MARTIN LUENGO, Maria de los Angeles (Instituto De Ciencia De Materiales De Madrid, Campus de Cantoblanco, Madrid, E-28049, ES)
CASAL PIGA, María Blanca (Centro Nacional De Investigaciones Metalurgicas, Avda. Gregorio del Amo s/n, Madrid, E-28040, ES)
YATES BUXCEY, Malcolm (Instituto De Catalisis Y Petroleoquimica, Campus de Cantoblanco, Madrid, E-28049, ES)
MARTIN LUENGO, Maria de los Angeles (Instituto De Ciencia De Materiales De Madrid, Campus de Cantoblanco, Madrid, E-28049, ES)
CASAL PIGA, María Blanca (Centro Nacional De Investigaciones Metalurgicas, Avda. Gregorio del Amo s/n, Madrid, E-28040, ES)
| REIVINDICACIONES 1. Procedimiento de obtención de materiales que comprenden fosfatos, silicatos caracterizado porque se realiza a partir del secado y tratamiento térmico del bagazo de cerveza. 2. Procedimiento según reivindicación 1 caracterizado porque se lleva a cabo a través de las etapas de: i) secado de bagazo de cerveza mediante calentamiento desde temperatura ambiente hasta 100-2000C con una rampa de temperatura comprendida entre 1 y 10°C/min y manteniendo de Ia temperatura final durante al menos dos horas para parar así Ia fermentación del sólido original, ii) tratamiento del sólido resultante en i) desde temperatura ambiente hasta una temperatura dentro del rango de 350-12000C, manteniendo Ia temperatura final durante más de 1 horas. 3. Procedimiento según reivindicación 2 caracterizado porque Ia temperatura final de Ia etapa i) es 15O0C. 4. Procedimiento según reivindicación 2 caracterizado porque Ia temperatura final de Ia etapa ii) es 85O0C. 5. Procedimiento según reivindicación 2 caracterizado porque Ia rampa de calentamiento utilizada en i) es de de 5°C/min. 6. Procedimiento según reivindicación 2 caracterizado porque Ia temperatura final en Ia etapa i) se mantiene durante 4 horas. 7. Procedimiento según reivindicación 2 caracterizado porque Ia temperatura final de Ia etapa ii) es 35O0C. 8. Procedimiento según reivindicación 2 caracterizado porque Ia temperatura final en Ia etapa ii) se mantiene durante 2 horas. 9. Material obtenido mediante las reivindicaciones anteriores. 10. Material obtenido mediante reivindicación 4 caracterizado porque comprende mayoritariamente fósforo, silicio, calcio y magnesio, además de cantidades inferiores de sodio y potasio. 11. Material obtenido mediante reivindicación 7 caracterizado porque comprende mayoritariamente carbono, fósforo, silicio, calcio y magnesio, además de cantidades inferiores de sodio y potasio 12. Uso del material obtenido mediante las reivindicaciones 1-7, en ingeniería de tejidos óseos. 13. Uso del material obtenido mediante las reivindicaciones 1-7 como catalizador. 14. Uso del material obtenido mediante las reivindicaciones 1-7 como adsorbente de sustancias tóxicas 15. Uso del material obtenido mediante las reivindicaciones 1-7 como semiconductor |
SECTOR DE LA TÉCNICA La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de material biocompatible a partir del secado y tratamiento térmico de bagazo de cerveza, así como su uso en ingeniería de tejidos óseos. Por tanto, desde el punto de vista del procedimiento, Ia presente invención se encuadra dentro del sector de Ia síntesis y preparación de nuevos materiales. En cuanto a sus aplicaciones o usos, Ia invención se encuadra dentro del sector de Ia salud, y más concretamente en implantes de tejidos óseos.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En Ia actualidad, a nivel mundial, Ia ingeniería de biomateriales ha despertado gran interés, llegando a ser de gran importancia económica, como opción viable para reemplazar tejidos y órganos, dado el aumento progresivo de
Ia edad media de Ia población. El desarrollo actual de Ia ingeniería tisular se basa tanto en el desarrollo de los cultivos de estirpes celulares más o menos pluripotenciales, de factores inductores y reguladores de Ia diferenciación celular, como en el desarrollo de matrices con capacidad de soporte y estructura. Concretamente en el desarrollo de Ia regeneración ósea se han diseñado múltiples modelos de características osteoconductoras, ricas en contenidos fosfocálcicos.
Usualmente, una parte de ellos proceden del tratamiento de estructuras animales de las que se eliminan total o parcialmente sus componentes proteicos, conservando Ia fase mineralizada y otra proceden de los fosfatos calcicos mediante procesos de síntesis.
Numerosas cirugías necesitan restaurar tejidos, a menudo en presencia de cantidades insuficientes de material natural y por ello los procedimientos de regeneración son parte primordial de estas terapias. Los biomateriales utilizados deben tener las características adecuadas de composición, resistencia mecánica, porosidad, velocidad de degradación en las soluciones biológicas adecuadas, propiedades de transporte de materia e intercambio de nutrientes y productos de desecho, utilizándose para este fin polímeros, proteínas y materiales inorgánicos (alúmina, zirconia, hidroxiapatito, fosfatos calcicos y vidrios bioactivos), principalmente. [Matthew B. Murphy and Antonios G. Mikos (2007), "Principies of Tissue Engineering" (Third Edition), 309-321. Chapter Twenty-Two - Polymer scaffold fabrication].[S. J. Kalita, A. Bhardwaj and H. A. Bhatt (2007), Nanocrystalline calcium phosphate ceramics in biomedical engineering, Materials Science and Engineering: C, 27, 441-449]
Usualmente los sólidos utilizados son sintéticos (A. L. Oliveira, P. B. Malafaya, R. L. Reis (2003), Sodium silicate gel as a precursor for the in vitro nucleation and growth of a bone-like apatite coating in compact and porous polymeric structures, Biomaterials, 24, 2575-2584), (A. G. Dias, I. R. Gibson, J. D. Santos, M.A. Lopes (2007), Physicochemical degradation studies of calcium phosphate glass ceramic in the CaO-P2O5-MgO-TiO2 system, Acta Biomaterialia, 3, 263-269 ) o de origen animal, aunque recientemente las enfermedades relacionadas con Ia población bovina han elevado el temor entre los seres humanos en implantarse materiales con dicha procedencia, siendo mas recomendable el uso de materiales de procedencia no animal. Los materiales sintéticos, por otro lado, son a menudo obtenidos mediante complicadas síntesis de gran cantidad de pasos sintéticos, utilizando reactivos tóxicos (p.ej. peróxido de benzoilo, benceno, anilinas), con calcinaciones a temperaturas muy elevadas cercanas a 1500 0 C, para producir los materiales bioceramícos, a las que se añade para terminar silicio, mediante hidrólisis de TEOS, con un paso final de sinterización a mas de 1100 0 C. [M. B. Nair, S. S. Babu, H. K. Varma, A. John (2008). A triphasic ceramic-coated porous hydroxyapatite for tissue engineering application, Acta Biomaterialia, 4, 173-181]
El presente trabajo se basa en Ia obtención de sólidos biocompatibles de valor añadido utilizando como materia prima subproductos de origen agrícola, llevando a cabo procesos acordes con un desarrollo sostenible, es decir evitando el uso de sustancias o procedimientos tóxicos. La estructura de los materiales finales se puede diseñar cambiando las variables del proceso de preparación, para que puedan ser utilizados en crecimiento celular, según sus características texturales y cristalinas finales.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
La presente invención se basa en tres aspectos fundamentales: 1 ) Ia obtención de materiales que comprenden fosfatos y silicatos, mediante el secado y tratamiento térmico del bagazo de cerveza (residuos precedentes del proceso de fabricación de cerveza), 2) el material obtenido mediante este procedimiento 3) su uso en ingeniería de tejidos óseos, así como su uso como catalizador.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
La presente invención se basa en un procedimiento, desarrollado por los inventores, para obtener materiales biocompatibles que comprenden fosfatos y silicatos a partir de residuos de bagazo de cerveza. Los materiales obtenidos, dada su similitud con Ia fase mineral del hueso, son adecuados para Ia ingeniería de tejidos óseos.
Por tanto, un aspecto de Ia presente invención es el procedimiento de obtención de materiales que comprenden fosfatos y silicatos, en adelante procedimiento de Ia invención, mediante el secado y tratamiento térmico del bagazo de cerveza.
En esta invención se define bagazo de cerveza como el subproducto de
Ia industria cervecera resultante del prensado y filtrado del mosto obtenido del grano de Ia cebada malteada, tras su sacarificación. El bagazo de cerveza posee gran cantidad de líquido, debido al procesado de los materiales originales, y un contenido de materia seca del 20-25%.
La gran cantidad de líquido existente en el bagazo de cerveza hace necesaria su separación del sólido. Dicho sólido se va a tratar, posteriormente, por calentamiento convencional variando temperaturas y tiempos para controlar las características texturales del material final, dependiendo además de Ia composición química y del tipo y cantidad de poros del material.
Un aspecto preferente de Ia presente invención es el procedimiento de Ia invención que se desarrolla a través de las etapas de: i) Secado de bagazo de cerveza mediante calentamiento desde temperatura ambiente hasta 100-200 0 C con una rampa de temperatura comprendida entre 1 y 10 °C/min y manteniendo de Ia temperatura final durante al menos dos horas para parar así Ia fermentación del sólido original. ii) Tratamiento del sólido resultante en i) desde temperatura ambiente hasta una temperatura dentro del rango de 350-1200 0 C, manteniendo Ia temperatura final durante más de 1 horas
Un aspecto más preferente de Ia presente invención es el procedimiento de Ia invención en el que Ia temperatura final de Ia etapa i) es 15O 0 C.
Otro aspecto más preferente de Ia presente invención es el procedimiento de Ia invención en el que Ia temperatura final de Ia etapa ii) es 85O 0 C, dando lugar a un material que comprende fósforo, silicio, calcio y magnesio como elementos principales, además de cantidades inferiores de sodio y potasio. Por diferentes técnicas de caracterización (ver ejemplo 1 ) se ha demostrado que el material obtenido mediante el procedimiento de Ia invención, utilizando ésta temperatura final de 85O 0 C, se puede utilizar en ingeniería de tejidos óseos.
Otro aspecto más preferente de Ia presente invención es el procedimiento de Ia invención en que Ia rampa de calentamiento utilizada en i) es de de 5°C/min.
Otro aspecto más preferente de Ia presente invención es el procedimiento de Ia invención en que Ia temperatura final en Ia etapa i) se mantiene durante 4 horas.
Otro aspecto más preferente de Ia presente invención es el procedimiento de Ia invención en que Ia temperatura final en Ia etapa ii) se mantiene durante 2 horas. Otro aspecto más preferente de Ia presente invención es el procedimiento de Ia invención en el que Ia temperatura final de Ia etapa ii) es 35O 0 C, dando lugar a un material que comprende carbono, fósforo, silicio, calcio y magnesio, además de cantidades inferiores de sodio y potasio. Por diferentes técnicas de caracterización (ver ejemplo 2) se ha demostrado que el material obtenido mediante el procedimiento de Ia invención, utilizando ésta temperatura final de 35O 0 C, se puede utilizar como catalizador, absorbente o semiconductor.
Otro aspecto de Ia presente invención es el material obtenido mediante el procedimiento de Ia invención, en adelante material de Ia invención. La observación del material de Ia invención con difracción de rayos X determina una estructura cristalina que corresponde a fosfatos y silicatos de calcio y magnesio. El análisis textural del material de Ia invención indica Ia presencia de macroporos por encima de 100 mieras y un área específica de entorno a 8m 2 /g. Los resultados de análisis químico y de análisis por microsonda confirman Ia presencia de fósforo, silicio, calcio y magnesio como elementos principales del material de Ia invención, además de cantidades inferiores de sodio y potasio.
Otro aspecto preferente de Ia invención es el material de Ia invención caracterizado por que comprende mayoritariamente fósforo, silicio, calcio y magnesio, además de cantidades inferiores de sodio y potasio.
Dada su similitud con Ia fase mineral del hueso, el material de Ia invención es adecuado para Ia ingeniería de tejidos óseos y además su contenido en iones presentes en el medio fisiológico (sodio, calcio, magnesio, potasio) Io hace altamente biocompatibles. La presencia de fósforo, silicio y magnesio es beneficiosa para Ia ingeniería de tejidos, ya que los fosfatos suelen ser más solubles en los fluidos biológicos que el hidroxiapatito. La presencia de silicio se utiliza para modificar Ia capacidad de disolución del biomaterial, habiéndose encontrado una mayor disolución de iones silicio y reabsorción más rápida en composites sílice-fosfato calcico que en materiales sin sílice. También, la presencia de cationes biológicamente activos como el magnesio es un factor coadyuvante en las propiedades de este tipo de biomateriales, pues influye sobre el proceso de Ia posterior biomineralización del sólido. Los materiales bioreabsorbibles son importantes para regeneración de tejidos, ya que no requieren una segunda operación para extraer el implante.
Por tanto, otro aspecto de Ia presente invención es el uso del material de Ia invención en ingeniería de tejidos óseos
Así, el material de Ia invención, dada su biocompatibilidad y sus características texturales con diámetros de poro de varios cientos de mieras, que se pueden modificar por procedimientos diseñados al respecto, es útil para el crecimiento de células madre de grasa. Esta es Ia primera ocasión en Ia que un material renovable, dada su procedencia de desechos agrícolas, tras las modificaciones necesarias, es utilizado para el cultivo de células madre procedentes de Ia grasa. Materiales naturales basados en coral han sido utilizados con fines similares, aunque su sostenibilidad es dudosa, ya que los materiales coralinos no pueden ser considerados renovables y su presencia es muy importante para el equilibrio del medio donde se desarrollan.
El origen vegetal del material de Ia invención, a partir de residuos de Ia industria agrícola, evita el posible contagio de enfermedades que puedan transmitirse a través de Ia masa ósea de animales. Además, el material de Ia invención contiene silicio en su composición, por Io que no es necesario añadírselo para modificar Ia dureza y biodegradabilidad de los biomateriales finales, con el consiguiente beneficio económico.
Otro aspecto de Ia presente invención es el uso del material de Ia invención como catalizador.
EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
EJEMPLO 1 - Preparación de material biocompatible a partir de bagazo de cerveza y caracterización para comprobar su aplicación en ingeniería de tejidos óseos. El bagazo de cerveza obtenido directamente de Ia fabrica de MAHOU en Alovera, Guadalajara, se seca mediante calentamiento desde temperatura ambiente hasta 15O 0 C con una rampa de temperatura de 5 °C/min y manteniendo Ia temperatura final durante cuatro horas para parar así Ia fermentación del sólido original. A continuación, el sólido resultante se calienta desde temperatura ambiente hasta una temperatura de 850 0 C, manteniendo Ia temperatura final durante 2 horas.
El material obtenido comprende mayoritariamente fósforo, silicio, calcio y magnesio como elementos principales, además de cantidades inferiores de sodio y potasio. Se ha estudiado Ia influencia de sus características estructurales, superficiales, texturales y su biocompatibilidad sobre el crecimiento de células madre de grasa.
Para Ia caracterización de las fases cristalinas del material objeto de Ia patente, se utilizó difracción de rayos X de polvo con un difractómetro Policristal X ' Pert Pro PANalytical. El diagrama de difracción de rayos X se llevo a cabo en condiciones estándar usando radiación Ka de Cu (λ = 1.54060 A). Se realizaron los diagramas de difracción de rayos X, encontrándose picos entre 22 y 25° y a 31 , 33 y 34,5 2 Θ correspondientes a fosfato tricálcico (PDF 09-0348) y silicato calcico a 29,5 ° 2 Θ (PDF 01-1029). Los picos obtenidos para el material en estudio son comparables a los encontrados en Ia bibliografía para compuestos similares utilizados en crecimiento de tejido óseo: β-Ca2P2θ7 (pirofosfato calcico; 30.8°2Θ) α-TCP (22.9°2Θ). α-TCP e hidroxiapatito (31.6°2Θ). β- Ca 2 P 2 θ 7 (29.0 y 30.2°2Θ). [D. Tadic and M. Epple, A thorough physicochemical characterisation of 14 calcium phosphate-based bone substitution materials in comparison to natural bone , Biomaterials, 25, (2004) 987-994; A.Oyane, Y. Ishikawa, A. Yamazaki, Yu Sogo, K. Furukawa, T. Ushida, Atsuo Ito Reduction of surface roughness of a laminin-apatite composite coating via inhibitory effect of Mg ions on apatite crystal growth, Acta Biomaterialia, Volume 4, (2008) 1342- 1348]. Las porosidades de los materiales preparados se determinaron por las técnicas de adsorción de nitrógeno en un equipo Micromeritics ASAP 2010 con N 2 a 77 K y porosimetría de mercurio, en un equipo de intrusión-extrusión de mercurio Fisons Pascal 140/240. Para las medidas de adsorción de N 2 las muestras se sometieron previamente a un proceso de evacuado durante 16 horas a 300 0 C para eliminar cualquier especie que pudiera estar débilmente adsorbida en Ia superficie. Las superficies específicas aparentes (S BET ) se obtuvieron según el método BET, asumiendo un área para Ia molécula de nitrógeno de 0.162 nm 2 . Rouquerol, F., Rouquerol J., Sing, K.; Adsorption by powders and porous solids- principies, methodology and applications, (1999), Academic Press, London). Las distribuciones de tamaño de partículas y meso y macroporos fueron determinadas por porosimetría de intrusión de mercurio, después de secar las muestras en un horno a 150° C durante 16 horas. Para estas medidas se asume como estándar un ángulo de contacto de mercurio de 141° y una tensión superficial de 484 mNm "1 según recomendaciones de Ia IUPAC. La adsorción de nitrógeno en las muestras, da lugar a isotermas tipo II.
Debido a esta característica, el área superficial aparente se determinó mediante el método BET en un rango de presión relativa p/p° = 0.05-0.30.
La curva obtenida en Ia medida de porosimetría de intrusión de mercurio, indica tamaños de partícula de varios cientos de mieras. El estudio de porosidad revela que el material tiene una estructura abierta de poros, con más de 80% de ellos entre 100 y 300 mieras de diámetro. La densidad aparente del material es de 0,35 g/cc, indicando que posee una porosidad de 86%. La densidad esqueletal es 2,5 g/cc.
La porosidad de sólidos similares, tomados para comparación en búsquedas bibliográficas suele estar en un rango de 50 a 500 mieras. Los resultados de caracterización textural confirman que dependiendo de los parámetros utilizados para el diseño de los sólidos, estos tienen capacidad para servir como "scaffolds" en crecimiento celular, que se confirman por análisis realizados con microscopía electrónica de barrido. Con espectroscopia infrarroja (FTIR) se observan bandas a 3570 cm "1 , que se atribuyen a grupos hidroxilo y a 1190-976 cm "1 y 660-520 cm "1 que se atribuyen a grupos fosfato y/o silicato. Dada Ia similitud de los modos vibracionales de los grupos silicato y fosfato es difícil distinguir sus bandas con esta técnica (Acta biomateralia 4 (2008) 173).Preparation and bioactivity evaluation of bone-like hydroxyapatite nanopowder, M. H. Fathia*, A. Hanifia, V. Mortazavi).
Realizando cultivos de células madre procedentes de grasa en este sólido, se ha comprobado como dichas células crecen en su superficie de manera similar a Io que ocurre en un hidroxiapatito de origen animal, utilizado habitualmente en técnicas regenerativas y empleado como control. La ausencia de inhibición de crecimiento en Ia placa es otro dato que corrobora su biocompatibilidad.
EJEMPLO 2 - Preparación de material biocompatible a partir de bagazo de cerveza y caracterización para comprobar su aplicación como catalizador, absorbente de sustancias o semiconductor.
El bagazo de cerveza obtenido directamente de Ia fabrica de MAHOU en Alovera, Guadalajara, se seca mediante calentamiento desde temperatura ambiente hasta 15O 0 C con una rampa de temperatura de 5 °C/min y manteniendo Ia temperatura final durante cuatro horas para parar así Ia fermentación del sólido original. A continuación, el sólido resultante se calienta desde temperatura ambiente hasta una temperatura de 350 0 C, manteniendo Ia temperatura final durante 2 horas.
La textura de este material se determino por Ia técnica de adsorción- desorción de nitrógeno en un equipo Micromeritics ASAP 2010 con N 2 a 77 K, sometiendo el sólido previamente a un proceso de evacuado durante 16 horas a 300 0 C para eliminar cualquier especie que pudiera estar débilmente adsorbida en Ia superficie. Las superficies específicas aparentes (S BET ) se obtuvieron según el método BET, asumiendo un área para Ia molécula de nitrógeno de 0.162 nm 2 [Rouquerol, F., Rouquerol J., Sing, K.; Adsorption by powders and porous solids- principies, methodology and applications, (1999), Academic Press, London]. Para la caracterización de las fases cristalinas del material objeto de Ia patente, se utilizó difracción de rayos X de polvo con un difractómetro Policristal X ' Pert Pro PANalytical. El diagrama de difracción de rayos X se llevo a cabo en condiciones estándar usando radiación Ka de Cu (λ = 1.54060 A). El material obtenido comprende mayoritariamente carbono, fósforo, silicio, calcio y magnesio como elementos principales, además de cantidades inferiores de sodio y potasio. La observación de este sólido con difracción de rayos X permite determinar su carácter no cristalino y el análisis textural de este material indica Ia presencia de microporos y un área superficial específica (S BET ) de 500m 2 /g.
Materiales similares a éste (carbón con fósforo y silicio en su composición) han sido recientemente utilizados como semiconductores [Silicon-doped carbono semiconductor from rice husk char Materials Chemistry and Phvsics Volume 109, Issue 1. 15 May 2008, Pages 169-173 S. Maiti, P. Banerjee, S. Purakayastha and B. Ghosh], como catalizadores [Catalytic performance of carbonaceous materials in the esterification of succinic acid Catalysis Communications 9 (2008) 1709-1714 J. H. Clark, V. Budarin, T. Dugmore, R. Luque, D. J. Macquarrie, V. Strelko] y como adsorbentes de sustancias tóxicas [Removal of trace organics from water using a pumped bed-membrane bioreactor with powdered activated carbón, C. G. Dosoretz and K. W. Boddeker, Journal of Membrane Science Volume 239, Issue 1 , 1 August 2004, Pages 81- 90].