¿Qué “pinta” un traumatólogo hablando de nanotecnología?

Transcripción

EL FUTURO DE LA NANOMEDICINA EN ESPAÑA
IMPACTO DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL CAMPO DE
LA CIRUGÍA ORTOPÉDICA Y TRAUMATOLOGÍA.
APLICACIONES ACTUALES Y RETOS FUTUROS.
Andrés Díaz Martín
¿Qué “pinta” un traumatólogo
hablando de nanotecnología?
1
Areas Prioritarias en las que se debe favorecer el desarrollo
de la Nanomedicina y la inversión en I+D en Europa.
1.
2.
3.
Patologías con gran prevalencia y que
supongan un importante menoscabo en la
calidad de vida de los pacientes.
Enfermedades con un elevado coste socioeconómico para la sociedad.
Cuando se espera que la aplicación de la
Nanotecnología tenga un notable impacto
en el diagnóstico o tratamiento.
Strategic Research Agenda for Nanomedicine
European Technology Platform. Nov 2006.
Areas Prioritarias en las que se debe favorecer el desarrollo
de la Nanomedicina y la inversión en I+D en Europa.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Enfermedades cardiovasculares
Cáncer
Patología Sistema músculo-esquelético
Enfermedades Neurodegenerativas y Psiquiátricas
Diabetes
Enfermedades Infecciosas
Strategic Research Agenda for Nanomedicine
European Technology Platform. Nov 2006.
2
“Applications of Nanotechnology in Orthopaedics”
Clinical Orthopaedics and Related Research. March 2007.
“Nanotechnology is being used in
orthopaedics, and likely will play a
valuable role in future
developments…”
Institute of Medical Engineering and Medical
Physics and Applied Micro-Nano Technology
for Medical-Electronic Systems, Cardiff
School of Engineering, Cardiff University,
South Wales, UK.
Nanotecnología / Traumat. Cir Ortopédica
Pasado
Biomateriales
implantes
Injertos
Sustitutivos
óseos
Recub. Bioglass®
UHMWPE
PE XL Hylamer®
Presente
Futuro
XLPE:
Crossfire®
Longevity®
Durasul®
Porous Metal® (Tantalio)
Composites:
Oxinium®
Recubrimientos bioactivos:
Nanocristales HA
Tratamiento superficies
Materiales compuestos:
Fibras + polímeros (PLLA,
PLGA)
Nuevos materiales
termoplásticos
Recubrimientos
nanoestructurados
Norian®
DBX®
BMP-7 (OP 1)
Matrices nanotubos de
carbono
Reparación cartílago
articular, nanoestructuras
3
Nanotecnología / Traumat. Cir Ortopédica
Presente
Futuro
Instrumental
quirúrgico
Midas Rex® ,instrumental corte
metales recubrimiento
nanocristales diamante
Hojas carburo
SilvaGard® (catéter nanopartículas plata)
Nanocompuestos de nitruros y
carburos metálicos
Cuasicristales
Terapéutica
Fármacos:
Emend® (Aprepitant)
Corticoides en nanoesferas para
inyección intraarticular
QT dirigida nanopartículas
Terapia proactiva artrosis
Apósitos
Acticoat®, apósitos con
nanocristales de plata Silcryst®
INCAR-Instituto Nacional del Carbón-CSIC
www.incar.csic.es MEC
Materiales Nanoestructurados
Los nanocompuestos exhiben propiedades inusuales, como alta
resistencia a la fluencia, resistencia al desgaste, alta dureza…
El trabajo de investigación se centra en DOS APLICACIONES
NOVEDOSAS DE LOS NANOMATERIALES:
El primer campo de investigación se centra en el diseño y
desarrollo de una nueva generación de nanocompuestos
metálicos ligeros (MMCs). MMCs con matrices de Al y MG
podrían aportar ligereza y una mejora en el comportamiento en
servicio de componentes para aplicaciones aeronáuticas y
aeroespaciales y para el sector del automóvil…
4
INCAR-Instituto Nacional del Carbón-CSIC
www.incar.csic.es MEC
Materiales Nanoestructurados
El segundo campo de trabajo explora la posibilidad de obtener
compuestos cerámica-cerámica, cerámica-metal, intermetálicos,
aleaciones metálicas que posean estructura de fases modulada en
una
escala
inferior
a
100
nm.
Estos
compuestos
nanoestructurados pueden satisfacer funciones altamente
especializadas en tecnologías críticas y emergentes, como por
ejemplo en implantes ortopédicos (PROTESIS DE CADERA Y DE
RODILLA), donde los nanocompuestos cerámicos han
demostrado tener un umbral de fractura por lo menos doble al de los
materiales cerámicos monolíticos..
En tecnología de mecanizado, los nanocompuestos de nitruros y
carburos
metálicos,
así
como
los
recubrimientos
nanoestructurados, pueden ser empleados como materiales
ultraduros, similares al diamante, para la fabricación de una nueva
familia de herramientas de corte.
E. Guerado, A. Díaz-Martín, M.P. Arrabal: Células madre e ingeniería
tisular ósea. Bases celulares y perspectivas terapéuticas. Rev Ortop
Traumatol. 2003; 47: 362-374.
M. Fernández-Fairén, F.J. Gil-Mur: Nuevos materiales en artroplastia
total de cadera. Rev Ortop Traumatol. 2003; 47: 434-442.
F.Castillo, S.Suso, P.Fernández: Evaluación del potencial osteogénico
de los Polímeros Bioabsorbibles derivados del ácido láctico utilizados como
sustitutivos óseos. Estudio experimental en conejos. Rev Ortop Traumatol.
2003; 47: 428-433. (Premio Fundación Mapfre)
L. Meseguer-Olmo, J. Muñoz, A. Bernabeu: Cinemática de crecimiento
in vitro de osteoblastos humanos sobre cerámica porosa de hidroxiapatita.
Rev Ortop Traumatol. 2006; 50: 224-232.
5
¿Qué “pinta” un traumatólogo
hablando de nanotecnología?
La Nanomedicina no es
“ciencia-ficción” en Cirugía
Ortopédica y Traumatología
Nanotecnología y Cirugía Ortopédica
A.
B.
C.
D.
E.
Nanomateriales en implantes
Injertos y sustitutivos óseos / cartilaginosos
Nuevo instrumental quirúrgico
Apósitos bioactivos
Nanomedicina. Terapéutica
6
La fabricación a nanoescala exige un
nuevo enfoque interdisciplinar tanto en la
investigación como en los procesos de
fabricación.
Conceptualmente se consideran dos vías de trabajo:
La primera consiste en la miniaturización de
los
microsistemas (denominado enfoque «de arriba
abajo» o «top-down») y la segunda, en imitar la
naturaleza mediante el desarrollo de estructuras a
partir de los niveles atómico y molecular (denominado
enfoque «de abajo arriba» o «bottom-up»). El
primero podría describirse como un proceso de
ensamblaje, el segundo como un proceso de
síntesis.
A.
B.
C.
D.
E.
NANOMATERIALES EN IMPLANTES
7
Recubrimiento de Superficies
Nanoestructuras Superficie
Los tratamientos de superficie, como la implantación iónica, la
pasivación oxidativa o la nitruración, han sido utilizados para
incrementar la dureza de las superficies y la resistencia a la
corrosión tanto del CoCr como del titanio (Ti), y reducir el desgaste
del UHMWPE contrapuesto.
Las superficies articulares pueden recubrirse de multicapas, más o
menos gruesas, de diferentes cerámicas como el nitruro de cromo o
de titanio, la alúmina o la zirconia, el carbono o el diamante amorfo
o nanocristalino, con resultados prometedores, y el desgaste del
polietileno frente a cabezas así constituidas es entre 10 y 50 veces
menor y con un par diamante / diamante el desgaste es todavía
mucho menor y su coeficiente de fricción el más bajo de todos los
pares comparados.
Oxinium®
El Oxinium es un nuevo material que
combina una aleación metálica de zirconio
(Zr-2.5NB) con una superficie cerámica
(zirconia), que se produce por oxidación.
La cerámica en este caso no es un
recubrimiento,
se
trata
de
un
nanocompuesto metal-cerámica
8
Recubrimiento Bioactivos
El material más empleado, dentro de la variedad de formulaciones y
compuestos, biocerámicas y biovidrios, es la hidroxiapatita (HA).
Los procedimientos de deposición de la hidroxiapatita sobre
el sustrato metálico de la prótesis, deposición por electroforesis
y sinterizado, chorro de plasma o chorro inflamado, provocan
cambios en la hidroxiapatita produciéndose una mezcla de
oxihidroxiapatita y fosfato tricálcico y tetracálcico.
Se ha comprobado que el hueso crece no sólo en la superficie
sino que también penetra en la hidroxiapatita. El efecto
osteoinductor se inicia rápidamente tras la implantación,
observándose mayor crecimiento óseo y resistencia en sistemas
porosos recubiertos con hidroxiapatita respecto a la misma
estructura no recubierta.
Tantalio.
“Trabecular-metal”®
Los implantes Trabecular Metal están
fabricados de tantalio elemental usando
una tecnología de deposición por vapor,
para crear una nanoestructura metálica
porosa similar al hueso esponjoso. La
nanotextura cristalina resultante permite
la aposición directa de hueso.
9
Polietilenos hiperenlazados
“Highly Crosslinked UHMWPE”
El UHMWPE tratado químicamente o irradiado experimenta una rotura de moléculas con la
aparición de radicales libres. En ausencia de oxígeno esos radicales tienden a formar
enlaces entre sí, acelerando el calor esa reacción de recombinación, pudiendo llevarla hasta
la extinción de los radicales libres. Este material es resistente a la oxidación y su desgaste
es un 90% menor que el del UHMWPE convencional debido a la reordenación
tridimensional de la superficie. En el caso de Durasul® se efectua la irradiación con chorro
de electrones, con 9,5 Mrad, a 125° y fusión, durante 2 horas, a 150°. Sin embargo, este
método modifica su estructura cristalina con cristalinidad del 45% y una talla del cristal de
20-40 nm. A pesar de que su comportamiento frente al desgaste es muy bueno, con una
reducción de más del 95% del mismo, sus propiedades mecánicas se ven comprometidas.
Su resistencia a la tracción es un 45% menor que la del UHMWPE convencional, su límite
elástico un 17% menor, su fluencia un 50% más grande, y su tenacidad y resistencia a la
fatiga también disminuyen sensiblemente, por debajo del UHMWPE convencional y del
irradiado en vacío con dosis convencionales.
Materiales Compuestos
Los materiales compuestos («composites»)
son materiales multifásicos constituidos
por una matriz y un relleno de la misma
por fibras, que suelen ser complementarios
en cuanto a sus propiedades. Reúnen los
atributos positivos de ambos sin sus
defectos. Las propiedades mecánicas de
un material compuesto dependen en gran
medida de la unión que se logre entre la
matriz y las fibras.
Las posibilidades de estos materiales son
ilimitadas. Se han ensayado las fibras de
carbono o de poliaramida, y como matriz
resinas de polietileno o de epoxi, o termoplásticos como la polisulfona, la poli-ariléter-cetona (PEK), la poli-éter-cetonacetona (PEKK) o la poli-éter-éter-cetona
(PEEK).
10
Materiales Compuestos
• Arriba: la matriz de poli-éter-
éter-cetona (PEEK) se adhiere
íntimamente a las fibras de
carbono,
constituyendo
un
auténtico compuesto
• Abajo:el polietileno de ultra alto
peso molecular (UHMWPE) no
se adhiere a las fibras de
carbono, por lo que el material
resultante no es un verdadero
compuesto.
A.
B.
INJERTOS Y SUSTITUTIVOS ÓSEOS /
CARTILAGINOSOS
C. Nuevo instrumental quirúrgico
D. Apósitos bioactivos
E. Nanomedicina. Terapéutica
11
Nanotubos de carbono en Regeneración Tisular Osea,
sustitutivos óseos (hueso artificial), tratamiento de la
osteoporosis.

“A Bone Mimic Based on the Self-Assembly of Hydroxyapatite on
Chemically Functionalized Single-Walled Carbon Nanotubes”,
publicado en junio 2005 en Chemistry of Materials, revista de la Soc Am
de Química. La investigación se centra en mejorar la flexibilidad y dureza
de los huesos artificiales, búsqueda de nuevos tipos de sustitutivos óseos
y avances en el tratamiento de la osteoporosis.
Los nanotubos de carbono pueden imitar el papel del colágeno como
osteoconductor y soporte para inducir el crecimiento de los cristales de
HA. Tratando químicamente los nanotubos, es posible atraer los iones de
Ca y promover así el proceso de cristalización sobre el armazón, y al
mismo tiempo se mejora la biocompatibilidad de los nanotubos
incrementando su solubilidad en agua.
La adherencia de los osteoblastos a los nanotubos de carbono, revela que
estas nuevas nanoestructuras pueden actuar como osteoinductoras.
REGENERACIÓN ÓSEA
En la reparación de los defectos óseos y cartilaginosos,
tiene un futuro prometedor la aplicación de matrices
nanofibrosas fabricadas mediante electrospinning que
mezclan ácido poliláctico biodegradable (PLA) y
nanotubos de carbono, que han demostrado un
comportamiento biológico muy favorable, pudiéndose
utilizar como transportadores de condrocitos cultivados o
de factores de crecimiento óseo.
12
Terapia celular en defectos óseos
Relleno de defectos óseos. Sustitutivos óseos
Características: resistencia mecánica, propiedades osteoconductoras,
propiedades osteoinductoras (?), mínima interferencia proceso de
consolidación.
Se han diseñado nuevos materiales sustitutivos óseos mediante el
depósito de nanocristales de HA sobre fibras sintéticas de un
polímero con estructura similar a las fibras de colágeno tipo I en el
hueso. Otros compuestos utilizan nano-HA con poliamida produciendo
nanocristales de HA de 5-26 nm de diámetro y 30-84 nm de longitud.
•
•
•
•
•
•
•
Norian SRS : cemento óseo, HA carbonatada
Calceon 6 : bloques de sulfato cálcico
BoneSource : fosfato cálcico en polvo
BSM : fosfato cálcico inyectable
OrthoDyn : cerámica osteoconductora
ProOsteon : coral marino, carbonato cálcico
Endobon : bloques de HA bovina
13
Futura aplicación de la Nanotecnología:
Regeneración cartílago articular

Las lesiones de espesor completo del cartílago articular se
reparan con fibrocartílago o tejido fibroso cicatricial.
Este tejido que se forma con la reparación es un tejido
cicatricial con características diferentes al original, y se
produce a medio plazo una artrosis secundaria.
La reparación del cartílago NO es, por tanto, un
proceso de regeneración completa como la del
hueso.
Estructura Cartílago
14
Estructura Cartílago
TRASPLANTE DE CONDROCITOS
15
En la reparación de los defectos cartilaginosos, tiene un
futuro
prometedor
la
aplicación
de
matrices
nanofibrosas 3-D que mezclan ácido poliláctico
biodegradable (PLA) y nanotubos de carbono. Han
demostrado un comportamiento biológico muy favorable,
pudiéndose utilizar como transportadores de condrocitos
cultivados y factores de crecimiento.
Defectos osteocondrales. Técnica OATS (mosaicoplastia) o transplante
condrocitos cultivados.
A.
B.
C.
D.
E.
NUEVO INSTRUMENTAL QUIRÚRGICO
16
Nanotecnología y desarrollo de nuevo
instrumental quirúrgico
Superficies de corte recubiertas de cuasicristales (con
estructura intermedia entre amorfa y cristalina) que
permiten afilar las hojas hasta los 20-40 nm de filo. Los
cuasicristales también parecen idóneos para aplicarse en las
brocas y sierras quirúrgicas. Recientemente, se han
dedicado esfuerzos importantes para conseguir uniformidad
en el tamaño de los nanocristales incorporados a vidrios,
sol-gel y otros compuestos. Se sabe que dichos
nanocompuestos exhiben propiedades inusuales, como
alta resistencia a la fluencia, resistencia al desgaste, alta
dureza,
etc.
Debido
a
esto,
los
materiales
nanoestructurados son excelentes candidatos para la
fabricación
de
herramientas
de
corte.
Los
nanocompuestos de nitruros y carburos metálicos,
así como los recubrimientos nanoestructurados pueden ser
empleados como materiales ultraduros, similares al
diamante, para la producción de una nueva familia de
herramientas de corte.
A.
B.
C.
D.
E.
APÓSITOS BIOACTIVOS
17
Apósitos Bioactivos
Se utilizan en Traumatología y Cirugía Plástica apósitos
compuestos por tres capas, dos de polietileno cubiertas de
plata nanocristalina y, entre ellas, una capa interior absorbente
de rayón / poliéster. La plata nanocristalina es una forma
física única obtenida tras un proceso industrial de deposición
por chorro de vapor. De esta forma, se consigue que los
cristales que se formen tengan un tamaño mucho menor que
por otros métodos (alrededor de 15 nm) presentando un
aspecto arenoso. El proceso de formación de nanocristales no
sólo afecta a la estructura física, sino también a las propiedades
físico-químicas apareciendo especies atómicas de plata no
presentes en otros productos (“clusters” o racimos de
átomos de Ag) que dotan al apósito de una potente actividad
antimicrobiana. Sólo la plata iónica es activa frente a los
microorganismos, por eso el apósito (Acticoat®) debe
mantenerse húmedo.
Apósitos con Plata Nanocristalina
18
A.
B.
C.
D.
E.
NANOMEDICINA. TERAPÉUTICA
•
El mayor impacto a corto plazo de la nanomedicina en el campo
de la cirugía ortopédica probablemente se produzca en el
diagnóstico precoz y el tratamiento específico de los
tumores óseos mediante quimioterapia dirigida liberada a través
de nanopartículas o nanoesferas. Otra técnica prometedora es la
dispersión selectiva en el tumor de nanopartículas de óxido de
hierro y la posterior necrosis tumoral por exposición a un campo
magnético externo. También se han aprovechado las propiedades
paramagnéticas de ciertas nanopartículas en la detección precoz
no invasiva de las regiones de incremento de la angiogénesis en
tumores óseos “in situ”.
•
En el tratamiento sintomático de la artrosis se ha empleado
de forma experimental la inyección intraarticular de un corticoide
hidrosoluble (betametasona) encapsulado en nanoesferas de
300-490 nm de un polímero biodegradable. Con este método
se prolonga la acción antiinflamatoria del fármaco, y desaparece el
dolor inducido por los microcristales de esteroides.
19
Futuro tratamiento artrosis: terapia a nivel
celular,nanomateriales inteligentes capaces de
controlar los factores del metabolismo del cartílago.
DIAGNÓSTICO PRECOZ.
TIPOS DE MARCADORES
IMPLICADOS EN LA ARTROSIS
CARTÍLAGO
• Colágeno tipo II
• Agrecano
• Proteínas no
colágenas
MENISCO
SINOVIAL
HUESO
• Colágeno I y III
Propéptidos de proCol II
Epítopos de agrecano
Condroitín sulfato
Keratán sulfato
Degradación de Colágeno II
Síntesis/Degradación agrecano
POMC
Pequeños PG
Degradación POMC
Degradación PG
Propéptidos proCol I y III
Péptidos Col I y III
Hialuronano
• Proteínas no colágenas Metaloproteinasas de matriz
e inhibidores de estromelisina
POMC
Degradación POMC
Síntesis/Degradación Col I y III
Síntesis hialuronano
Síntesis y secreción de MMP
Degradación POMC
• Colágeno tipo I
Propéptidos de proCol I
Síntesis/ Degradación Col I
Péptidos de Col I
Síntesis/Degradación BSP
• Cross-links de 3-OH Piridina
• Osteocalcina
• Proteínas no colágenas Sialoproteína ósea (BSP)
Fosfatasa alcalina
proCol I y III: Procolágeno tipo I y III; proCol II: Procolágeno tipo II; POMC: Proteína Oligomérica de la Matriz del Cartílago;
MMP: Metaloproteinasas de matriz; PG: Proteoglicanos; BSP: Bone Syaloprotein
20
FUTURO: TRATAMIENTO PREVENTIVO Y PROACTIVO
GENÉTICA EN LA ARTROSIS
• La contribución genética en el
desarrollo de la artrosis es de
un 65%.
• Mutación en cadena a del
colágeno II.
• Mutación en el gen del
agrecano.
• Polimorfismo en receptor de
Vitamina D.
• Polimorfismos en receptor de
estrógenos
LOCUS ASOCIADOS CON ARTROSIS
8q
2q23-35
11q
2q
4q
6p/6q
11q
16p/16q
2q12-13
4q26-27
7p15-21
X-cen
4q35
6q12-13
6p21.3
2q31
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
Artrosis
temprana
nódulos
en mujeres
de cadera
de cadera en
de cadera
en mujeres
de cadera en
IFD
IFD
IFD
IFD
de cadera
de cadera en
de cadera en
de cadera en
mujeres
mujeres
mujeres
mujeres
mujeres
21
“La mejor manera de curar a los enfermos es a través
de las partes que producen las enfermedades. Así, en
efecto, se aplicará el mejor remedio al origen de la
afección”.
Corpus Hippocraticum. Hipocrates de Cos y
discípulos. Siglos V y IV a.de J.C.
22
“There’s Plenty of Room at the Bottom”.
Richard Feynman. 1959.
Microscopio de barrido de efecto tunel.
G.Binnig y H.Rohrer. 1981.
“La Nanomedicina ofrece la oportunidad de
centrarse en la raiz de la enfermedad”.
European Technology Platform. 2006.
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN
Y SU PACIENCIA
[email protected]
23

¿Qué “pinta” un traumatólogo hablando de nanotecnología?

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