Cómo afecta la microestructura superficial del implante a la capacidad de oseointegración: revisión bibliográfica

UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE ODONTOLOGÍA Depa amen o de Es oma ología CÓMO AFECTA LA MICROESTRUCTURA SUPERFICIAL DEL IMPLANTE A LA CAPACIDAD DE OSEOINTEGRACIÓN: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Dulce Ma ía Bellido C espo TRABAJO FIN DE GRADO DE ODONTOLOGÍA Cu so 2017-2018 ! ! ! ! ! ! ! ! A mi amilia, a Manuel y a mis compañe os, g acias po acompaña me en es e iaje inespe ado. A mi u o , el D Ped o Bullón, g acias po su paciencia. “La humildad es el mo o del sabe . Casi siemp e los sabios son muy humildes, no dejan nunca pasa de la go la ocasión de cu a se de la a ogancia o del an asma de la omnipo encia.” (Cha les Pépin) ! ! ÍNDICE DE CONTENIDOS RESUMEN…………………………………………………………………………….......pgn:1 INTRODUCCIÓN……..………………………………………………………….............pgn:2 1-Oseoin eg ación………………………………………………………...…….............pgn:2 2-Ti anio……………….………………………………………………..………............pgn:3 3-Diseño………………….……………………………………………….......................pgn:4 OBJETIVOS…………..…….…………………………………………………………….pgn:7 MATERIAL Y MÉTODOS…..……………………………………………………………pgn:8 RESULTADOS Y DISCUSIÓN………….……………………………………..................pgn:9 1-P opiedades bioac i as del i anio………………………………………..……........pgn:9 1.1. Topog a ía………………………………………………………………………..pgn:9 a) Mac o opog a ía………………………………………………………….........pgn:11 b) Mic o opog a ía………………………………………………………………..pgn:11 c) Nano opog a ía………………………………………………………………....pgn:12 1.2. Humec abilidad………………………………………………………………...pgn:14 1.3. Química……………………………………………………………………........pgn:16 2-La supe icie biomimé ica..………………………………………………………...pgn:16 3-E ec o siné gico de las p opiedades bioac i as……………………………………pgn:16 4-T a amien os supe iciales…………………………………………………............pgn:18 4.1. Mecánicos……………………………………………………………...…..........pgn:18 4.2. Químicos…………………………………………………………………...........pgn:18 4.3. Físicos……………………………………………………………………...........pgn:20 CONCLUSIONES...………………………………………………………………..........pgn:23 BIBLIOGRAFÍA...……………………………………………………………………....pgn:24 1! ! RESUMEN In oducción: el éxi o del implan e den al depende en g an medida de las ca ac e ís icas químicas, ísicas, mecánicas y opog á icas de su supe icie; ya que de e minan la ac i idad de las células que se adhie en a la supe icie del implan e. Po an o, la composición química, humec abilidad, geome ía, opog a ía, ugosidad, ene gía supe icial, nanoes uc u as y el ecub imien o con ma e iales bioac i os ienen un impac o sus ancial en la asa y calidad del p oceso de oseoin eg ación. Me odología: Se ealizan 2 búsquedas median e la base de da os de MedLine con el mo o de búsqueda Pubmed. Se ob u ie on 87 y 25 esul ados una ez aplicados los lími es de inclusión y exclusión; inalmen e seleccionamos seleccionamos 29 a ículos. Resul ados y conclusiones: la humec abilidad, la química, la opog a ía y la combinación de es as p opiedades de e minan la calidad y g ado de os eoin eg ación. Valo es mode ados de hid o ilia (30◦-60◦) y ugosidad (Sa=1-2µm) a o ecen la oseoin eg ación pe o aún desconocemos los mecanismos biológicos subyacen es. La in es igación ac ual sigue los en oques biomimé icos: imi a la con igu ación 3D de la supe icie ósea. Palab as cla e: Oseoin eg ación, Implan e den al, Supe icie, Diseño ABSTRACT In oduc ion: The success o a den al implan is highly dependen on i s chemical, physical, mechanical, and opog aphic cha ac e is ics o i s su ace; because hey de e mine he ac i i y o he a ached cells ha a e close o he den al implan su ace. The e o e, he chemical composi ion, we abili y, geome y, opog aphy, oughness, su ace ene gy, nanos uc u es and he coa ing wi h bioac i e ma e ials ha e a subs an ial impac on he a e and quali y o he osseoin eg a ion p ocess. Me hodology: we pe o med 2 se aches using he MedLine da abase wi h he Pubmed sea ch engine. We ob ained 87 and 25 esul s once we applied he inclusion and exclusion limi s; and inally we selec 29 a icles. Resul s and conclusions: We abili y, chemis y, opog aphy and he combina ion o hese p ope ies de e mine he quali y and deg ee o osseoin eg a ion. Mode a e alues o hyd ophilici y (30◦-60◦) and oughness (Sa = 1-2 µm) a o osseoin eg a ion bu we s ill don´ know he unde lying biological mechanisms. Cu en esea ch ollows biomime ic app oaches: imi a e he 3D con igu a ion o he bone su ace. Keywo ds: Osseoin eg a ion, Den al implan , Su ace, Design 2! ! INTRODUCCIÓN Oseoin eg ación La usión del hueso al i anio ue desc i a en 1940 po Bo he1, más a de ue Le en hal2 quien demos ó que el i anio no causaba eacción isula y que se i ía en el u u o como un me al ideal pa a las p ó esis. T as un iempo conside able, en 1969, el cien í ico sueco B ånema k acuñó el é mino oseoin eg ación 3-4-5-6: “ o mación de una in e az di ec a en e implan e y hueso sin in e posición de ejido blando a ni el de la mic oscopía óp ica” y el cien í ico suizo And é Sch oede lo demos ó his ológicamen e desc ibiéndolo como “anquilosis uncional”; sin in e ención del ejido conec i o en e el hueso y la supe icie del implan e7. Za b & Alb ek sson lo desc ibie on como "un p oceso po el cual se log a y man iene la ijación ígida, clínicamen e asin omá ica, de ma e iales aloplás icos en el hueso du an e la ca ga uncional”8. Dicha usión uncional y es uc u al de la supe icie del implan e con el hueso ci cundan e juga á un papel c ucial en la longe idad y unción de la u u a p ó esis9. Du an e la cica ización ósea ocu en una se ie de e en os biológicos: 1-Abso ción de p o eínas: los os eoblas os equie en in e acciones especí icas pa a adhe i se, p oli e a y di e encia se, las cuales se de inen po el núme o y ipo de p o eínas adso bidas que a su ez dependen de la na u aleza isicoquímica y opog á ica de la supe icie del implan e10-11-12-13. De modo que las ca ac e ís icas supe iciales pueden inhibi la adso ción de p o eínas que acili an la mig ación de células que desencadenan la ib oin eg ación. 2-In e acción celula-p o eína: Los si ios donan es de elec ones en la supe icie del os eoblas o in e ac úan con los si ios acep o es de elec ones en la supe icie del óxido de i anio, lo que esul a en la adhesión y di e enciación de los os eoblas os14-15. La adhesión celula en e el hueso y la supe icie del implan e es el e en o biológico más impo an e y es á mediado po in eg inas de memb ana y p o eínas ci oplásmicas que unen la ma iz ex acelula al ci oesquele o16. Las adhesiones ocales (es uc u as dinámicas mul ip o eicas que median la adhe encia de la célula al sus a o ó ma iz ex acelula ) egulan la adhesión, mig ación, p oli e ación, di e enciación y apop osis celula 16. La in e az abso be luido isula y p o eínas de unión celula , pe mi iendo se sus i uída po hueso ecién o mado y una capa de cemen o ico en p o eínas no colágenas, que se á esponsable de la unión biológica del hueso a la supe icie de i anio, pe o pa a ello, necesi a es abiliza se median e el bloqueo mecánico9. En gene al, la adhesión celula es á mediada po a ios mecanismos14-16: -In e acciones especí icas en e los ecep o es de la supe icie celula y las moléculas especí icas del ligando que son abso bidas, deposi adas o sec e adas sob e el bioma e ial; -Fue zas no explíci as como Van de Waal y ue zas elec os á icas; 3! ! -Anclaje mecánico a las es uc u as mic o y nano opog á icas de la supe icie del implan e. Las células in e ac úan con la capa p o eica ubicada en la supe icie del implan e pe o las in e acciones biológicas son dic adas p incipalmen e po las ca ac e ís icas isicoquímicas del implan e NO po la capa p o eica14. Ramaglia17 demos ó que los os eoblas os cambian la exp esión de la in eg ina según la composición química y el g ado de ugosidad supe icial10. 3-Fo mación de una ma iz ósea p o isional. Dis inguimos 2 ipos de os eoin eg ación: 1) Os eogénesis de con ac o (Osbo n18), en la que se p oduce un con ac o p og esi o en e el hueso neo o mado desde la pe i e ia del lecho has a la supe icie del implan e (ocu e en supe icies mecanizadas, la ma iz p o isional no sopo a la mig ación de los os eoblas os); 2) Neo o mación ósea u os eogénesis a dis ancia (Da ies19) donde los os eoblas os mig an a la supe icie del implan e a a és del andamio de ib ina y o man hueso nue o desde el implan e has a las pa edes del lecho (ocu e en supe icies os eoconduc i as, sopo an la mig ación de os eoblas os al implan e po que la ue za de adhesión de ib ina es mayo )10. La implan ología ha a anzado a pasos agigan ados a lo la go de a ias décadas, siendo la base de múl iples p ocedimien os de ehabili ación o opédica y den al, que han pe mi ido es ablece unción y es é ica y, po an o, mejo a la calidad de ida de millones de pe sonas3- 20-21. Las mejo as con inuas en el endimien o de los implan es den ales, ac ualmen e con asas de éxi o supe io es al 95% a los 10 años, los han hecho una de las opciones más iables pa a eemplaza los dien es pe didos y ha ampliado el pe il de pacien es candida o22-23-24. Sin emba go, las asas de éxi o dis an de se ideales en pacien es cuyo hueso es á comp ome ido po en e medades o po la edad. En ealidad, el éxi o de un implan e den al depende en g an medida de las ca ac e ís icas químicas, ísicas, mecánicas y opog á icas de su supe icie; ya que de e minan la ac i idad de las células que se adhie en a la supe icie del implan e den al9-23. La p incipal ue za mo iz pa a los a ances en la ingenie ía de implan es se ha cen ado en disminui o elimina el hia o en e colocación qui ú gica y ca ga uncional3-21. La mejo a de los ma e iales implan ológicos (p incipalmen e de las supe icies de i anio) y la e olución de los p o ocolos clínicos, no solo ha aco ado los iempos de a amien o sino que ambién ha aumen ado las indicaciones clínicas de la e apia con implan es como en pacien es con baja densidad ósea22. Ti anio La mayo ía de los implan es son de i anio pues se conside a un ma e ial excelen e debido a su biocompa ibilidad y a sus p opiedades ísicas: es abilidad, esis encia y elas icidad. Al con ac a con O2 se o ma en su supe icie una delgada capa pasi a de óxido de i anio que 4! ! p o ege el ma e ial del medio ambien e y de la co osión25. Sin emba go, el hecho de que sea ine e di icul a su in eg ación emp ana con los ejidos óseos ci cundan es, in luyendo a la go plazo en la supe i encia de los implan es26-27. Diseño La al a de en oque secuencial y je á quico en el diseño de implan es desa ía a los ingenie os biomédicos a abo da e ospec i amen e la in e acción de los pa áme os de diseño de o ma obje i a (ins umen ación qui ú gica, geome ía a ni el mac o/mic o/nanomé ico)3-27. El p oceso biológico, que según Da ies, es un componen e p incipal de la os eoin eg ación, de e mina el esul ado exi oso o no de cualquie p ocedimien o implan ológico y la es abilidad de la in e az hueso-implan e22-27-28; depende p incipalmen e de la in e elación de los siguien es ac o es29-30-31. 1. Biocompa ibilidad del ma e ial del implan e 2. Na u aleza de la supe icie a ni el mic o/mac o/nano (diseño del implan e) 3. Es ado del lecho del implan e en un con ex o de salud y mo ológico (calidad ósea) 4. Técnica qui ú gica pe se 5. Fase de cu ación en eposo (no pe u bada) 6. Condiciones de ca ga El diseño de la supe icie del implan e puede con ibui a una os eoin eg ación exi osa (o alla) de los implan es den ales según como in luya en la cu ación emp ana; pues a ec a a la mo ología y di e enciación celula 25-32-33. La os eoin eg ación ápida y emp ana se asocia con el éxi o a la go plazo del implan e34-35-36-37. Las p o eínas, la sang e, las células inmunes y las células os eop ogeni o as in e ac úan con el bioma e ial, a ec ando inalmen e a la os eoin eg ación del implan e (Claes38). Po an o, la composición química, humec abilidad, geome ía, opog a ía supe icial, ugosidad, ene gía supe icial, nanoes uc u as y el ecub imien o con ma e iales bioac i os ienen un impac o sus ancial en la asa y calidad del p oceso de oseoin eg ación ya que a ec an a la adhesión, p oli e ación, di e enciación y mig ación celula , po an o, in luyen en la cu ación endoósea pe iimplan a ia39-40-41. Las ca ac e ís icas supe iciales o opog a ía del implan e se puede ca ac e iza : -A ni el mac oscópico: aba ca desde milíme os a mic ome os. Incluye el diseño y geome ía del implan e (más la gos y g andes), mac opo os, la o ma de la osca (más p o undas) y la dis ancia de paso de osca (más pequeñas) son undamen ales pa a da es abilidad a los implan es de modo que se maximicen las ensiones a o ables y se minimicen las ensiones indeseables a lo la go de la in e az hueso-implan e42. 5! ! -A ni el mic oscópico: ango desde 1-10µm. El ecub imien o de la supe icie del implan e (incluye la ugosidad supe icial), c ea un mic oambien e que puede modula la mig ación, di e enciación, adhe encia y unción de las células, o mación y mine alización de la ma iz ex acelula , pe o es á in oluc ado indi ec amen e en el p oceso de os eoin eg ación42-43-44. Las ca ac e ís icas de la supe icie a escala mac o y mic omé ica son e icien es en la mejo a de e en os biológicos pe o solo ienen una in luencia indi ec a en la ac i idad celula , po lo que sus acciones y endimien os son limi ados. -Hoy en día, la mejo a de la ac i idad de los os eoblas os en la in e az hueso-implan e depende de las ca ac e ís icas a ni el nano; aba ca desde 1-100nm. Tienen la capacidad de induci la di e enciación de las células mad e a lo la go de la ía os eogénica, in luyen di ec amen e en el endimien o biológico del implan e45-46-47-48-49. Recien emen e, se ha in oducido en la ab icación de implan es el é mino "nano ecnología" que ue acuñado en 1974 po No io Taniguchi (inspi ado po D Phillips Feynmaan): consis e en la ciencia e ingenie ía in oluc adas en el diseño, sín esis, ca ac e ización y aplicación de ma e iales y disposi i os cuya o ganización uncional más pequeña, en al menos una dimensión, es á en escala nanomé ica (1-100nm)45-50-51. En los úl imos años, el in e és se ha desplazado hacia la modi icación nanomé ica y química de la supe icie del implan e y su impac o sob e la capacidad os eogénica. Además, se in es iga la adición de moléculas bioac i as (ma e ial que iene un e ec o o que p o oca una espues a del ejido i o) sob e el implan e8-52. Pa a p omo e la bioac i idad de los implan es podemos inco po a a la supe icie ases o gánicas e ino gánicas den o o sob e la capa de TiO2 median e: iones (Mg, Ca, N), moléculas ino gánicas (p incipalmen e os a o cálcico) u o gánicas (pep idos, p o einas, enzimas, d ogas)22-53. El hueso es un ejido je á quico complejo con di e en es ni eles es uc u ales: hueso co ical y abecula a mac oescala, os eones ha e sianos y laminillas a mic oescala, c is ales de hid oxiapa i a y ib as de colágeno a nanoescala. La mayo ía de los implan es disponibles in en an imi a la es uc u a je á quica del hueso inco po ando algún ipo de modi icación supe icial a escala mic o ó, más ecien emen e, una combinación de ca ac e ís icas supe iciales a escala mic o y nanomé ica54-55-56. Alb ek sson y Wenne be g57 di idie on la calidad supe icial del implan e en 3 ca ego ías: i) p opiedades mecánicas, ii) p opiedades opog á icas, y iii) p opiedades isicoquímicas. 12! ! os eocalcina (ma cado es de di e enciación de os eoblas os) en supe icies con alo es Ra=1- 2µm, en compa ación con supe icies con alo es Ra= 0 y 4µm79 (pa ecen se subóp imas pa a los os eoblas os). Además, la ugosidad óp ima es especí ica según el ma e ial y el a amien o supe icial 34. La oseoin eg ación combina el c ecimien o óseo inicial y la emodelación ósea adap a i a a lo la go del iempo. Sob e la hipó esis de la Ta Wol , la emodelación ósea se ac i a median e una in e acción coope a i a en e células os eogénicas y os eoclás icas54. El p oceso de os eogénesis po con ac o es simila al p oceso na u al de emodelación ósea, po an o, una supe icie con mic o opog a ía que imi e la con igu ación 3D de la supe icie ósea inmedia amen e as la eso ción os eoclás ica p omue e la o mación de hueso pe iimplan a io y, inalmen e, su oseoin eg ación y el anclaje mecánico del implan e al hueso. La in luencia de la ugosidad supe icial se ex iende más allá del ni el celula hacia el mic oambien e median e la egulación de la in lamación y la emodelación ósea. En supe icies mic o ex u izadas: las MSC p oducen meno es ni eles de ci oquinas p oin lama o ias y mayo es de ci ocinas an iin lama o ias, se ele a la os eop o ege ina y aumen a el TGF-β1 que es imula la sín esis de la ma iz ósea e inhibe los os eoclas os. El es udio de Oli a es-Na a e e y Rodil80 sugie e que en supe icies mic o ugosas la subunidad β1 econoce la ugosidad y las subunidades al a econocen la química supe icial39. La exp esión génica es á in luenciada po la opog a ía supe icial: la mic o ugosidad e oca la exp esión génica de os eopon ina, os eonec ina, sialop o eína ósea, colágeno III e in eg inas. Los genes asociados con los p ocesos biológicamen e ele an es de egene ación, os eogénesis, di e enciación de células mesenquimales, angiogénesis, neu ogénesis y la ía de señalización Wn a ían en supe icies lisas y ugosas7-81. 1c. Nano opog a ía Desde una pe spec i a de ab icación, muchas, si no odas, las écnicas disponibles pueden u iliza se pa a modela supe icies con ca ac e ís icas a nanoescala3; aunque el mé odo quimico es el más usado. Se pueden clasi ica en58: i) Mé odos ísicos ii) Mé odos químicos iii) Deposición de nanopa ículas como sol-gel y Deposición c is alina disc e a; y i ) Li og a ía y Técnica de imp esión de con ac o. Hemos a anzado a una nue a e apa con la in oducción del ni el nanomé ico, que aumen a signi ica i amen e la espues a biológica, ya que ac o es de c ecimien o, p o eínas y células in e ac úan a es e ni el3. La supe icie nanoes uc u ada es bioac i a, es deci , iene el po encial de causa una eacción en el cue po i o, a di e encia del i anio que es un ma e ial bioine e. La supe icie de TiO2 descompone las impu ezas o gánicas (mayo 13! ! descon aminación cuan o meno escala) y la nano opog a ía aumen a la ac i idad biológica debido al aumen o del á ea supe icial e ec i a75. Si la mic o opog a ía ac úa en la os eoin eg ación a ni el celula , la nano opog a ía in luye en las in e acciones célula-implan e a ni el celula y p o eico71 (a ec a a la adhesión, ex ensión, mo ilidad, p oli e ación, selec i idad de adhesión y di e enciación de os eoblas os). Los cambios en la nano opog a ía ansmi en sus e ec os a ni el ísico (al e an la ex u a, longi ud, escala y pa ón supe icial del implan e), químico (con inamien o cuán ico: exhiben con igu aciones elec ónicas sus ancialmen e di e en es) y biológico (cambia la in e acción de la supe icie con iones, biomoléculas y células lo que a su ez in luye a o ablemen e en las ac i idades molecula es y celula es que conducen a la oseoin eg ación)58. Al e a la adso ción de p o eínas, la o mación de adhesión ocal y la espues a celula [Gi ens, Oli a es-Na a e e, Schwa z]39, lo que esul a en una p omoción de la di e enciación, mig ación y p oli e ación celula , mayo adhesión de células os eogénicas y inalmen e p omoción de la os eoin eg ación71. Das82 ha demos ado que sob e supe icies nano ugosas mejo a la adhesión, p oli e ación, ac i idad de la os a asa alcalina y mine alización de los os eoblas os. Se desconoce si la os eogénesis es inducida di ec amen e po la opog a ía nanomé ica o indi ec amen e po el sue o, p o eínas luidas adso bidas y/o po el aumen o de la ene gía supe icial/humec abilidad inducido po la nano opog a ía. Lo más p obable es que odos es os mecanismos ope en siné gicamen e p oduciendo un e ec o os eogénico14. Ideas cla e de nano ecnología: -Mejo a la p oli e ación celula y la di e enciación de los os eoblas os58. Di ige la di e enciación de las células os eop ogeni o as hacia un eno ipo os eoblás ico y aumen a la adhesión y di e enciación de MSC hacia una línea os eogénica14. -Al e a las in e acciones p o eicas y celula es pues cambia la ene gía supe icial/humec ación. -P omue e la p oli e ación, adhesión y mo ilidad celula (debido a la unción de las in eg inas), aumen a la exp esión génica y acele a la di e enciación os eoblás ica58. In luye en la na u aleza de la in e acción in eg ina-p o eína MEC y en la ac i idad celula 14. Gu wein y Webs e 83 concluyen que las nanopa ículas suponen un impac o posi i o sob e la iabilidad y p oli e ación de los os eoblas os. -Disminuye la adhesión y p oli e ación bac e iana58. Mejo a y o alece la ba e a mucosa pe iimplan a ia que e i a la colonización de pa upp ógenos22. -Disminuye la adhesión de ib oblas os e sus os eoblas os (“selec i idad adhesión celula ”)58. Ven ajas de la nano ugosidad en implan es45: 14! ! 1. Aumen a el á ea supe icial del implan e adyacen e al hueso. 2. Mejo a la conexión de la célula a la supe icie del implan e. 3. Aumen a el hueso p esen e en la supe icie del implan e. 4. Mejo a la in e acción biomecánica del implan e con el hueso. 1.2-Humec abilidad supe icial: La humec abilidad desc ibe la capacidad de un líquido pa a man ene el con ac o con una supe icie sólida. Es á de e minada po un equilib io en e las ue zas adhesi as (hace que la go a se ex ienda) y cohesi as (hace que la go a uede hacia a iba). La composición química y el g ado de ugosidad de e minan la ene gía supe icial y, po lo an o, la humec abilidad14. La humec abilidad con ola la abso ción p o eica y la o mación de un coágulo de sang e de ib ina84, es imula la elocidad de ac i ación y di e enciación celula , induce una mayo p opo ción de BMP2 y eje ce una espues a egene a i a ca ac e izada po una mayo os eogénesis, angiogénesis y neu ogenia, po an o7, p o oca un aumen o del BIC y de la ue za de unión de la in e az hueso-implan e. La ene gía y humec abilidad supe icial son los p incipales esponsables de impulsa la adhesión celula 14 la cual se a ibuye a la secuencia RGD de p o eínas ECM (como ib onec ina, i onec ina, colágeno ipo I, os eopon ina y sialop o eína ósea). Debido a su hid o ilicidad, el i anio oxidado anódicamen e po encia la adhesión celula y los eno ipos de os eoblas os75. Las supe icies hid o ílicas man ienen la con o mación y unción p o eica71 y gene an una espues a celula an iin lama o ia, mien as que las hid o óbicas desencadenan la desna u alización p o eica y aumen an la sec eción de ac o es p oin lama o ios84. La hid o ilia mejo a la in e acción en e los luidos co po ales y la supe icie del implan e, aumen a la ciné ica de cica ización de he idas, p omue e la adhesión de ib ina (pa a la mig ación de os eoblas os), y mejo a la adhesión de p o eínas y células p omo iendo una mayo p oli e ación y di e enciación celula y po an o mayo os eogénesis65. En is a de sus in e acciones con luidos biológicos, células y ejidos, las supe icies hid o ílicas son más deseables que las hid o óbicas75 pe o las supe hid o ílicas pod ían es a en des en aja con espec o a la adso ción de p o eínas sanguíneas73. Tan o la excesi a hid o ilia como la hid o obia di icul an la abso ción p o eica, la cual media la in e acción de la supe icie del implan e con células y ejido10. La hid o obicidad es una ue za mo iz pa a la adhesión bac e iana (depende de las p opiedades isicoquímicas del sus a o, de las cepas bac e ianas y de la solución acuosa u ilizada): se p oduce mayo o mación de placa a pa i de ugosidad Sa > 0,2µm. En eo ía, 15! ! es más p obable que las cepas bac e ianas hid ó obas se adhie an a bioma e iales con p opiedades supe iciales hid ó obas, y las hid ó ilas a las supe icies hid ó ilas85. La humec abilidad supe icial a ec a a ios aspec os del sis ema biológico: i) adhesión de p o eínas y o as mac omoléculas a la supe icie; ii) in e acción de células con la supe icie; iii) adhesión bac e iana y pos e io o mación de biopelículas; ) asa de oseoin eg ación. In e acciones con sang e: según Wilson86 la ib onec ina adso bida po supe icies hid o óbicas educe la unción de adhesión celula . De mane a simila , la abso ción de colágeno ipo I y de i onec ina pueden es a in luídos po la humec abilidad. In e acciones con células: la hid o ilicidad in luye en la adso ción de mediado es biológicos y en espues as celula es como la adhesión, diseminación, p oli e ación y la di e enciación. La conexión en e hid o ilicidad, acondicionamien o supe icial po p o eínas y adhesión celula ue demos ada po Huang87. La hid o ilicidad iene un e ec o es imulan e sob e la in eg ación de ejidos blandos y du os, p oduciendo una oseoin eg ación más emp ana y es able que pod ía ex ende la cobe u a a pacien es comp ome idos y p omo e la salud a la go plazo, p olongando la ida ú il del implan e85. In luencia en las células: la o mación de un coágulo de sang e de ib ina si e como puen e de andamiaje pa a la mig ación celula . En las supe icies hid ó ilas la espues a inmune es mode ada y la ac i ación de omboci os es meno , de modo que acili a la in asión y mo ilización del coágulo sanguíneo po pa e de las MSCs. Las supe icies hid ó ilas p omue en mayo es asas de p oli e ación y mejo an la madu ación de los os eoblas os, la p oducción de ac o es locales y la mine alización. Los que a inoci os y ib oblas os esponden a la química, opog a ía y humec abilidad supe icial85. El en oque más común pa a e alua la humec ación y ene gía supe icial es la “ écnica de go a sésil”; consis e en coloca un líquido humec an e especí ico sob e la supe icie de i anio y medi el ángulo de con ac o en e la angen e del líquido y la línea base ho izon al de la mues a de i anio88. Es a écnica p opo ciona una medida in e sa de la humec abilidad14, a ía desde 0∘ en supe icies muy hid o ílicas has a más de 90∘ en hid o óbicas71. Se puede aplica ácilmen e a supe icies planas (Rupp88), pe o puede ep esen a un desa ío sob e supe icies ugosas o á eas muy pequeñas como las oscas del implan e donde puede con ibui a mediciones inexac as39. Es o e ue za la suposición de que la na u aleza hid o óbica es causada po el ai e a apado den o de los mic opo os bajo las go as deposi adas, pues gene a una in e ase ma e ial/ai e/líquido he e ogénea e hid o óbica. En consecuencia, solo una pequeña po ción de la supe icie del implan e mic oes uc u ada e hid ó oba puede humedece se du an e el con ac o inicial con la sang e73 (po ello la p o eína 16! ! se acumula p e e en emen e en la pa e supe io de la opog a ía mien as que en la pa e in e io se o man bolsas de ai e25). 1.3-Química supe icial Según Bagno y Di Bello89: la ugosidad, composición y humec abilidad se al e an po la modi icación química de supe icie. La adso ción de p o eínas y la adhesión celula dependen de la química supe icial90, po an o es cla e en la os eoin eg ación. Las en ajas de c ea una supe icie bioac i a median e a amien o químico son: Combina p opiedades mecánicas del me al con la capacidad de unión al hueso de la ce ámica bioac i a y E i a el a amien o supe icial con Ca-P pul e izado con plasma pa a mejo a la capacidad de ijación al hueso65. 2-La supe icie biomimé ica El obje i o del nue o pa adigma es imi a los componen es o gánicos e ino gánicos del ejido óseo p oduciendo supe icies bio uncionales que pe mi an29 mejo a la asas de éxi o clínico y la elocidad de os eoin eg ación pa a los casos de ca ga inmedia a o emp ana91, es deci : 1º op imiza la es abilidad del implan e, 2º mejo a la in eg ación isula pe iimplan a ia y 3º educi la pe iimplan i is (adhesión bac e iana)71. Los ecub imien os supe iciales bioac i os son en oques inno ado es que in en an imi a el en o no bioquímico y la a qui ec u a nanoes uc u al del hueso humano71, gene ando supe icies biomimé icas que pueden ene g andes bene icios pa a p o ocolos de ca ga inmedia a o emp ana. Una supe icie que p opo cione una aposición ósea más ápida pe mi i á mayo es abilidad del implan e y meno iesgo de allo10. 3-E ec os siné gicos de las p opiedades bioac i as Humec abilidad-Topog a ía: El nue o pa adigma conside a los e ec os in e elacionados de la opog a ía supe icial y la humec ación pues pod ían causa un e ec o siné gico en la espues a de los os eoblas os: humec ación inducida po la ugosidad, e ec os siné gicos de nanoes uc u ación e hid o ilicidad..73-92. La combinación de mic o ugosidad e hid o ilicidad (simila a la del ejido na u al, biomimé ica) puede in e ac ua siné gicamen e c eando un mic oambien e os eogénico y angiogénico adecuado pa a educi los iempos de cica ización ( esuel e ápidamen e la in lamación) y aumen a la os eoin eg ación (acele a la egene ación isula po que aumen a la di e enciación de MSCs)84. La humec abilidad supe icial iene un e ec o inmunomodulado mayo que la ugosidad84. La combinación de nano ugosidad y humec abilidad juega un papel undamen al en las 1º e apas de cu ación del implan e, in luye en el pe il de adso ción de p o eínas en la supe icie y en la adhesión y cascada de cu ación celula esul an e (Gi ens, Scheidele 85,88). La adso ción de ib inógeno y ib onec ina aumen a en supe icies combinadas mic o y 17! ! nano ugosas hid ó ilas, exis e una in e acción dinámica en e nano ugosidad e hid o ilicidad en la espues a emp ana del implan e, de ahí la impo ancia del diseño en la espues a biológica39. Las supe icies mic o ugosas muy hid o óbicas mues an cie a analogía con las hojas de lo o, mien as que las supe icies con mic o y nanoes uc u as je á quicas mues an el e ec o pé alo (muy hid ó obo con ue es ue zas adhesi as, de modo que las go as de agua en an en los su cos de mayo amaño del pé alo pe o no en los más pequeños). Ac ualmen e los enómenos de humec ación obse ados en las supe icies de implan es de i anio no pueden basa se únicamen e en el égimen de Cassie-Bax e y/o Wenzel. Es posible que solo la pa e supe io de la p o ube ancia in e ac úe con la sang e y el es o a ape ai e. 1. Las supe icies hid o ílicas acili an las in e acciones iniciales en e supe icie y líquido. 2. La ugosidad supe icial in luye en la humec ación y en el p oceso de os eoin eg ación88. Química-Topog a ía: independien emen e de la química; la di e enciación y madu ación os eogénica mejo a en supe icies ugosas39. El e ec o siné gico de la uncionalización química y la nanoes uc u a log a una p omoción máxima de la os einducción y acele a la os eoin eg ación. La supe icie de i anio ecubie a con una capa de TiO2 ine e no in e ac úa química ni biológicamen e con las células, po an o, necesi amos un mé odo e icien e pa a ac i a la supe icie hacia la unión de células mad e93. Es un desa ío imi a las ca ac e ís icas nanomé icas, especialmen e si debemos conside a la química además de la opog a ía73. Topog a ía mic omé ica–Topog a ía nanomé ica: las células ienen dimensiones en una escala mic omé ica pe o con ac an con la ma iz ex acelula que iene ca ac e ís icas opog á icas y es uc u ales nanomé icas. Po lo an o, las nanoes uc u as que imi an el en o no na u al, pod ían in e ac ua con las células a ni el molecula pa a con ola e icazmen e los p ocesos de egene ación isula , como la adhesión celula , la p oli e ación o la di e enciación73-94-95. Las ca ac e ís icas nano y mic o opog a icas ac úan siné gicamen e p omocionando la oseoin eg ación. Kubo 96 a i ma que la adición de nanoes uc u as a la mic o ugosidad es imula la p oli e ación y di e enciación de células os eoblás icas. La mic o opog a ía iene impac o mecánico sob e la e ención y la nano opog a ía ac úa a ni el celula p omo iendo: la abso ción de p o eínas, la adhesión de células os eoblás icas y el a io de cu ación del ejido óseo en con ac o con la supe icie del implan e22. La in es igación ac ual sigue los en oques biomimé icos, busca c ea nue os ma e iales biocompa ibles con ca ac e ís icas nanoes uc u adas73. Las supe icies con ugosidad je á quica ó mul iescala (mic o y nanomé ica) imi an al hueso (que ambién iene una 18! ! ugosidad je á quica), po an o, con ibuyen a una espues a biológica posi i a (os eocalcina, os eop o ege ina y VEGF) (Gi ens, Oli a es-Na a e e, Schwa z97). La p oli e ación celula depende de la mic o ugosidad supe icial, mien as que la di e enciación os eoblás ica y la p oducción local de ac o es dependen an o de la mic o ugosidad supe icial como del diáme o de las nano ib as (Wang98). 4-T a amien os supe iciales Los a amien os supe iciales del implan e se pueden clasi ica en99: Mé odos adi i os: añaden ma e iales a la supe icie, se clasi ican a su ez en e es imien o (si son supe iciales) e imp egnación (si quedan in eg ados en el núcleo de i anio); Técnicas de sus acción que eliminan o de o man plás icamen e la capa supe icial y Técnicas combinadas como la anodización. A su ez podemos clasi ica los a amien os en: mecánicos implican écnicas como maquinado y g anallado, químicos que usan soluciones ácidas o alcalinas pa a al e a la ugosidad, composición y humec abilidad o ene gía supe icial ó ísicos que mejo an la es é ica y endimien o del ma e ial, como pul e ización de plasma y cho eado. En es a e isión clasi ica emos los a amien os supe iciales del siguien e modo: *P e- a amien o: ga an iza que la supe icie es é lib e de con aminación e impu ezas99. 4.1-T a amien os mecánicos: 1-Maquinado ó pulido: o iginalmen e desc i o po B anema k, la supe icie pa ece lisa pe o mues a su cos y c es as supe iciales que apo an esis encia al encla amien o óseo100. 2-G anallado o Cho eado: es una de las écnicas más usadas22 y la más biocompa ible (apo a g an iabilidad celula po que los es os supe iciales a o ecen la adhesión celula 25). Consis e en p oyec a pa ículas p esu izadas (ma e iales ce ámicos, a ena, hid oxiapa i a, alúmina o pa ículas de TiO2)101 sob e la supe icie del implan e99 a a és de un inyec o po lujo de ai e a al a p esión. C ea una capa po osa modulable según la g anulome ía, elocidad y p esión de las pa ículas que colisionan42 (deben se químicamen e es ables y biocompa ibles22). Pe mi e la adhesión, p oli e ación, di e enciación y sín esis ma icial de os eoblas os y cond oci os29. 4.2-T a amien os químicos: 1-G abado ácido: limpia la supe icie (elimina la con aminación) y c ea una ugosidad homogénea99 (elimina pa e del óxido supe icial29), o mando una delgada ed de nanopozos (20-100 nm)42 ó mic opozos (0,5-2 µm)22 que aumen a el á ea supe icial, mejo a el con ac o hueso-implan e45 y la os eoin eg ación. Se suele usa un ácido ue e como el lúo híd ico 19! ! (HF), clo híd ico (HCl), ní ico (HNO3), sul ú ico (H2SO4) ó una combinación de ellos99. Va ios pa áme os como la ugosidad, humec abilidad, opog a ía y el espeso de la capa de óxido se pueden con ola modi icando la Ta, la du ación y la composición de la solución de g abado45. G abado ácido dual (DAE: Dual Acid E ching): usa ácidos secuencialmen e ó combinados, lo más común99 es la inme sión du an e a ios minu os en una mezcla de ácidos sul u ico y clo híd ico calen ados a 100ºC22. P omue e la os eoconducción100, mejo a la os eoin eg ación emp ana29, aumen a el con ac o hueso-implan e y educe la eabso ción ósea. Es mejo que un solo g abado po su al a composición, can idad y concen ación99. G abado ácido y cho eado de a ena (SLA; Sandblas , La ge-G i y Acid E ching): cho ea la supe icie con pa ículas de g an amaño99 (c ea mac o ugosidad óp ima pa a la ijación mecánica22) y adicionalmen e g aba con ácido ue e a al a Ta (elimina esiduos supe iciales, c ea i egula idades suplemen a ias29 y sua iza los picos agudos, ob eniendo una supe icie mic o/nano opog á ica71 más uni o me, con un impo an e po encial biológico y celula 22, que mejo a la adhesión celula ). Cho y Jung102 descub ie on que gene a amplias ca idades (5-20 µm) y mic opozos (0,5-3 µm), po an o aumen a la ugosidad y el á ea supe icial, mejo ando así la in eg ación isula y la p oli e ación celula . 2-T a amien o alcalino: usa hid óxido de sodio o po asio seguido de a amien o é mico a 800ºC du an e 20 minu os y enjuague en agua des ilada. Gene a una capa supe icial de i ana o de sodio nanoes uc u ada y bioac i a45. 3-T a amien o con luo u os: según Lamolle103 mejo a la biocompa ibilidad supe icial, mien as que según Schade aumen a la e ención en el hueso po que o ma TiF4. 4-Mé odo de e es imien o sol-gel: deposi a compues os homogéneos de CaP, TiO2, TiO2- CaP y e es imien os a base de sílice en la supe icie del implan e. La adhesión depende de ac o es como la ugosidad, el p e a amien o químico y la Ta de sin e ización45. 5-Oxidación anódica (anodización po encios á ica ó gal anos á ica22): el ánodo ( i anio) y el cá odo (lámina de pla ino ine e) se conec an median e cables de cob e a una uen e de alimen ación y se sume gen en una solución de elec oli o. Pos e io men e, un ácido ue e disuel e la capa de óxido c eando un pa ón que sigue las líneas con ec i as de la co ien e gal ánica (po ello se conside a un mé odo combinado). Es a écnica gene a nano ubos cuyo diáme o y sepa ación se con ola egulando ol aje y densidad. Según Fe ei a104 la nanoes uc u a más adecuada de nano ubos iene un diáme o de 15 nm (o os au o es conside an 30nm) que co esponde al espaciado la e al de los ecep o es de in eg ina en los complejos FA (adhesión ocal)42. Gene a mic o/nano ugosidad, aumen a el g oso de la capa 20! ! de TiO2 de 5nm a 1mm o incluso más29, aumen a el a ea supe icial100, po encia el c ecimien o de células os eoblás icas y limi a la p oli e ación de ib oblas os42. Posee su icien e capacidad os eoconduc i a en si ios óseos comp ome idos71. Depende de la densidad, la concen ación del ácido, la composición elec olí ica y de la Ta22. 4.3-T a amien os ísicos: 1-Implan ación iónica: consis e en acele a iones de al a ene gía en un campo eléc ico y hace los impac a sob e el sus a o a una p o undidad de 1 µm99. Ven ajas: a) ul a limpio, b) con ola ácilmen e la p o undidad y concen ación de impu ezas, c) excelen e adhe encia, d) no a ec a a las p opiedades del sus a o, e) ácilmen e ep oducible y con olable45. 2-Pul e ización ca ódica (“spu e ing”): eyección de á omos o moléculas median e el bomba deo de iones de al a ene gía que gene a una delgada película bioce ámica. P opo ciona mayo adhesión en e e es imien o y sus a o, mejo a el endimien o an ibac e iano y mejo a p opiedades mecánicas como el desgas e y la esis encia a la co osión, la ac i idad biológica y la biocompa ibilidad. Incon enien es: muy len o y asa de deposición muy baja45. 3-Ablación lase : c ea una mic oes uc u a que apo a esis encia a la co osión, mayo g ado de pu eza, du eza y espeso de la capa de óxido100. Sob e el cuello del implan e ac úa como sello biológico: une ejido conec i o-hueso e inhibe el c ecimien o epi elial71. 4-Fo o uncionalización: mejo a la bioac i idad (p omue e la in e acción celula y p o eica con el implan e a ni el molecula ), la oseoin eg ación (al e a la capa supe icial de dióxido de i anio) y la os eoconduc i idad; además aumen a la ene gía supe icial y la humec abilidad71. 5-Supe icies de e es imien o median e pul e ización de plasma: p ime o se eliminan odos los con aminan es supe iciales median e acío42 (p e a amien o pa a aumen a la ugosidad supe icial99) y luego la ene gía ciné ica guía los iones me álicos ( undidos é micamen e99) a la supe icie del implan e con un pa ón uni o me42. Puede ealiza se po adio ecuencia ó po magne ón100. Gene a un delgado e es imien o nanopa iculado bioac i o que aumen a la densidad de os eoblas os en la supe icie del implan e42 y el po cen aje de con ac o hueso implan e (Ve caigne105). Des en ajas: composición y espeso no uni o mes, al a de adhe encia a la go plazo (su desp endimien o puede supone un iesgo pa a la salud po la oxicidad de los esiduos y puede a ec a a la es abilidad a la go plazo del implan e45). Un ecub imien o ideal p esen a: mínima oxicidad y adecuada in eg idad mecánica y ciné ica de libe ación. Los e es imien os combinados se pueden clasi ica po su obje i o biológico inal: mejo a la in eg ación, educi la apa ición de in ección o ambos106. Visión gene al de los e es imien os basada didác icamen e en el o den de apa ición71: 21! ! i)Hid oxiapa i a: elemen o bioac i o; la capa de os a o cálcico (ce ámica) es g adualmen e ans o mada en hid oxiapa i a que se á inco po ada en el desa ollo de hueso100. El obje i o es usa un compues o biomimé ico con una composición química simila a la ase mine al del hueso65. Ven ajas: al o po cen aje de BIC (según De G oo 107), e i a la encapsulación, educe la libe ación de iones me álicos108, mejo a la aposición ósea pe iimplan a ia65 y la os eoconduc i idad9 (puen e en e células os eogénicas e implan e29). Riesgos: adhesión mic obiana (mic o il ación), ac u a ósea y allo del ecub imien o100 (log a e ención mecánica sin enlaces químicos). También se pueden usa a amien os e moquímicos, en ajas: p oduce os a o cálcico c is alino, meno capacidad de disolución, o ma enlaces co alen es (e i a colonización bac e iana) y p esen a al a esis encia mecánica10. ii)Fac o es de c ecimien o: las p o eínas mo ogené icas óseas (BMP) son libe adas po os eoblas os, plaque as y células endo eliales y se deposi an en la ma iz ósea has a se libe adas du an e la p epa ación del lecho implan a io, p omue en la di e enciación de pe ici os en os eoblas os71, poseen p opiedades mi ogénicas y mo ogené icas que juegan un papel impo an e en la egene ación ósea109 y en la oseoin eg ación en pacien es con hueso comp ome ido65-110. En la hemos asia, las plaque as inician la ase in lama o ia libe ando: ac o de c ecimien o de i ado de las plaque as (PDGF), ac o de c ecimien o ans o man e be a (TGF-β) y ac o de c ecimien o ib oblás ico (FGF). Los mac ó agos inician la ase p oli e a i a de la oseoin eg ación libe ando: VEGF ( ac o de c ecimien o endo elial ascula ), PDGF y FGF71. El desa ío ac ual es libe a es os ac o es g adualmen e y no en una sola dosis29; es posible que la e apia génica esuel a es e p oblema en el u u o65-111. iii)Colágeno y o as p o eínas adhesi as: el uso de ecub imien os de moléculas de adhesión como el Colágeno ipo I mejo a el BIC; sin emba go, el po cen aje c í ico de BIC necesa io pa a ga an iza el éxi o del implan e aún no es á de inido, po an o, la mayo can idad de BIC pod ía no se c ucial29. El diseño “in eligen e” de supe icies que con olen las in e acciones p o eicas pe mi i á la adhesión celula y p opo ciona á una mejo y más ápida os eogénesis. La ac i ación selec i a de los ecep o es de in eg ina pod ía uni p e e iblemen e las células o mado as de hueso a la supe icie del implan e y aumen a el anclaje oseo65-109. i )Pép idos: HBD (de ensinas be a humanas) ansmi en e ec os an ibac e ianos sob e los bo des epi eliales, son biocompa ibles y p omue en la p oli e ación de os eoblas os y células mad e mesenquimales. RGD ac úan como si io de unión pa a los ecep o es de in eg inas en la adhesión y mig ación de células os eogénicas y según Schliephake112 gene a un g ado de BIC signi ica i amen e más al o que los implan es mecanizados. La MEC p opo ciona una 28! ! implan su ace oughness: a compu e simula ion. J Biomed Ma e Res A. 2005 No 1;75(2):472–7. 75. Shiba a Y, Tanimo o Y. A e iew o imp o ed ixa ion me hods o den al implan s. Pa I: Su ace op imiza ion o apid osseoin eg a ion. J P os hodon Res. 2015 Jan;59(1):20–33. 76. Becke W, Becke BE, Ricci A, Baha O, Rosenbe g E, Rose LF, e al. 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