REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD PRIVADA DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN VICERECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO
DECANATO DE INVESTIGACIÒN Y POSTGRADO
MAESTRÍA EN GERENCIA DE PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
INNOVACIÓN TECNOLÓGICA EN EL USO DE MATERIALES CERÁMICOS SOBRE EL SUSTRATO Ti6Al4V COMO ALTERNATIVA EN
EL MEJORAMIENTO DE SU USO COMO IMPLANTE BIOMÉDICO Trabajo presentado como requisito final para optar al grado de Magister
Scientiarum en Gerencia de Proyectos de Investigación y Desarrollo
Autor: Ing. Marly Ximena Blanco Vera C.I: 1.098.684.896 E-mail: [email protected] Tutor: M.Sc. Boscán, Neida C.I.: 4.348.289 E-mail: [email protected]
Maracaibo, Enero de 2017
INNOVACIÓN TECNOLÓGICA EN EL USO DE MATERIALES CERÁMICOS SOBRE EL SUSTRATO Ti6Al4V COMO ALTERNATIVA EN
EL MEJORAMIENTO DE SU USO COMO IMPLANTE BIOMÉDICO
iii
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mi esposo, Jesús Román Camacho, por ser ese ángel que siempre me brinda su apoyo y que es feliz con cada uno de mis triunfos, por ser mi sustento, mi motor y mi ayuda continua en mi proceso de aprendizaje. Sé que cada triunfo que obtenemos será indispensable para seguir construyendo nuestra hermosa familia.
A mis padres Sara Vera Dulcey y German Blanco Márquez, que de una u otra forma me han ayudado y se sienten orgullosos por cada paso que doy.
A mis hermanos German y Natha, que han sido el motor y la razón de todo mi esfuerzo.
Marly Ximena Blanco Vera.
AGRADECIMIENTOS
La autora de este proyecto expresa sus más sinceros agradecimientos a:
La universidad privada Dr. Rafael Belloso Chacín por ayudarme en el proceso de aprendizaje y ayudar a culminar mi Maestría.
Neida Boscàn, por ser mi tutora, mi guía, por su constante entrega de conocimiento y experiencia, por su paciencia y motivación constante, forjando las ideas que paso a paso construyeron esta investigación.
José Manuel Chirinos, por su gran entrega, por su asesoría, por siempre colaborarme en este gran proceso, lo cual ayudó a culminar mis estudios, adquiriendo grandes conocimientos para mi vida profesional.
Al profesor Darío Yesid Peña Ballesteros, al profesor Custodio Vasquez Quintero y al profesor Hugo Armando Estupiñàn por sus valiosos aportes en el estudio de nuevos materiales Nanoestructurados para regeneración ósea sobre materiales osteointegrables.
A los ingenieros Jenny Paola Daza Cuadros, Carlos Eduardo Quintero Quiroz, Andrés Felipe Quintero Jaime, Johanna Carvajal Rey, Diego Fernando García Salamanca y a Elvis Mórelo Herrera, quienes con sus investigaciones, permitieron que yo realizara una revisión bibliográfica y proponer un proyecto factible en la innovación tecnológica en el uso de materiales cerámicos sobre sustrato Ti6Al4V como alternativa de implante biomédico.
A mis compañeros y amigos más cercanos, por estar cerca en los momentos difíciles, brindarme una sonrisa y compartir sus conocimientos adquiridos.
v
ÍNDICE GENERAL
VEREDICTO……….. iii
DEDICATORIA ... iv
AGRADECIMIENTOS... v
ÍNDICE GENERAL ... vi
INDICE DE FIGURAS ... viii
INDICE DE TABLAS ... ix
INDICE DE CUADROS………..x
RESUMEN………. xi
ABSTRACT ... xii
INTRODUCCIÒN ... 1
CAPÍTULO I. EL PROBLEMA ... 4
1. Situación actual y deseada ... 4
2. Objetivos de la Investigación ... 7
2.1 Objetivo General ... 7
2.2 Objetivo Específico ... 7
3 . Justificación e impacto ... 8
4 . Análisis de factibilidad ... 9
5 . Delimitación de la Investigación ... 9
II. MARCO TEÓRICO ... ¡Error! Marcador no definido.10 1 Antecedentes ... 10
2. Bases teóricas ... 25
2.1 Materiales metálicos ... 25
2.2 La Aleación Ti6Al4V ... 26
2.3 Biomateriales ... 28
2.4 Modificación superficial ... 30
2.5 Proceso de anodizado ... 32
2.6 Tratamientos Alcalinos- Titanato de Sodio ... 33
2.7 Bioactividad de las fases TiO2 ... ¡Error! Marcador no definido.34 2.8 Quitosano ... 35
2.9 Policaprolactona ... 36
2.10 Proceso SOL-GEL ... 37
2.11 Litografía láser ... 38
2.12 Interfase célula- material ... 38
2.13 Corrosión y superficie de biomateriales metálicos ¡Error! Marcador no definido.41 2.14 Evaluación de las propiedades bioactivas en fluido corporal simulado (SBF)………... ... 43
vi
III. ESTRATEGIAS PROCEDIMENTALES Y RECURSOS ... 45
1. Técnicas de investigación ... 45
1.1 Recolección de datos primarios ... 46
1.2 Recolección de datos secundarios ... 47
2. Tipo de Investigación ... 48
3. Diseño de la Investigación ... 49
4. Población beneficiaria del proyecto ... 50
4.1. Población objetivo ... 50
5. Fases para la realización del proyecto ... 51
6. Razones por las cuales se diseñó la presente propuesta de investigación. ... 52
7. Cronograma de ejecución ... 54
7.1. Recursos técnicos ... 54
IV. DESARROLLO DE LA PROPUESTA... 57
1. Diseño del prototipo de implante biomédico ... 57
V.ESTRATEGIAS Y LINEAMIENTOS DE LA PROPUESTA ... 64
1 Organigrama ... 64
2. Presupuesto general del proyecto ... 65
2.1 Análisis económico y costos operativos ... 65
2.2 Posibles fuentes de financiación ... 67
3 . Plan básico de monitoreo ... 67
3.1 Registro de alternativas y fuentes de tecnología ... 67
3.2 Plan de monitoreo ... 68
3.3 Recurso humano... 69
3.4 Horas hombre necesarias. ... 69
4 Unidad ejecutora ... 70
CONSIDERACIONES GENERALES ... 71
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 72
ANEXOS ... 76
vii
INDICE DE FIGURAS
FIGURA Pág.
1. Justificación e impacto en la elección del presente
proyecto de investigación. 8
2. Análisis de factibilidad del presente proyecto de investigación.
9 3. Formación de óxidos en la aleación de Ti6Al4V y
adhesión de apatitas en la superficie.
14 4. Micrografía de la aleación Ti6Al4V a 2000X atacada con
solución Kroll 28
5. Representación del cambio estructural en la superficie tratada con oxidación alcalina mediante inmersión en
NaOH. 34
6. Secuencia de eventos que ocurren al colocar un
biomaterial en el cuerpo humano. 41
7. Cronograma de actividades. 54
8. Metodología propuesta para la ejecución del proyecto de
investigación. 57
9. Pulido mecánico, decapado y caracterización mediante
Microscopía Óptica. 58
10. Tratamiento Superficial Alcalino 59
11. Mezcla de PCL/Quitosano 60
12. Mezcla de PCL/Quitosano 61
13. Proceso de litografía láser sobre el recubrimiento
generado. 62
14. Obtención del modelo propuesto en la presente
investigación antes de inmersión en SBF. 63 15. Obtención del modelo propuesto en la presente
investigación después de la inmersión en SBF. 63 16. Organigrama del personal encargado de la ejecución del
proyecto de investigación. 64
viii
INDICE DE TABLAS
TABLA Pág.
1. Metales y aleaciones implantables 13
2. Combinación de diferentes tipos de materiales implantados
en algunas prótesis de cadera. 15
3. Composiciones químicas de los diferentes grados de titanio
cp. 15
4. Propiedades mecánicas de los diferentes grados del titanio
cp 16
5. Composición química de la aleación Ti6Al4V 27
6. Reactivos con sus respectivas fórmulas químicas, empleados en la síntesis y obtención de los cerámicos
depositados sobre el sustrato Ti6Al4V. 55
7. Reactivos y materiales 65
8. Registro de alternativas y fuentes de tecnología 68
ix
INDICE DE CUADROS
CUADRO Pág.
1. Cuadro Analítico de los Diseños encontrados para la
revisión bibliográfica 24
2. Actividades de la propuesta factible 51
3. Técnicas de caracterización fisicoquímica y
electroquímica 56
Blanco Vera Marly Ximena. Boscán Neida. Innovación Tecnológica en el uso de Materiales Cerámicos sobre el Sustrato Ti6al4v como Alternativa en el Mejoramiento de su uso como Implante Biomédico. Trabajo de Grado. Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. Maestría en Gerencia de Proyectos de Investigación y Desarrollo.
RESUMEN
En la actualidad se han realizado avances significativos en el campo de los biomateriales, mejorando las propiedades superficiales, que logran una estructura que provee al hueso, condiciones óptimas para su desempeño, brindando sitios activos para el crecimiento y desarrollo de proteínas y/o células, que permiten a su vez, mayor funcionalidad en los implantes biomédicos.De allí nace la necesidad de realizar el siguiente estudio bajo la modalidad de proyecto factible, donde por medio de una revisión documental de proyectos de investigación científica y experimentación en el laboratorio se planteó una solución al uso de un implante biomédico, empleando cerámicos que posean mayor reacción biológica sobre el sustrato Ti6Al4V, modificando a su vez, sus propiedades fisicoquímicas. Se propuso el uso conjunto de recubrimientos cerámicos sobre el sustrato Ti6Al4V para el mejoramiento en su uso como implante biomédico, con un diseño de investigación analítico, cuya fuente de conocimientos fue representado por siete investigaciones; Copete, López, Vargas, Echavarría y Ríos (2012), Daza Jenny y Quintero Carlos (2013), García Diego (2013), Quintero Jaime (2013), Blanco Marly y Carvajal Johanna (2013), Barriuso G (2014) y Mórelo Elvis (2015). Todos estos proyectos de investigación sirvieron para desarrollar la presente propuesta de investigación. Esta investigación permitió diseñar un prototipo que puede sustituir los implantes convencionales de rodilla, hombro y cadera, logrando mejores propiedades.
Se realizó la síntesis del recubrimiento y pruebas de caracterización fisicoquímica y electroquímica para cada etapa, logrando comprobar que el implante diseñado en la presente investigación, servirá para mejorar la calidad de vida de las personas que lo requieran. Para el diseño del presente prototipo como producto de innovación tecnológica se desarrollaron las siguientes etapas: anodizado de la superficie, tratamiento alcalino y tratamiento térmico del recubrimiento, disolución del quitosano y policaprolactona, recubrimiento del sol-gel de hidroxiapatita por dip-coating, litografía láser y evaluación de la bioactividad mediante la inmersión en fluido corporal simulado (SBF). Como etapa final se busca que el prototipo propuesto, sea ensayado en seres vivos para tener un sistema más real de estudio.
Palabras claves: Ti6Al4V, biomaterial, proyecto factible, sustrato, implante, cerámico.
xi
Blanco Vera Marly Ximena. Boscán Neida. Technological Innovation In The Use Of Ceramic Materials On The Substrate Ti6al4v As An Alternative In The Improvement Of Its Use As A Biomedical Implant.
Degree work. Dr. Rafael Belloso Chacín, Private University. Research and Development Project Management Master.
ABSTRACT
At present, significant advances have been made in the field of biomaterials, improving the surface properties, which provide a structure that provides the bone optimal conditions for its performance, providing active sites for the growth and development of proteins and / or cells, which in turn allow greater functionality in biomedical implants. From there, the need to carry out the following study under the feasible project modality, where through a documentary review of scientific research and experimental projects in the laboratory, a solution was proposed to the use of a biomedical implant, using ceramics that have a larger biological reaction on the substrate Ti6Al4V, modifying in turn, its physico-chemical properties. It was proposed the joint use of ceramic coatings on the substrate Ti6Al4V for the improvement in its use as a biomedical implant, with an analytical research design, whose source of knowledge was represented by seven investigations; Copete, López, Vargas, Echavarría and Ríos (2012), Daza Jenny and Quintero Carlos (2013), Garcia Diego (2013), Quintero Jaime (2013), Blanco Marly and Carvajal Johanna (2013), Barriuso G (2014) and Mórelo Elvis (2015). All these research projects served to carry out the present research proposal.
This research allowed to design a prototype that can replace the conventional implants of knee, shoulder and hip, obtaining better properties. The synthesis of the coating and tests of physicochemical and electrochemical characterization were carried out for each stage, making it possible to verify that the implant designed in the present investigation will serve to improve the quality of life of the people who require it. For the design of the present prototype as a product of technological innovation, the following steps were developed: surface anodizing, alkaline treatment and heat treatment of the coating, dissolution of chitosan and polycaprolactone, coating of hydroxyapatite sol-gel by dip-coating, laser lithography And evaluation of bioactivity by immersion in simulated body fluid (SBF). As a final step, it is sought that the proposed prototype be tested in living beings to have a more real system of study.
Key Words: Ti6Al4V, biomaterial, feasible project, substrate, implant, ceramic.
INTRODUCCIÒN
Existe en la actualidad la necesidad de incorporar dispositivos artificiales en el cuerpo humano, lo cual ha permitido estudiar sobre la compatibilidad de estos materiales con la naturaleza humana, convirtiéndose en una prioridad de investigación en la industria biomédica. Los biomateriales son materiales aptos para ser usados en el cuerpo humano para reemplazar tejidos duros con el fin de alivio, lesiones, sustitución, tratamiento o modificación de anatomía.
Los materiales metálicos fueron los primeros materiales que revolucionaron el modo de vida de la humanidad, acompañándola desde su existencia. Los metales y aleaciones se emplean, básicamente, como componentes estructurales, a fin de reemplazar determinadas partes del cuerpo humano, que requieran soportar carga, debido a sus propiedades mecánicas y a la resistencia a la corrosión en el organismo.
Los materiales metálicos más utilizados en la actualidad para la fabricación de implantes son los aceros inoxidables, las aleaciones cobalto- cromo y el titanio puro o aleado con otros metales. Si bien las aplicaciones de los biomateriales metálicos son múltiples, el número de aleaciones metálicas que pueden soportar un medio tan agresivo como es el organismo es muy reducido.
Sin embargo, es necesario la contribución de materiales cerámicos sobre el sustrato metálico, debido a que aumenta la resistencia al desgaste, aumenta la proliferación de iones calcio, aumenta la biocompatibilidad y biomimesis , aumenta el tiempo de vida útil del implante en contacto con el tejido circundante y a su vez, evita las complicaciones de una segunda o tercera intervención quirúrgica
Basados en la necesidad de lograr obtener superficies con mayor reacción biológica, se estudia la aleación Ti6Al4V, incorporando diferentes
materiales cerámicos, incrementando la interacción con el medio fisiológico, para mejorar su uso como implante biomédico para prótesis de cadera, rodilla y hombro y como producto de innovación tecnológica.
La presente propuesta nace a partir del desarrollo experimental de un implante biomédico que pueda interactuar con fluido fisiológico y que a su vez presente mayor reactividad y un tiempo de vida útil mayor, respecto a los dispositivos que se implantan actualmente. Es importante recalcar que hasta el momento, el autor de esta propuesta ha realizado pruebas preliminares en laboratorio, donde se ha podido realizar las etapas de preparación superficial, anodizado de la superficie, tratamiento alcalino, litografía láser e inmersión en fluido fisiológico, con sus respectivas pruebas de caracterización fisicoquímicas y electroquímicas.
Sin embargo, según la literatura consultada, el uso de recubrimientos cerámicos como PCL/Quitosano, recubrimientos de hidroxiapatita por dip- coating, también servirán para aumentar la reactividad química y el intercambio iónico con el medio, aumentando la biocompatibilidad, por esta razón, estos recubrimientos hacen parte fundamental del prototipo planteado.
Este proyecto factible presenta innovación tecnológica ya que se propone un prototipo basado en el uso conjunto de diferentes recubrimientos cerámicos, que junto con una modificación superficial mediante litografía láser, aumentará el área superficial, imitará la porosidad del hueso y aumentará la reactividad química, proporcionando una aceptación del organismo mucho más rápida y con una mayor duración, en relación a los dispositivos biomédicos, actualmente empleados.
De esta forma, la investigación está estructurada en cinco capítulos:
El primer capítulo es titulado el problema, que enfoca el planteamiento y detalla el propósito de la presente propuesta.
El segundo capítulo titulado Marco Teórico, que expone los antecedentes que fundamentan la investigación, con los aportes teóricos que la sustentan.
2
El tercer capítulo denominado Estrategias Procedimentales y Recursos que describe los recursos requeridos para la ejecución del proyecto.
El cuarto capítulo llamado Desarrollo de la Propuesta, el cual indica el tipo y diseño de la investigación, técnicas de recolección de datos usadas, las técnicas de análisis de la información recopilada y el procedimiento empleado para validar y obtener la información.
El quinto capítulo incluye la Propuesta, donde se desarrolla la parte experimental para la obtención de la innovación tecnológica que se desea obtener en la presente propuesta factible.
Finalmente se expresan las consideraciones finales, donde se presenta las diferentes observaciones y conclusiones que se deben tener en cuenta para que la propuesta factible presentada se pueda ejecutar de la mejor manera.
3
