Evaluación de la osteointegración y osteoconducción de implantes de titanio poroso bioactivos: valoración con microscopía electrónica de retrodispersión en un modelo de implantación ortotópica en conejos

Abstract

En los últimos años, la ciencia de los biomateriales aplicada a los sustitutos óseos se ha centrado en la investigación de nuevos implantes elaborados con materiales que, además de presentar una estructura de poros interconectados esencial para un adecuado crecimiento óseo que asegure el anclaje del implante, presenten también unas óptimas propiedades biomecánicas. Los estudios más recientes se centran en el desarrollo de implantes a base de metales porosos bioactivos, como el titanio, que presentan buenas propiedades mecánicas al soportar adecuadamente las condiciones de carga. Diversos estudios han demostrado que el titanio presenta una buena biocompatibilidad y una alta resistencia a la corrosión, además de unas excelentes propiedades mecánicas, convirtiéndolo, por tanto, en el metal de elección para los implantes. Con el objetivo de estimular la osteointegración, estos implantes de titanio porosos se pueden someter a diversos procesos fisicoquímicos, entre ellos los tratamientos termoquímicos o los tratamientos peptídicos. El tratamiento de los implantes de titanio con un recubrimiento peptídico es una opción extremadamente novedosa basada en el hecho que determinados péptidos fijados a la superficie del titanio pueden mimetizar la parte orgánica del hueso y mejorar así la neoformación ósea en la superficie del implante, mejorando su osteointegración y, finalmente, asegurando un mejor y más prematuro anclaje del implante sobre el hueso. El interés y demanda creciente de la aplicación de implantes de titanio tanto en odontología como en traumatología humana y veterinaria, así como la falta de estudios clínicos comparativos acerca de la respuesta biológica del hueso a los implantes de titanio tratados con los métodos descritos anteriormente, justifica la necesidad de explorar esta línea de investigación y llevar a cabo estudios experimentales que confirman los resultados preliminares obtenidos in vitro. En esta tesis doctoral se llevó a cabo un estudio experimental in vivo mediante la implantación de cilindros de titanio poroso bioactivos en tibias de conejos. Para ello, se elaboraron implantes de titanio poroso de elevada interconexión mediante sinterización en polvo con diferentes diámetros de poro y una interconectividad abierta. Posteriormente, algunos implantes fueron sometidos a tratamientos bioactivos, creando así 3 grupos de tratamiento: termoquímico, peptídico o sin tratamiento bioactivador. Para la implantación ortotópica se intervinieron 18 conejos neozelandeses blancos adultos a los cuales se les practicó un defecto de 3,5mm en la zona medial de la tuberosidad tibial de cada extremidad y se les insertó de forma aleatoria un implante distinto. La evolución de la osteointegración y osteoconducción de los implantes fue evaluada de manera clínica, radiográfica y mediante microscopia electrónica de retrodispersión (MER) con un sistema cuantitativo y cualitativo, en dos bloques de tiempo de 4 y 12 semanas respectivamente. Los resultados demostraron que a nivel cuantitativo la bioactivación de los implantes de titanio mediante el innovador tratamiento peptídico utilizado no produjo, a pesar de los mejores resultados observados, diferencias estadísticamente significativas en cuanto a la respuesta osteoregenerativa in vivo en comparación con la del grupo control y la del grupo termoquímico. En cambio, desde un punto de vista cualitativo, la bioactivación de los implantes de titanio mediante el nuevo tratamiento peptídico utilizado en este estudio generó una respuesta osteoregenerativa con una mayor cantidad y madurez del tejido óseo neoformado en comparación con las del grupo térmico-químico y control, sin embargo, en la zona más interna del implante, la citada mayor neoformación ósea no mostraba contacto íntimo con el metal.

In recent years, the science of biomaterials and the search for bone substitutes has focused on the investigation of new implants made from materials that not only provide optimal biomechanical properties, but also present an interconnected pore structure, which greatly ensures the integration of the implant, essential for adequate bone growth. The most recent studies focus on the development of implants based on bioactive porous metals, such as titanium, which present valuable mechanical properties as they adequately withstand loading conditions. Moreover, several studies have shown that titanium presents good biocompatibility, high resistance to corrosion and excellent mechanical properties, therefore making it the metal of choice for musculoskeletal implants. In order to stimulate osteointegration, these porous titanium implants can undergo various physicochemical processes, including thermochemical or peptide treatments. The treatment of titanium implants with a peptide coating is an extremely novel option based on the theory that certain peptides attached to the surface of the titanium can mimic the organic component of the bone and thus improve bone neoformation on the surface of the implant, consequently improving its osteointegration and finally, ensuring a better and faster incipient anchorage of the implant on the bone surface. The growing interest and demand for the application of titanium implants in both human and veterinary orthopedics and dentistry, as well as the lack of comparative clinical studies regarding the biological response of bone to titanium implants treated with the methods described above, justifies the need to explore this line of research and carry out experimental studies that confirm the preliminary results obtained in vitro. In this doctoral thesis an in vivo experimental study was carried out through the implantation of bioactive porous titanium cylinders in the tibiae of rabbits. Briefly, porous titanium implants of high interconnection were prepared by powder sintering with different pore diameters and an open interconnectivity. Subsequently, some implants underwent surface bioactivation, thus creating 3 implant surface treatment groups: thermochemical implant surface treatment, peptide implant surface treatment and a group with no implant bioactivating treatment. For orthotopic implantation, 18 adult white New Zealand rabbits were intervened, a 3.5 mm defect was created in the medial aspect of the tibial tuberosity of each limb and different implants were press-fitted into the bony defects, according to randomly assigned and previously described implant treatment groups. The evolution of the osteointegration and osteoconduction of the implants was evaluated clinically, radiographically and by backscattered scanning electron microscopy (BS-SEM) with a quantitative and qualitative system, in two-time cohorts of 4 and 12 weeks respectively. On the one hand, despite having observed improvements, from a quantitative point of view, the bioactivation of titanium implants with peptide treatment showed no statistically significant differences regarding the osteoregenerative response in vivo, in comparison to the one of the control and the thermochemical group. On the other hand, from a qualitative point of view, the bioactivation of titanium implants through the new peptide treatment used in this study generated an osteoregenerative response with a higher quantity and maturity degree of newformed bone compared to those of the thermal-chemical and control groups. However, in the innermost area of the implant, the aforementioned bone neoformation consistently lacked intimate attachment to the metal surface.