Resumen

       Se sintetizaron nanocompuestos híbridos orgánico/inorgánico en bloque de poli(etil metacrilato-co-hidroxietil acrilato) 70/30 wt%/sílice, P(EMA-co-HEA)/SiO2, con distintas proporciones de sílice hasta el 30 wt%. El procedimiento de síntesis consistió en la copolimerización de los monómeros orgánicos EMA y HEA durante la polimerización sol-gel simultánea catalizada por ácido, de tetraetoxisilano, TEOS, como precursor de sílice.
       La estructura del SiO2 en la matriz polimérica de P(EMA-co-HEA) fue deducida a partir de espectroscopía de infrarrojos, espectroscopía de energía dispersiva de rayos X, termogravimetría, pirólisis, microscopía electrónica de transmisión e hinchado en solventes. El TEOS se hidroliza eficientemente y condensa dando lugar a sílice durante el proceso sol-gel, y presenta una distribución homogénea en la matriz polimérica, en forma de agregados inconexos de nanopartículas de sílice elementales en los híbridos con bajos contenidos de sílice (por debajo del 10 wt%) o redes continuas interpenetradas con la red orgánica tras la coalescencia de los agregados de sílice (por encima del 10 wt%). El pequeño tamaño de los agregados de sílice explica la transparencia óptica de los nanohíbridos obtenidos. La red polimérica orgánica se forma en los poros producidos en el interior de las nanopartículas elementales de sílice, debido a los líquidos que actúan como plantilla en la polimerización sol-gel, y también en los poros formados entre los agregados de nanopartículas de sílice. Si se producen reacciones de heterocondensación entre la sílice y el copolímero orgánico, éstas se pueden considerar despreciables.
       Las propiedades fisicoquímicas de los híbridos fueron estudiadas a través de ensayos de densidad y calorimetría diferencial de barrido; las superficies fueron caracterizadas mediante ensayos de ángulo de contacto, y las propiedades mecánicas fueron analizadas por análisis dinámico-mecánicos y ensayos a compresión. Los nanohíbridos con contenidos de sílice intermedios (10-20 wt%) exhibieron las propiedades más equilibradas e interesantes: i) refuerzo mecánico de la matriz orgánica vítrea conseguida gracias a redes de sílice continuas e interpenetradas, ii) buena capacidad de hinchado debida a la expansión de la red orgánica no impedida todavía por un esqueleto de sílice rígido, y a un número relativamente alto de grupos silanol terminales hidrófilos (concentraciones inorgánicas en los alrededores de la coalescencia), y iii) mayor reactividad superficial o hidrofilicidad debido a un contenido relativo bastante elevado de grupos polares silanol terminales disponibles en las superficies.
       La ‘bioactividad’ o capacidad de los materiales en bloque de formar hidroxiapatita (HAp) sobre sus superficies fue estudiada in vitro sumergiéndolos en fluido biológico simulado (simulated body fluid, SBF) durante distintos tiempos hasta 35 días, ajustando las concentraciones de iones, temperatura y pH a los del plasma sanguíneo. Tras 7 días, la solución SBF fue cambiada por otra 2xSBF (el doble de concentración de iones) con renovación periódica, consiguiendo de esta manera condiciones más favorables para el recubrimiento de HAp. Se analizó la composición y la morfología de la apatita formada, así como los cambios estructurales que tienen lugar en los nanohíbridos al sumergirlos en SBF. La formación de la capa de HAp viene controlada por el mecanismo y el tiempo de inducción a la nucleación de la misma, que dependen a su vez de la estructura de la sílice. En los nanohíbridos con contenidos de sílice intermedios, el número relativamente grande de grupos silanol facilitan la disolución de sílice en la superficie, dando lugar a una interfase rica en grupos silanol delimitando una zona de reacción sin sílice. En esta zona de reacción, los iones calcio y fosfato son adsorbidos e interaccionan con los grupos polares silanol para formar fosfato cálcico. El crecimiento de apatita continúa en la interfase híbrido-solución, dando lugar a una capa de HAp fuertemente adherida. Tras 5 días, el crecimiento de la capa de apatita y la formación de las capas sucesivas tienen lugar muy rápidamente, consumiendo iones calcio y fosfato del SBF. El fosfato cálcico, inicialmente amorfo, conteniendo otros iones tales como CO32-, Na+, K+ o Mg2+, se estabiliza dando lugar a policristales de baja cristalinidad con la forma de aguja típica de HAp carbonatada y deficiente en calcio, con relaciones atómicas Ca/P cercanas a la de la HAp fisiológica.
       Posteriormente se aplicó un tratamiento de modificación superficial con el objetivo de reducir el tiempo de inducción para la nucleación de HAp, que consiste en un ataque previo con NaOH para aumentar el número de puntos superficiales nucleadores, y un proceso de inmersión alternado en soluciones de calcio y fósforo (tratamiento CaP) para formar los precursores de apatita previamente a la inmersión en SBF. El tratamiento con NaOH no resultó ser efectivo en sí mismo para acortar el tiempo de inducción a la nucleación de HAp. Este proceso introduce carboxilatos de sodio en el copolímero pero hidroliza la red de sílice excesivamente, eliminando el potencial nucleador de los grupos silanol. La bioactividad de los nanohíbridos tratados con NaOH se debe, pues, solamente a los grupos carboxilato de la fase orgánica. Posiblemente controlando la duración del tratamiento con NaOH se podría conseguir el grado de disolución de la red de sílice conveniente para aumentar la bioactividad. Esto sería interesante en los nanohíbridos con concentraciones de sílice superiores a la de percolación, donde la densidad y la continuidad de la red de sílice con menos grupos terminales dificulta el hinchado de la red de polímero, la hidrólisis de la sílice y la difusión de iones del SBF. Así, la bioactividad de los nanohíbridos con estas concentraciones de sílice se debe exclusivamente a los grupos funcionales nucleadores de HAp preexistentes en la superficie. El tratamiento posterior CaP permite recubrir las superficies de las distintas muestras con una capa de fosfato cálcico en minutos. El fosfato cálcico amorfo formado actúa como precursor de HAp, eludiendo el tiempo de nucleación al sumergir las muestras en SBF.
       La simplicidad del procedimiento de síntesis ofrece la posibilidad de controlar la arquitectura de los nanocompuestos obtenidos. Así, se obtuvieron andamiajes (scaffolds) de poros tubulares de estos nanohíbridos, con contenidos de sílice de hasta el 20 wt%, por polimerización en una plantilla de fibras, tratando de mimetizar de esta manera la estructura y propiedades de la matriz extracelular mineralizada de la dentina natural. Aunque en los últimos años se han propuesto algunos scaffolds sintéticos como terapias dentales alternativas para inducir la regeneración de tejidos dentinarios/pulpares, es la primera vez que, para nuestro conocimiento, se propone un scaffold sintético bioactivo que mimetiza la dentina natural. Porcentajes intermedios de sílice dan lugar a scaffolds con propiedades mecánicas compatibles con la aplicación al tiempo que le confieren bioactividad a las superficies. Es de esperar que esto facilite la integración de los scaffolds en el tejido mineralizado receptor y que estimule la diferenciación de las células pulpares y la invasión de los túbulos por nuevas prolongaciones odontoblásticas al implantarlos in vivo, guiando de esta manera la regeneración del tejido dentinario.

Palabras clave: Nanocompuesto, híbrido, regeneración de tejido mineralizado, etil metacrilato, hidroxietil acrilato, tetraetil ortosilicato, sílice, sol-gel, bioactivo, hidroxiapatita (HAp), fluido biológico simulado (SBF), andamiaje (scaffold), dentina.