Diseño, síntesis y caracterización de sistemas de liberación múltiple de antibióticos con acción selectiva al tejido óseo

Abstract

El desarrollo científico y tecnológico de los últimos años se ha acompañado de un aumento de la esperanza de vida y un incremento, en consecuencia, de eventos asociados a desórdenes patológicos. En el tejido óseo, estas afecciones incluyen desde fracturas hasta osteoporosis, osteomielitis, osteosarcoma y osteoartritis. Esto ha acrecentado el número de implantes e injertos de hueso realizados en el ámbito de la ortopedia y odontología. Estas cirugías suponen un riesgo inherente de infección y de desarrollo de afecciones periimplantarias, con el consecuente aflojamiento del implante y necesidad de procedimientos de revisión. El desarrollo de microorganismos en la superficie de una prótesis genera un proceso infeccioso que cursa con inflamación de los tejidos blandos que rodean al implante, comprometiendo su futuro. Adicionalmente, en muchos casos son necesarias cirugías de revisión por aflojamiento aséptico, es decir, aflojamiento del implante debido a procesos no infecciosos. Este evento está asociado a la falta de integración del implante con el hueso (osteointegración), con impedimento de fijación de la prótesis al cuerpo. En virtud de lo mencionado, el objetivo de este trabajo fue el desarrollo de nuevas estrategias que permitan conjuntamente mejorar la integración hueso-implante y a la vez evitar la colonización bacteriana de las superficies implantables. Para la implementación de dichas estrategias se emplearon nanopartículas de hidroxiapatita (nano-HA), las cuales reúnen muchas características que la convierten en una alternativa ideal para su uso en el desarrollo de biomateriales destinados al tejido óseo: composición química similar a la fase mineral ósea, biocompatibilidad, biodegradabilidad y propiedades osteoinductivas. Para ello, se han abordado diferentes enfoques como el desarrollo de plataformas y/o formulaciones portadoras de fármacos (plataformas HAI/CIP, HAI/L-ARG/IBU y la formulación multifármaco LMm/nano-HAI), así como mecanismos alternativos para impedir la colonización de superficies implantables por parte de microrganismos sin la incorporación de principios activos (plataformas HAII/MoOx). Los sistemas desarrollados demostraron ser estrategias válidas y con potencial para su aplicabilidad como biomateriales para el recubrimiento de superficies implantables y/o relleno de pequeños defectos óseos. Las plataformas HAI/CIP, HAI/L-ARG/IBU y la formulación multifármaco LMm/nano-HAI propiciaron la liberación de los fármacos ibuprofeno y ciprofloxacina dentro de los rangos de concentración terapéuticos, con una cinética controlada dependiente del pH y en los tiempos adecuados en relación al proceso normal de curación de heridas. Además, la formulación multifármaco demostró estabilidad de almacenamiento en un marco temporal apropiado, actividad antibacteriana in vitro frente a Staphylococcus aureus y Pseudomona aeruginosa y biocompatibilidad in vitro en cultivos primarios de osteoblastos de calvaria de rata. Por otra parte, a partir del desarrollo de las plataformas HAII/MoOx hemos confirmado que las propiedades de fluorescencia autoactivadas pueden inducirse combinando óxidos de molibdeno (MoOx) con cristales de HA. Los defectos puntuales inducidos en nano-HAII actúan como aceptores de electrones, propiciándole propiedades redox al material que explicarían la actividad antibacteriana de las plataformas frente a las cepas bacterianas Staphylococcus aureus y Pseudomona aeruginosa. Se verificó la biocompatibilidad in vitro de estas plataformas por interacción de las mismas con cultivos primarios de osteoblastos de calvaria de rata.

The scientific and technological development of recent years has been accompanied by an increase in life expectancy and, consequently, an increase in events associated with pathological disorders. In bone tissue, these conditions range from fractures to osteoporosis, osteomyelitis, osteosarcoma and osteoarthritis. This has increased the number of implants and bone grafts performed in the field of orthopedics and dentistry. These surgeries pose an inherent risk of infection and the development of peri-implant conditions, with the consequent loosening of the implant and the need for revision procedures. The microorganism’s growth on the surface of a prosthesis generates an infectious process that causes inflammation of the soft tissues surrounding the implant, compromising its future. Additionally, in many cases revision surgeries are necessary due to aseptic loosening, that is, loosening of the implant due to non-infectious processes. This event is associated with the lack of integration of the implant with the bone (osseointegration), with a prosthesis fixation impediment to the body. By virtue of the above, the objective of this work was the development of new strategies that jointly allow to improve bone-implant integration and, at the same time, avoid bacterial colonization of implantable surfaces. For the implementation of these strategies, hydroxyapatite nanoparticles (nano-HA) were used, which have many characteristics that make them an ideal alternative to use in the development of biomaterials for bone tissue: chemical composition similar to the bone mineral phase, biocompatibility, biodegradability and osteoinductive properties. To this end, different approaches have been addressed, such as the development of drug- releasing platforms and/or formulations (HAI/CIP, HAI/L-ARG/IBU platforms, and the LMm/nano-HAI multidrug formulation), as well as alternative mechanisms to prevent the colonization of implantable surfaces by microorganisms without the incorporation of active ingredients (HAII/MoOx platforms). The developed systems proved to be valid strategies with potential for their applicability as biomaterials for the coating of implantable surfaces and/or filling of small bone defects. The HAI/CIP, HAI/L-ARG/IBU platforms and the LMm/nano-HAI multidrug formulation favored the release of ibuprofen and ciprofloxacin drugs within therapeutic concentration ranges, with controlled kinetics dependent on pH and time. in relation to the normal process of wound healing. In addition, the multidrug formulation demonstrated storage stability in an appropriate time frame, in vitro antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, and in vitro biocompatibility with primary cultures of rat calvaria osteoblasts. On the other hand, from the development of HAII/MoOx platforms we have confirmed that self-activated fluorescence properties can be induced combining molybdenum oxides (MoOx) with HA crystals. The point defects induced in nano-HAII act as electron acceptors, providing redox properties to the material that would explain the antibacterial activity of the platforms against the bacterial strains Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. The in vitro biocompatibility of these platforms was verified through their interaction with primary cultures of rat calvaria osteoblasts.