REVISTA MEXICANA DE FíSICA"5 SUPLEMENTO 1,144-147

Hidroxiapatita y SUS aplicaciones

Rommy Hcrnándcz T., Roberto Palma e, y ~la. Cristina Piña B.Instituto de Investigaciones en Materiales. Universidad Nacimznl Autónoma de México

Apartada I'o.lta/ 70.360. 0.J5/0 México. D.F.. Mexieu

Recibido el 26 de febrero de 1998; aceptado el 30 marzo uc 199R

JUNIO 1999

En eslc ¡rahajo se compara tanlo la estructura como la composición, del hueso de cahczn de fémur de diferentes mamíferos: humano, puerco,res y perro, así como de coralinaMR, con el objeto encontrar un materi<ll adecuado para ser empleado como material de ostcoinductor.

/kw:ril'rores: lJidroxiapatita; cabeza de fémur; material ostcoinduclor

In t!lis papcr is compareo the structure ano composition of the femur head from dinerent mammals: human, pork, cow and dog, such asComline TM, in order to lino Ihe besl material thal could be employed as an osteoinduclor material.

K('ywort!s: Hioroxiapatitc: femur head; osteoinductor malerial

PACS: HO.H7:HI20!.: HI.70

1. Introducción

En México se requieren más de 300 000 implantes or-lopédicos al nilo, como son prótesis, placas, clavos, tornillos,nlamhres, cte. [1]. Sin embargo el material para su fahrica-ci6n sigue siendo de importación [2], ya que las pruehas quetiene que pasar el material para ser empleado como implanteson múltiples y complicadas.

Se ha encontrado que se presenta una respuesta del teji-do biológico a los m<tteriales que se implantan denominadarespuesta a cuerpo extraño [3]. que consiste entre otras cosasde inflamación del tejido que rodea al implante, encapsula-miento del implante por tejido fibroso, presencia de célulasgigantes en el sitio del implante, ctc. Es a partir de lao;cantC-terísticas del tejido hiológico que se presenten como respues-ta al implante, que esta puede ser calificada de leve a severa,lo que determina el posible empleo del material como male-rial Je implante 1.1].

En el caso particular de materiales que se empleen parasuhstituir hueso o que ayudan en su rep<lfación, se han desa.rrollado en este siglo aleaciones a base a Ti-Ca-Ni [5] YdePe-Cr {Glque cuhren los requisitos hasta ahorn ohligatoriosJe hiocompalihilidad 17]. Sin embargo. se sahe que nuncaun material metálico será lo mejor para substituir un tejidoorgánico.

En el último cuarto del presente siglo. se han encontradoen forma natural, cerámicas lOtalmente biocompatibles ¡8. 9]con los tejidos del cuerpo humano que pueden ser sinletiza-das en el Inhoratorio, estas cerámicas presentan menos rro-hlemas de aceptación por el organismo que los metales.

Dehido a la necesidad de acelerar la reparación de huesofracturado. substituir al hueso faitante y en caso necesario alos(eoporótico. se han realizado estudios sobre cerámicas hio-compatihles mejorándolas tanto en su composición como ensu e~tructur¡¡.

Es a partir de los años 70's cuanuo se comenzó a inves-tigar el uso de la hidroxiapatita (HA) como un material os-teoinductor, es decir, un material que induce la formaciónde hueso nuevo [10-12]. Actualmente se emplea con éxitoel hueso de bovino o injerto autólogo (hueso del mismo pa-ciente) como relleno o como implante en casos de faltante dehueso [13].

Algunas posibles aplicaciones que puede tener la HA co-mo material de implante son:

l. Preservación del rehorJe al veolar [ 14[.2. Frncturas mandihulares [15J.

3. Reconstrucción de huesos faciales IIGJ.4. Prótesis ortopédicas. Cuando se ha extraído un tumoróseo o existe una fractura en un hueso el defecto serellena con HA l17], o bien para recuhrir prótesismetálicas.

5. Artrodesis: fijación de una articulación por medio decirugía, por ejemplo, la rodilla. dos vértehras, el codo,elc. [18J.

h. Implanles dentales 119J.7. En la Otorrinolaringología para construir prótesis deoíJo medio [20].

1.1. Constitución de los huesos

Los huesos que conforman el esqueleto humano están for-mados por dos componentes fundamentales: la componenteorgánica que está integrada por hhrac; de colágena en su ma-yor parte y la componente inorgánica compuesta de hidroxia-palita que comprende aproximadamente el 70% en peso delhueso y es de la que depende la dure7.a y la rigidez del hue-so 113J. Es importante saber que las fihras de colágenacontribuyen principalmente a la elasticidad del hueso, peroen gran medida a la fuerza del mismo, ver Tahla I.

HIDROXIAPATlTA y sus APLICACIONES

1.2. Estructura de los huesosTABLA 1.Composición del hueso.

145

Componente

MineralOrg¡:ínica

ColágenaOtros

Agua

Porcentaje

7022

(90-96)

(4-10)

8

El hucso se forma a partir de Jos fibroblastos. osteoblastos yostencitas, un conjunto de ostcocitos forma una osteona en elhueso compacto, y en el hueso esponjoso se produce una pro-liferación laminar de oslcoblastos y osteocitos, su desarrollose denomina ostcogéncsis y ocurre en dos ctapas gcnerales:laprimera es la proliferación de car1l1ago y la segunda es la osi-ficación, en la cuál se depositan los cristales de HA y fosfatosde calcio [13].

TABLA 11. Propiedades meC<Ínicas del hueso.

Tipo de

hueso

Compacto

Esponjoso

Dirección de la

prueba

longitudinal

longitudinal

Modulo deYoung

(N/mm')

179.00

0.76

Esfuerzo de comprensiónpara rompimiento

(N/mm')170.00

2.20

Esfuerzo de tensiónpara rompimiento

(N/mm')120.00

1.2 x 10-6

Propiedad

Pcrmitividad dieléctrica

Resistividad (O-m)

Coeflcientc piezoeléctrico (PC/N)

TABLA III. Propiedades eléctricas del hueso.

CondicionesRadial. 789 rh, 37°C. 1Hz.

longitudinal, .1-30 seg. 100% hidratación

radial, .1-30 seg. 100% hidratación

75% rh. 23.5'C IDOHz

ValorlO'45

150

0.014

Tipo de hueso

compacto

compacto I esponjosocompacto I esponjoso

compacto I esponjoso

I-'IGURAl. Organización característica del hueso.

En la Pig. 1 se encuentra esquematizada la organizacióncaracterística del hueso, como se puede observar, sobre lastlbras de colágena se depositan los cristales de HA formandoláminas concéntricas alrededor de vasos sanguíneos, confor-mando así el hueso compacto, el cual se nutre a través de los

conductos de Havers- Volkman, en el caso del hueso esponjo-so ocurre lo mismo, solo que la disposición es en forma decontenedores lagunares alrededor de lechos polimorfos san-guíneos y este se nutre a través de las lagunas vasculares [19J.El periostio es el tejido blando que recubre al hueso y contri-buye a la nutrici6n, la línea de fusión epifiseal solo se pre-senta en los niños debido a que es la zona de crecimiento,la arteria nutriente contribuye a la irrigaci6n, aunque la ma-yor parte de esta se realiza por medio de los tejidos blan-dos. y finalmente la médula ósea se encuentra dentro de lacavidad intramedular [20]. El hueso presenta en su estructu-ra poros intercomunicados entre las diferentes celdas 6seasque lo conforman que permiten fácilmente el paso del tejidohemático y de los nutrientes haciéndolo un tejido vivo acti-vo, estos poros se observan con mayor claridad en el huesoesponjoso. En las Tablas JI y III se muestran algunas de laspropiedades de los buesos [21-24J.

Generalmente los ortopedistas utilizan injerto de huesoesponjoso para rellenar huecos en fracturas, el cual extraende huesos sanos, por lo que se sugiri6 utilizar HA en su lu-gar. Esta HA debe ser sometida a pruebas ffsico-qufmicas ymédico-biológicas para comprobar que se puede utilizar en elorganismo sin peligro de infección. El objetivo de este trabajo

ReJ'.Mex. Fú. 45 St (t999) 144-147

146 ROt\1MY IIERNÁNDEZ T.. ROBERTO PAU\IA e. y MA. CRISTINA PIÑA R

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN MATERIALES 2&-r"b-1998 10;55

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FIGURA 2. Difraclogramas de: a) humano b) res e) puerco d) perro e) coralina.

es comparar tanto la estructura como la composición y la du-reza del hueso de cabeza de fémur de diferentes mamíferos:humano. puerco. res y perro, así como de coralina. con elohjeto encontrar un material adecuado al humano para CIll-

picarlo como material de implante.

2. Metodología

2.1. Limpieza de huesos de mamíferos

Primeramente se limpiaron los huesos usando sosa y despuésse calcinaron para asegurar la eliminación de toda la materiaorgánica contenida en ellos.

2.2. Caracterización por DRX

Se analizaron mediante difracción de rayos X D5000 Sie-mens todas las cerámicas obtenidas.

2.3. Determinación de la microestructura y del tamañode poro por microscopía electrónica de barrido(MEB)

Se realizó el estudio de la microestructura con el microsco-pio electrónico de barrido "Icica cambridge stereoscan 440".Se midi6 el intervalo de tamaños del poro que resultó carac-terístico para cada muestra.

TABLA IV. Intervalo dcllamaño del poro.

Muestra Intervalo

Humano 189.00 l' 604.00 l'

Coralina 79.00 tt 210.501'

Bovino 448.97 l' 1096.821'

Res 140 (X)l' 1130.00 l'

Puerco 74lXl l' 218.001'

Perro 156.25 l' 471.50 l'

En la Fig. 2, se muestran lo~ C'";pectrosde rayos X obte-nidos para las diferentes muestras que corresponden al hu-mano, res, puerco, rerro y coralina, cahe mencionar que sucomposición química es idéntica para todas. En la Fig. 3 semuestra la microestructura de los diferentes huesos mencio-nados, donde se pueden ohservar los poros interconectadosexistentes en ellos así como los gránulos formados por HA.

En la Tahla IV se encuentran reportados los valores obte-nidos para el intervalo del tamaño de poro de cada una de lasmuestras, actualmente los ortopedistas utilizan el hovino y lacoralina para sustituir hueso, debido a que el tamaño de susporos está dentro del intervalo del hueso humano, proporcio-nando así la estructura adecuada para la inducción del huesonuevo.

3. Resultados 4. ConclusionesSe ontuvieron los huesos de mamíferos muy limpios al ca-no de ser lavados, fueron cortados empleando una sierraeléctrica adecuada. Una parte de ellos fue molida para serestudiada por el método de polvos en DRX.

Se puede ver que no existe diferencia alguna en la composi-ción química entre las cer<Ímicas ohtenidas de las cabezas defémur de los diferentes mamíferos, en cuanto al tamaño de

Ni'l'. Me.\". Frs. 45 SI (1999) 144-147

IlIDROXIAPATITA y SUS APLICACIONES 147

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(r)

(1)

FI(;URA J. t\licroc~tructLJra de los huesos a 40X : a) humano. b) res, c) pucrco. d) pcrro. e) coralina y t) oovino.

P(JrO p(ldelllOSver que ex ¡SIC una intcrsecci6n entre el interva-lo de tamaño de poro del humano y los intervalos de los otrosmamíferos. esta nos da idea de cual es el lllas adecuado.

l. Comunicación vcrhal. CClllro Médico S. XXI, IMSS. 1997.

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Agradecimientos

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