3. INTRODUCCIÓN 27
3.1. MATERIALES EN PRÓTESIS FIJA 31
3.1.3. Polímeros 43
Los polímeros son todas aquellas sustancias de naturaleza orgánica, tanto de origen natural como artificial, que se forman por aposición (mediante la reacción de polimerización) de otras moléculas de relativo bajo peso molecular, denominadas monómeros. Las propiedades físicas de los polímeros suelen estar en relación a su peso molecular, por lo tanto, si un mismo polímero es fabricado por dos procedimientos diferentes puede tener comportamiento diferente.17
Los polímeros de uso odontológico se pueden clasificar según: su origen (animal, vegetal, mineral o artificial), su comportamiento térmico (termoplásticos, termoestables…), su principal característica (rígidos, elastómeros, adhesivos…) o su principal indicación (impresiones, prótesis, obturaciones, adhesivos…).17
Actualmente, están surgiendo nuevos materiales poliméricos con diferentes composiciones de matriz y también porcentajes variables de relleno cerámico o de resina, es decir, materiales híbridos. Estos materiales están disponibles como materiales monolíticos para ser procesados con tecnologías CAD/CAM y parecen presentar mejores propiedades que los polimerizados manualmente.56
polimetilmetacrilato (PMMA), de resinas compuesta o de polieteretercetonas (PEEK). Los PAEK (poliariletercetonas) son una familia relativamente nueva de
polímeros termoplásticos de alta temperatura, consistente en una cadena molecular
de anillos aromáticos con uniones tipo cetona y éster. Los dos polímeros más usados de esta familia son el PEEK (polieteretercetona) y el PEKEKK
(polietercetonaetercetonacetona).57 (Fig. 3.3).
Fig. 3.3. Estructuras químicas de las moléculas de PEEK y PEKEKK.
La estructura química de las cetonas poliaromáticas confiere estabilidad a altas temperaturas (excediendo los 300ºC), resistencia a la agresión química y a la radiación, compatibilidad con agentes de refuerzo (como vidrios y fibras de carbono) y una mayor resistencia que muchos metales, por lo que es muy atractivo en aplicaciones industriales como la industria aeronáutica, aeroespacial, automotriz, química y biomédica.57-‐59
El PEEK es un polímero semicristalino de dos fases, que consta de una fase amorfa y una fase cristalina. Como muchos polímeros semicristalinos, el contenido cristalino del PEEK varía dependiendo de su procesamiento térmico. Puede ser procesado utilizando diferentes técnicas incluyendo vaciado o moldeado por inyección, extrusión y compresión a temperaturas entre 390 y 420ºC. A temperatura ambiente, el PEEK está en un estado puro, ya que su temperatura de transición vítrea se produce aproximadamente a 143ºC, mientras la temperatura de fusión cristalina se produce alrededor de los 343ºC.57
Según sea el proceso de polimerización, la proporción entre fase cristalina y amorfa varía. El tamaño real y extensión de los cristales de PEEK depende de variables como la temperatura de procesamiento, el tiempo, la tasa de enfriamiento localizado y cualquier recocido post-‐producción.57 La cuantificación de contenido cristalino y el estudio de la microestructura de PEEK se ha determinado con diferentes técnicas como son el estudio por difracción de rayos X y la calorimetría diferencial de barrido (DSC). Según estas técnicas (basadas en una simplificación de la realidad física en un modelo con dos fases -‐amorfa y cristalina-‐ totalmente separadas) se ha determinado que la densidad de las fases totalmente cristalinas y amorfas de PEEK es de 1400 y 1265 g/cm3, respectivamente y el calor de fusión de unos 130 J/g.57
La estructura de PEEK presenta una excelente resistencia química (a hidrocarburos, ácidos y bases débiles).57 Tras la polimerización, es químicamente inerte e insoluble en solventes convencionales, con excepción del ácido sulfúrico al 98%.60 Es resistente a la hidrólisis, pero la interfaz entre el polímero y refuerzos, como la fibra de carbono, puede ser vulnerable a entornos fluidos in vivo.61
Boinard y cols.62 encontraron pruebas de que la absorción de agua sigue una relación exponencial con el tiempo y puede reducir ligeramente la cristalinidad de PEEK. Zhang y cols.63 muestran que la absorción de líquidos por parte de especímenes de PEEK a remojo durante 30 días representa un 98% de la absorción antes de realizar una prueba mecánica de compresión de carga cíclica a largo plazo. Aunque no encuentran cambios significativos en propiedades mecánicas de flexión tras la exposición en ambiente salino a altas temperaturas. Liebermann y cols.56 afirman que el PEEK presenta baja solubilidad y una baja tasa de absorción de agua por lo que puede ser recomendado para restauraciones de larga duración. Por lo tanto, debido al ambiente que deben soportar los materiales compuestos de PEEK para implantes y prótesis, se considera importante tener en cuenta la exposición a fluidos al realizar los test o pruebas biomecánicas.
En cuanto la estabilidad ante la radiación, la esterilización repetida con radiación gamma, no produce cambios significativos en el comportamiento mecánico de PEEK y PEEK con de fibra de carbono.64 Su degradación térmica ocurre entre la
temperaturas de transición vítrea y la temperatura de fusión.57 Basándonos en esto, es evidente que la degradación térmica no es una preocupación durante el uso clínico de los biomateriales de PEEK alrededor de 37ºC como es la temperatura corporal.
Además, este biomaterial presenta un excelente comportamiento mecánico, que va a estar influenciado por la velocidad de deformación, la temperatura, el peso molecular, orientación y tamaño de las regiones cristalinas.57, 62, 65
Presenta una optima estabilidad dimensional y su valores de resistencia a la flexión son muy altos en comparación a otros materiales plásticos utilizados en odontología, incluso sometiéndose a cambios de temperatura.66 Su resistencia a la fractura puede estar por encima de los 1.300 N.67, 68 A pesar de que su estructura molecular es relativamente rígida, el PEEK tiene una considerable ductilidad y se puede acomodar a una gran deformación plástica,69 tanto en tensión uniaxial, en compresión65 y tensión-‐deformación cíclica.70, 71
Una de sus principales y mejores propiedades es que presenta un módulo elástico bajo (Young) (3-‐4 GPa) comparable al hueso cortical humano.72, 73 Las propiedades de tensión también son parecidas a las del hueso, esmalte y dentina, lo que hace que sea un material de restauración adecuado en cuanto a las propiedades mecánicas se refiere. 74
Las propiedades mecánicas comienzan a disminuir a temperaturas por encima de 150ºC, esto se debe tener en cuenta en aplicaciones para ingeniería industrial, en cambio, en aplicaciones como biomaterial donde el ambiente térmico esperado es de alrededor de 37ºC, el comportamiento elástico del PEEK es relativamente insensible a la temperatura.57, 65 Sin embargo, la flexibilidad, el flujo plástico y el comportamiento de fractura están ligeramente afectados por la velocidad de deformación a temperaturas fisiológicas, exhibiendo una mayor sensibilidad a los cambios de temperatura por debajo de la temperatura de transición vítrea que las propiedades elásticas.65
Un número de fenómenos termo-‐mecánicos, incluyendo cambios en la cristalinidad, deformación inducida por calentamiento, decoloración macroscópica, y
ruptura viscoelástica de recuperación inducida, pueden acompañar a una alta velocidad de deformación y a las grandes deformaciones de PEEK asociadas con el impacto.65 Las cargas de impacto, por ejemplo, durante la instalación o el contacto de fricción en un reemplazo de la articulación, pueden afectar a la respuesta estructural de los materiales utilizados en esas prótesis.69 El comportamiento dinámico de los materiales de PEEK está fuertemente influenciado por la cristalinidad75 que a su vez, refleja la historia del procesado térmico del PEEK.57
Esta familia de polímeros, además de caracterizarse por su resistencia, es inerte y biocompatible76, 77 El PEEK posee una buena interacción biológica, pero una menor bioactividad si lo comparamos con el titanio. Para mejorar la bioactividad y fijación de los implantes de PEEK se han propuesto varios métodos como recubrimientos con hidroxiapatita, con titanio, aumento de la rugosidad superficial y modificaciones químicas.58, 78-‐80
Como características secundarias, es un material radiotransparente57 y opaco con un color generalmente de blanco a gris.81 Tanto la radiotransparencia como el color pueden considerarse ventajas con respecto a los materiales metálicos, por ejemplo, para su uso en implantes cráneomaxilofaciales y como material odontológico.
Debido a todas estas propiedades, como se ha ido mencionando, las aplicaciones biomédicas del PEEK son numerosas. En el campo de la traumatología y ortopedia (implantes y prótesis de columna,57, 59 prótesis de rodilla, prótesis de cadera, prótesis metacarpo-‐falángica,57 prótesis para defectos cráneofaciales82) en cardiología, ingeniería de tejidos83 y en el campo de la odontología.
Las aplicaciones dentales van desde su utilización en ortodoncia (alambres de PEEK), odontología conservadora y restauradora (resinas compuestas de PEEK), implantología (implantes y pilares de cicatrización) y prostodoncia (estructuras de prótesis parcial removible84 y obturadores maxilares,82 estructuras de prótesis fija dentosoportada e implantosoportada, de sobredentaduras y de prótesis híbridas sobre implantes).66, 72, 74
El procesado de este material puede realizarse mediante dos técnicas diferentes: técnica de prensado y tecnología CAD/CAM. Para el proceso de prensado se presiona el material con un dispositivo especial de prensado al vacío y se utiliza PEEK en gránulos pre-‐prensados o en forma granular. La otra opción es el uso de tecnología de fresado CAD/CAM, donde se utilizan cartuchos o discos de PEEK prensados industrialmente bajo parámetros estandarizados de presión, temperatura y tiempo.68 La técnica de procesado como se ha descrito en los demás materiales puede influir en las propiedades de los mismos, el PEEK fabricado mediante CAD/CAM parece mostrar un menor patrón de deformación y valores más altos de resistencia a la fractura,67, 68 aunque no existen aún estudios sobre las propiedades de las restauración a largo plazo.
Aunque presenta un color parecido al beige, no es estético para realizar prótesis de forma monolítica en la zona visible, por lo que un recubrimiento adicional se hace indispensable.81 Pero la unión de materiales de recubrimiento de resina compuesta supone un desafío debido a la complejidad de la estructura química del PEEK.85 Se han utilizado varios tratamientos de superficie (grabado con ácidos, chorreado con partículas abrasivas, aplicación de plasma) y diferentes sistemas adhesivos y recubrimientos para mejorar la adhesión, sin embargo no hay suficiente evidencia científica que justifique la técnica de recubrimiento óptima para el PEEK,81,
85-‐89 así como la mejor técnica de cementado a la superficie dentaria.90