Diseño y evaluación de materiales compuestos cerámica/metal para aplicaciones biomédicas

Abstract

La incidencia de enfermedades óseas aumenta en la población actual a consecuencia de factores de riesgo derivados del estilo de vida (tabaquismo, obesidad), enfermedades crónicas y al envejecimiento de la población. Frecuentemente, la única alternativa que se plantea es la sustitución de los tejidos afectados por dispositivos sintéticos pero, debido a la diferente biomecánica y/o a la ausencia de interacciones a nivel superficial con los tejidos óseos, los implantes actuales pueden fallar. Esta tesis doctoral tiene como objetivo desarrollar nuevos materiales multifuncionales con una biomecánica mejorada y superficies bio-funcionalizadas que induzcan mecanismos naturales de osteointegración, lo cual constituye un reto en clínica de las endoprótesis. En la parte introductoria se guía al lector a través de aspectos importantes en la Ciencia de los Biomateriales y su impacto social. También se presentan los cermets, materiales compuestos cerámica/metal que combinan sinérgicamente propiedades de los monolíticos. Como materiales de partida se utilizan alúmina,circona y titanio; per se biomateriales estructurales de uso extendido. El titanio tiene menor densidad y módulo elástico que otros metales, buena resistencia mecánica, y excelente resistencia a la corrosión. Alúmina y circona, presentan alta resistencia al desgaste, excelente resistencia a la compresión y dureza. En el Capítulo 3, se fabrican y evalúan mecánicamente los nuevos sistemas alúmina/titanio y circona/titanio. Desarrollar materiales compuestos con una segunda fase de titanio ha sido tradicionalmente un reto ya que, dada la alta reactividad, durante la sinterización se forman compuestos secundarios que debilitan la microestructura. El uso de nuevas tecnologías que permiten la rápida conformación de los materiales, como es el Spark Plasma Sintering (SPS), ha facilitado el desarrollo de nuevos cermets alúmina/titanio (25% vol. Ti) con comportamiento de curva-R y notable tolerancia a los defectos. En el caso de los materiales circona/titanio, la mayor reactividad del titanio con la circona que con la alúmina, conduce a compuestos del tipo TiO, ¿-Ti(O, Zr), Ti2ZrO y/o Y2Ti2O7, que inducen una pobre mecánica y el envejecimiento acelerado de los cermets. Mediante la molienda de atrición del polvo de titanio y su recubrimiento por sol-gel con una capa de itria se consiguen compuestos circona/titanio (25% vol. Ti) sin envejecimiento prematuro y con valores de resistencia a flexión que duplican los obtenidos antes de modificar el titanio. El Capítulo 4, estudios in vitro demuestran que los métodos de fabricación no inducen citotoxicidad alguna. La compatibilidad de los materiales es evaluada a nivel celular mediante estudios de adhesión, proliferación y diferenciación. Estos estudios permiten correlacionar el comportamiento celular con las propiedades superficiales. Los sustratos de alúmina/titanio (más hidrófilos y con rugosidad sub-micrométrica formada por estructuras tipo valle) inducen mejor actividad osteoblástica que la alúmina pura, más hidrofóbica y con predominancia de picos en la topografía. En el sistema circona/titanio, la adhesión y la diferenciación a tiempos cortos se mejoran sobre la nano-estructura de la circona, permitiendo así verificar al SPS como una tecnología adecuada para fabricar nanomateriales bioactivos. Circona/75% vol. Titanio, el cermet más hidrofílico y polar, mejora la proliferación y diferenciación osteoblástica a tiempos largos. En el Capítulo 5, se aborda la biofuncionalización de sustratos circona/titanio. Motivos biológicos (oligopéptidos con la secuencia RGDS) son inmovilizados covalentemente en las superficies inorgánicas, creando híbridos orgánicos/inorgánicos de actividad conocida. Así, este enfoque innovador, previamente optimizado para el titanio, es ahora extendido con éxito a materiales que contienen circona. Por último, el Capítulo 6 recoge las técnicas experimentales más representativas, y el Capítulo 7 las conclusiones generales extraídas de esta tesis doctoral. Este trabajo de investigación contribuye a aumentar el conocimiento sobre el desarrollo de compuestos cerámica/metal, y sobre las interacciones biológicas con materiales de relevancia clínica, como son la alúmina, la circona, el titanio y sus compuestos. Determinar las causas últimas que dirigen el comportamiento celular es complicado debido a los efectos combinados de las propiedades superficiales. Sin embargo, biofuncionalizando los dispositivos inorgánicos con biomoléculas de actividad conocida, se puede inducir una respuesta biológica dirigida en el cuerpo.