Recientemente se han utilizado materiales porosos para la regeneración del tejido óseo, uno de
los aspectos más importantes es contar con una morfología controlada la cual sirva como base y
guía para el crecimiento del tejido. En este trabajo se han preparado poliuretanos y compositos
poliuretano/hidroxiapatita por una separación de fase inducida térmicamente; por medio de la
cual se pudieron producir materiales porosos con una morfología controlada y reproducible. La
microestructura fue controlada por la variación en la concentración del polímero, temperatura de
congelamiento, relación solvente/no solvente y co-solvente utilizado. Usando está técnica se pueden
obtener materiales con un tamaño de poros desde unas cuantas micras hasta 200 mm. Debido
a la porosidad interconectada y a la bioactividad que proporciona la hidroxiapatita pueden ser
una alternativa para la regeneración del tejido óseo.Peer Reviewe

García Casillas, Perla

Martínez Pérez, Carlos Alberto

Martínez Villafañe, Alberto

Romero García, Jorge

Biomecánica

UPCommons (Universitat Politècnica de Catalunya)

Preparación y caracterización de un material compuesto poli(uretano)/hidroxiapatita mediante separación de fases

UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC

39Preparación y caracterización de un materialcompuesto poli(uretano)/hidroxiapatita me-diante separación de fasesCARLOS ALBERTO MARTÍNEZ-PÉREZ1, PERLA GARCÍA-CASILLAS1, ALBERTO MARTÍNEZ-VILLAFAÑE1, JORGE ROMERO-GARCÍA2.1 Departamento de Biomateriales, División de Deterioro de Materiales,   Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C.   Miguel de Cervantes # 120, Chihuahua, Chih. , México C.P. 311092 Departamento de Biopolímeros, Centro de Investigación en Química Aplicada,   Blvd. Enrique Reyna # 140   Saltillo, Coah. C.P. 25000ResumenRecientemente se han utilizado materiales porosos para la regeneración del tejido óseo, uno delos aspectos más importantes es contar con una morfología controlada la cual sirva como base yguía para el crecimiento del tejido. En este trabajo se han preparado poliuretanos y compositospoliuretano/hidroxiapatita por una separación de fase inducida térmicamente; por medio de lacual se pudieron producir materiales porosos con una morfología controlada y reproducible.  Lamicroestructura fue controlada por la variación en la concentración del polímero, temperatura decongelamiento, relación solvente/no solvente y co-solvente utilizado. Usando está técnica se pue-den obtener materiales con un tamaño de poros desde unas cuantas micras hasta 200 mm. Debidoa la porosidad interconectada y a la bioactividad que proporciona la hidroxiapatita pueden seruna alternativa para la regeneración del tejido óseo.SummaryGuide regeneration techniques have been recently used to heal soft and hard tissue defects. Inthis approach, scaffolding plays a pivotal role. Hydroxiapatite (HA) mimics the natural bone mine-ral and has shown good bone-bonding properties. In this work, porous poly (urethanes)/hydroxiapatite composites has been prepared by a thermally induced phase separation technique.Freeze drying of the phase separated polymer/HA/solvent produced foams with co-continuos structureof interconnected pores. Varying the polymer concentration, quenching temperature controlled themicrostructure, and co-solvent utilised. Using this technique, homogeneous porous materials withcontrollable and reproducible morphology was prepared. Pore size ranging from several micronsto a few hundred microns was obtained. Due to interconnected pores and the hydroxiapatite bioactive,they are promising scaffolds for bone – tissue engineering.Keywords: freeze – drying, polyurethane, scaffolds, bone, tissue, hydroxiapatite, bioactiveCorrespondencia:Carlos Alberto Martínez-Pérez,Departamento de Biomateriales, División de Deterioro de Materiales,Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C.Miguel de Cervantes # 120, Chihuahua, Chih. , México C.P. 31109Fax: (1) 439-11-12Email: martinezc@nurse.cimav.edu.mxBiomecánica, 9 (1), 2001,  pp. 39-4440IntroducciónRecientemente los materiales biodegradables sehan propuestos recientemente en aplicacionesortopédicas temporales[1-5]. Varios trabajos se hanenfocado en la elaboración de materiales porososcomo el ácido poliglicólico, el ácido poliláctico, etc.,con la finalidad de crear las condiciones necesariaspara la regeneración del tejido [3]. Algunos de es-tos materiales han sido evaluados específicamentepara reconstruir, regenerar, y reparar  órganos da-ñados como el cartílago de la nariz y de los oídos,así como tejidos biológicos dañados (nervios, hue-so, meniscos)[1]. Esto se puede lograr empleandomateriales con estructura porosa e interconectadaelaborada con materiales biodegradables ybiocompatibles[5]. El poliuretano se ha utilizado endiversas aplicaciones biomédicas como en válvulasdel corazón, prótesis vasculares, y reconstrucciónde meniscos entre otras[6]. Esta versatilidad sedebe al gran nivel de biocompatibilidad y al ampliorango de propiedades mecánicas y físicas[7-9]. Lasmatrices macroporosas son de estructura similar alhueso esponjoso. Los poros permiten tener suficien-te espacio para el crecimiento de células y el trans-porte de nutrientes para obtener un crecimiento através de la matriz[10]. La hidroxiapatita sintéticase ha utilizado como un sustituto del hueso y comorelleno en polímeros orgánicos[11-13]. La elabora-ción de materiales compuestos de poliuretano/hidroxiapatita pueden presentar osteoconductividaddebido a la presencia de HA,  la cual, se ha demos-trado que presenta buenas propiedades de enlaceal hueso y ayuda a su regeneración[14-17], tam-bién la microestructura que se puede obtener enlos poliuretanos hace que estos materiales sean unabuena alternativa para la reparación del tejido óseoblando.Materiales y MétodosSíntesis de la hidroxiapatitaA una solución 0.5M de hidróxido de calcio sele agregó gota a gota una solución 0.3M de ácido(orto)fosfórico con una relación estequiométricapara obtener la hidroxiapatita, durante el proceso lasolución fue mantenida a una temperatura de 42°Cy a un pH alrededor de 11 por la adición de hidróxi-do de amonio, La suspensión que se obtuvo se dejóenvejecer a 80 °C por 12 horas, después fue filtra-da y secada a 120 °C. Los polvos obtenidos se exa-minaron por difracción de Rayos X (XRD, SiemensD5000) con una radiación CuKa, y porespectroscopía infrarrojo (magna-IR750 II). Larelación Ca/P de la hidroxiapatita fue determinadapor espectroscopía de plasma obteniendo una rela-ción de 1.67.Síntesis del poliuretano y de los materiales com-puestos6 equivalentes de policaprolactone diol (P.M.1250) y 2 equivalentes de policaprolactone triol(P.M. 900) fueron disueltos en 1,4 dioxano. Poste-riormente se le agregaron 9 equivalentes de 1,6hexamethylenediisocyanate (HDI) a la solución.Como catalizador se utilizó 0.5% de dibutiltindilaurate. La mezcla fue congelada, después fuecolocada en un aparato de liofilización (labconco4.5) conectado a una bomba de vacío (0.15 milibar).Después de llevar a cabo la liofilización, el polímerofue curado por 48 horas a presión reducida y a unatemperatura de 60 °C. Para la preparación de losFigura 1.  Patrón de difracción de Rayos X para los polvos de Hidroxiapatita20 25 30 35 40 45 5002004006008001000210213312222310300112211002Intensity2θ41100 µm50 µmFigura 2.  Micrografía de un poliuretano elaborado en1,4 dioxano y agua(93/7 v/v)Figura 3.  Detalle de la micrografía 2  50 µmFigura 4.  Poliuretano elaborado en 1,4 dioxano y c-hexano (70/30 v/v) Congelado a una temperaturade –77 °C.compositos la HA se agregó a la solución antes deser congelada.  La HA fue agregada en diferentesen concentraciones del 10 al 40 % en peso, la solu-ción fue agitada vigorosamente por 30 minutos an-tes de ser congelada. La caracterización demicroestructura fue llevada a cabo en un micros-copio electrónico de Barrido MEB JOELJSM58001V, también se utilizó la espectroscopíainfrarrojo para su análisis químico. Se realizaronpruebas de compresión en una máquina instron auna velocidad de 2 mm/min. Resultados y discusiónLa figura 1 muestra el patrón de difracción deRayos X de los polvos de HA, el cual muestra quela HA es la única fase presente y no se detectarontrazas de otras fases como óxido de calcio, las fa-ses a ó b del fosfato tricálcico. La liofilización es unproceso en el cual el solvente es removido porsublimación de este del material congelado, lo cual,lleva a una estructura porosa. La densidad delpolímero poroso es determinada por la concentra-ción del polímero en la solución inicial. La morfolo-gía es determinada por la separación de fases. Estase puede dividir en separación de fases líquido –líquido (la cual ocurre antes que el solvente es con-gelado) y separación de fases líquido – sólido (lacual ocurre cuando el solvente es congelado).Si se agrega un no – solvente a la solución pue-de inducir una separación de fases líquido – líqui-do[18]. La figura 2 muestra una micrografía de unpoliuretano elaborado en 1,4 dioxano y agua(93/7v/v). La solución fue congelada a –33 °C. La es-tructura es básicamente homogénea e isotrópica conun tamaño de poros alrededor de 50 µm con pe-queños poros interconcetados como se puede veren la figura 3. Esta estructura se obtiene por la adi-ción del agua como no solvente la cual induce auna separación de fases líquido – líquido y generauna combinación de separación de fases líquido –líquido y líquido – sólido. La morfología se puedepredecir de un diagrama de fases como se ha he-cho en otros sistemas[19]. A concentraciones ba-jas, la fase rica en el polímero se dispersa en lamatriz diluida. A concentraciones altas de polímerola situación es invertida. Durante el congelamientola solución homogénea se mueve a un dominio enel cual la separación de fase ocurre. La separaciónde fase ocurre hasta que el solvente es congelado.La morfología final se determina de acuerdo a síuna separación de fase líquido – líquido ocurre (an-tes que la solución se congele) o si ocurre una se-paración sólido – líquido. El tamaño de poro se puedecontrolar tanto por la concentración del polímerocomo por la velocidad de enfriamiento. Sin embar-go, observamos que para velocidades decongelamiento altas se favorece la nucleación y cre-cimiento y únicamente se obtienen polvos y/o es-tructuras finitas(fig. 4). La figura 5 muestra unamicrografía de un polímero elaborado en una solu-ción con diferentes relaciones de 1,4 dioxano/c-hexano y 20% en peso del poliuretano. La porosi-dad se incrementa conformen se incrementa el por-centaje de c-hexano en la solución. La morfología42Figura 6.  Micrografía de un poliuretano obtenido enuna mezcla de 1,4dioxano/c-hexano/agua (65/21 14 v/v/v). Temperatura de congelación –15°C200 µmconsiste de pequeñas moléculas unidas por molé-culas alargadas. Sin embargo, los polímeros elabo-rados en solución con más de un 20% de c-hexanono son apropiados para aplicaciones quirúrgicas. Lafigura 6 muestra una micrografía del MEB elabo-rado en una solución de 1,4 dioxano/c-hexano/agua(65/21/14 v/v/v). El tamaño de poros fue de más de200 µm los cuales parecen ser poros obtenidos porla evaporación del solvente. Estos macroporos fue-ron obtenidos por las bajas velocidades de enfria-miento la cual fue de –15°C.El comportamiento de las curvas esfuerzo con-tra deformación muestran una deformación lineal abajos esfuerzos,  en esta etapa el material se vaacomodando entre los poros, después de esto sepasa a un proceso de densificación en donde lacarga se eleva linealmente. La figura 7 muestrauna gráfica de la variación del módulo de Youngcon respecto a la hidroxiapatita, el módulo de Youngvaría en forma similar a como varía la densidad delpoliuretano sin hidroxiapatita, por lo que se puedeesperar que este comportamiento se debe no sola-mente a la hidroxiapatita en si, sino también al au-mento de densidad que sufre el poliuretano al agre-gar la HA, esto aspecto que se puede esperar quetenga una influencia es el tamaño, y la forma de laspartículas de HA, lo cual esta en estudio.El espectro infrarrojo de los materiales compues-tos PU/HA es presentado en la figura 8. En el es-pectro se muestran los picos característicos delpoliuretano como el que se presenta a 3330 cm-1que se atribuyen a la vibración por estiramiento delenlace N-H, a 1730 cm-1 se presenta el pico por lavibración ocurrida por el estiramiento del enlace deluretano C=O, el pico a 1535 cm-1 corresponde al  50 µm200 µmFigura 5b.  Micrografía de un poliuretano elaborado enuna mezcla de 1,4 dioxano/c-hexano(14 wt.%)Figura 5c.  Micrografía de un poliuretano elaborado conuna mezcla 1,4 dioxano/c-hexano(20 wt%)50 µmFigura 5a. Micrografía de un poliuretano elaborado conuna mezcla 1,4 dioxano/c-hexano(8 wt%)434000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500[566][604][962][1199][1222][1538][1730][2857][2938][3330][3572]Absorbancewavenumber (cm-1)Figura 8.  Espectro infrarojo de un composito poliuretano/hidroxiapatita0 5 10 15 20 25 30 350.10.20.30.40.50.6Módulo de Young (Gpa)contenido de HA(%)  Figura 7.  Variación del módulo de Young con respecto al contenido de HA.ConclusionesSe pudieron producir materiales porosos elabo-rados de poliuretano y poliuretano/hidroxiapatita poruna técnica de separación de fases inducidatérmicamente. Fue posible controlar la porosidad yla morfología por la variación de la velocidad decongelamiento y el co-solvente y no solvente utili-zado. Estos materiales, combinan un material orgá-nico biodegradable y un cerámico bioactivo, lo cualtiene una aplicación potencial como implantesortopédicos temporales.Bibliografía1. Chaput, C.; . DesRosiers, E.A; Assad, M.; Brochu,M.; Yahia, L´H.; Selmani, A.; Rivard, C.- H. Advancesin Materials Science and Implant orthopedic Surgery,Luwer Academic Publishers, Dordrecht, TheNetherlands,p. 229,1995.2. Mikos, A.G.; Bao Y.; Cima, L.M.; Ingber, D.; Vacanti;J.P.; Langer, R.J. of Biomed. Mat. Res., v. 27,p. 183,1993.3. Mikos, A.G.; Sarakinos,; Leite, G. S.M.; Vacanti,J.P.; Langer, R. Biomaterials, v.14, p. 323, 1993.4. Beumer,G.J.; van Blitterwijk,C.A.; Bakker, D.;Ponce,M. Biomaterials,v.14, p.598,1993.5. de Groot, J.H.; Nijenhuis,A.J.; Bruin, P.; Pennings,A. J.; Veth,R.P.H.; Klompmaker J.; and . Jansen,modo de estiramiento de los  enlaces N-H + C-Ndel uretano, y a 1222 cm-1 el pico se atribuye alestiramiento del enlace C-N. Los picos que corres-ponden a la HA se observan a 1039, 962, 604, y566 cm-1 atribuidos al modo de estiramiento del(PO4)3- y el modo de estiramiento que ocurre alre-dedor de 3572 cm-1.44H.W.B. Colloid and Polymer Science, v.268n.12,p.1073,1990.6. Szycher,M.; Siciliano, A.A.; and Reed, A.M.Polyurhetane Elastomers in Medicine. In Polymericbiomaterials, ed. S. Dumitriu, Marcel Decker, Inc, NewYork NY.,p.233,1994.7. Worley,S.; Marchand, R.; Lavallée, C. Biomaterials,v.11,p.97,1990.8. Chirilia,T.V.; Constable, I.J.; Crawford, G.J.;Vijayasekaran, S.; Thompson, D.E.; Chen, Y.C.;Fletcher, W.A.; Griffin, B.J.; Biomaterials,v.14,p.26,1993.9. Lelah, M.D.; Cooper, S.L.; Polyurethanes in Medici-ne, CRC Press, Boca Raton, FL, 1986.10. Jin, S.; Gonsalves, K. J. Mater. Sc.: Mater. Med. v.10,p.363,1999.11. Lindholm, T.C.; Gao, T.J.; Lindholm, T.S.; Int. J. OralMaxillofac. Surg, v.23,p.306,1994.12. Wan, A.C.A.; Khor, E.; Hastings, G.W. J. Biomed.Mater. Res. (Appl. Biomater) v.38, p.2351997.13. Liu, G. 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guía para el crecimiento del tejido. En este trabajo se han preparado poliuretanos y compositos

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cual se pudieron producir materiales porosos con una morfología controlada y reproducible. La

microestructura fue controlada por la variación en la concentración del polímero, temperatura de

congelamiento, relación solvente/no solvente y co-solvente utilizado. Usando está técnica se pueden

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a la porosidad interconectada y a la bioactividad que proporciona la hidroxiapatita pueden ser

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