Desarrollo y caracterización de un cemento óseo basado en fosfato tricácico para aplicaciones quirúrgicas

Abstract

Un campo que despierta un interés creciente dentro del ámbito de los biomateriales para la regeneración osea es el de los cementos de fosfatos de calcio. Un cemento de fosfato de calcio consiste en una fase sólida formada por polvos de fosfatos de calcio, y una fase liquida, que al ser mezcladas fraguan a temperatura ambiente o fisiológica, dando lugar a un cuerpo sólido. Junto a la biocompatibilidad y bioactividad de las cerámicas de fosfatos de calcio, los cementos presentan una serie de ventajas especificas, derivadas de su proceso de obtención, como la moldeabilidad y la capacidad de fraguar "in situ", que pueden resolver los problemas de fijación y adaptación planteados por las cerámicas de fosfatos de calcio.<br/><br/>En este trabajo se desarrolla y caracteriza un cemento basado en la hidrólisis del fosfato tricalcico alfa. El fraguado del cemento se produce a partir de la disolución de las partículas de fosfato tricalcico y la precipitación de hidroxiapatita deficiente en calcio de baja cristalinidad, similar a las biológicas, según la reacción:<br/><br/>3ALFA-CA3(PO4)2+H2O-CA9(HPO4)(PO4)5(OH) existe una relación lineal directa entre la resistencia mecánica del cemento y el porcentaje de fosfato tricalcico que ha reaccionado. Los estudios microestructurales muestran que la resistencia a la comprensión se puede atribuir al entrelazamiento entre los cristales que precipitan.<br/><br/>Existen distintas variables de procesado que afectan de forma significativa a las propiedades de fraguado y endurecimiento del cemento. Entre estas cabe destacar el tamaño de partícula del polvo del cemento, la adición de semillas, la utilización de soluciones de Na2HPO4, la relación liquido/polvo empleada y la temperatura. Tras estudiar el efecto de estas variables sobre algunos parámetros del cemento, como los tiempos de fraguado, el tiempo de cohesión, y la velocidad de endurecimiento se investigan los mecanismos a través de los cuales tienen lugar los efectos

Calcium phosphate cements have attracted much attention in recent years as bone regeneration materials. A calcium phosphate cement consists of a solid phase formed by calcium phosphate powders and a liquid phase, which after mixing are able to set at room or body temperature, producing a solid body Together with the biocompatibility and bioactivity of the calcium phosphate ceramics, calcium phosphate cements have specific advantages derived from their processing route, such as their mouldability, in situ setting ability, which can solve the fixation and adaptation problems inherent to calcium phosphate ceramics.<br/><br/>This PhD Thesis is focused on the development and characterisation of a calcium phosphate cement based on the alpha-tricalcium phosphate (alfa-TCP) hydrolysis. The setting of the cement is produced by the dissolution of the alfa-TCP particles and the precipitation of a low crystallinity calcium deficient hydroxyapatite, similar to the biological hydroxyapatite, according to the following reaction: 3ALFA-CA3(PO4)2+H2O-CA9(HPO4)(PO4)5(OH) <br/><br/>Both the degree of reaction and the compressive strength increase initially linearly with time, reaching subsequently a saturation level. A direct relation exists between the mechanical strength and the amount of reacted alfa-TCP. The microstructural analysis show that the cement hardening is caused by the entanglement between the precipitated crystals. The reaction mechanisms which control the reaction kinetics in the different stages of reaction are identified based on X-ray diffraction and electron microscopy studies.<br/><br/>The contact of the cement with aqueous solutions which simulate body fluids does not affect its properties, and its setting and hardening behaviour at 37ºC fulfil the clinical requirements.<br/><br/>Several processing parameters have been identified which affect significantly the setting and hardening properties of the cement. Among them, the particle size distribution of the starting powder, the addition of seed materials, the use Na2HPO4 solutions and the liquid to powder ratio used, are especially relevant. The effect of these parameters on several cement properties, such as the setting and cohesión times, the hardening rate, the maximum strength, the reaction kinetics and the final microstructure is analysed, and the underlying mechanisms are discussed.