Development of nanostructured ceramic biomaterials within the ZrO2-CeO2-Al2O3 system for application in dental implantology

Abstract

Esta tesis doctoral se llevó a cabo para estudiar y comprender la influencia de diferentes parámetros, como el tipo de material y las propiedades superficiales, en la respuesta biológica que se produce en la interfase célula/biomaterial tras la implantación. Esta tesis se centra principalmente en el estudio de un nuevo material compuesto cerámico (Z10Ce-A), que presenta propiedades mecánicas mejoradas con respecto a 3Y-TZP, el material cerámico de uso más extendido en implantología dental. Se prepararon discos cerámicos densos (diámetro = 10 mm; espesor = 1,5 mm) siguiendo la ruta de procesamiento convencional. Los materiales utilizados fueron 3Y-TZP (material de referencia), un nuevo material compuesto del sistema ZrO2-CeO2-Al2O3 (Z10Ce-A) y sus dos componentes monolíticos, CEZ-10 y SPA-05. Todos ellos fueron sometidos a dos procesos de modificación superficial, granallado (abrasión mecánica) y abrasión química. Además, a los discos de Z10Ce-A se les aplicaron patrones láser (abrasión física). Los procesos de abrasión se utilizaron para obtener muestras para pruebas biológicas con valores de rugosidad superficial que favorecen la diferenciación ósea (Ra = 1,0-1,5 mm). El granallado se llevó a cabo de una manera controlada, reproducible y que cumplía con los requisitos de Ra en las superficies de Z10Ce-A, 3Y-TZP y SPA-05. Específicamente, se chorreó arena de corindón blanco (<500 mm) a una presión de 2,5 bares durante 30 s (Z10Ce-A) y 1 min (3Y-TZP y SPA-05). El proceso de abrasión química se optimizó solamente en el caso de Z10Ce-A (HF 12%, 120°C, de 15-25 min) ya que als superficies de 3Y-TZP y SPA-05 no sufrieron modificación alguna, incluso tras largos tratamientos con diferentes soluciones químicas (ácidas y básicas). Por el contrario, la inestabilidad de CEZ-10 hizo imposible la producción de texturas superficiales reproducibles dentro del rango de rugosidad deseado. El proceso de impresión laser permitió obtener patrones de rejillas cuadradas con diferentes profundidades (1,0, 1,5 y 3,0 mm) y separaciones (10 y 30 mm) de surco en las superficies de discos de Z10Ce-A, mediante el ajuste de diferentes parámetros del láser. Se fabricaron estructuras tridimensionales de Z10Ce-A mediante dos innovadores métodos de procesamiento, la congelación direccional y la impresión 3D. Por otro lado, se congelaron diferentes soluciones (30, 40 y 50% en peso de sólidos) a diversas velocidades de congelación (0,5-10 K/min) para obtener estructuras laminares con poros tubulares alineados de diferentes características: porosidad ( 80%), tamaño de poro (10-23 mm) y espesor de lámina (3-4 mm). El valor máximo alcanzado de resistencia a la compresión fue de 12,16 MPa. Se desarrolló una tinta imprimible de base acuosa a partir del Z10Ce-A empleando un surfactante copolimérico no iónico. Tras superar las limitaciones del proceso, como el secado de las muestras, se imprimieron estructuras cerámicas tridimensionales, tales como enrejados redondos con poros interconectados, barras densas rectangulares (95% densidad) y estructuras cónicas, a través de boquillas de diferentes diámetros (100 mm ¿ 1 mm). Las barras densas se rompieron mediante flexión en tres puntos. El valor medio de sf alcanzado después de romper diez barras fue de 408 MPa, mientras que el valor máximo alcanzado fue de 575 MPa (representan el 50 y 70% del valor de sf obtenido para Z10Ce-A mediante el método convencional, 850 MPa, respectivamente). Los estudios biológicos demostraron la no citotoxicidad y hemocompatibilidad de Z10Ce-A. Asimismo, estos ensayos determinaron que Z10Ce-A induce la misma o más diferenciación ósea que CEZ-10, SPA-05 y 3Y-TZP. Además, se demostró que los tratamientos superficiales más eficaces en términos de diferenciación ósea son el granallado y los patrones láser (1,5 mm de profundidad de surco); el mejor método de producción de estructuras tridimensionales para este propósito es la congelación direccional (en particular, la estructura cortada horizontalmente).