Efecto del tamaño de poro en el comportamiento biomecánico y biofuncional de implantes de titanio

Abstract

Debido al envejecimiento en aumento de la sociedad, hay una creciente necesidad de implantes para sustitución de hueso y también es necesario que estos puedan tener vidas más largas. Por esto, hay cada vez más interés en diseñar implantes de mayor calidad. El material metálico que mejor se adapta a los requerimientos para sustituir al hueso es el titanio, gracias a su excelente balance entre propiedades biomecánicas (bajo módulo de Young y densidad) y biofuncionales (biocompatible, resistente a la corrosión y buena oseointegración). Sin embargo, este presenta aún ciertas deficiencias, entre las que destacan dos: el módulo de Young del hueso es mucho menor que el del titanio, lo que hace que el hueso absorba menos carga y se produzca la resorción del hueso, haciéndose más débil; y la oseointegración del titanio, pese a ser buena, no lo es bastante para generar una interfase entre el hueso y el titanio lo suficientemente resistente. En este trabajo se aborda una solución a ambos problemas, fabricando titanio poroso como solución al problema de las diferencias de módulo de Young y empleando diversas técnicas para conseguir que la superficie tenga mejor oseointegración. Por un lado, se ha fabricado titanio poroso mediante la técnica de espaciadores (usando bicarbonato de amonio) con una porosidad de un 50 % con tres tamaños de partícula distintos (100-200 μm, 250-355 μm, 355-500 μm) y se ha caracterizado la morfología de la porosidad y sus propiedades mecánicas. Por otro lado, las técnicas que se han realizado para mejorar la oseointegración del titanio han sido: ataque químico para modificar la morfología de la superficie y conversión de la superficie en bioactiva, mediante deposición electroforética de compuestos de vidrio bioactivo/chitosan y vidrio bioactivo/PEEK y mediante sol-gel de hidroxiapatita sintética. Se ha evaluado el efecto del tamaño del poro en estas técnicas. Los resultados que se han obtenido evidencian un mejor comportamiento mecánico para el tamaño de espaciador de 100 a 200 μm. Los resultados de la biofuncionalización no son del todo concluyentes, aunque se observa una mayor homogeneidad en el caso del espaciador de 100 a 200 μm tanto para el ataque químico como para el recubrimiento con hidroxiapatita.

There is an increasing need of implants for bone replacement, due to the growing ageing of the modern society, and it is also necessary that these replacements have longer lives. For all this, designing implants of a higher quality has attracted a wide interest in the field of Biomaterials. The metallic material that best fits to the requirements of being a bone replacement is Titanium, thanks to its excellent balance between biomechanical (low stiffness and density) and biofunctional (biocompatible, corrosion resistant and good osseointegration) properties. Nevertheless, using Titanium as bone replacement has still some challenges that need to be overcame: Young’s Modulus of bone is much lower that Titanium’s, forcing the bone to absorb less loads than it needs and causing bone resorption, that leads to bone density loss and a possible breaking of the surrounding bone; and despite the good osseointegration of Titanium, it is still not good enough and there is a high amount of implant loosening due to the failure of the interface between Titanium and bone. This work tackles a suitable solution for both problems: porous c.p. Titanium as a solution for the high difference between Young’s Moduli of bone and Titanium and several techniques to achieve a stronger interface. On the one hand, porous Ti has been fabricated using the space-holder technique to achieve a 50 % porosity sample with different pore sizes (100-200 μm, 250-355 μm, 355-500 μm). Its pore morphology and mechanical properties has been characterized. On the other hand, three different techniques have been studied: acid etching to change surface morphology and modifying the chemical nature of the interface through making it bioactive using Electrophoretic Deposition of bioactive glass/chitosan and bioactive glass/PEEK biocomposites and sol-gel coating of synthetic Hydroxyapatite. The effect of the substrate pore size has been evaluated in these techniques. The results evidence a better biomechanical behavior in the pore size range of 100-200 μm. In terms of biofunctionalization, results are not conclusive, even though a higher homogeneity in the acid etching and the sol-gel coating is evidenced for the substrate of pore size range of 100-200 μm.