2 Superficies Bioactivas

Desde que se investigan los fenómenos biológicos de la osteointegración, la superficie de los implantes ha ido evolucionando desde superficies relativamente lisas o mecanizadas hasta unas superficies rugosas desarrolladas por aposición de plasma de titanio o hidroxiapatita, o por sustracción de la superficie por chorreado de arena, grabado ácido, o por la combinación de varios tratamientos ..

En los últimos años se han ido incorporando al campo de la implantología diversos tipos de superficies, que los grupos de investigación que las han desarrollado y las empresas que las han comercializado denominan superficies bioactivas.

La importancia de que un material pueda ser absorbido por hueso fue notada por algunos de los primeros cirujanos como es el caso de Joseph Lister quien se fundamentó en el hecho de que los materiales para suturas, que para ese momento no eran absorbibles, actuaban como nidos de infección. ²¹

Este tipo de material recibe una respuesta biológica específica en la interface, formando enlaces químicos entre el material y el tejido que lo rodea. Dentro de este grupo de materiales, los cerámicos de fosfato de calcio son los que más tienen parecido a la estructura del hueso, ya que los huesos están compuestos de un 70% mineral de fosfato cálcico lo cual le permite al material ser 100% biocompatible.

De entre los materiales bioactivos más empleados es la hidroxiapatita (HAp ), principal componente inorgánico del hueso, el más difundida, con un comportamiento bioactivo no igualado hasta el momento.

El camino a seguir para lograr implantes bioactivos con buenas propiedades mecánicas, en el caso de los implantes óseos y dentales, está dirigido al desarrollo de técnicas de tratamiento superficial que permitan la obtención de recubrimientos de cerámicas bioactivas de fosfatos de calcio sobre implantes metálicos de forma tal que se combine el excelente comportamiento biológico de las primeras con las buenas propiedades mecánicas de los segundos.

La bioactividad se refiere a la característica de un material para formar una unión con los tejidos vivos. Los materiales bioactivos deben tener capacidad osteoconductora, facilitando la colonización sobre su superficie de las células osteogénicas y posteriormente su crecimiento y maduración.

Fig. VI-2.I - Izquierda) Corte histológico a las 2 semanas. Implante control sin melatonina. Derecha) Corte histológico a las 2 semanas. Implante test con melatonina [16]

La melatonina segregada fundamentalmente por la glándula pineal posee un poderosa acción antioxidante, tiene funciones inmunomoduladoras y promueve la formación ósea. La melatonina ha sido utilizada para estimular la oseointegración aplicada sobre la superficie de los implantes.

Un estudio realizado en la mandíbula de perros Beagle demuestra que a las 2 semanas de su inserción (Figuras VI-2.1) los implantes recubiertos de melatonina presentaban significativamente un mayor grado de oseointegración que los implantes sin melatonina.¹⁶

• Volumen de hueso peri-implantario (73,8% VS 53,4%)

• Contacto hueso-implante (38,7% vs 25,1%)

• Neo formación ósea (35,1% vs 28,6%)

• Hueso entre espiras (36,3% vs 21,1%)

La investigación actual sobre superficies de los implantes en su forma general (cadera, hombro, dentales, rodilla, etc.) confirma el interés por el desarrollo de nuevos materiales y procesos que mejoren de forma notable su oseointegración.

Los estudios experimentales están demostrando resultados esperanzadores en este sentido.

Sin embargo, la experiencia clínica no es suficientemente amplia y contrastada con estudios comparativos y a largo plazo. En los próximos años deberán ir apareciendo, sobre todo, nuevos resultados de estudios clínicos que puedan avalar la utilización de estas superficies por el implantólogo general en su práctica odontológica.

IV - 3

Una gran parte de los problemas actuales que presentan los biomateriales permanentes, están directamente relacionados con la falta de un verdadero comportamiento bioactivo esto, es un factor que limita el tiempo de su vida útil, siendo necesaria en ocasiones la revisión y/o reemplazo del implante luego de un periodo de tiempo.

El logro de buenos resultados clínicos con biomateriales depende del logro de un funcionamiento óptimo mecánico y biológico, que a su vez depende la integración de los avances realizados en la ciencia biológica, ciencia de los materiales y la ingeniería tisular.

A medida que estos avances hacer retroceder las fronteras de la medicina biomaterial, el control y la interfaz del modelo de bio-implante reacciones tendrá un tremendo impacto en el futuro diseño y las perspectivas de los tratamientos de implantes.

De los materiales bio-inertes más usados están las cerámicas de alúmina y circonio, el polietileno de ultra alto peso molecular y las aleaciones metálicas resistentes a la corrosión de base cobalto o titanio, así como ciertos tipos de aceros inoxidables. Por otro lado un biomaterial se considera bioactivo cuando es capaz de interactuar íntimamente con el tejido vivo, el cual se deposita directamente sobre la superficie del material, manifestando una actividad celular normal. En la naturaleza del enlace tejido - implante juega un papel fundamental la composición, morfología y estructura del material.

Dentro de las técnicas que se muestran a continuación las que mejores alternativas ofrecen son las de Ion Sputtering, Deposición Biomimética y Sol Gel ya que ofrecen la posibilidad de obtener recubrimientos de alta calidad, pero tiene como principal inconveniente su baja productividad, debido a los largos tiempos de procesamiento.

Recubrimiento por Plasma Spray

Para lograr el proceso de recubrimiento con Plasma Spray (PS) se inyecta polvo de Hidroxiapatita (HA) en un gas portador el cual se ioniza al pasar por un arco eléctrico, alcanzando el estado de plasma. En este estado el gas alcanza temperaturas de hasta 20,000 K dentro del arco, que disminuyen rápidamente hasta 2,000 a 3,000 K a unos pocos centímetros del mismo. En estas condiciones el polvo de

Fig. VI-3.1 - Zirconia de titanio con recubrimiento de aluminio de níquel más de un "bond coat'' de revestimiento. [30}

HA, transportado a alta velocidad a través del plasma, funde parcialmente y se ioniza.

Siguiendo proyectado en ese estado sobre el sustrato, donde sufre un rápido enfriamiento.

Aunque las partículas pasan a través de la llama del plasma con temperaturas superiores a 1 0,000°C, el sustrato metálico no es calentado drásticamente, no afectando de esta forma las propiedades mecánicas del núcleo metálico, el proceso se repite mediante un equipamiento robotizado hasta obtener varias capas, lo que permite obtener espesores de entre 40 y 1 00 J.lm.

Powder on¡•~tooo

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Spray stream of mohen pMrcles ,.•

Fig. Vl-3.2-Diagrama esquemático del proceso plasma spray. [29}

Lo-s implantes biomédicos recubiertos con HAp deben satisfacer requerimientos muy específicos para garantizar una adecuada biocompatibilidad y bioactividad y un adecuado comportamiento a lo largo de su vida útil tales como el poseer un alto grado de cristalinidad del recubrimiento, buena adherencia al sustrato y una optima porosidad. Si bien los resultados publicados demuestran que los implantes recubiertos por PS presentan un mejoramiento en la unión efectiva con el tejido óseo con respecto a los implantes no recubiertos, la ocurrencia de varios casos de pobre desempeño de los mismos han generado preocupaciones acerca de la consistencia y confiabilidad de esta técnica. ²²

Uno de los factores que más afectan el desempeño de los implantes recubiertos con Plasma Spray es la falta de homogeneidad que no puede ser controlada en el recubrimiento y la presencia de fases amorfas, a causa de las altas temperaturas empleadas, al corto tiempo de vida de las partículas en la llama del plasma y a su rápido enfriamiento sobre el sustrato, lo cual motiva un recubrimiento con un estado intermedio, con regiones cristalinas y regiones amorfas. ²³

Los problemas presentados han limitado en cierta forma las esperanzas inicialmente depositadas en esta técnica, pero aún continúan siendo válidas la osteoconductividad y la osteointegración demostradas a corto plazo, empleándose ampliamente prótesis articulares de cadera con los vástagos femorales recubiertos con HAp-PS en pacientes de edad avanzada donde la esperanza de vida no supera el tiempo de duración de la prótesis, y en implantes dentales cuya extracción en caso de falla no conduce a riesgo elevado para los pacientes.

Para disminuir las desventajas del método se investigan actualmente una serie de pasos complementarios a la deposición. Por ejemplo, se plantea el aumento de la rugosidad de la superficie metálica mediante cerámicas abrasivas como paso previo a la deposición para mejorarla fortaleza del enlace mecánico. También se reporta que un tratamiento térmico a las muestras después de recubiertas incrementa los valores de resistencia al esfuerzo de cizalla y la dificultad de romper la interface, mejorando la adherencia sustrato/recubrimiento, a la vez que restituye el carácter cristalino de la HAp. Sin embargo, la temperatura y tiempo del tratamiento deben escogerse cuidadosamente ya que pueden

afectarse las propiedades mecánicas del sustrato o conducir a la aparición de microgrietas en la interface.

Recubrimientos por Ion Sputtering

La técnica de Ion Sputtering consiste en bombardear un blanco del material que va a ser depositado con un haz de iones positivos, los cuales por transferencia de momento provocan el dislocamiento y desorden de los átomos neutros del blanco que se condensan sobre el sustrato formando una película fina de unos pocos micrómetros.

El blanco se somete a un potencial eléctrico negativo y se introduce en el sistema un gas rarefacto el cual después de ser excitado por medio de una descarga incandescente, actúa como fuente de iones positivos que son acelerados hacia el blanco mediante la acción del campo eléctrico. El blanco puede ser fijo, oscilante, calentado, enfriado o combinaciones de estas posibilidades, todo en dependencia del material escogido. Como resultado del

Fig. VI-3.3 - Bombardeo de iones (rojo). Estos átomos rompen la interacción normal del sustrato haciendo cambiar la morfología normal de este. [25]

choque de los iones positivos en el blanco se pueden producir, además de los átomos neutros ya mencionados, otro tipo de partículas y radiaciones, que pueden influenciar sobre la calidad y propiedades de los recubrimientos obtenidos.

Una de las principales ventajas de esta técnica es el buen comportamiento y adherencia de los recubrimientos obtenidos, aun para bajos espesores, con comportamientos in vivo similares o mejores que los implantes recubiertos por Plasma Spray. Implantes de una aleación de titanio Ti-6Al-4V recubiertos por este método, con un espesor del recubrimiento de solo 5 IJ.m mostraron una favorable fijación del hueso al implante por crecimiento óseo sobre el mismo. Se reporta también la obtención de recubrimientos densos de un espesor menor que 1 O IJ.m sobre aleaciones de titanio, con una fuerza de adherencia de entre 60 y 80 MPa.

Recientes estudios permiten ampliar las posibilidades de aplicación de la técnica mediante variantes de codeposición o 'recubrimientos multicapas. Una técnica de co-sputtering fue usada para obtener un deposito de Si-HAp de 700 nm de espesor sobre un sustrato de titanio, con un contenido de Si de hasta el 1.2 % en masa. Esta capa mostró diferentes propiedades bioactivas en ensayos in vitro, mostrando un buen potencial para su aplicación en implantes médicos. También ha sido obtenido un recubrimiento multicapas de Ti!HAp sobre un sustrato de Ti, con un cambio gradual en su composición y un espesor de 1 ~- El contenido de HAp aumenta hacia la superficie del recubrimiento mientras que el de Ti lo hace en sentido contrario. En la comparación de este recubrimiento con otro de HAp pura obtenido bajo iguales condiciones se demostró un incremento de hasta un 90% del primero con respecto al segundo en la adherencia del recubrimiento al sustrato, probada mediante un ensayo de tracción. ²⁶

Como principales inconvenientes puede señalarse que aunque el equipamiento tecnológico necesario es relativamente sencillo no está generalizado en nuestro país, empleándose esta técnica sólo en laboratorios especializados. Además la productividad del método es baja y en general se necesita un tratamiento térmico posterior a la obtención del recubrimiento a tiempos relativamente prolongados. Mediante esta técnica no se reporta la obtención de recubrimientos de superficie porosa, sino mas bien lisa y homogénea. Es conocido, sin embargo, que una adecuada porosidad del recubrimiento favorece en alto grado el crecimiento del tejido óseo y del tejido vivo en general sobre el recubrimiento. En nuestro país no se conocen trabajos mediante la utilización de esta técnica

Recubrimiento por Sol-Gel

Esta técnica se basa en la creación de un enrejado tridimensional, conocido como gel, a partir de una suspensión de partículas coloidales muy pequeñas, llamada sol. El primer paso de este método consiste en el mezclado de los precursores para formar el sol de baja viscosidad. En calidad de precursores generalmente se usan alcóxidos de los elementos deseados, por ejemplo Si, Ca, P, Ti, Al, etc. Estos alcóxidos se disuelven en solventes orgánicos y a esta solución se añade agua para hidrolizar el alcóxido formar el sol. Entre las partículas del sol comienzan a desarrollarse enlaces que conducen a la formación de un enrejado tridimensional y al aumento de la viscosidad, es decir la gelificación del sistema.

El gel después de secado puede ser el producto fmal o también puede ser sometido a calcinación o sinterización y la temperatura de procesamiento no sobrepasa por lo general los 150 °C, evitándose la descomposición de los productos orgánicos adicionados obligatoriamente al proceso. Calentando a una temperatura mayor, el gel se transforma en vidrio o cerámica con formas predeterminadas. En la preparación de recubrimientos delgados o gruesos sobre sustratos vítreos, cerámicos, metálicos o poliméricos, generalmente se emplean técnicas como "dip-casting", "spin-coating" o "spray-coating".

Estos recubrimientos obtenidos por el método sol-gel son bastante promisorios para el recubrimiento de sustratos de pequeñas o grandes superficies.

Mediante la técnica sol-gel se obtienen materiales con altas homogeneidad y pureza y pueden emplearse bajas temperaturas de sinterización, gracias a la alta reactividad del gel obtenido, Además de poder conformar cuerpos sólidos, tanto densos como porosos, se pueden obtener fibras, recubrimientos y polvos ultra finos. La capa resultante suele ser extremadamente densa, compacta y con una fuerte adherencia al sustrato. La clave del buen éxito del enlace parece ser la capa de estructura fma y delgada que puede ser formada, lo que proporciona una capa libre de defecto a nivel atómico y por consiguiente con alta resistencia a la fractura. ²⁶

Fig. VI-3.2- A) (6000 X) Micrografza SEM de partículas de sílice amorfa coloidal (diámetro medio de 600 nm) precipitada en solución básica de hidróxido de amonio utilizado como catalizador morfológico. B) (10,000 X? Micrografza SEM de la superficie de sólidos coloidales. Estructura y morfologÚJ que consta de dominios internos defectos de red. (Partículas amorfas de sílice coloidal diámetro medio de 600 nm). C) (20,000 X) Imagen resaltada de la superficie de sólidos coloidales.

Con énfasis en los defectos microestructurales para ilustrar el defecto o la morfologÚJ típica de un sólido coloidal simple de un solo componente. [27]

Recubrimientos por Electrodeposición

Las técnicas de electrodeposición catódica han sido tradicionalmente empleadas para la deposición de recubrimientos metálicos con propiedades especiales sobre sustratos también metálicos. De forma semejante a la electro lisis convencional, se puede emplear este método para la deposición de capas de fosfato de calcio sobre sustratos metálicos, basándose en la reducción catódica del agua, con lo que se logra un aumento local del pH que puede ser aprovechado para la precipitación de los iones calcio y fosfato presentes en la disolución, lográndose una capa insoluble y adherente de fosfatos de calcio sobre el metal. Las soluciones electrolíticas empleadas en la literatura varían ampliamente en cuanto a su composición y concentración y en general contienen diferentes sales de calcio y fosfato como Ca-Ch y N-H-4H2-P-04; Ca-(H2-P-04)2 y Ca-H-P-04 en presencia de Na-N-0₃ y NaF; Na-Cl, Ca-Ch y K2-H-P-04 entre otras. La morfología, composición, espesor y características estructurales del recubrimiento formado estará en dependencia de la temperatura del electrolito, el potencial aplicado, el tiempo de aplicación del mismo, el grado de agitación, la concentración y composición de la solución, el pH de la solución así como su disminución en la vecindad del mismo.

Una de las principales ventajas de este método es que ofrece la perspectiva de que, mediante el control de las condiciones de deposición, se pueden obtener capas intermedias que permitan el cambio gradual en la composición y propiedades entre el substrato metálico y el recubrimiento cerámico, reduciendo los riesgos de fallo del

implante. Además, los métodos

electroquímicos en general presentan especiales ventajas para obtener de manera relativamente sencilla recubrimientos homogéneos y uniformes sobre implantes de

r

Fig. Vl-3.3 - Principio de la e/ectrodeposición: un generador crea una corriente eléctrica que realiza la migración de los iones del e/ectrolito hacia el cátodo (pieza a cubrir).

formas irregulares y complicadas, con un buen control sobre la cristalinidad del depósito,

su espesor y composición. Las principales desventajas son el aumento de la resistencia de la celda electrolítica durante el proceso de deposición, factor que limita el espesor del recubrimiento; el hidrogeno que se desprende puede contribuir al desorden de las capas y la velocidad de deposición del recubrimiento es relativamente baja, aunque esto está en dependencia del potencial aplicado y otros factores. A pesar de estas aparentes desventajas, el método electrolítico es uno de los que mayores perspectivas inmediatas ofrecen en el ámbito nacional por su versatilidad y disponibilidad del equipamiento necesario así como de personal calificado con dominio de los conocimientos científicos y tecnológicos necesarios. Un grupo de investigadores cubanos han abordado la temática de lograr capas de oxido modificadas para favorecer la adherencia del recubrimiento y continúan trabajando en el tema.

La Hidroxiapatita (HAp) puede formarse sobre estas capas de oxido con contenido de Ca y P en su estructura a través del tratamiento hidrotérmico. El tiempo del tratamiento hidrotérmico puede ser desde una a varias horas, a temperaturas generalmente no mayores que 300 °C.

Conclusiones acerca de los diferentes tipos de recubrimientos

Se ha pretendido hacer un breve bosquejo de las principales técnicas y métodos utilizados en la obtención de recubrimientos bioactivos de cerámicas de fosfatos de calcio sobre implantes metálicos.

Mientras que la técnica de Plasma Spray sigue siendo la más utilizada en la obtención de recubrimientos bioactivos comerciales, sus desventajas desde el punto de vista del desempeño del implante a largo plazo son evidentes, producto de factores intrínsecos al método. Dentro de las técnicas que mejores alternativas ofrecen, las de Ion Sputtering y Sol Gel ofrecen la posibilidad de obtener recubrimientos de alta calidad, pero tiene como principal inconveniente su baja productividad, debido a los largos tiempos de procesamiento. Por otra parte, las técnicas electrolíticas son las que presentan una mejor relación calidad/productividad lo que unido a su versatilidad y a la mayor disponibilidad del equipamiento y reactivos necesarios en nuestro país, las hacen las más adecuadas para su desarrollo nacional.