ESPUMA DE FOSFATO DE CALCIO AUTOFRAGUABLE E INYECTABLE
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a biomateriales para cirugía ósea y odontología, regeneración ósea, relleno de cavidades óseas, estabilización de fracturas óseas, recubrimiento de prótesis o implantes, fijación de prótesis o implantes, sistemas de liberación de fármacos (Drug Delivery systems) y soportes de crecimiento celular en ingeniería de tejidos (Tissue Engineering scaffolds). La presente invención se refiere asimismo a procedimientos para la obtención de dichos biomateriales y a un kit que permite su obtención.
Estado de la técnica
Esta invención se enmarca dentro del ámbito de los biomateriales para regeneración del tejido óseo, y más concretamente de los cementos de fosfatos de calcio. Desde que en el año 1985 Brown y Chow presentaron la primera patente sobre este tipo de materiales (US4518430), se han desarrollado distintas formulaciones de cementos basados en fosfatos de calcio. Este tipo de materiales se basa en la mezcla de una o más sales calcicas, con una solución acuosa, de forma que se obtiene un cemento capaz de fraguar con el tiempo en condiciones fisiológicas, y obteniéndose como producto de la reacción de fraguado un fosfato calcico de composición muy similar a la fase mineral que forma el tejido óseo. Durante el fraguado, la pasta plástica se transforma en un cuerpo sólido.
El fraguado del cemento es resultado de un proceso de disolución de los reactivos y precipitación de una nueva fase, que tiene lugar a temperatura ambiente o corporal. En la mayoría de los cementos desarrollados en los último años, el producto de la reacción es una hidroxiapatita muy similar a la biológica: nanocristalina, no estequiométrica, y que puede incorporar distintos iones en función de la composición de los reactivos y del medio.
El desarrollo de materiales de tipo cemento, en especial para tratamientos de defectos óseos, lleva asociadas dos ventajas importantes en comparación con la utilización de fosfatos de calcio en forma de granulos o bloques. En primer lugar, la inyectabilidad, que permite implantar el cemento mediante técnicas de mínima invasión. En segundo lugar, la perfecta adaptación al defecto en el que se implanta, que asegura una perfecta aposición material- tejido óseo incluso en geometrías complicadas. Esto permite que el defecto se estabilice mejor y, por lo tanto, el proceso de curación sea más rápido.
Las propiedades de fraguado y endurecimiento de un cemento pueden ajustarse modificando distintas variables de procesado, como la composición química de los reactivos, el tamaño de partícula, la adición de semillas, etc. Esto hace de los cementos de fosfato de calcio materiales muy versátiles, que se pueden adaptar a distintos requisitos clínicos para distintas aplicaciones.
Diversos estudios llevados a cabo con los cementos de fosfato de calcio han puesto de manifiesto que se trata de materiales extremadamente biocompatibles, osteoconductores y que estimulan la regeneración ósea. No obstante, además de ser osteoconductor, el cemento ideal debería ser capaz de reabsorberse a la misma velocidad a la que el tejido óseo puede crecer, siendo reemplazado progresivamente por tejido óseo neoformado. Sin embargo, la mayor parte de los cementos desarrollados hasta la actualidad, especialmente los apatíticos, aunque son más reabsorbibles que las apatitas sinterizadas obtenidas a alta temperatura, presentan una cinética de reabsorción excesivamente lenta, y en muchos casos el cemento permanece íntegro en el tejido óseo circundante durante años.
En los cementos apatíticos, que se reabsorben mayoritariamente por procesos de reabsorción activa, mediados por la actividad celular, la macroporosidad juega un papel especialmente importante. Estos procesos de reabsorción activa se basan en que los osteoclastos (células óseas) van degradando el material por capas a partir de la interíaz hueso-cemento, desde el exterior hacia el interior. Este proceso es muy lento si se trata de un material denso o microporoso. En efecto, diversos estudios establecen que para que este proceso de colonización por el tejido óseo sea posible, es necesario
tener poros mayores de 70 μm. Los cementos de fosfato de calcio convencionales, aunque son micro o nanoporosos después del fraguado, no tienen macroporosidad en este rango en el que se estimula el crecimiento óseo. Esto dificulta su reabsorción y transformación en tejido óseo en un periodo de tiempo adecuado. Por el contrario, si se consigue obtener un material macroporoso, con una macroporosidad interconectada, se permite la angiogénesis y el crecimiento del tejido dentro del material. Si los macrófagos y los osteoclastos pueden penetrar hacia el interior del material, la reabsorción será en volumen y por lo tanto más rápida. Por otra parte, el crecimiento de tejido puede ser estimulado mediante el llenado de los poros con factores osteoinductores o osteoconductores, como las proteínas morfogenéticas (BMPs). Estos factores son bien conocidos por los entendidos en este campo. Otros agentes terapéuticos, como antibióticos u otros medicamentos pueden también ser introducidos en el material, mezclándolos con la fase líquida o la fase polvo.
Se han desarrollado diversos métodos para conseguir porosidad en cementos de fosfato de calcio. Chow et al. (US Pat. 5,525,148) proponen generar la porosidad mediante la incorporación de una fase sólida insoluble en el cemento, que puede ser eliminada por disolución en los fluidos fisiológicos, por disolución en distintos disolventes o mediante sinterización una vez el cemento ha fraguado. Entre los agentes porogénicos se proponen el azúcar, el bicarbonato de sodio o sales de fosfato.
Constantz et al. (US Pat. 5,820,632) propone la generación de una estructura porosa mediante la adición de una fase soluble que sea eliminada. Específicamente se sugiere la adición de cloruro sódico y hidróxido de sodio o de potasio, que son solubles en agua y pueden ser liberados al medio fisiológico, dando lugar a porosidad dentro del cemento.
Hirano et al. (JP 5,023,387) propone la incorporación de un polímero biodegradable, concretamente ácido poliláctico, que se reabsorbe una vez implantado y fraguado el cemento, en un periodo de tiempo relativamente corto.
Sin embargo, en los casos citados, para obtener una porosidad interconectada se necesita una cantidad elevada de agente porogénico (del orden del 50% en volumen). Esto afecta de forma importante a las propiedades del material.
Bohner (EP 1150722, US Pat 6,642,285) desarrolló implantes porosos basados en cementos de fosfato de calcio mezclados con un líquido hidrofóbico. La pasta del cemento se mezcla con el líquido hidrofóbico, obteniéndose una emulsión. Se propone utilizar como aditivo un agente surfactante, pero únicamente con el fin de disminuir la tensión superficial y facilitar la formación de la emulsión a partir de las dos fases (la pasta del cemento y el líquido hidrofóbico). Seleccionando adecuadamente el líquido hidrofóbico, y las proporciones adecuadas, el fraguado del cemento da lugar a la obtención de una estructura de hidroxiapatita macroporosa.
Edwards et al. (US Pat. 6,670,293) proponen un método para obtener un cemento poroso, en el cual la porosidad se produce mediante la mezcla de una fuente de calcio y una de fosfato, con una de carbonato, en la fase en polvo, y mezclando esta fase sólida con una fase líquida que es una solución acuosa con un componente ácido. El ácido y el carbonato reaccionan, dando lugar a la formación de dióxido de carbono y produciendo una porosidad interconectada. El método requiere solamente una pequeña proporción de ácido y de base en los componentes del cemento.
Los cementos de fosfato de calcio forman al fraguar una malla de cristales de fosfato de calcio, formados por precipitación a partir de la disolución de los reactivos. Esta estructura tiene una porosidad muy elevada, en el rango micro o nanométrico, que puede alcanzar valores de hasta un 60%. Sin embargo, esta micro o nanoporosidad no es suficiente para permitir el crecimiento del tejido óseo hacia el interior del material, ni la angiogénesis, siendo este un aspecto crucial si se desea conseguir una auténtica regeneración del hueso. Esta regeneración exige la progresiva colonización del material por tejido neoformado, y la simultánea reabsorción del material por acción de las células osteoclásticas.
Breve explicación de la invención
Esta invención trata sobre espumas de cementos de fosfato de calcio que fraguan después de mezclar una fase en polvo consistente en uno o más compuestos como fuentes de calcio y fosíato con una fase acuosa. Concretamente, describe la composición adecuada y el procedimiento para obtener espumas basadas en cementos de fosfato de calcio. Dichas espumas pueden ser inyectadas y fraguar dentro del cuerpo humano, dando lugar a una estructura macroporosa de fosíato de calcio, mayoritariamente hidroxiapatita, con una elevada macroporosidad producida durante el proceso de espumado, superpuesta a la micro/nanoporosidad inherente a los cementos de fosfato de calcio.
El objeto de esta invención es proponer un nuevo método de obtención de cementos de fosfato de calcio macroporosos, que permitan el rápido crecimiento óseo y que tengan una tasa adecuada de reabsorción, lo que haga posible su progresiva sustitución por tejido óseo neoformado.
Un primer aspecto de la invención se refiere a una espuma de fosfato de calcio autofraguable, caracterizada porque comprende un cemento de fosfato de calcio y al menos un agente surfactante biocompatible.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para la preparación de una espuma de fosfato de calcio autofraguable, caracterizado porque comprende la mezcla de dos fases: a) una fase líquida consistente en una o dos soluciones acuosas, una de las cuales comprende al menos un agente surfactante biocompatible, responsable de la obtención de la espuma, y b) una fase sólida en forma de polvo, que comprende uno o más compuestos como fuentes de calcio y fosfato, capaces de reaccionar con el agua de la fase líquida para formar un cemento, donde la fase líquida se mezcla después de someterse a un proceso de espumado, o el proceso de espumado se realiza después de la mezcla.
Un tercer aspecto de la invención se refiere a una espuma de fosfato de calcio autofraguable obtenible mediante el procedimiento descrito anteriormente.
Un cuarto aspecto de la invención se refiere a una estructura sólida obtenible mediante fraguado de la espuma de la presente invención, que presenta una porosidad total comprendida entre el 25 y el 90% en volumen y una macroporosidad comprendida entre el 2 y el 80% en volumen.
La aplicación de estas espumas de fosfato de calcio puede ser tanto para ser inyectadas directamente en el cuerpo humano, como materiales de regeneración ósea, como para obtener espumas prefraguadas, que puedan ser implantadas en estado sólido o que puedan ser utilizadas como soporte o substrato para ingeniería de tejidos.
Por tanto, un quinto aspecto de la invención se refiere al uso de la espuma de la presente invención para la fabricación de un una estructura sólida para la regeneración ósea, tanto en estado pastoso como prefraguado, o para la fabricación de un soporte o sustrato para ingeniería de tejidos.
Otro aspecto de la invención se refiere a un kit para la preparación de la espuma de fosfato de calcio autofraguable de la presente invención, caracterizado porque comprende: a) una fase líquida consistente en una o dos soluciones acuosas, una de las cuales comprende al menos un agente surfactante biocompatible, responsable de la obtención de la espuma, y b) una fase sólida en forma de polvo, que comprende uno o más compuestos como íuentes de calcio y fosfato, capaces de reaccionar con el agua de la fase líquida para formar un cemento.
Descripción detallada de la invención
En esta invención se propone obtener una espuma de fosfato de calcio que sea inyectable y macroporosa, a partir del espumado de la fase líquida o de la pasta de un cemento. La vía que se propone es la adición de moléculas suríactantes en el cemento, como un camino para estabilizar burbujas de aire en la pasta del mismo, obteniéndose el espumado del cemento. Se ha verificado que la adición del surfactante es realmente eficaz como agente espumante en la matriz del cemento, llegándose a conseguir una elevada macroporosidad, con un alto grado de interconexión entre macroporos.
Mediante las formulaciones estudiadas se pueden obtener pastas en forma de espumas de fosfato de calcio, que mantienen la macroporosidad incluso después de ser inyectadas. Además, las moléculas surfactantes realizan su efecto espumante a concentraciones muy bajas, cercanas a la concentración micelar crítica (CMC), lo que hace necesaria una pequeña cantidad de aditivo para asegurar el espumado de la pasta del cemento.
Preferentemente, el proceso de espumado se realiza mediante agitación o batido mecánico, siguiendo uno de los siguientes protocolos: i) espumado de la fase líquida, seguida de su mezcla con la fase sólida en polvo, ii) espumado de la solución acuosa que contiene el agente surfactante, seguida de su mezcla con la pasta obtenida previamente de la mezcla de la fase sólida con la otra solución acuosa que constituye junto con la primera la fase líquida, o iii) espumado de la pasta resultante de la mezcla de la fase sólida y la fase líquida.
La espuma obtenida fragua después de la mezcla dando lugar a una estructura sólida.
La selección del surfactante que se utiliza como agente espumante es un punto muy importante. Existen un gran número de moléculas que se pueden utilizar como agentes surfactantes, con carácter aniónico, catiónico o no iónico. Sin embargo, dado que el material diseñado debe ser inyectado en el cuerpo humano, y concretamente en el seno del tejido óseo, es necesario seleccionar un surfactante que sea biocompatible.
En este sentido, tienen especial interés, aunque no son los únicos que se proponen, los surfactantes no iónicos, algunos de los cuales poseen buenas propiedades espumantes. Algunos presentan muy buenas propiedades de biocompatibilidad y se utilizan en la actualidad en sistemas de dosificación de íarmacos por via parenteral. En este sentido, son de especial utilidad para esta aplicación surfactantes no iónicos, como los esteres de sorbitan, como el monooleato de sorbitan o el monopalmitato de sorbitan, los esteres de polioxisorbitan, como el polioxietileno sorbitan monooleato (Tween 80, Polisorbato 80) y el polioxietileno sorbitan monolaurato (Tween 20), todos ellos aprobados para utilización en fármacos que se administran por vía parenteral.
Otros surfactantes que pueden tener aplicación, y que también se utilizan para dispensación de fármacos por vía parenteral son algunos surfactantes poliméricos, como los basados en polímeros de bloque óxido de etileno - óxido de propileno (Pluronic F68, Poloxamer 188). Otros compuestos que tienen interés para estas aplicaciones son algunos fosfolípidos, como las lecitinas, que añaden la biodegradabilidad a su buen comportamiento biológico, y algunos esteres de sacarosa.
En una realización preferida, el surfactante no iónico se selecciona entre monooleato de sorbitan, monopalmitato de sorbitan, polioxietileno sorbitan monooleato, polioxietileno sorbitan monolaurato, copolímeros polióxido de etileno-polióxido de propileno, fosfatidilcolina (lecitina), fosfatidiletanolamida, fosfatidilserina, fosfatidilinositol, lisofosíatidilcolina, lisofosfatidiletanolamina, esfingomielina, monolaurato de sacarosa, monooleato de sacarosa y otros esteres de sacarosa.
En una realización más preferida el surfactante no iónico es polioxietileno sorbitan monooleato en una concentración en la fase líquida inferior o igual al 20%,
preferentemente inferior o igual al 10% y preferentemente inferior o igual al 5% en peso.
El tamaño de los poros puede controlarse a través de distintos parámetros, como la concentración de surfactante añadido, y el tamaño de partícula del polvo del cemento. Este es un aspecto clave para facilitar la angiogénesis y la colonización del material por hueso neoformado.
Como un modo de aumentar la interconectividad de los macroporos obtenidos en el proceso de espumado, se propone incorporar en la fase sólida del cemento partículas de compuestos que sean sustancialmente insolubles en el cemento pero que se disuelvan en condiciones fisiológicas después que la espuma de cemento ha fraguado. Estas partículas pueden ser las mencionadas por Chow et al. (US Pat. No. 5,525,148), Constantz et al. (US Pat. No. 5,820,632) o Hirano et al. (JP5,023,387).
Para la preparación de las espumas, cualquier mezcla y composición de cementos de fosfato de calcio es posible. El producto final del cemento fraguado puede variar desde fosfato dicálcico dihidratado (CaZP=I), hidroxiapatita deficiente en calcio (Ca/P entre 1,33 y 1,67), fosfato octacálcico (Ca/P = 1,33), hidroxiapatita estequiométrica (Ca/P = 1,67), o carbonatoapatita (Ca/P =1,7). Los principales reactivos para la fase en polvo del cemento incluyen una fuente de calcio y una fuente de fosfato, que pueden estar presentes como un único compuesto o como dos o más compuestos. Así, un único fosfato de calcio puede ser el reactivo principal de la fase sólida, como fuente de calcio y de fosíato. Alternativamente, dos o más compuestos pueden estar presentes en la fase sólida del cemento, y cada uno de ellos puede contener calcio, fosíato, o calcio y fosfato. Algunos fosfatos de calcio de interés pueden seleccionarse entre los siguientes: el fosfato tetracálcico, el fosfato dicálcico anhidro, el fosfato dicálcico dihidratado, el fosfato tricálcico alfa, el fosfato tricálcico beta, el fosfato monocálcico monohidratado, hidroxiapatita, hidroxiapatita deficiente en calcio, fluoroapatita, fosfato de calcio amorfo, fosfato de calcio, sodio y potasio, fosfato de calcio y sodio, fosfato de calcio y potasio y pirofosíato de calcio. Otros compuestos de interés como fuentes de calcio son los siguientes: carbonato calcico, sulfato calcico, sulfato calcico
hemihidratado, óxido de calcio o hidróxido de calcio. Entre las fuentes de fosfato se pueden mencionar el ácido fosfórico y todos los fosfatos solubles. Los reactivos deben fraguar después de mezclarse con la fase líquida, que es una solución acuosa. Esto requiere una selección precisa de fosfatos de calcio que forman parte de la fase en polvo, sus proporciones y sus características, como se muestra en diversas patentes (por ejemplo, Brown y Chow U.S. Pat No. RE 33,161, U.S. Pat. No. RE 33,221, Chow and Takagi US Pat. No. 5,525,148, Constante U.S. Pat. No. 4,880,610, U.S. Pat. 5,820,632, US Pat. No. 6,375,935, entre otras).
En otra realización preferida, la fase sólida comprende fosfato tricálcico alfa, con una tamaño medio de partícula inferior a 100 micrómetros, preferentemente inferior a 50 micrómetros, preferentemente inferior a 30 micrómetros, preferentemente inferior a 15 micrómetros.
La fase sólida también puede contener aditivos que actúan como semilla, como el fosfato tricálcico precipitado, que facilita la nucleación de la fase que precipita en el cemento. La cantidad suele ser inferior al 10% en peso, y preferentemente inferior al 5% en peso respecto a la fase sólida. La fase sólida puede contener adicionalmente granulos de una sustancia biodegradable para aumentar la interconectividad entre los poros de la espuma. Las dimensiones de estos granulos deben estar entre los 10 y 500 micrómetros, y pueden ser de naturaleza polimérica, o de naturaleza inorgánica, como sales calcicas o vidrios solubles.
La fase líquida comprende una solución acuosa que puede incorporar uno o más iones fosfato, carbonato o silicato en disolución, a modo de acelerantes o retardadores de la reacción de fraguado, que se pueden obtener por disolución de diversos compuestos.
Entre los acelerantes cabe mencionar los siguientes: Na2HPO4, NaH2PO4, KH2PO4,
K2HPO4. Preferentemente, el acelerante de la reacción de fraguado es Na2HPO4 en una concentración entre el 0,1 y el 10% en peso, y más preferentemente aún entre el 1 y el 5% en peso de la fase líquida. La fase líquida también puede incorporar uno o más compuestos oligoméricos o poliméricos disueltos o en suspensión en la fase líquida del cemento, como alginato de sodio, hidroxipropil metil celulosa, hidroxietil celulosa,
hidroxipropil celulosa, metil celulosa, hidroxietil almidón, almidón soluble, ciclodextrina, dextran sulfato, polivinil pirrolidona, quitosano o ácido hialurónico, para aumentar la inyectabilidad y la cohesión de la pasta del cemento, evitando la disgregación de la misma al sumergirla en el medio fisiológico, como se menciona en Driessens et al. U.S. Pat. No. 6,206,957. Preferentemente la fase líquida comprende alginato de sodio, como agente promotor de la cohesión, en una concentración entre el 0,05 y el 10% en peso, y más preferentemente aún entre el 0,1 y el 5% en peso.
Además, para obtener la espuma la fase líquida contiene al menos un surfactante biocompatible, que actúa como agente espumante.
En una realización preferida, la relación entre la fase líquida y la fase sólida es superior a 0,25 ml/g, preferentemente superior a 0,32 ml/g y preferentemente superior a 0,35 ml/g.
La espuma de fosfato de calcio puede incorporar además uno o más agentes biológicamente activos, tales como factores de crecimiento y/o substancias anticancerígenas y/o antibióticos y/o antioxidantes.
Una vez espumada, la mezcla obtenida se puede inyectar utilizando una jeringa con un diámetro de entre 1 y 15 mm de diámetro, transcurrido un tiempo inferior a 60 minutos después de la mezcla, preferentemente inferior a 30 minutos, preferentemente inferior a 15, preferentemente inferior a 10, y preferentemente igual o inferior a 5 minutos.
La espuma según la presente invención, después de fraguar, permite obtener una estructura sólida de una porosidad total comprendida entre el 25 y el 90% en volumen y una macroporosidad comprendida entre el 2 y el 80% en volumen. Dicha estructura sólida comprende macroporos de un dimámetro de entre 20 y 800 μm, preferiblemente entre 100 y 700 μm, constituyendo una macroporosidad superpuesta a la porosidad intrínseca del cemento fraguado, que está en el nivel micro y/o nanoscópico.
Descripción de los dibujos
Fig. 1. Se muestra, a modo de ejemplo ilustrativo, una micrografía obtenida por microscopía electrónica de barrido de una sección de una espuma de fosfato de calcio fraguada, obtenida a partir de la adición de un 5% en peso de un agente surfactante no iónico biocompatible en la fase líquida de un cemento de fosfato tricálcico alfa, utilizando una relación líquido polvo de 0,45 ml/g.
Modo de realización de la invención
A continuación se describe la invención con más detalle en algunos ejemplos, aunque hay que entender que la invención no se restringe a las composiciones específicas que se recogen en los ejemplos.
Ejemplo 1
Para la preparación de la espuma, se preparó una disolución conteniendo un 10% en peso de surfactante no iónico Pluronic F68 (Copolímero polioxietilieno- polioxipropileno), bien en agua bidestilada, bien en una solución acuosa al 2,5% en peso de Na2HPO4. Se tomaron 2 mi de la solución y se preparó una espuma mediante agitación mecánica. Una vez preparada la espuma, se mezcló con la fase en polvo del cemento, en una relación líquido polvo de 0,38 ml/g. La fase en polvo consistía en 5,155 g de fosíato tricálcico alfa (α-TCP) con un tamaño mediano de 6,2 μm y 0,105 g de fosfato tricálcico precipitado (Merck, ref N°. 2143) que se habían mezclado previamente. Se preparó además otra espuma utilizando un 5% en peso de surfactante en la fase líquida. Se repitieron todas las series utilizando un α-TCP con menor tamaño de partícula, con un tamaño mediano de 3,6 μm. Como referencia, se prepararon cementos sin agente surfactante. Se midió el tiempo inicial de fraguado con el método de las agujas de Gillmore. Se prepararon para todas las series cilindros de 6 mm de diámetro y 12 mm de altura, inyectando la espuma en moldes de Teflón, y se sumergieron en solución de Ringer (solución acuosa al 0,9% NaCl) a 37°C durante 64 h, para simular las condiciones fisiológicas. Se determinó la composición de fases
mediante difracción de rayos X. Se midió la densidad aparente de las muestras por inmersión en mercurio, y por comparación con un cemento sin espumar se calculó la macroporosidad y la microporosidad de la espuma. La microestructura se examinó en superficies de fractura de las espumas fraguadas mediante microscopía electrónica de barrido.
Se observó que para todas las series preparadas se obtuvo una pasta con una consistencia macroporosa al mezclar la espuma con el polvo del cemento. Una vez sumergida en la solución de Ringer, las pastas de cemento espumadas mantuvieron su cohesión, dando como resultado espumas sólidas de hidroxiapatita con distintos grados de porosidad. Los tiempos de fraguado, la porosidad total y macroporosidad se presentan en la Tabla 1.
TABLA 1. Tiempo inicial de fraguado, porosidad total y macroporosidad de las distintas espumas preparadas. Entre paréntesis se da la desviación estándar. N.M. no medido.
Pluronic F68 Na2HPO4 Tamaño Tiempo Porosidad Macroporosidad (% peso) (% peso) polvo fraguado total (%)
(min) (%)
10 0 Fino 38 57,7 (1,0) 15,3 (1,9)
10 0 Grueso 42 63,0 (3,4) 27,9 (6,7)
10 2,5 Fino 12 58,6 (0,5) 15,8 (0,9)
10 2,5 Grueso 15 57,1 (1,3) 13,4 (2,6)
5 0 Fino 42 54,8 (1,8) 9,5 (3,2)
5 0 Grueso 47 60,6 (3,2) 23,1 (6,2)
5 2,5 Fino 13 55,9 (1,1) 10,4 (2,2)
5 2,5 Grueso 14 59,7 (0,9) 18,8 (1,7)
0 0 Fino N.M. 50,1 (0,1) -
0 0 Grueso M.M. 48,8 (1,3) -
0 2,5 Fino N.M. 50,8 (0,7) -
0 2,5 Grueso N.M. 50,4 (0,9) -
Se observó que la concentración de surfactante, en los rangos estudiados, no tuvo efecto sobre la macroporosidad obtenida. La adición de Na2HPO4 redujo los tiempos de fraguado de las espumas, aunque también produjo una disminución de la macroporosidad obtenida. En general se obtuvieron espumas más porosas cuando se utilizó el polvo de α-TCP grueso.
Ejemplo 2
Para la preparación de la espuma, se partió de una solución acuosa conteniendo un 2,5% en peso de Na2HPO4, y un 20% en peso de suríactante no iónico Tween 80 (Polioxietileno sorbitan monooleato). Se tomaron 2 mi de la solución y se preparó una espuma mediante agitación mecánica. Una vez preparada la espuma, se mezcló con la fase en polvo del cemento, en una relación líquido polvo de 0,32 ml/g. La fase en polvo consistía en 6,127 g de fosfato tricálcico alfa (α-TCP) y 0,125 g de fosfato tricálcico precipitado (Merck catalogue N°. 2143) que se habían mezclado previamente. Se prepararon además otras espumas utilizando distintas concentraciones de surfactante en la fase líquida (10 y 5% en peso) así como una serie control sin surfactante, y distintas relaciones líquido polvo (0,38 y 0,45 ml/g). Como referencia, se preparó un cemento sin agente surfactante en la fase líquida. Se prepararon para todas las series cilindros de 6 mm de diámetro y 12 mm de altura, inyectando la espuma en moldes de Teflón, y se sumergieron en solución de Ringer (solución acuosa al 0,9% NaCl) a 37°C durante 64 h. Se determinó la composición de fases mediante difracción de rayos X. Se midió la densidad aparente de las muestras por inmersión en mercurio, y por comparación con un cemento sin espumar se calculó la macroporosidad y la microporosidad de la espuma. Se determinó la resistencia a la compresión en una máquina universal de ensayos mecánicos, aplicando una velocidad de desplazamiento del cabezal de 1 mm/minuto. La microestructura se examinó en superficies de fractura de las espumas fraguadas mediante microscopía electrónica de barrido.
Se observó que para todas las series preparadas se obtuvo una pasta con una
consistencia macroporosa al mezclar la espuma con el polvo del cemento. Una vez sumergida en la solución de Ringer, las pastas de cemento espumadas mantuvieron su cohesión y fraguaron, dando como resultado espumas sólidas de hidroxiapatita con distintos grados de porosidad, entre 51 y 69%, tal como se muestra en la Tabla 2.
TABLA 2. Porosidad total, macroporosidad y resistencia a la compresión de las distintas espumas preparadas. Entre paréntesis se da la desviación estándar. N.M.: no medido.
Relación Tween 80 Porosidad Macroporosidad Resistencia a la L/P (% peso) total (%) compresión
(ml/g) (%) (MPa)
0,32 20 51,2(0,4) 10,1 (0,8) 10,40 (±1,99)
10 51,2(0,5) 10,1 (1,0) 18,14 (±4,27)
5 51,4(0,2) 10,5 (0,4) 16,46 (±3,68)
0 45,7(0,5) - N.M.
0,38 20 55,1 (1,2) 9,3 (2,5) 14,19 (±1,85)
10 54,9(1,0) 9,1 (1,7) 7,51 (±1,60)
5 59,0(1,8) 17,2(3,7) 5,97 (±0,99)
0 50.4(0,5) - N.M.
0,45 20 64,1 (0,7) 19,5 (1,6) 2,99 (±0,89)
10 67,3 (±1,4) 26,8(3,0) 1,36 (±0,24)
5 68,9 (±0,5) 30,3 (1,0) 1,80 (±0,63)
0 55.4(0.6) - N.M.
La macroporosidad varió entre el 10 y el 30%, estando el tamaño de los macroporos comprendido entre 70 y 700 micrómetros. Se observó un aumento tanto de la macroporosidad como del tamaño de los macroporos al aumentar la relación líquido polvo y al disminuir la concentración de surfactante en la fase líquida. Las muestras más porosas mostraron también una alta interconectividad entre los poros. En todos los casos, las muestras presentaron además de la macroporosidad producida durante el
espumado, una gran micro/nanoporosidad, intrínseca a los cementos de fosfato de calcio.
Ejemplo 3
Se prepararon espumas utilizando el surfactante Tween 80, según el protocolo indicado en el ejemplo 2, con una concentración de 5 y 20 % en peso y una relación líquido/polvo de 0,40 y 0,45 ml/g. Se midió la inyectabilidad utilizando una máquina de ensayos mecánicos. Se colocó la pasta espumada del cemento en una jeringa de 5 mi, con un orificio de salida de 2 mm de diámetro. Se calculó la inyectabilidad después de 5 minutos de mezclar el polvo con la espuma, como el porcentaje de masa de pasta extruída, cuando se comprime el émbolo de la jeringa a una velocidad de 15 mm/min hasta una fuerza máxima de 100N. Los resultados obtenidos se resumen en la Tabla 3.
TABLA 3. Inyectabilidad de distintas espumas en estado pastoso.
Tween 80 Relación L/P Inyectabilidad (% peso) (ml/g) (%)
5 40 48,2
5 45 78,4
20 40 35,9
20 45 65,8