Estudio in vivo de la respuesta biológica del hueso inducida por una cerámica porosa de composición Ca7(PO4)2(SiO4)2 - Ca5(PO4)2SiO4 dentro del sistema binario fosfato tricálcico-silicato dicálcico

Abstract

INTRODUCCIÓN: Los fosfatos cálcicos son utilizados como cementos óseos y cerámicas bioactivas y biodegradables, siendo los candidatos idóneos para su empleo como andamios en la regeneración ósea. Su uso dentro del sistema binario fosfato tricálcico - silicato dicálcico puede mejorar su función dado que los iones de silicio mejoran la bioactividad del implante, la osteopromoción celular y su función como soporte, pudiendo actuar como un sustituto del injerto óseo. El objetivo de nuestro trabajo consistió en diseñar, sintetizar y caracterizar “in vivo” un material cerámico poroso bifásico de composición Nurse’s A Phase - Silicocarnotita dentro del sistema binario fosfato tricálcico - silicato dicálcico, utilizando un modelo animal, con vistas a su potencial aplicación clínica como sustituto del injerto óseo autólogo en el campo de la cirugía reconstructiva ósea.

MATERIAL Y MÉTODOS: Se han utilizado 16 conejos de raza Nueva Zelanda, distribuidos aleatoriamente en 4 grupos correspondientes a los 4 periodos de estudio establecidos (1, 3, 5 y 7 meses). La cirugía de implantación se realizó en metáfisis proximal de tibia, mientras que en la contralateral se realizó un defecto óseo control (sin material). Al final de cada periodo de estudio, los animales fueron eutanasiados con una sobredosis de Pentobarbital sódico vía intracardiaca previa sedación. A las muestras óseas extraídas se les realizó estudio radiológico con radiología simple (RXs) y micro-tomografía computerizada (micro-TC) y, posteriormente, un estudio anatomopatológico e histomorfométrico.

RESULTADOS: En el estudio mediante RXs se pudo apreciar que la cortical externa formada sobre el defecto óseo presentaba una densidad cálcica similar a la cortical adyacente. El implante presentaba una disminución generalizada evidente de la densidad radiológica con trabéculas óseas que parecían introducirse en su interior. El estudio con micro-TC puso de manifiesto la reabsorción, en volumen, del 70% del material implantado al finalizar el estudio, así como un incremento progresivo del hueso en el interior de la laguna ósea experimental practicada. En el estudio anatomopatológico se observó que algunos fragmentos del material implantado habían sufrido una reabsorción casi total. El tejido óseo, con grandes trabéculas neoformadas bien ordenadas, empezaba a ser sustituido en su periferia por médula ósea hematopoyética de características normales. No se observó tejido fibroso en la interfase hueso-material. Las vísceras estudiadas no presentaron alteraciones anatomopatológicas. En el estudio histomorfométrico se constató un incremento del 20% en la cantidad de hueso neoformado en el grupo implantado, frente a un 7% en el grupo control, así como un aumento progresivo en el contacto del hueso con el implante, al mismo tiempo que permitió cuantificar la reabsorción del implante a lo largo de todo el estudio. El defecto cortical quedó reparado en un 93% al final del estudio en las tibias implantadas frente al 67% observado en los controles.

CONCLUSIONES: La existencia de crecimiento óseo asociado a una inexistente respuesta inflamatoria en todos los periodos de estudio demuestran que el material implantado de composición Nurse A - Silicocarnotita es biocompatible, al mismo tiempo que facilita el crecimiento óseo tanto en la periferia como en el interior del material, sin apreciarse tejido óseo fibroso en la interfase hueso-material, lo que demuestra su capacidad de osteointegración. Por otro lado, el material sufre un proceso de reabsorción progresiva a lo largo del estudio sin que se originen productos intermedios. Por todo ello, a cerámica objeto de estudio puede ser considerada como una alternativa dentro de los sustitutos óseos en el campo de la cirugía ósea reconstructiva.

ABSTRACT

INTRODUCTION: Calcium Phosphates can be used to form bone cements as well as bioactive and biodegradable ceramics which makes them ideal candidates for bioactive scaffolds in the context of bone regeneration. As such, the use of the binary tricalcium phosphate-dicalcium silicate system may prove to be a good choice given that the silicon ions improve the bioactivity of the composite and its osteogenic and osteoconductive properties, making it a good potential bone graft substitute. The aim of this study was to design, synthesise and evaluate in vivo a porous biphasic synthetic bioceramic composed of Nurse’s A-phase - Silicocarnotite, within the tricalcium phosphate-dicalcium system, using an animal model; in view of its potential application as a bone autograft substitute in the field of bone reconstructive surgery.

MATERIAL AND METHODS: 16 New Zealand rabbits were randomly assigned to 4 groups corresponding to the 4 different established time periods for evaluation (1, 3, 5 and 7 months). All surgical procedures were performed under general anesthesia and aseptic conditions. A bone defect was created, bilaterally, in each proximal tibial metaphysis. The defect was grafted with a ceramic cylinder, whereas the contralateral one remained empty as a control. At the end of each time period, the animals were euthanized, prior sedation, with an intracardiac injection of a overdose of pentobarbital. Harvested tissue specimens, underwent a radiological evaluation (RXs) and microcomputed tomography (μTC), as well as a subsequent anatomopathological and histomorphometric evaluation. Parameters associated with inflamatory response, new bone formation and graft resorption were measured and calculated.

RESULTS: The RXs showed that the newly formed external cortex at the level of the bone defect had similar calcic density to the normal adjacent cortex. The implant showed generalised low radiologic density with bone trabeculae that seemed to penetrate inside. The μTC study showed resorption of 70% of the implant by the end of the study as well as the progressive increase of bone formation inside the experimental bone defect. The anatomopathological evaluation revealed that the ceramic did not generate any adverse effect, and showed that some fragments of the implant underwent near-to-complete resorption. Furthermore, the recently formed bone tissue with big well-organized trabeculae was slowly being replaced at the periphery by normal hematopoyetic bone marrow. No connective or fibrous tissue was found between the bone and the implant. The studied viscera did not show any pathological findings. The histomorphometric evaluation showed an increase of 20% of newly formed bone in the grafted group against 7% in the control group. A progressive increase of contact between the bone and the implant was also reported. At the same time, the resorption of the implant could be quantified throughout the whole study period. 93% of the cortical defect was replaced in the implanted tibial bones against 67% in the control group.

CONCLUSION: In this animal model, the synthetic Nurse’s A phase – Silicocarnotite proved to be biocompatible and osteoconductive. Indeed, it presented good resorption properties without forming any intermediate products. Simultaneously, bone regeneration was enhanced both around and inside the studied implant, without any evidence of fibrous tissue interposed at the interface. As a consequence, the ceramic showed a good osseointegration. For all the reasons above, the ceramic implant can be considered a valid option as a bone graft substitute in bone reconstructive surgery.