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Tendències i oportunitats de futur dels 
i i lBiomaterials 
Xavier Gil Mur
Bi t i l Bi h i d Ti E i i GBiomaterials, Biomechanics and Tissue Engineering Group 
Dept. Materials Science and Metallurgical Engineering. 
Technical University of Catalonia  (UPC)
Biomedical Research Networking Center in BioengineeringBiomedical Research Networking Center in Bioengineering, 
Biomaterials and Nanomedicine (CIBER‐BBN)
BIOCAT. Biomaterials : de la biònica cap a la regeneració i les teràpies avançades 
Esperança de Vida 2009
> 80
77-80
75-77
70-67
65-67
60-65 40-45
72-75
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45-50
< 40
Complexitat dels teixits biològics
Complexitat de moviments
Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
Desgast Articular
Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
Desgast Articular
Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
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Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
Transferència de càrrega a l’os
E ós 10-20 GPa
E CoCrMo 240 GPa
E acer inox. 210 GPa
E Ti6Al4V 110 GPE Ti6Al4V 110 GPa
REABSORCIÓ OSSIA
T dè i d f t
Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
Tendències de futur
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Ti-29Zr-13Ta-2Sn E=45 GPa
Ti-13Nb-13Zr E=43 GPa
Ti-27.87Nb-11.87Sn E=40GPa
Ti-24Nb-1.5Al-1Hf E=33 GPa
Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
Espumes metàl·liques
Tendències de futur
Espumes metàl liques
Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
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Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
Materials osteoinductius injectables
Tendències de futur
Macroporous scaffolds vs “microscaffolds”
Cell differentiation after 14 days
Focal
Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia
Focal
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100 m
Cells grow inside the
macropores.Nucleus Osteocalcin
200 m
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14 d
Problemes de la Implantologia Oral
Implantologia Oral
Acceleració de la osteointegració - Implants de càrrega immediata
Implantologia Oral
Bioactivitat-Biomimètica
Implant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant Bone
Ca/P = 1,67Ca/P = 1,67
ApatiteApatiteApatiteApatite Ca/P = 1,70Ca/P = 1,70
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Implantologia Oral
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Implantologia Oral
Tendències de futur
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Implantologia Oral
Tendències de futur
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Implantologia Oral
Tendències de futur
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BIOFUNCIONALITZACIÓ
H2O
H2O
H2O
Interacción tejido-implante:
1.‐ Hidratación (nanosegundos)
2.‐ Adsorción  inespecífica de proteínas
(de segundos a horas)
3.‐ Adhesión celular (De minutos a días)( )
ó l f ó d f ó l l4.‐ Migración, proliferación y diferenciación celular  
(de horas a semanas)
I l t l i O l
Bi f i li ió
Implantologia Oral
Biofuncionalización:
Modificación superficial que permite mediar las interacciones
entre células y material con el objetivo de mejorar la respuesta
biológica del organismo ante el biomaterial.
I l t l i O lImplantologia Oral
Objetivo:
El d ll d té i d i ili ió dEl desarrollo de una nueva técnica de inmovilización de
oligopéptidos en la superficie del titanio mediante la utilización de
3-cloropropiltrietoxisilano (CPTES) como agente de unión entre la
superficie de titanio y el péptido.
I l t l i O lImplantologia Oral
Preparación de la superficie de titanio:
Desbaste (SiC)
OH
- Desbaste (SiC)
- Pulido (SiO2) Ra= 10~15 nmTiO2
OH
OH
OH
- Lavado: Ciclohexano, Isopropanol, Agua, Acetona
- Activación por Plasma Cleaning
OH
OH
OH
Activación por Plasma Cleaning
Ti
OH
OH
OH
OH
OH
OH
I l t l i O l
Silanización:
Implantologia Oral
Silanización:
- Solvente: Pentano
- 3-Cloropropil trietoxi silano (CPTES): 500 mMTiO2 3 Cloropropil trietoxi silano (CPTES): 500 mM
- Diisopropil etil amina (DIEA): 500 mMOH
OH
2
EtO H H
OH
OH
OH
OH
Ti + Si
EtO
EtO Cl
C
C
C
H
H
H
H
H
H
ClClClCl
OH
OH
OH
OH
EtO
H
OH
OH
OH
Si
O
O
O
O Si Si O
O
Si
O
HO OH
I l t l i O l
I ili ió d l é tid KGRGDS
Implantologia Oral
C-Terminus
Inmovilización del péptido KGRGDS
Par de electrones libres C-Terminus
H H O
H
N-Terminus
C Terminus
H2O, pH 11, 36 h
Cl
N
H
Par de electrones libres
N
H
C GRGDS C
O
ClClClCl
+
2 , p ,
N
H
H
C
H
H
C
H
H
H
Si Si
Carga parcial
positiva
N
HH
Si
O
O
O
O Si Si O
O
Si
O
HO OH
Sustitución nucleófila
Si
TiO2 TiO2
Lysine residue (K)
Sustitución nucleófila
I l t l i O lImplantologia Oral
Espectroscopía de Masas de Iones Secundarios por Tiempo de Vuelo (ToF SIMS):
Espectro negativo:
Ti+RGD
Ti+CPTES+RGDCl
Cl
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Ti+CPTES
Cl
Cl
Ti
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Masa/carga
I l t l i O lImplantologia Oral
Espectroscopía de Masas de Iones Secundarios por Tiempo de Vuelo (ToF SIMS):
Espectro positivo:
Ti+CPTES+RGD
Ti+RGD
CH N CH N
C2H4N C3H6N
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115
Ti+CPTES+RGDCH2N CH4N
C4H8N
C5H4N
C6H11N
Ti
Ti+CPTES
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115
Ti
M /Masa/carga
I l t l i O lImplantologia Oral
Estabilidad mecánica del péptido
- Funcionalización: péptido con Carboxifluoresceina
- Estabilidad mecánica mediante Ultrasonidos en PBS
C tifi ió di t i í d fl i- Cuantificación mediante microscopía de fluorescencia
40
45
ncia
25
30
35
luorescen
Ti+RGD
10
15
20
ensidadfl
Ti+RGD
Ti+CPTES+RGD
Ti
0
5
0 min 15 min 30 min 60 min 90 min 120 min
Inte
Tiempo en ultrasonidos
I l t l i O lImplantologia Oral
Adhesión celular: Células Mesenqimales de rata
Péptidos utilizados: KGRGDS, KGGGRGDS, KGRDGS
Ti Ti+CPTES
épt dos ut ados G G S, GGG G S, G GS
Celulas mesquimales de rata (rMSC)
20 000 células por muestra20.000 células por muestra
Exposición durante 3h
Ti+CPTES+
KGGGRGDS
Ti+CPTES+
KGRGDS
Tinción fluorescente:
Núcleos: Azul
A ti R j KGGGRGDS KGRGDSActina: Rojo
Vinculina: Verde
I l t l i O lImplantologia Oral
Adhesión celular: Osteoblastos MG 63
Número de
2
Extensión celular
células/cm2
(%)
Ti limpio 657,2 ± 118,8 41,4 ± 10,7
Ti+CPTES 45 0 ± 7 2Ti+CPTES 45,0 ± 7,2 16,7 ± 13,1
Ti+KGRGDS 589,7 ± 78,4 34,5 ± 10,1
Ti+KGGGRGDS 625 7 ± 58 7 37 5 ± 11 3Ti+KGGGRGDS 625,7 ± 58,7 37,5 ± 11,3
Ti+KGRDGS 270,1 ± 11,7 28,8 ± 12,7
Ti+CPTES+KGRGDS 1960,60± 159,0 48 3 ± 15 5, , 48,3 ± 15,5
Ti+CPTES+KGGGRGDS 847,7 ± 114,5 58,2± 20,9
Ti+CPTES+KGRDGS 225,1 ± 15,1 29,8 ± 7,6
CardiovascularCardiovascular
CardiovascularCardiovascular
Agregació
plaquetàriap q
Cardiovascular
Tendències de futur Sangfobia
Cardiovascular
Tendències de futur
Stent de Magnesi Biodegradableg g
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Tendències i oportunitats de futur dels biomaterials / Grup de Biomaterials i Biomecànica i Enginyeria de Teixits – CREB, Xavier Gil
Tendències i oportunitats de futur dels biomaterials / Grup de Biomaterials i Biomecànica i Enginyeria de Teixits – CREB, Xavier Gil
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Tendències i oportunitats de futur dels biomaterials / Grup de Biomaterials i Biomecànica i Enginyeria de Teixits – CREB, Xavier Gil

  • 1. Tendències i oportunitats de futur dels  i i lBiomaterials  Xavier Gil Mur Bi t i l Bi h i d Ti E i i GBiomaterials, Biomechanics and Tissue Engineering Group  Dept. Materials Science and Metallurgical Engineering.  Technical University of Catalonia  (UPC) Biomedical Research Networking Center in BioengineeringBiomedical Research Networking Center in Bioengineering,  Biomaterials and Nanomedicine (CIBER‐BBN) BIOCAT. Biomaterials : de la biònica cap a la regeneració i les teràpies avançades 
  • 2. Esperança de Vida 2009 > 80 77-80 75-77 70-67 65-67 60-65 40-45 72-75 70-72 50-60 45-50 < 40
  • 5. Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Desgast Articular
  • 6. Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Desgast Articular
  • 7. Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Tendències de futur
  • 8. Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Transferència de càrrega a l’os E ós 10-20 GPa E CoCrMo 240 GPa E acer inox. 210 GPa E Ti6Al4V 110 GPE Ti6Al4V 110 GPa REABSORCIÓ OSSIA
  • 9. T dè i d f t Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Tendències de futur Pròtesis de baix mòdul elàstic Ti-29Zr-13Ta-2Sn E=45 GPa Ti-13Nb-13Zr E=43 GPa Ti-27.87Nb-11.87Sn E=40GPa Ti-24Nb-1.5Al-1Hf E=33 GPa
  • 10. Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Espumes metàl·liques Tendències de futur Espumes metàl liques
  • 11. Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Osteoporosi
  • 12. Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Materials osteoinductius injectables Tendències de futur Macroporous scaffolds vs “microscaffolds”
  • 13. Cell differentiation after 14 days Focal Problemes de Cirurgia Ortopèdica i Traumatologia Focal depth position 10 m 100 m Cells grow inside the macropores.Nucleus Osteocalcin 200 m
  • 15. Problemes de la Implantologia Oral
  • 16. Implantologia Oral Acceleració de la osteointegració - Implants de càrrega immediata
  • 17. Implantologia Oral Bioactivitat-Biomimètica Implant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant BoneImplant Bone Ca/P = 1,67Ca/P = 1,67 ApatiteApatiteApatiteApatite Ca/P = 1,70Ca/P = 1,70 60 m
  • 18. Implantologia Oral S fi iSuperficies osteogèniques ESB 2009, September 7‐11 Lausanne, Switzerland
  • 19. Implantologia Oral Lluita contra les bactèries: Periimplantitis
  • 21. Implantologia Oral Tendències de futur AjustsAjusts
  • 22. Implantologia Oral S Tendències de futur Segellat biològic
  • 23. Implantologia Oral Tendències de futur Creixement guiat. Influència de la topografia
  • 24. Implantologia Oral Tendències de futur Creixement cel·lular guiat
  • 25. Implantologia Oral BIOFUNCIONALITZACIÓ H2O H2O H2O Interacción tejido-implante: 1.‐ Hidratación (nanosegundos) 2.‐ Adsorción  inespecífica de proteínas (de segundos a horas) 3.‐ Adhesión celular (De minutos a días)( ) ó l f ó d f ó l l4.‐ Migración, proliferación y diferenciación celular   (de horas a semanas)
  • 26. I l t l i O l Bi f i li ió Implantologia Oral Biofuncionalización: Modificación superficial que permite mediar las interacciones entre células y material con el objetivo de mejorar la respuesta biológica del organismo ante el biomaterial.
  • 27. I l t l i O lImplantologia Oral Objetivo: El d ll d té i d i ili ió dEl desarrollo de una nueva técnica de inmovilización de oligopéptidos en la superficie del titanio mediante la utilización de 3-cloropropiltrietoxisilano (CPTES) como agente de unión entre la superficie de titanio y el péptido.
  • 28. I l t l i O lImplantologia Oral Preparación de la superficie de titanio: Desbaste (SiC) OH - Desbaste (SiC) - Pulido (SiO2) Ra= 10~15 nmTiO2 OH OH OH - Lavado: Ciclohexano, Isopropanol, Agua, Acetona - Activación por Plasma Cleaning OH OH OH Activación por Plasma Cleaning Ti OH OH OH OH OH OH
  • 29. I l t l i O l Silanización: Implantologia Oral Silanización: - Solvente: Pentano - 3-Cloropropil trietoxi silano (CPTES): 500 mMTiO2 3 Cloropropil trietoxi silano (CPTES): 500 mM - Diisopropil etil amina (DIEA): 500 mMOH OH 2 EtO H H OH OH OH OH Ti + Si EtO EtO Cl C C C H H H H H H ClClClCl OH OH OH OH EtO H OH OH OH Si O O O O Si Si O O Si O HO OH
  • 30. I l t l i O l I ili ió d l é tid KGRGDS Implantologia Oral C-Terminus Inmovilización del péptido KGRGDS Par de electrones libres C-Terminus H H O H N-Terminus C Terminus H2O, pH 11, 36 h Cl N H Par de electrones libres N H C GRGDS C O ClClClCl + 2 , p , N H H C H H C H H H Si Si Carga parcial positiva N HH Si O O O O Si Si O O Si O HO OH Sustitución nucleófila Si TiO2 TiO2 Lysine residue (K) Sustitución nucleófila
  • 31. I l t l i O lImplantologia Oral Espectroscopía de Masas de Iones Secundarios por Tiempo de Vuelo (ToF SIMS): Espectro negativo: Ti+RGD Ti+CPTES+RGDCl Cl 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Ti+CPTES Cl Cl Ti 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Masa/carga
  • 32. I l t l i O lImplantologia Oral Espectroscopía de Masas de Iones Secundarios por Tiempo de Vuelo (ToF SIMS): Espectro positivo: Ti+CPTES+RGD Ti+RGD CH N CH N C2H4N C3H6N 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 Ti+CPTES+RGDCH2N CH4N C4H8N C5H4N C6H11N Ti Ti+CPTES 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 Ti M /Masa/carga
  • 33. I l t l i O lImplantologia Oral Estabilidad mecánica del péptido - Funcionalización: péptido con Carboxifluoresceina - Estabilidad mecánica mediante Ultrasonidos en PBS C tifi ió di t i í d fl i- Cuantificación mediante microscopía de fluorescencia 40 45 ncia 25 30 35 luorescen Ti+RGD 10 15 20 ensidadfl Ti+RGD Ti+CPTES+RGD Ti 0 5 0 min 15 min 30 min 60 min 90 min 120 min Inte Tiempo en ultrasonidos
  • 34. I l t l i O lImplantologia Oral Adhesión celular: Células Mesenqimales de rata Péptidos utilizados: KGRGDS, KGGGRGDS, KGRDGS Ti Ti+CPTES épt dos ut ados G G S, GGG G S, G GS Celulas mesquimales de rata (rMSC) 20 000 células por muestra20.000 células por muestra Exposición durante 3h Ti+CPTES+ KGGGRGDS Ti+CPTES+ KGRGDS Tinción fluorescente: Núcleos: Azul A ti R j KGGGRGDS KGRGDSActina: Rojo Vinculina: Verde
  • 35. I l t l i O lImplantologia Oral Adhesión celular: Osteoblastos MG 63 Número de 2 Extensión celular células/cm2 (%) Ti limpio 657,2 ± 118,8 41,4 ± 10,7 Ti+CPTES 45 0 ± 7 2Ti+CPTES 45,0 ± 7,2 16,7 ± 13,1 Ti+KGRGDS 589,7 ± 78,4 34,5 ± 10,1 Ti+KGGGRGDS 625 7 ± 58 7 37 5 ± 11 3Ti+KGGGRGDS 625,7 ± 58,7 37,5 ± 11,3 Ti+KGRDGS 270,1 ± 11,7 28,8 ± 12,7 Ti+CPTES+KGRGDS 1960,60± 159,0 48 3 ± 15 5, , 48,3 ± 15,5 Ti+CPTES+KGGGRGDS 847,7 ± 114,5 58,2± 20,9 Ti+CPTES+KGRDGS 225,1 ± 15,1 29,8 ± 7,6
  • 39. Cardiovascular Tendències de futur Stent de Magnesi Biodegradableg g