CAMPO TECNICO DE LA INVENCION

La presente invention se enmarca en el cambio de la biomedicina, concretamente en el campo de los dispositivos biomedicos. Mas concretamente, se refiere a dispositivos biomedicos que comprende acido polilactico y grafeno.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Un biomaterial es un material que tiene como proposito ser compatible con los sistemas biologicos para evaluar, tratar, aumentar o reemplazar un tejido, organo o funcion corporal.

El acido polilactico o poliacido lactico (PLA) es un polimero biodegradable de facil disponibilidad, procesabilidad, biocompatibilidad y buenas propiedades mecanicas. Polimeriza a partir del acido lactico, presente en los organismos de forma natural. En los tejidos vivos, el PLA se despolimeriza totalmente por hidrolisis quimica. Esta caracteristica hace que el PLA sea ampliamente utilizado para la production de hilo para sutura, implantes, capsulas para la liberation lenta de farmacos, protesis, etc.

El grafeno es un material compuesto por la agrupacion de atomos de carbono que se posicionan hexagonalmente en monocapas de un atomo de espesor. Sus propiedades son: alta conductividad termica, alta conductividad electrica, alta elasticidad y flexibilidad, alta dureza, alta resistencia, no le afecta la radiation ionizante, es capaz de generar electricidad mediante exposition a la luz solar o antibacteriano, entre otros. Un aspecto fundamental es que el grafeno tiene la capacidad de interactuar con el tejido vivo y es compatible con la administration de farmacos, terapias contra el cancer o biosensores. El grafeno tambien es un material muy elastico, duro y mas resistente que el acero, Io que le convierte en un elemento basico en productos ortopedicos en los que actualmente se usan aluminio, acero o el titanio. Ademas, al ser un material ligero, resulta interesante para aplicarlo en elementos ortopedicos cuyo peso se convierte en un problema. La irruption de la impresion 3D ha supuesto una autentica revolution en el campo de la medicina personalizada. Ha permitido la impresion de dispositivos medicos adaptados a las necesidades especificas de cada paciente. Actualmente se fabrican dispositivos personalizados de distintos materiales, incluso incorporando celulas (bioimpresion). Los fabricantes de protesis e implantes pueden crear soluciones con las dimensiones correctas en funcion de cada paciente, con un diseno complejo, un coste menor y gran durabilidad. Esto evita que el paciente cambie el implante cada decada, Io que facilita su vida diaria y le ahorra ci rug i as.

Algunos de los campos medicos en los que se aplican dispositivos medicos obtenidos por impresion 3D son odontologia (protesis dentales), otorrinolaringologia (audifonos) o la cirugia (estructuras para el reemplazo de huesos).

El documento WO2014/143925 describe implantes con una composition de nanotubos de carbono y/o grafeno y un material de soporte, preferiblemente ROMS. Los implantes son flexibles, Io que les permite doblarlos cuando se inserta o implanta en la lesion y luego se abre o se despliega cuando esta en su lugar en la lesion. El material tiene memoria en cuanto a que despues de plegarse vuelve a su forma original al desplegarse en el defecto que se pretende reparar.

El documento WO2016085584 describe tintas de impresion 3D de andamiajes orientados a colonizacion/diferenciacion celular en tejidos electroconductores (como el sistema nervioso o el tejido cardiaco) que comprenden copos de grafeno, disolventes y un polimero elastico que, tras la impresion, permite mantener unidos los copos de grafeno. Tanto los productos impresos como la tinta son biocompatibles, biodegradables, mecanicamente elasticos y conductores de la electricidad.

El documento Michael FM (2017), considerado el estado del arte mas proximo, describe implantes oseos que en una de las variantes probadas comprenderian PLA, nanohidroxiapatita modificada en su superficie (con APTES) y nanoplaquetas de grafeno.

Recientemente ha emergido la impresion 4D. Este tipo de impresion ahade el concepto “tiempo o movimiento” a la impresion conventional. Puede usar materiales que reaccionan con el entorno (por ejemplo, calor, luz, pH, ...) y cambiar la forma del objeto impreso (reversible o permanente). De esta forma, este objeto puede, por ejemplo, doblarse, repararse, ensamblarse, adquirir una nueva forma o funcionalidad o incluso dssintograrse al recibir un determinado estímulo externo. Un ejemplo de objetos impresos con esta tecnologia son los polímeros con memoria de forma (PMF), que memorizan una forma macroscropica y la mantienen durante cierto tiempo, pero luego vuelven a su forma original bajo el efecto del calor u otros estimulos, como un campo magnetic©, un campo electrics o el agua. Tambien puede ser util en otros sectores, como por ejemplo en la medicina coo la impresion de proteinas capaces de reconfigurarse a si mismas o protasis vasculares capaces de reaccionar al calor corporal, expandiendose para adaptarse al paciente para las que se imprimen.

Taghavi M (2018) describe dispositivos ortopedicos de rigidez variable que combinan PLA y grafeno y responden a cambios de temperatura. Los dispositivos se fabrican por impresion 3D. La estructura propuesta en este documento seria un nucleo central del grafeno-PLA rodeado del PLA que responde a calor y el calentamiento se produciria al hacer circular corriente por efecto Joule. La estructura se podria utilizar en implantes ortoticos, que se podrian deformar haciendo pasar corriente para aumentar la temperatura.

Por ultimo, el documento Bayer IS (2017) describe composiciones de PLA y grafeno utiles para la fabrication de, por ejemplo, tornillos dentales, implantes o scaffolds para promover el crecimiento celular.

Existe un problema en el estado del arte que consiste en producir dispositivos biomedicos de tipo protesico con propiedades modificables mediante estimulos externos para adaptarse a necesidades terapeuticas concretas. La fabrication de composites con una composition adecuada es imprescindible para que se manifiesten los efectos de los estimulos. No hay ningun documento en el estado del arte que describa una composition de un composite para la fabrication de dispositivos de tipo protesico mediante tecnologia de impresion 3D y que ademas tengan cualidades de un objeto 4D.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION

En una realization, la invention se refiere a un composite caracterizado porque comprende 69,98 - 98,99 % de acido polilactico (PLA) y 0,002 - 0,02 % de oxido de grafeno (GO), ambos porcentajes respecto al peso total del composite. En otra realization se describe un dispositivo biomedico de tipo protesico caracterizado porque comprende el composite de la invention.

En otra realization se describe un procedimiento para la fabrication de un dispositivo biomedico de tipo protesico de la invention, caracterizado porque comprende la impresion 3D del dispositivo biomedico.

En otra realization se describe un procedimiento para la modification de la forma y/o tamano de un dispositivo biomedico de tipo protesico comprende el composite de la invention caracterizado porque comprende las etapas de: a) proporcionar un dispositivo biomedico de tipo protesico segun cualquiera de las reivindicaciones 7 a 15; b) irradiar el dispositivo biomedico de la etapa a) con un laser o luz LED.

En otra realization se describe un procedimiento para la liberation controlada de al menos un farmaco, caracterizado porque comprende las etapas de: a) proporcionar el dispositivo biomedico de tipo protesico de la invention; b) irradiar el dispositivo biomedico de la etapa a) con un laser o luz LED.

En otra realization se describe un procedimiento de fabrication de un dispositivo biomedico de tipo protesico 4D, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a) imprimir el dispositivo biomedico de tipo protesico de la invention; b) irradiar el dispositivo biomedico de tipo protesico obtenido en la etapa a) con un laser o luz LED para modificar su forma y/o tamano y/o para la liberation controlada de al menos un farmaco.

Otra realization de la invention describe un dispositivo biomedico de tipo protesico fabricado de acuerdo con en el procedimiento de la invention, caracterizado porque tiene un tamano entre un 0,01% y un 5% superior al del dispositivo antes de irradiarse en la etapa b).

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Figura 1. Composites obtenidos por impresion 3D con diferentes concentraciones de cada ingrediente. Figura 2. Medida de la citotoxicidad de diferentes concentraciones de oxido de grafeno (GO) en celulas MG63. La linea discontinua muestra el valor medio de citotoxicidad del control negativo (TCP, Tissue Culture Polystyrene) y la banda gris el error tipico de la media.

Figura 3. Efecto fototermico del material impreso despues de irradiarse. Se mide el incremento de temperatura de los composites A, C y F impresos en el Ejemplo 1. Las barras negras se corresponden con la irradiación por luz LED a 780 nm y las barras con rayas se corresponden con la irradiation a 850 nm.

Figura 4. Efecto 4D del material impreso: cambio de forma de las piezas de PLA/CaP/GO A (barras blancas), C (barras grises) y F (barras negras) debido a la temperatura. Porcentaje de perdida de masa del material a 37, 48 y 70 °C despues de 7 dias de incubation.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

La presente invention se refiere a un composite que comprende acido polilactico (PLA) y oxido de grafeno (GO). En una realization preferida, el composite adicionalmente comprende un material bioceramico. En una realization todavia mas preferida, el dispositive adicionalmente comprende al menos un farmaco.

Un composite, material compuesto o resina compuesta, se define como un material sintetico que comprende a su vez al menos dos componentes mezclados heterogeneamente. Los componentes dotan al material de unas propiedades fisicas y mecanicas especificas y actuan de manera sinergica. Cada constituyente del composite debe ser biocompatible, y la interfase entre los constituyentes no debe ser degradada una vez incorporada al paciente por su organismo. Las propiedades del material van a depender de las propiedades de los constituyentes del material compuesto. El composite de la invention comprende PLA y GO.

En una realization preferida, el composite comprende 69,98 - 98,99 % respecto al peso del composite de PLA. En una realization todavia mas preferida, el composite comprende 94,00 - 95,00 % de PLA. En una realization todavia mas preferida, el composite comprende 94,99 % PLA respecto al peso total del composite.

El oxido de grafeno (GO) es una forma oxidada de grafeno, sintetizado a traves de la oxidation y exfoliation del grafito. El GO comparte la misma estructura del grafeno, pero incluye grupos funcionales intercalados que contienen oxigeno. Las propiedades y aplicaciones del oxido de grafeno dependen del grado de oxidacion. Las caracteristicas del GO que Io hacen diferente al grafeno son: es hidrofilico (se dispersa facilmente en agua y otros solventes organicos para formar coloides acuosos estables); es adecuado para ser usado en composites ya que puede ser mezclado facilmente con polimeros y otros materiales; puede ser depositado en casi cualquier substrato; es un aislante electrico (carece de la conductividad del grafeno); puede ser reducido para obtener grafeno de menor costo/alto volumen.

Los composites que comprenden GO ofrecen propiedades unicas, como la capacidad de anclar ciertas biomoleculas o la absorcion de la radiacion IR, Io que permite inducir un calentamiento controlado del material. Asi, surge la oportunidad de fabricar dispositivos biomedicos con nuevas funcionalidades y se abre un amplio abanico de nuevas aplicaciones. En otra realization preferida, el composite comprende 0,002 al 0,02 % en peso respecto al peso del composite, de GO. En una realization todavia mas preferida, el composite comprende 0,005 al 0,015 % de GO. En una realization todavia mas preferida, la cantidad de GO en el composite es del 0,01 % respeto al peso total del composite.

En una realization preferida, el composite ademas comprende un material bioceramico. Un material bioceramico (o bioceramica) es aquel material biocompatible especificamente disenado para ser utilizado en la fabrication de implantes quirurgicos, prótesis y organos artificiales, asi como para cumplir una determinada funcion fisiologica en el cuerpo humano. Los materiales bioceramicos pueden ser inertes, que no se unen quimica o biologicamente al tejido y el organismo no los absorbe o activos, que reaccionan con el tejido vivo. En una realization preferida, el material bioceramico es activo. El material bioceramico activo se selecciona del grupo que consiste en: hidroxiapatita (HAP), fosfato de calcio (CaP) o vitroceramica. En una realization mas preferida, el material bioceramico represents del 1 al 30 % en peso del composite. En una realization mas preferida, el material bioceramico represents del 2 al 10 % del peso del composite. En una realization todavia mas preferida, el material bioceramico es el 5% de fosfato de calcio.

En una realization preferida, el composite de la invention comprende 94,99 % de PLA, 0,01 % de oxido de grafeno y 5 % de material bioceramico. La composition del composite de la invention proporciona unas propiedades que permite modificar, de forma controlada, la forma o tamano del dispositive de forma reversible o permanente y, en su caso, controlar la liberation de farmacos que se encuentren conjugados o encapsulados en el dispositive.

Otra realization se refiere a un dispositive biomedico de tipo protesico caracterizado porque comprende el composite descrito en las realizaciones anteriores.

En una realization preferida el dispositive biomedico de tipo protesico que comprende el composite de la invention comprende adicionalmente al menos un farmaco. En una realization mas preferida, el farmaco se selecciona del grupo que consiste en un antibiotico y una biomolecula. En una realization todavia mas preferida, el antibiotico es ciprofloxacina. En otra realization todavia mas preferida, la biomolecula se selecciona del grupo que consiste en melatonina o fibronectina. El farmaco puede estar ademas conjugado o encapsulado en el acido polilactico del dispositive, o conjugado al oxido de grafeno.

En otra realization preferida, el dispositive biomedico de tipo protesico se selecciona del grupo que consiste de tornillos, implantes, piezas para injertos oseos, cunas y aditamentos. En una realization mas preferida, el dispositive es un tornillo reabsorbible, un implante para tiroplastia de medializacion, una pieza personalizada para injertos oseos, una cuna para ligamento cruzado anterior o un aditamento protesico dental.

Otra realization de la invention se refiere a un procedimiento para la fabrication de un dispositive biomedico de tipo protesico segun cualquiera de las realizaciones anteriores, caracterizado porque comprende la impresion 3D del dispositive biomedico.

Otra realization de la invention se refiere a un procedimiento para la modification de la forma y/o tamano de un dispositive biomedico de tipo protesico segun cualquiera de las realizaciones anteriores, caracterizado porque comprende las etapas de: a) proporcionar un dispositive biomedico de tipo protesico segun cualquiera de las realizaciones anteriores; b) irradiar el dispositive biomedico de la etapa a) con un laser o luz LED.

Otra realization de la invention se refiere a un procedimiento para la liberation controlada de al menos un farmaco, caracterizado porque comprende las etapas de: a) proporcionar un dispositivo biomedico de tipo protesico segun cualquiera de las realizaciones anteriores; b) irradiar el dispositivo biomedico de la etapa a) con un laser o luz LED.

Otra realization de la invention se refiere a un procedimiento de fabrication de un dispositivo biomedico de tipo protesico 4D, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a) imprimir un dispositivo biomedico de tipo protesico segun cualquiera de las realizaciones anteriores mediante impresion 3D; b) irradiar el dispositivo biomedico de tipo protesico obtenido en la etapa a) con un laser o luz LED para modificar su forma y/o tamano y/o para la liberation controlada de al menos un farmaco.

La presencia del oxido de grafeno permite inducir un calentamiento controlado del dispositivo impreso en 3D mediante la irradiation con laser o luz LED. El efecto fototermico del dispositivo le hace un buen candidate para explorar su potential como elemento 4D, analizando su respuesta de cambio de forma y como dispositivo liberador de biomoleculas. Dada su aplicacion en el ambito biomedico, es importante que el dispositivo pueda esterilizarse, ser biocompatible y se pueda evaluar su respuesta biologica.

En una realization preferida, el dispositivo biomedico de tipo protesico fabricado por este procedimiento tiene un tamano entre un 0,01% y un 5% superior al del dispositivo antes de irradiarse en la etapa b). En otra realization preferida, el dispositivo se degrada total o parcialmente despues de la etapa b).

En una realization preferida, el laser o luz LED utilizado para irradiar en la etapa b) de los procedimientos anteriores irradia a una longitud de onda entre 450 nm y 10600 nm. En una realization mas preferida, el laser irradia a una longitud de onda de 785 nm. En otra realization preferida, la luz LED irradia a una longitud de onda de 780 o 850 nm.

En otra realization preferida, la etapa b) de los procedimientos anteriores produce un calentamiento del dispositivo biomedico de tipo protesico irradiado. La temperatura del dispositivo biomedico de tipo protesico se incrementa como maximo 50°C o como maximo 5°C. En otra realization preferida, la etapa b) de los procedimientos anteriores produce un calentamiento del dispositive biomedico de tipo protesico. En una realization mas preferida, la temperatura se incrementa como maximo 50°C o como maximo 5°C.

En otra realization preferida, la etapa b) de los procedimientos anteriores dura 60 segundos.

En otra realization preferida, la etapa b) de los procedimientos anteriores el laser tiene una potencia de 296 mW o la luz LED tiene una potencia de 128 mW. En una realization todavia mas preferida, la etapa b) de los procedimientos anteriores el laser tiene una potencia de 296 mW a 785 nm o la luz LED tiene una potencia de 128 mW a 780 o 850 nm.

La variation de la forma o tamano de un dispositive medico de tipo protesico permite que este se adapte al paciente, por ejemplo, durante su crecimiento, o puede controlar el momento y lugar del cuerpo para liberar un farmaco cargado/unido al composite del que esta hecho el dispositive.

La impresion 3D de dispositivos medicos de tipo protesico ofrece una solution personalizada para la fabrication de elementos ad hoc para las necesidades de un paciente especifico. La presente invention ademas describe un dispositive con caracteristicas 4D, es decir, que sus propiedades se modifiquen por estimulos externos una vez impreso el material.

La composition particular del composite que forma los dispositivos biomedicos de tipo protesico de la presente invention hace posible que, cuando son tratados con laser o luz LED, puedan incrementar su temperatura y, a su vez modificar su forma o tamano (de forma reversible o permanente); y/o liberar farmacos (que pueden estar conjugados o encapsulados en el dispositive biomedico).

El composite de la presente invention y los dispositivos biomedicos de tipo protesico fabricados a partir de el, resuelven el problema tecnico presente en el estado de la tecnica de como proporcionar dispositivos biomedicos de tipo protesico 4D cuyas propiedades (tamano, liberation de farmaco, temperatura, etc....) se puedan alterar mediante estimulos externos.

EJEMPLOS

Para ilustrar la invention, en los ejemplos descritos a continuation se emplearon los siguientes materiales de partida:

Granulado de fosfato de calcio (hidroxiapatita, CaP) de origen marino (63 - 250pm). Pellets de acido polilactico (PLA) natural (Filament2Print).

Laminillas de oxido de grafeno (GO) en solution acuosa 0,5 mg/mL, ref. C1703/GOB151/D (Graphenea).

Ejemplo 1. Preparation del composite

Se pesaron el PLA y CaP y se pusieron juntos en una placa Petri. A continuation, se anadio el GO a concentraciones entre 0,5 y 0,05 mg/mL. Los componentes se mezclaron con una espatula y la mezcla se seco en una estufa (45 °C, 12h). El secado debe ser de un minimo de 8 horas. El producto seco obtenido se mezclo bien con una espatula para conseguir una mezcla homogenea.

Se precalento la impresora 3D (Voladora NX TuMaker), se selecciono el diseno del scaffold a imprimir y se introdujo la mezcla en la tolva de la impresora. Se imprimio el composite en forma de discos de 8 mm de diametro y 2,5 mm de espesor, con entramado rectilineo.

La Tabla 1 recoge los composites impresos.

Tabla 1

La Figura 1 muestra el resultado de los discos impresos con diferentes rangos de ingredientes. Se observa que no hay diferencias en el proceso de fabrication de las muestras impresas en todas las composiciones, Io que indica que los rangos empleados son aceptables para la impresion de composites que comprenden PLA, GO y CaP.

Ejemplo 2. Estudio de biocompatibilidad

Dado que el objetivo es la impresion de dispositivos medicos, es necesario que el material del objeto impreso sea biocompatible. Por este motivo se estudio la biocompatibilidad de materiales con distintas concentraciones de GO en solution. La biocompatibilidad del PLA y del CaP es bien conocida en la literatura y se utiliza ampliamente en aplicaciones biomedicas, por Io que en este ensayo unicamente se estudio la biocompatibilidad especifica para el oxido de grafeno.

Para ello se realizo un test de citotoxicidad, poniendo en contacto concentraciones de GO (0,5 mg/mL - 0,5 pg/mL) con celulas MG63 y se incubaron 24 horas a 37 °C. Como control positive de citotoxicidad se uso fenol y como control negative TCP (Tissue Culture Polystyrene).

La Figura 2 muestra que la viabilidad celular resulta inversamente proportional a la concentration de GO aplicada. La citotoxicidad se determina midiendo la absorbancia del cultivo a 490 nm. Los valores mostrados para cada concentration de GO se corresponden con la media de dos replicas. La linea discontinua muestra el valor medio de citotoxicidad del control negative y la banda gris el error típico de la media.

De este ensayo se concluye que valores de GO por debajo de 5 pg/mL son biocompatibles.

Ejemplo 3. Efecto fototermico del material impreso

Con el fin de comprobar como responden frente a estimulos externos los objetos impresos (muestras A, C y F de la Tabla 1), se irradiaron los objetos impresos con luz LED.

Las condiciones fueron:

Longitud de onda: 780 y 850 nm.

Potencia: 79 mW y 128 mW, respectivamente.

Tiempo de exposition: 60 segundos.

Medida de temperatura: Camara termografica FLIR.

La Figura 3 muestra que en todos los composites impresos en el Ejemplo 1 (A, C y F) se produce un aumento de la temperatura por el efecto fototermico del material.

De este experimento se deduce que el efecto del calentamiento fototermico se debe a la presencia del CaP y se potencia con la incorporation de pequenas cantidades de GO. Ejemplo 4. Efecto 4D del material: Cambio de forma de un objeto impreso controlado por temperatura.

Se estudio el efecto 4D de cambio de forma de las piezas impresas por tecnologia de impresion 3D de los ejemplos anteriores (muestras A, C y F del Ejemplo 1) mediante degradation hidrolítica controlada termicamente. Para ello se introdujeron discos de PLA/CaP/GO de 5 x 1 mm impresos en 1 mL de PBS a tres temperaturas diferentes (37, 48 y 70 °C) durante 7 dias en estufas estaticas.

La figura 4 muestra que existe una mayor degradation del material al incrementar la temperatura. El porcentaje de perdida de masa del scaffold es minimo a 37 °C, mientras que a 70 °C existe degradation a 7 dias que supera el 10% de perdida de masa.

Ejemplo 5: Efecto 4D: Memoria de forma/propiedades termoplasticas del objeto impreso

Se estudio sobre los objetos impresos el efecto 4D “memoria de forma”. Para ello se analizaron las propiedades termoplasticas de una pieza (5,6 x 6,0 x 1 ,0 mm ³ ) obtenida por impresion 3D despues de haber irradiado el objeto con un laser de 785 nm para inducir efecto fototermico.

La tabla 2 recoge las dimensiones del objeto antes y despues de irradiarlo con laser.

Tabla 2

Se observa que hay un efecto de fototermia en el material que da lugar a una dilatation del mismo al superar el umbral de la transition vitrea, como se ve en el incremento de los lados de la pieza, que llega a expandirse un 1 ,0 - 1.2 % por encima de sus dimensiones originales y supone un incremento del area de 2,24%. Al enfriarse recupera la forma original, por Io que es una modification reversible.