Fabricación y caracterización de cilindros de vidrio bioactivo para aplicaciones biomédicas

Abstract

La degradación de los tejidos blandos (cartílagos) y duros (huesos), puede asociarse al envejecimiento, enfermedades congénitas, degenerativas y traumas. La pérdida de resistencia mecánica de los tejidos óseos es causada por la disminución de la densidad de éstos. Por su parte, un cartílago lesionado, inflamado o dañado (roto o desgastado) puede causar síntomas como dolor y limitación del movimiento, al igual que puede conducir a daños articulares y deformidad. El tejido óseo presenta la mayor frecuencia de reemplazos, como resultado de patologías asociadas a enfermedades congénitas, al envejecimiento (pérdida de resistencia, asociada a la disminución de la densidad y el espesor) y traumas diversos (generalmente accidentes). Los biomateriales metálicos más usados clínicamente son el acero inoxidable austenítico, las aleaciones de Co-Cr, de tántalo y de titanio. Todos ellos presentan un comportamiento bioinerte (pobre oseointegración). En este contexto, destacan entre los problemas que ocurren en la intercara implante-hueso (fallos biofuncionales), el micro-movimiento relativo entre el biomaterial y el tejido, así como las infecciones ocasionadas por la formación y acumulación de bacterias durante la cirugía-cicatrización (fallos tempranos) o después de un año de implantación (fallo tardío). La osteointegraciónes la conexión estructural y funcional entre el hueso y la superficie del implante. Cuando ésta es deficiente y/o existe sobre-manipulación durante el acto quirúrgico se inhibe la formación del nuevo hueso; formándose en este caso una capa fina de tejido fibroso, la posterior encapsulación y el aflojamiento del implante (mediano y largo plazo). El Ti c.p. y sus aleaciones tienen una gran capacidad de osteointegración, si lo comparamos con otros biomateriales metálicos. Sin embargo, todavía presentan limitaciones que hacen necesaria la optimización de la unión íntima metal y hueso. Existen dos grandes caminos para mejorar la oseointegración: 1) manipulando la rugosidad y textura de la superficie del implante y 2) modificando la naturaleza química y estructural de la superficie de contacto entre el implante y el hueso para promover un enlace químico directo. El uso de recubrimientos bioactivos (hidroxiapatita y vidrios bioactivos) han sido ampliamente abordados en la literatura científica. La elección correcta del tipo de vidrio bioactivo (composición química) y del proceso de fabricación depende del objetivo que se persigue y la aplicación concreta de éstos. En este contexto, existe una relación inversa entre los coeficientes de expansión térmica (CTE) de los vidrios bioactivos y su capacidad de favorecer la oseointegración. Por otro lado, también existe una relación controvertida entre el grado de cristalinidad del vidrio, sus propiedades tribo-mecánicas y su bioactividad. En este proyecto fin de máster, en primer lugar, expondremos lo referente al estado del arte con la información referente al tema que estamos tratando y a los biomateriales que mejor se adaptan a nuestras condiciones. Por último, tras haber dejado explicado los procedimientos experimentales que se realizaron se exponen los resultados obtenidos. De estos resultados se han podido extraer una serie de conclusiones a partir de las cuales se han propuesto nuevos trabajos para futuras investigaciones.

The degradation of soft tissues (cartilage) and hard (bone) may be associated with aging, congenital, degenerative diseases and traumas. The loss of mechanical strength of the bone tissue is caused by the decreasing density thereof. Meanwhile, an injured, inflamed or damaged (broken or worn) cartilage can cause symptoms such as pain and limitation of movement, as it can lead to joint damage and deformity. Bone tissue presents the highest frequency of replacements, as a result of pathologies associated with congenital diseases, aging (loss of resistance, associated with a decrease in density and thickness) and various traumas (usually accidents). The most commonly used metal biomaterials are austenitic stainless steel, Co-Cr, tantalum and titanium alloys. All of them present a bioinert behavior (poor osseointegration). In this context, they stand out among the problems that occur in the implant-bone interface (biofunctional failures), the relative micro-movement between the biomaterial and the tissue, as well as the infections caused by the formation and accumulation of bacteria during surgery-healing. (early failures) or after one year of implantation (late failure). Osseointegration is the structural and functional connection between the bone and the surface of the implant. When this is deficient and / or there is over-manipulation during the surgical act, the formation of new bone is inhibited; forming in this case a thin layer of fibrous tissue, the subsequent encapsulation and loosening of the implant (medium and long term). The Ti c.p. and its alloys have a great osseointegration capacity, if we compare it with other metallic biomaterials. However, they still present limitations that make it necessary to optimize the intimate union of metal and bone. There are two main ways to improve osseointegration: 1) manipulating the roughness and texture of the implant surface and 2) modifying the chemical and structural nature of the contact surface between the implant and the bone to promote a direct chemical bond. The use of bioactive coatings (hydroxyapatite and bioactive glasses) has been widely discussed in the scientific literature. The correct choice of the type of bioactive glass (chemical composition) and the manufacturing process depends on the objective pursued and the concrete application of these. In this context, there is an inverse relationship between the coefficients of thermal expansion (CTE) of bioactive glasses and their capacity to favor osseointegration. On the other hand, there is also a controversial relationship between the degree of crystallinity of the glass, its tribo-mechanical properties and its bioactivity. In this final degree project, first, we expose relation to state of the art with the information regarding the issue at hand and biomaterials that are best suited to our conditions. Finally, after leaving explained the experimental procedures were performed the results obtained are set. From these results it was possible to draw a number of conclusions from which new jobs have been proposed for future research.