman unión tanto con el hueso como con los tejidos blandos [6,7]. La característica común entre ellos, es la modificación superficial cinética dependiente del tiempo que ocurre sobre el implante [2,3]. La superficie forma una apatita hidroxicarbonada biológicamente activa (HCA), que permite la unión interfacial con los tejidos, esta capa es químicamente y estructuralmente equivalente a la fase mineral del hueso y es responsable de la unión interfacial. La capacidad de algunos materiales cerámicos de establecer unión tanto con el hueso como con los tejidos blandos, se demostró primero para un cierto rango de vidrios bioactivos que contenían SiO₂, Na₂O, CaO, y P₂O₅ en proporciones específicas [4]. Existen tres claves composicionales características de estos vidrios que los distinguen de los vidrios tradicionales de este sistema: (1) menos de 60% mol de SiO₂, (2) alto contenido de Na₂O y CaO y (3) Una proporción CaO/ P₂O₅ mayor que 5:1. Estas características composicionales hacen que la superficie del vidrio sea altamente reactiva cuando se expone a un medio acuoso.
Por métodos estadísticos (Ec 2), se encontró una relación entre el número de reacción (RN) y el porcentaje en peso de cada uno de los óxido añadidos (% en peso), cuyo rango de validez se presenta en la tabla 1 [8]. Este modelo considera, no sólo la biocompatibilidad del implante, sino que también se diferencia entre un implante aceptable (RN = 4) y una unión firme (RN > 5).

RN = 88,3875 - 0.0116272[SiO₂]² - 0.980188[Na₂O] - 1.12306[CaO] - 1.20556[P₂O₅] - 0.560527[B₂O₃] - 2.08689[Al₂O₃] (Ec. 2)

Tabla 1. Rango de composiciones para recubrimientos bioactivos. [8]

Luego de muchos análisis, Hench concluyó que la bioactividad ocurre sólo dentro de ciertos límites composicionales y para relaciones de óxidos específicas en el caso de vidrios del sistema SiO₂, Na₂O, CaO, P₂O₅, KO₂, MgO; sin embargo la ampliación de estos límites composicionales y las razones físicas y químicas de estos límites no son muy conocidas [9].
Hench ha descrito los mecanismos de unión como una secuencia de reacciones entre el vidrio y el fluido circundante [9], Gross y Strunz describieron esta unión desde un punto de vista biológico [10], el conjunto de reacciones resulta en la formación de una capa rica en sílice adherida firmemente al hueso. Este tipo de vidrios pueden tener una alta disolución el cual podría reducir la confiabilidad largo plazo. La forma tradicional de reducir la solubilidad del vidrio es a través de la adición de alúmina (Al₂O₃), también se conoce que la alúmina puede inhibir la unión al hueso y que un 1,5 % peso de Al₂O₃ puede ser añadido sin verse afectada la mineralización de los osteocitos [11].
En el presente estudio, se investigó la formación de la capa de apatita en la superficie de vidrios del sistema SiO₂, Na₂O, CaO, y P₂O₅ in vitro y el efecto producido en los mismos por la adición de B2O3 y Al2O3 en diferentes proporciones.

2. Procedimiento Experimental.

2.1 Preparación de los vidrios.

Las composiciones de los vidrios se formularon tomando en cuenta el índice de bioactividad I_B, introducido por Hench [5] y el número de reacción (RN), desarrollado por Andersson [8]. También se respetaron las tres claves composicionales mencionadas anteriormente. Las composiciones de los vidrios se muestran en la Tabla 2, notando que todas cumplen con las condiciones establecidas tal que muestren un comportamiento bioactivo. Las materias primas fueron: SiO₂, CHNaO₃, CaCO₃, P₂O₅, B₂O₃ y Al₂O₃ con una pureza mayor al 99%. Las mezclas de óxidos fueron fundidas en un crisol de platino por aproximadamente 6 horas, a una tasa de calentamiento de 5°C / min, manteniendo el horno por 60 minutos a una temperatura de 1000 °C para garantizar la eliminación de los carbonatos presentes y otros 30 minutos a 1450 °C para la homogenización y refinamiento del vidrio. La fusión fue vaciada en moldes cilíndricos de grafito de 10 mm de diámetro precalentados a 500 °C, pasando luego a un enfriamiento lento con el propósito de eliminar las tensiones del vidrio. La superficie de los vidrios fueron desbastadas y pulidas con pasta de diamante de 1 μm.

2.2 Preparación del fluido simulado del cuerpo (FSC).

La solución acuosa se preparó de acuerdo a las proporciones especificadas por Kokubo [12] en estudios previos, empleando los mismos reactivos de grado químico que son NaCl, NaHCO₃, KCl, K₂HPO₄·3H₂O, MgCl₂·6H₂O, CaCl₂ y Na₂SO₄. Estos se disolvieron en agua destilada ajustando el pH a 7,25 con la adición de 50 mM de un trisma (tris(hidroximetil)-aminometano (NH₂C(CH₂OH)₃) y 45 mM de ácido clorhídrico (HCl).

2.3 Inmersión en el FSC.

Las muestras fueron inmersas en el fluido. La temperatura del sistema se mantuvo a 36,5 + 5 ºC, con la utilización de una resistencia y un termostato incorporado a la misma. Manteniendo una agitación leve, para mantener el fluido fresco sobre la muestra. Las muestras fueron extraídas a diferentes intervalos de tiempo (2, 3, 4 y 5 semanas), con el fin de analizar la evolución del proceso de reacción. Las muestras se limpiaron cuidadosamente con acetona, y fueron embutidas en una resina al frío, para luego cortarlas transversalmente con un disco de diamante. Las secciones transversales se desbastaron y pulieron con pasta de diamante de 1 mm, para poder ser analizadas por microscopía electrónica de barrido fueron recubiertas con una película de carbono.

Tabla 2. composiciones de los vidrios [% peso]

3. Resultados y Discusión.

Al entrar en contacto el vidrio con la solución (FSC), ocurre un intercambio iónico entre los iones alcalinos del vidrio (en este caso el Na⁺) y los iones hidrógeno de la solución. Este intercambio es relativamente fácil debido a que los iones Na no son parte de los formadores de la red vítrea; Es importante resaltar que durante este intercambio, el resto de los componentes del vidrio no se ven afectados. Luego de esta etapa hay una disolución interfacial de la red, que provoca la ruptura de los enlaces Si-O-Si, creándose luego enlaces Si-OH (silanol) en la superficie del vidrio en contacto con la solución de FSC. Ocurriendo luego la condensación y repolimerización del silicio, que dá paso a la formación de una capa rica en sílice la cual es característica de los vidrios bioactivos. La migración de iones Ca²⁺ y PO₄²⁺ del vidrio a través de la capa rica en silicio, se depositan en el tope de la misma y originan la formación de una capa de fosfato de calcio, que posteriormente crece debido a la incorporación de estos mismos iones provenientes de la solución [13]. La migración de los iones de calcio y fosfato a través del vidrio, se ve favorecida por las vacancias dejadas por los iones alcalinos.
En el caso de la figura 2 (a) se puede observar la formación de una capa rica en sílice y una capa muy delgada e irregular rica en calcio y fósforo. A pesar de tener el valor mas alto de RN, puede observarse en la tabla 3 que el crecimiento de la capa rica en calcio y fósforo comenzó luego de 2 semanas en el fluido simulado del cuerpo, por lo tanto los vidrios de composición 1 son considerados biocompatibles pero no bioactivos.
En las imágenes de las figuras 2 (b, c y e) se aprecia la formación de ambas capas, siendo la capa rica en calcio y fósforo de un espesor bastante uniforme, notando que en las imágenes 2 (c y e), se aprecia una alta porosidad en la capa rica en sílice, esto posiblemente se deba a la alta migración de iones Na⁺ hacia la superficie del substrato, en estos vidrios se observó la presencia de la capa de apatita desde las primeras semanas por lo que los vidrios de composiciones 2, 3 y 5 son considerados bioactivos.
En la imagen de la figura 2 (d, f y g) se nota la formación de la capa rica en sílice y cerca de la resina se observa una variación de la tonalidad, pero de acuerdo con el perfil composicional esta variación no se debe a la formación de la capa de apatita (alta concentración de iones de calcio y fósforo), en la superficie del substrato sino simplemente a un gradiente de composición. De hecho en las otras imágenes, la zona que corresponde a la capa de apatita tiende a ser mas clara que la correspondiente a la capa rica en sílice. Es posible que en estos casos los óxidos de iones multivalentes se encuentran en una proporción tal que ambos actúan como formadores en la estructura vítrea, haciendo que el vidrio tenga una alta resistencia química. En base a esto, los vidrios de composición 4, 6 y 7 son considerados vidrios biocompatibles. Finalmente la figura 2 (h) muestra la sección transversal de un vidrio de composición 8 en el cual no ocurre ningún tipo de cambios. La solubilidad de este vidrio es tan baja, que el proceso de reacción fue inhibido completamente, es por ello que se considera bioinerte.
Para analizar con mas detalle el comportamiento de los vidrios estudiados, se midieron los espesores de la capa rica en sílice, y la capa rica en calcio y fósforo a diferentes intervalos de tiempo, estos resultados se muestran en la Tabla 3.
En base a lo discutido a partir de la figura 2, junto a la información mostrada en la tabla 3. Se establece que aún cuando todas las composiciones tienen un RN mayor a 5, sólo los vidrios de composiciones 2, 3 y 5 mostraron un comportamiento bioactivo, es importante destacar que la composición 5 excede el porcentaje límite establecido tal que no afecte la bioactividad del vidrio, este comportamiento puede deberse a la presencia de B₂O₃ que de algún modo permite la migración de iones Na⁺ a través de la superficie. A partir de la tabla 2 se puede señalar que las composiciones que resultaron tener un comportamiento bioactivo tienen una relación B₂O₃/Al₂O₃ entre 0,5 y 0,55 .

 
Fig. 2 (a-h) Imágenes MEB de la sección transversal de los diferentes vidrios (comp. 1-8), sumergidos en FSC por 5 semanas con su perfil composicional sobrepuesto. El substrato de vidrio esta identificado como (V), una capa rica en sílice (Si), y una capa rica en calcio y fósforo (CaP), la zona más oscura corresponde a la resina (R). Todas las zonas se distinguen fácilmente por los diferentes tonos de gris.

Tabla 3. Espesores de las capas de reacción después del ensayo de bioactividad in vitro.

4. Conclusiones.
Los resultados sugieren que cuando la Al₂O₃ esta presente junto con el B₂O₃, debe tomarse en cuenta la relación B₂O₃/Al₂O₃. El B₂O₃ aparentemente influye en la estabilización de la alúmina, permitiendo así la acumulación de calcio y fósforo en la superficie del vidrio. En los vidrios cuya proporción B₂O₃/Al₂O₃ estuvo en un rango entre 0,5 y 0,55 se observó un comportamiento bioactivo, a diferencia de los que tenían un valor de 0,6; 0,62 y 0,66 que presentaron la formación de una capa rica en sílice y en algunos casos una capa de apatita pero luego de 3 y 4 semanas de sumergidas en el FSC por lo que estos vidrios resultaron ser biocompatibles. Y finalmente en el caso de la composición 8 se observó un comportamiento bioinerte y ésta proporción fue de 0,74. De acuerdo a este comportamiento pareciera que a medida que aumenta la relación B₂O₃/Al₂O₃ se hace mas difícil el proceso de reacción entre el material y el fluido simulado del cuerpo.

Referencias

1. L. L. Hench, E. C. Ethridge: Biomaterials: An interfacial Approach. (Academic Press NY 1982).         [ Links ]

2. L. L. Hench Bioactive Ceramics: p 54, in Bioceramics materials Characteristics versus in vivo behavior. Vol. 523. (Ed. P. Ducheyne and J. Lemons., Annual of New York 1988).

3. U. Gross, R. Kinne, H. J. Schmitz, V. Strunz: CRC, Crit. Rev. Biocompat. 4, 2 (1988).

4. L. L. Hench, R. J. Splinter, W. C. Allen, T. K. Greenlee Jr.: J. Biomed. Mater. Res. 2 [1] (1972), pp. 117-41.

5. L. L. Hench, J. Wilson: An Introduction to bioceramics. World Scientific, (1993)

6. J. Wilson, G. H. Pigott, F. J. Shoen and L. L. Hench.: J. Biomed Mater. Res., 15 (1976), p. 805.

7. J. Wilson, D. Noletti.: Bonding of soft tissues to Bioglass. Pp. 280-302 in Handbook of Bioactive Ceramics, Vol I, Bioactive glasses and glass ceramics. (Ed. T. Yamamuro, L. L. Hench and J. Wilson. CRC Press. Boca Ratón. Fl. 1990).

8. M. Cable, J. M. Parker: Hihg Performance Glasses. Blackie and Son Limited. Glasgow. Reino Unido (1992), pp. 155-156.

9. L. L. Hench.: J. Am. Ceram. Soc. 74 [7] (1991) pp. 1487-510.

10. U. Gross, V. Strunz.: J. Biomed. Mater. Res. 19 (1985), p.251

11. [O. H. Andersson, K. H. Karlsson, K. Kagasniemi, Yli-Urpo.: Glasstech. Ber., 61 (1988), pp. 300-05.

12. T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi, T. Yamamuro.: J. Biomed. Mater. Res. 24 (1990), pp.721-34.

13. M. Ogino, F. Ohuchi, L. L. Hench.: J. Biomed. Mater. Res., 14, (1980), pp 55-64.