Proyecto de Innovación Tecnológica2015

DATOS DEL PROYECTOTítulo del Proyecto: USO DE IMPRESIÓN 3D PARA DESARROLLO DE IMPLANTES ÓSEOS A PARTIR DE PLA Y HAp.

Disciplina: BIOMATERIALES

Tiene una solicitud de patente: No ( X ) Si ( ) Número de solicitud:

Título de la invención:

Nombre del Responsable: M.C. ERIC REYES CERVANTES

Si colaboran más integrantes mencionarlos:

Nombre del estudiante becario: AUN ESTA POR DEFINIRSE ENTRE 2 ESTUDIANTES, UNO DE BIOTECNOLOGÍA Y OTRO DE ING. DE MATERIALES.Matricula: POR DEFINIRSEPrograma Académico: POR DEFINIRSE

Nombre del estudiante becario: Matricula: Programa Académico:

INFORMACIÓN DEL PROYECTO

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Indique el Área de aplicación

( X ) Salud ( ) Energía y Medio Ambiente

( ) Electrónica, Computación y Comunicaciones

( ) Agroalimentación ( ) Biotecnología ( ) Materiales

( ) Otro ______________

Resumen:

Se desarrollarán, evaluarán y caracterizarán (por diversas técnicas) filamentos de PLA (ácido poli láctico –polímero biocompatible) modificados con carga inorgánica (biomaterial HAp –hidroxiapatita de calcio-), obtenidos dichos filamentos se imprimirán 12 chips por medio de impresión 3D con la finalidad de probar su compatibilidad en modelos vivos (ratas Wistar) durante 12 semanas con apoyo del bioterio Claude Bernard, una vez ensayados los modelos, el producto y proceso obtenido es susceptible de patente.

Palabras Claves: PLA, HAp, impresión 3D.

Planteamiento del problema a resolver:

Con relación al tema de los biomateriales cabe destacar que según los demógrafos de Naciones Unidas, dentro de unos 5 años es muy probable que haya más personas de más de 60 años que niños de menos de 15. Hoy en día una de cada diez personas tiene 60 años o más, pero en el año 2050 se prevé que será una de cada cinco. Y se prevé también que el número de los que tienen unos 80 años se multiplicará por cinco. (Regí, 2004). De lo anterior se determina que las necesidades del ser humano serán mayores al llegar a una edad avanzada y ese es un motivo más para desarrollar tecnologías que hagan que la calidad de vida sea la mejor posible, pero también hay que tener en cuenta que se tiene que aprender a usar y reutilizar mejor los materiales porque de eso depende el éxito como sociedad.

La posibilidad de combinar propiedades bio-orgánicas y componentes inorgánicos en un solo material ha sido un antiguo reto que tuvo su origen con el comienzo de la era industrial. Algunos de los más antiguos, representativos y conocidos productos orgánico-inorgánicos derivados de la industria de los polímeros y las pinturas son ciertamente los pigmentos y rellenos inorgánicos dispersos en componentes orgánicos (solventes, surfactantes, polímeros…) para aumentar o mejorar las propiedades ópticas y mecánicas.(Sánchez et al., 2003)

Entre las diferentes aplicaciones de los biomateriales, se encuentran las asociadas a la restauración de los tejidos duros del ser humano como resultado de diversas patologías y traumatologías, y una de las vías correctivas empleadas recurre a implantes con materiales sintéticos o semisintéticos que cumplan funciones de relleno, y que puedan dar origen a la reconstitución ósea. En la actualidad, se estudia la posibilidad de usar materiales inorgánicos similares a la matriz ósea.

Entre los materiales usados en la restauración ósea se encuentran diversas hidroxiapatitas (HAp), obtenidas por síntesis inorgánica, o por transformaciones de biomateriales naturales como la coralina (carbonato de calcio) que proviene de formaciones de corales. La hidroxiapatita es un material altamente insoluble en medios biológicos normales, por lo que es común usar también precursores que se transforman en hidroxiapatita; de esta forma se facilita la integración del material implantado a través de transformaciones de fase y reacciones superficiales. (Palacios et al., 2001)

En este trabajo se pretende utilizar a la HAP y al polímero llamado ácido poli láctico (PLA) el cual se ha demostrado es biocompatible (Anderson et al., 1997) con la finalidad de construir un material que pueda brindar soporte y biocompatibilidad en un sistema vivo.

Antecedentes del Proyecto a desarrollar:

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La integración de la biología dentro de la investigación en materiales está proyectada para brindar avances significativos en la microfabricación y microensamble de nuevos materiales y productos. (Mogul et al., 2006). El tema central de estos desarrollos ha sido la “bio-inspiración” en la cual los conceptos biológicos, funciones y diseño de caracteres han captado la atención por sus aplicaciones como puntos de inicio en el camino hacia nuevos materiales sintéticos y dispositivos con estructuras y funciones avanzadas. La remarcada habilidad de los organismos biológicos para reconocer, ordenar y procesar diversas y complejas fuentes de información continúa motivando novedosas formas de fabricación de superficies e interfaces orgánica-inorgánicas inteligentes. (Dujardin y Mann, 2002)

Se cuenta con la experiencia necesaria para la síntesis de biomateriales, además de tener al alcance la infraestructura adecuada para la caracterización de los biomateriales obtenidos, esto mediante SEM, FTIR, EDS, DRX y para las pruebas en vivo se solicitará el apoyo del bioterio Claude Bernard de la BUAP.

Fundamentación del Proyecto:

Para la elaboración de un biomaterial se pretende utilizar un filamento modificado de PLA cargado con HAp, para esto se adquirirá una extrusora para obtener un filamento de 3 mm de diámetro, posteriormente se utilizará una impresora 3D para que imprima un chip para implante en ratas, estos chips se monitorearán para evaluar la biocompatibilidad del material con un entorno vivo, posteriormente se ensayarán como un diseño óseo específico que pueda cumplir la función de sustitución de hueso natural controlando la morfología, orientación y crecimiento de cristales, que son características importantes para decidir si una cerámica reúne los requisitos adecuados para ser usada como material de implante. (Palmer et al., 2008)

En este proyecto se considera un aporte parcial para la adquisición de un espectrofotómetro Uv-Vis Para complementar la caracterización de HAp y PLA.

Objetivo:

Obtener un biomaterial para implantes óseos a partir de un composito PLA –HAp.

Objetivos específicos:

-fabricación del filamento en base a PLA con carga de HAp.-caracterización por SEM, EDS, FTIR, UV-Vis y DRX de los filamentos.-impresión de chips para implante-ensayos de chips en ratas -monitoreo de los implantes-diseño e impresión en 3D de un “hueso artificial” para evaluar su comportamiento en ratas.

Metodología:

La HAp se obtendrá de hueso bovino por calcinación entre rangos de 600 a 900 °C con la finalidad de reducir costes por síntesis en laboratorio, posteriormente se triturará hasta obtener un polvo fino que atraviese malla 325; dicho material será caracterizado para evaluar su morfología, composición química y fase cristalina, con la finalidad de conocer cuál es el más adecuado para la fabricación del filamento de PLA.

Respecto al filamento, este se fabricará a partir de pellets de PLA virgen, y se le agregará una carga de HAp en distintos porcentajes (5, 10, 25 y 50%) con la finalidad de conocer que características

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químicas, físico-mecánicas se presentan en el filamento con las diferentes cargas de material inorgánico (HAp) de ser necesario el PLA podría funcionalizarse con hidróxido de sodio a fin de mejorar el anclaje químico entre el polímero y el polvo de HAp. Nuevamente cada muestra se caracterizará por SEM, EDS, FTIR, DRX, UV-Vis, y con el apoyo de la facultad de Odontología se evaluarán por pruebas mecánicas sus características respecto a tensión, flexión y compresión.

Una vez obtenido el filamento se imprimirán 12 chips rectangulares de 1* 3 mm y 1 mm de espesor, la carga con la que se imprimirán los chips será con el filamento que presentó las mejores características, químicas, físicas y mecánicas, finalmente se procederá a la evaluación del biomaterial en vivo, usando 6 ratas raza Wistar, las cuales serán manipuladas por el personal calificado del bioterio Claude Bernard, con protocolos establecidos de dieta y monitoreo estandarizados , cabe mencionar que los chips implantados serán previamente esterilizados para evitar una infección por patógenos. A cada rata se le implantarán 2 chips y se extraerá 1 semanalmente sin sacrificar al animal según lo mostrado en la siguiente tabla:

Animal/ extracción

Semana 1

Semana 2

Semana 3

Semana 4

Semana 5

Semana 6

Semana 7

Semana n

Semana 12

Rata 1 1er chip

2do chip

Rata 2 1er chip

2do chip

Rata 3 1er chip

2do chip

Rata 4 1er chip

2do chip

Rata 5 1er chip

2do chip

Rata 6 1er chip

2do chip

Cada chip extraído será evaluado con la finalidad de observar cambios en la superficie, además de revisar la estadística de cada rata respecto a infecciones, fiebre general o local asociada directamente al implante, por microscopia óptica y SEM se evaluarán estructuras histológicas que pudieran dar indicios de encapsulamiento o rechazo.

Desglose de presupuesto:

Descripción CantidadAdquisición de una extrusora de laboratorio $21,000.00Adquisición de material para laboratorio y reactivos

$10,000.00

Adquisición de 4 kg de pellet de PLA virgen $1,900.00Pago de servicios a facultad de odontología $10,800.00Pago del apoyo del bioterio (manutención, monitoreo y cirugías)

$20,000.00

Beca de estudiante de licenciatura durante los 10 meses

$15,000.00

Caracterización por SEM, EDS, DRX Y FTIR en el CUVyTT

$0.00

Pago parcial para adquisición de un espectrofotómetro UV-Vis.

$70,000.00

Total: $ 148,700.00

Bibliografía:

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Anderson James M. , Matthew S. Shive (1997) Biodegradation and biocompatibility of PLA and PLGA microspheres. Advanced Drug Delivery Reviews. Cleveland, OH USA vol 28 pp 5–24

Dujardin E, Mann S (2002) Bio-inspired Materials Chemistry. ADVANCED MATERIALS 4(7):461-474.

Mogul R, Kelly JJG, Cable ML, Hebard. AF (2006) Synthesis and magnetic characterization of microstructures prepared from microbial templates of differing morphology. Materials Letter 60:19-22.

Palacios JM, Apella MC, Blesa MA, Morando PJ (2001) Estudios fisicoquímicos sobre hidroxiapatitas para implantes dentales: modificación de las propiedades superficiales con la concentración de Ca2+ soluble y su relación con la adhesión bacteriana., in Jornadas SAM, (CONAMET ed, pp 1213-1220, Argentina.

Palmer LC, Newcomb CJ, Kaltz SR, Spoerke ED, Stupp SI (2008) Biomimetic systems for hydroxyapatite mineralization inspired by bone and enamel. Chem Rev 108(11):4754-83.

Regí MV (2004) Biomateriales para sustitución y reparación de tejidos, (28040 ed, pp 2. Departamento de Química Inorgánica y Bioinorgánica. Facultad de Farmacia. Universidad Complutense, MADRID.

Sánchez C, A. GJDA, Soler-Illia, Ribot F, Grosso D (2003) Design of functional nano-structured materials through the use of controlled hybrid organic-inorganic interfaces. Comptes Rendus Chimie 6:1131-1151

Otros:

Se cuenta con experiencia en la síntesis de hidroxiapatita por diversas técnicas y sobre distintos templetes (colágeno, acero, PMMA, quitosano, bacterias etc.), así como en la funcionalización de materiales poliméricos; durante el año pasado (2014) se ha trabajado intensamente en el diseño e impresión 3D de distintas morfologías y se cuenta con las capacidades técnicas y científicas para lograr un producto de base tecnológica.

METAS COMPROMISO A LA CONCLUSIÓN DEL PROYECTOLos compromisos del presente proyecto son:

Contar con varios filamentos ensayados y caracterizados Contar físicamente con los diseños impresos Diseño de una estructura ósea Impresión del diseño óseo Iniciar la solicitud de patente Formación de recursos humanos y a la par realizar una tesis o reporte de servicio

(dependerá del perfil y avance del estudiante)

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METAS COMPROMISO DE TIPO DE DESARROLLO

( x ) Proceso o metodología

( X ) Equipo o dispositivo :Diseño e impresión 3D de dispositivo

óseo( ) Otro (especificar)

INDIQUE EL GRADO A ALCANZAR DEL ENTREGABLE AL FINALIZAR

( ) Metodología ( ) Diseño ( ) Prototipo de laboratorio

( ) Diseño industrial o para escalamiento ( X ) Modelo escala real ( ) Otro ______________

INFORMACIÓN DE POTENCIAL COMERCIAL

VENTAJAS POTENCIALES

SE PUEDE OBTENER UN MATERIAL BIOCOMPATIBLE PARA IMPLANTES ÓSEOS A BAJO COSTO RESPECTO A LO EXISTENTE EN EL MERCADO, CON LA IMPRESIÓN 3D, PRÁCTICAMENTE SE PUEDEN OBTENER MORFOLOGÍAS Y TAMAÑOS DIVERSOS COMO OCURRE NATURALMENTE.

COMPARACIÓN CON OTROS DESARROLLOS TECNOLÓGICOS O INNOVACIONES RELACIONADAS

A NIVEL MUNDIAL EXISTEN ESFUERZOS POR LOGRAR QUE LA IMPRESIÓN 3D SEA UNA HERRAMIENTA COTIDIANA EN LOS HOSPITALES, LA INNOVACIÓN EN ESTE TRABAJO CONSISTE EN CREAR UN FILAMENTO COMPOSITO QUE FAVOREZCA LA BIOCOMPATIBILIDAD Y RESTABLEZCA LAS FUNCIONES DE UN HUESO REEMPLAZADO POR TRAUMA. LOS IMPLANTES ACTUALES DE USO COMÚN SON EN SU MAYORÍA METÁLICOS O CON RECUBRIMIENTOS CERÁMICOS.

NECESIDADES DEL MERCADO QUE CUBRE LA TECNOLOGÍA O INNOVACIÓN

ORTOPEDIA Y ODONTOLOGÍA SON LAS RAMAS QUE MÁS PUEDEN VERSE FAVORECIDAS POR ESTE DESARROLLO.

ANÁLISIS DE COMPETENCIA (Información sobre competidores, así como de productos y/o tecnologías competitivas)

NO EXISTEN EN EL PAÍS FABRICANTES DE IMPLANTES ÓSEOS, LA IMPRESIÓN 3D PERMITIRÍA UN POTENCIAL MERCADO SIN NECESIDAD DE GRANDES INFRAESTRUCTURAS, Y EL DESARROLLO DEL FILAMENTO PODRÍA PATENTARSE CON LA FINALIDAD DE COMERCIALIZARLO COMO MATERIA PRIMA, PARA LA IMPRESIÓN ÓSEA A MEDIDA.

USUARIOS Y/O CLIENTES POTENCIALES

Nacional: HOSPITALES ESPECIALIZADOS EN ORTOPEDIA Y TRAUMATOLOGÍA

En el extranjero: HOSPITALES ESPECIALIZADOS EN ORTOPEDIA Y TRAUMATOLOGÍA

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