🟢 ¿Qué es la hidroxiapatita y dónde se encuentra?
La hidroxiapatita es un biocristal, formado por átomos de calcio, fósforo, e hidrógeno, (fosfato de calcio cristalino) con fórmula molecular general Ca10(PO4)OH2. En la naturaleza se le encuentra formando parte de rocas sedimentarias y metamórficas; en seres vivos, la hidroxiapatita y sus precursores también está presente en exoesqueletos como el de la estrella de mar Mellita sp, en los corales marinos, en los esqueletos de los vertebrados, en el esmalte y dentina de los dientes, en especies de bovinos y porcinos.
Hidroxiapatita en el cuerpo humano
Es el principal componente inorgánico del hueso humano y representa alrededor del 65% al 70% de la masa ósea. La fase orgánica, constituida principalmente por colágeno tipo I, cuenta en cambio alrededor del 30% en peso de la masa ósea, mientras que la parte restante está constituida por agua. Estos materiales están dispuestos en una estructura muy ordenada que permite que el hueso tenga propiedades peculiares.
Estructura nanométrica del hueso humano🦴
Su formación in vivo ocurre por el proceso de biomineralización, donde cristales de hidroxiapatita, de tamaño nanométrico, se precipitan sobre fibrillas de colágeno en una estructura mineralizada, jerárquica, calcificada y autoensamblada. El colágeno de tipo I, es capaz de autoensamblarse en fibrillas que muestran un patrón de bandas típico formando espacios de 40 nm entre ellas. Los cristales de hidroxiapatita crecen en estos espacios en forma de placas con una longitud promedio de 50 nanómetros, un ancho de 25 nanómetros y un grosor de 2-3 nanómetros y orientando su eje c paralelo al eje largo de las fibrillas de colágeno. Aunque ese es el promedio, el espesor de los cristales de hidroxiapatita puede ir de 5 a 20 nanómetros y su longitud entre 15 hasta 200 nanómetros. Dicho tamaño y morfología dependerá del tejido donde se encuentre; de esta forma, los cristalitos de hidroxiapatita del tejido óseo tienen forma de varilla y dimensiones aproximadas de 50 x 25 x 4 nanómetros; en cambio, en el esmalte dental, los cristalitos prismáticos hexagonales más grandes tienen una dimensión de aproximadamente 100 × 70 × 25 nanómetros.
Estructura jerárquica del hueso humano.
Fosfatos de calcio en aplicaciones biomédicas e ingeniería de tejidos 🦴🦷
Debido a que los fosfatos de calcio son el principal componente mineral de los huesos y dientes humanos, los materiales sintéticos basados en calcio y fósforo son la familia de biomateriales idónea para usarse en aplicaciones biológicas e ingeniería de tejidos. Estos materiales presentan excelente biocompatibilidad, propiedades osteoconductoras, no generan toxicidad y tienen similitud química con el componente inorgánico del hueso natural.
Las aplicaciones biomédicas aprovechan su capacidad para inducir la formación y vascularización ósea y se pueden utilizar para diversos fines como aumentos óseos, injertos óseos artificiales, reconstrucción maxilofacial, fusión espinal, reparaciones de enfermedades periodontales y rellenos óseos.
De las diversas formas de fosfatos de calcio que existen en la naturaleza, mostrando diferentes características, como relaciones atómicas Ca / P, sistemas cristalinos y solubilidad, la hidroxiapatita es la forma más estable y la menos soluble.
La forma biológica de la hidroxiapatita es no estequiométrica, carbonatada y deficiente en calcio (su relación Ca/P es inferior a 1,67). Además, contiene cantidades de iones con carga positiva, como Mg2+, Na+ y K+, e iones con carga negativa, CO32-, Cl− y F−, sustituyendo a los iones Ca2+ o PO43−/OH−. En base a estas características se van seleccionando los materiales que sean más apropiados.
Los materiales de fosfato de calcio que tienen una relación atómica entre calcio y fósforo fuera del rango 1-2 no son adecuados para implantarse en el cuerpo, ya que pueden presentar alta acidez si la relación Ca/P es baja y una alta basicidad si la cantidad de Ca es alta en relación al P. Por lo que los fosfatos de calcio más útiles para aplicaciones biomédicas, como cirugía ortopédica y odontología, son el fosfato de octacalcio, el fosfato de tricalcio (α y β) y la hidroxiapatita (normal y deficiente en calcio).
De entre los compuestos mencionados, la hidroxiapatita es el más utilizado en medicina para la fabricación de implantes como alternativa al hueso humano; ya que es la fase termodinámicamente más estable en condiciones fisiológicas y posee la mayor similitud en la fase mineralógica y la composición química con la parte mineral del tejido óseo. Sin embargo, su comportamiento mecánico y biológico se ve afectado morfología, estequiometría, cristalinidad y pureza de fase, por esto las nuevas rutas y métodos de mejora buscan diseñar con precisión materiales con características más cercanas al hueso vivo. En particular, los compuestos de hidroxiapatita se emplean ampliamente en aplicaciones biomédicas por sus propiedades de biocompatibilidad, bioactividad y osteoconductividad.
El rendimiento in vivo e in vitro de los biomateriales hidroxiapatita depende considerablemente de propiedades como las características microscópicas (topografía del tamaño de grano, distribución del tamaño de partículas, nanoestructura), morfología (porosidad, tamaño de poro, arquitectura 3-D), composiciones químicas y estructura cristalográfica.
✔ Aplicaciones de la hidroxiapatita 🦷🦴
Las nanopartículas de hidroxiapatita se han investigado para aplicaciones en andamios antimicrobianos, membranas bioactivas, andamios magnéticos, sistemas de imágenes in vivo, hidrogeles y recubrimientos. La capacidad de enmascarar biomoléculas, cruzar barreras biológicas y administrar medicamentos en la diana farmacológica hacen que la nanohidroxiapatita tenga muchas aplicaciones potenciales.
Los bionanocompuestos de hidroxiapatita pueden tener propiedades antimicrobianas, ser dopados con biomarcadores para diagnóstico por imagen y médico, o encapsular y/o adsorber de agentes transfectantes, proteínas y fármacos.
Dentro de todos los usos destaca su utilización en andamios biocompuestos, constituidos por nanopartículas de hidroxiapatita y polímeros sintéticos o naturales con características biodegradables y biocompatibles, para implantes óseas. La hidroxiapatita en este campo se caracteriza por promover la diferenciación osteogénica y brindar una mayor eficiencia de la adhesión celular.
Fabricación de andamios impresos en 3D para aplicaciones de ingeniería de tejidos. La vista superior muestra el dibujo esquemático de Solidworks. La vista inferior muestra la imagen del microscopio electrónico de barrido.
🧐 Investigaciones sobre nanohidroxiapatita 👌
A continuación, te dejo 5 resúmenes de artículos científicos donde se trabajó con nanohidroxiapatita para tratar problemas del hueso humano.
Biomimetic cues from poly(lactic-co-glycolic acid)/hydroxyapatite nano-fibrous scaffolds drive osteogenic commitment in human mesenchymal stem cells in the absence of osteogenic factor supplements
Biomaterials Science, vol. 20, 2020, Mohammad Soheilmoghaddam, Harish Padmanabhana and Justin J. Cooper-White
Resumen. En este artículo se imitó la estructura nanométrica y composición del hueso, usando andamios de nanofibras ácido láctico-co-glicolico y nanopartículas de hidroxiapatita, que orientada perpendicular a las fibras de ácido láctico da mejores resultados. Las nanopartículas de nanohidroxiapatita se sintetizaron con Ca(NO3)2 y (NH4) 2HPO4, bajo constante agitación, pH básico y temperatura de 70 °C. Se lavaron por centrifugación, se secaron en horno y se pulverizaron. Las nanofibras de ácido láctico se hicieron con la técnica de electrohilado. El experimento se realizó in vitro y tuvo muy buenos resultados, logrando que células madre mesenquimales se diferenciaran en osteoblastos maduros sin la necesidad de suplementos, formando tejido similar al hueso.
Differential effect of hydroxyapatite nano-particle versus nano-rod decorated titanium micro-surface on osseointegration
Acta Biomaterialia, vol. 76, 2018, Long Bai, Yanlian Liu, Zhibin Du, Zeming Weng, Wei Yao, Xiangyu Zhang, Xiaobo Huang, Xiaohong Yao, Ross Crawford, Ruiqiang Hang, Di Huang, Bin Tang, Yin Xiao
Resumen. Este estudio habla de los efectos sobre la osteointegración de superficies microporosas de titanio recubiertas con hidroxiapatita, tanto en forma de nanopartículas como nanobarras. Para los estudios se usaron láminas cuadradas de Ti, in vitro, y barras de Ti, in vivo; cuya superficie se modificó por oxidación con microarco, usando como electrolitos C4H6CaO4 y C3H7Na2O6P·5H2O. Después se les dio un tratamiento hidrotermal de vapor, dependiendo de su duración genera nanopartículas o nanobarras de hidroxiapatita. Los resultados mostraron que las superficies de Ti recubiertas con nanopartículas generan una respuesta inmune favorable, reducen la inflamación y propician la formación de hueso nuevo; contrario a lo sucedido con la morfología de barra.
Chitosan/nano-hydroxyapatite/nano-zirconium dioxide scaffolds with miR-590-5p for bone regeneration
International Journal of Biological Macromolecules, vol. 111, 2018, K. Balagangadharan, S. Viji Chandran, B. Arumugama, S. Saravananb, G. Devanand Venkatasubbu, N. Selvamurugan
Resumen. En este artículo se evaluó el impacto sobre la diferenciación celular al añadir microARN a andamios de quitosano, nanohidroxiapatita y nano dióxido de circonio, hechos por liofilización. Para el estudio se usaron células madre mesenquimales de ratón. Los andamios solos tuvieron un buen efecto sobre la diferenciación en osteoblastos y al añadir el micro RNA se aumentó este efecto, lo que indica que esta combinación favorece la regeneración del tejido óseo.
Adsorption/desorption study of antibiotic and anti-inflammatory drugs onto bioactive hydroxyapatite nano-rods
Materials Science and Engineering, vol. 99, 2019, Luciano Benedini, Damián Placente, Juan Ruso, Paula Messina
Resumen. En este estudio se usaron nanopartículas de hidroxiapatita como portadoras de dos fármacos muy utilizados en enfermedades infecciosas óseas: la ciprofloxacina, como antimicrobiano y el ibuprofeno, como antinflamatorio. Se sintetizaron nanobarras con un diámetro de 8 nm y una longitud de 47 nm, con una estructura cristalina hexagonal. Los resultados farmacocinéticos fueron favorables, mostrando que se mejoran parámetros como la liberación, dependiente del pH, y la absorción del fármaco, permitiendo reducir dosis y con la posibilidad de disminuir los efectos secundarios.
Hydroxyapatite nano bioceramics optimized 3D printed poly lactic acid scaffold for bone tissue engineering application
Ceramics International, vol. 46, 2020, Sudip Mondala, Thanh Phuoc Nguyen, Van Hiep Pham, Giang Hoang, Panchanathan Manivasagan, Myoung Hwan Kim, Seung Yun Nam, Junghwan Oh
Resumen. En este trabajo estudio la resistencia a la compresión de los andamios impresos en 3D dependiendo de la orientación de impresión. Además, se compararon andamios de ácido poli láctico solo y modificado con nanohidroxiapatita, que promueve la adsorción de proteínas, permite que las células se fijen al andamio y se reproduzcan. Las nanopartículas de hidroxiapatita se sintetizaron por precipitación usando Ca (NO3)2 · 4H2O y (NH4)2HPO4, a pH básico, se centrifugaron y se calcinaron. Para añadirlas uniformemente al andamio de ácido poli láctico, su hizo un calentamiento suave y sonicación; esto se comprobó con microscopía electrónica de barrido. El andamio mejorado con nanohidroxiapatita mostro mejoras muy importantes: mayor proliferación celular y mejor resistencia a la compresión.
REFERENCIAS
1. Nano-Hydroxyapatite as a Delivery System for Promoting Bone Regeneration In Vivo: A Systematic Review. Nanomaterials 2021, 11(10), 2569; https://doi.org/10.3390/nano11102569
2. Biomimetic and mesoporous nano-hydroxyapatite for bone tissue application: a short review. Biomedical Materials. Vol. 15. (2020). Giulia Molino et al
3. LA HIDROXIAPATITA, SU IMPORTANCIA EN LOS TEJIDOS MINERALIZADOS Y SU APLICACIÓN BIOMÉDICA. Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas. Vol. 9. (2006). García-Garduño, M.V. & Reyes-Gasga, J.
4. https://www.oatext.com/effects-of-hydroxyapatite-nanoparticles-on-liver-enzymes-and-blood-components.php
Productos sacados de Nanotechnology Productcs Database: https://product.statnano.com/
GLOSARIO
INGERNIERÍA DE TEJIDOS: campo dedicado a restablecer la función de varios órganos al combinar células con biomateriales, para esto aplica principios de medicina regenerativa, y busca imitar las estructuras tridimensionales originales de los tejidos: tipos celulares apropiados, nutrientes de sostén y factores de crecimiento, para lograr el crecimiento, diferenciación y función celulares.
BIOMINERALIZACIÓN. Es el proceso mediante el cual un organismo vivo fabrica minerales para diferentes propósitos funcionales, como el endurecimiento mecánico de los tejidos, la detección magnética o gravitacional y el almacenamiento de elementos.
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