New developments in calcium phosphate bone cements: approaching spinal applications

Abstract

La presente tesis doctoral (i.e., “New developments in calcium phosphate bone cements: approaching spinal applications”) aporta nuevos conocimientos en el campo de los cementos óseos de fosfato de calcio (CPBCs) en relación a su aplicación clínica en el campo de la cirugía vertebral mínimamente invasiva. La hipótesis central de esta investigación fue formulada en los siguientes términos: “Los cementos apatíticos pueden ser (si se optimizan) una alternativa mejor (debido a sus propiedades de fraguado, endurecimiento y bioactividad) a los actuales cementos poliméricos utilizados en vertebroplastia y cifoplastia”. En este sentido, la presente tesis doctoral ha investigado nuevas soluciones para obtener cementos apatíticos con: (a) mejores propiedades mecánicas (Cap. 2); (b) capacidad para desarrollar macroporosidad abierta e interconectada (Cap. 3); (c) mejor estabilidad y reactividad química (Cap. 4 & 5); (d) óptimas propiedades de biocompatibilidad y osteogénicas (Cap. 6, 7 & 8); y (e) mejores propiedades de inyectabilidad (Cap. 7). Además, en esta tesis se ha investigado la aplicación de los ultrasonidos a la monitorización del fraguado inicial de cementos de base cerámica con el objetivo de relacionar la evolución de las propiedades acústicas con las características de inyectabilidad de estos cementos (Cap. 9 &10). El Capítulo 2 muestra que las propiedades mecánicas, de trabajabilidad y de fluidez de los cementos apatiticos pueden mejorarse con la adición de superplastificantes en la fase líquida de los cementos. Los resultados muestran que estos aditivos pueden mejorar la inyectabilidad inicial de los cementos sin afectar a su resistencia mecánica final. El Capítulo 3 muestra que la adición de cristales de sulfato de calcio dihidratado (CSD) a la fase en polvo de un cemento de base alfa-fosfato tricálcico (α-TCP) puede modular la formación de macroporosidad durante su fraguado. Las propiedades resultantes del fraguado de estos nuevos cementos bifásicos son debidas a la disolución del α-TCP y a la precipitación de una matriz de cristales entrecruzados de hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA) que contiene porosidad homogéneamente distribuida gracias a la disolución pasiva de la fase de CSD. Estos cementos bifásicos mostraron resistencias mecánicas adecuadas para la aplicación en hueso trabecular. El Capítulo 4 trata sobre la problemática del proceso de fabricación de la fase reactiva principal de los cementos apatíticos, i.e. del α-TCP (α- Ca3(PO4)2). Los resultados muestran que si la relación calcio-fosforo (Ca/P) de la mezcla reactiva inicial se desvía de la relación estequiométrica Ca/P=1.50 entonces los cementos resultantes poseen malas propiedades de fraguado y de endurecimiento. Estas desviaciones ocurren fácilmente durante el proceso de sinterización del α-TCP cuando los reactivos de mezcla utilizados varían su pureza de un lote a otro. En estos casos el α- TCP obtenido produce cementos no-reactivos, i.e. que no fraguan ni endurecen. El Capítulo 5 plantea nuevas soluciones para controlar y mejorar la reactividad química del α-TCP. En este sentido, se han estudiado nuevas soluciones sólidas sinterizadas del tipo (3.CaO-1.P2O5)1-x(FeO)x con el objetivo de reemplazar al reactivo α-TCP en las actuales formulaciones de CPBCs. Los resultados muestran que la modificación del α-TCP con hierro permite recuperar la reactividad química de cementos no-reactivos de base α-TCP con una mejora adicional de las propiedades de fraguado y reológicas de los cementos resultantes. El Capítulo 6 centra su atención sobre la citocompatibilidad de las nuevas formulaciones de cementos (investigadas en los Caps. 3-5). Los resultados mostraron que los nuevos cementos de fosfato de calcio modificados con hierro (IM-CPCs) poseen características apropiadas de citocompatibilidad ya que la adhesión y la viabilidad celular no fueron afectadas con el tiempo de cultivo por la concentración de hierro. El Capítulo 7 hace referencia a nuevas aproximaciones para mejorar la inyectabilidad de los cementos óseos de base α-TCP. Los resultados demostraron que la adición de nanopartículas de óxido de hierro en la fase en polvo de un cemento de base α-TCP mejora la inyectabilidad inicial y también la resistencia máxima a compresión del cemento sin afectar a sus reacciones físico-químicas de fraguado ni a su citocompatibilidad. El Capítulo 8 se centra sobre el carácter de citocompatibilidad, biocompatibilidad y osteogénico de los nuevos cementos bifásicos porosos/modificados con hierro (estudiados en los Caps. 3-7). Los resultados demostraron que los cementos bifásicos formulados a base de CSD y α-TCP modificado con hierro poseen la habilidad de favorecer la colonización celular in vitro y proporcionan aposición ósea firme in vivo. Se concluye que estas nuevas formulaciones tienen características de cito- y biocompatibilidad de interés como biomaterial para la sustitución/reconstrucción del tejido óseo esponjoso en aplicaciones de cirugía vertebral tales como la vertebroplastia o la cifoplastia. En el Capítulo 9 y en el Capítulo 10 se aproximan los ultrasonidos como una técnica fiable para caracterizar las propiedades iniciales de fraguado de materiales de tipo cemento. Esta técnica no-destructiva permite monitorizar el fraguado del cemento en su totalidad. Los resultados obtenidos relacionan las propiedades acústicas y de material con factores experimentales del proceso de fabricación y con características reológicas. Se concluye que la monitorización ultrasónica del fraguado de cementos óseos puede contribuir a establecer protocolos prácticos adecuados para su inyección mediante técnicas de cirugía mínimamente invasivas en cirugía vertebral. Finalmente, el Capítulo 11 presenta un resumen de los resultados más relevantes de esta investigación.

This thesis is aimed at contributing to close the gap between the research conducted on the field of calcium phosphate bone cements (CPBCs) and their specific spinal clinical use. The main working hypothesis was formulated as follows: “Apatitic cements could be (after further optimization) an alternative or better option (due to its natural setting, hardening and bioactive properties) to the present use of polymeric cements in vertebroplasty and kyphoplasty”. In this regard, this thesis has approached new solutions to obtain apatitic bone cements (ABCs) with: (a) improved mechanical properties (Chapter 2); (b) the ability to develop open-interconnected macroporosity (Chapter 3); (c) improved chemical reactivity and stability (Chapter 4 & 5); (d) suitable biocompatible and osteogenic properties (Chapter 6, 7 & 8); and (e) improved injectability properties (Chapter 7). Moreover, this thesis has also approached ultrasound in order to monitor the early setting stages of ceramic based bone cements to link acoustic and material properties with some intrinsic cement-injectability features (Chapter 9 & 10). Chapter 2 showed that workability, flowing and mechanical properties of ABCs can be improved by adding superplasticizers to the liquid cement phase. The results indicated that superplasticizers can be used to improve the injectability and the strength of apatitic bone cements. Chapter 3 showed that calcium sulfate dihydrate (CSD) crystals can be added into the cement powder phase to modulate the macroporosity of the cement during its setting. This was proved with an alpha-tricalcium phosphate (α-TCP) bone cement. The setting properties of the new biphasic cements resulted from the progressive dissolution-precipitation of α-TCP into calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) crystals and the passive dissolution of the CSD phase, which render porosity homogeneously distributed into an entangled matrix of CDHA crystals. The biphasic cements showed suitable strength for trabecular bone applications. Chapter 4 focused the manufacturing process of α-TCP (α-Ca3(PO4)2), the main cement reactant of most commercial ABCs. It has been shown that if calcium-to-phosphorous (Ca/P) ratio deviated from Ca/P=1.50, the resulting cements had worse setting and hardening properties. These deviations can result from sintering if reactives are not pure from batch to batch; in this case the α-TCP shows no-cement reactivity at all. Chapter 5 approached new solutions to control and improve the chemical reactivity of the α-TCP phase. In this sense, new solid solutions like (3.CaO-1.P2O5)1-x(FeO)x were investigated to replace the α-TCP of the present CPBCs. The results showed that iron modification of α-TCP recovered the chemical reactivity of unreactive α-TCP cements with even better setting and rheological end-cement properties. Chapter 6 focused the attention into the cytocompatibility of the new cement formulations (investigated previously; chapters 3-5). It is showed that the new iron-modified calcium phosphate cements (IM-CPCs) have cytocompatible features (i.e. cells’ adhesion and viability were not affected with culturing time by the iron concentration dose). Chapter 7 concerned a new approach to improve the injectability of α-TCP based bone cements. It has been shown that the addition of iron oxide nanoparticles into the powder phase of α-TCP based cement improved both, the initial injectability and maximum compressive strength of the cement without affecting their physico-chemical setting reactions and their cytocompatibility. Chapter 8 pointed to the cytocompatibility, the biocompatibility and the osteogenic character of new biphasic porous/iron-modified cements (investigated previously; chapters 3-7). The results showed that biphasic cements made of CSD and iron-modified α-TCP had the ability to support cellular colonization in vitro and lead firm bone binding in vivo. It is concluded that these new formulations has cyto- and biocompatible features of interest as further cancellous bone replacement biomaterial for spinal surgery applications such as vertebroplasty or kyphoplasty. Chapter 9 & 10 approached ultrasound as more reliable characterisation technique of the early setting properties of bone cement-like materials than the Gillmore needles standard. This non-destructive technique allowed monitoring the whole setting period of experimental calcium sulphate and calcium phosphate bone cements. The results linked acoustic and material properties with the experimental factors studied and with cement flowing features. It is expected that, after further optimization, ultrasound monitoring should help, in combination with recent approaches that measure certain injectability characteristic for calcium-based bone cements (CBC’s), to set up good practice protocols for CBC’s injection during minimally invasive surgery. Finally, Chapter 11 presents a summary of the major findings of this thesis.