Implementación, caracterización y validación biológica de técnicas de modificación superficial de titanio poroso pulvimetalúrgico para aplicaciones biomédicas.

Abstract

El titanio comercialmente puro es bien conocido como un material metálico que presenta un comportamiento in vivo adecuado, siendo reconocido como un buen candidato en los reemplazos del tejido óseo cortical. Sin embargo, el fenómeno de apantallamiento de tensiones y la deficiente osteointegración son aún limitaciones por resolver. En este contexto, se fabricaron sustratos de titanio poroso mediante la técnica de espaciadores (50 vol% de NH4HCO3, con dos rangos distintos de tamaño de partícula: 100-200 and 250-355 μm). Las muestras se prensaron a 800 MPa y se sinterizaron a 1250 ºC durante 2h, obteniendo un equilibrio entre la resistencia mecánica y la rigidez y reduciendo el módulo de Young de las muestras. Para mejorar el crecimiento e infiltración del hueso, así como la osteointegración, se implementaron diferentes técnicas de modificación superficial. Estos métodos pueden clasificarse en tres tipos. Uno de ellos consistió en generar rugosidad en la superficie plana y en el interior de los poros mediante ataque químico (inmersión de los sustratos en una solución de HF a 125 y 625 s). La rugosidad adicional sobre la topografía potenció la adhesión de osteoblastos, mejorando así la oseointegración. El segundo método está relacionado con transformar la superficie de los sustratos en bioactiva, mediante la deposición de recubrimientos bioactivos. Para este propósito, se depositaron hidroxiapatita (HA) y vidrio bioactivo (BG) sobre los sustratos, usando la técnica de sol-gel y la sedimentación por goteo, respectivamente. Adicionalmente, los sustratos recubiertos con vidrio bioactivo se sumergieron en fluido corporal simulado (SBF) para evaluar la precipitación de HA. Los recubrimientos bioactivos cubrieron y penetraron en los poros, consiguiendo una mejor adhesión entre el titanio y el hueso. Finalmente, el último proceso se basa en el uso de un recubrimiento de SPEEK, depositado sobre los sustratos de titanio. El éxito de este método se evaluó en términos del comportamiento antibacteriano. En concreto, una cepa bacteriana de MRSA fue cultivada. La presencia del recubrimiento de SPEEK inhibió la adhesión y proliferación de bacterias, evitando posibles infecciones alrededor del implante de titanio. Todos los sustratos, porosos y densos, fueron caracterizados antes y después de cada modificación superficial. La caracterización se llevó a cabo en términos de micro-estructura (densidad, porosidad, composición y fases), topografía (superficie y área de rugosidad), comportamiento mecánico macro (Ed, Ec, σy) y micro-mecánico (micro-dureza Vickers, curvas P-h), y comportamiento tribológico (resistencia al rayado y al desgaste). Además, la oseointegración se estudió mediante el cultivo celular (premioblastos C2C12-GFP) y bacteriano (cepas E. coli, P. aeruginosa y MRSA), en términos de su adhesión y proliferación. En resumen, se concluyó que los sustratos recubiertos con HA, BG y SPEEK presentan buenas propiedades biomecánicas (rigidez y límite elástico), debido a que la porosidad del sustrato no se altera. Sin embargo, los sustratos atacados mostraron una degradación importante en el comportamiento mecánico. Además, todos los tratamientos superficiales, consiguieron un sistema biofuncional, promoviendo el crecimiento del hueso hacia el interior y mejorando la oseointegración. Por tanto, pueden ser considerados como solución en los reemplazos óseos totales y/o parciales.