Biomateriales cerámicos

11~
Jornadas -306-311,2003
Biomateriales cerámicos
DR. G. MURATORE MORENO; DR. J. S. OJEDA CASTELLANO; DR. P. ERDOCIA EGUIA;
DR. L.CARRASCO MARTÍNEZ; DR. A. CHIRINO CABRERA; DR. J. P. RODRÍGUEZ ALVAREZ
Departamento Hospital Universitario Insular. U.L.P.G.C. Servicio de Cirugía Ortopédica y Traumatología
-Cerámicas de Fosfato de Calcio
- Biovidrios
Cuando hablamos de BIOMATERIALES generalmente nos estamos refiriendo a
materiales sintéticos y naturales tratados, que son usados para reemplazar o
aumentar la función de algún tejido u órgano. Según la Conferencia de Consenso
de la Sociedad Europea de Biomateriales su definición sería: "Material diseñado
para actuar interfacialmente con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar,
aumentar o reemplazar algún tejido, órgano o función del cuerpo" (1)
Otra definición útil a conocer sería la de IMPLANTE: dispositivo médico fabricado con uno o varios biomateriales que se coloca intencionalmente dentro del organismo, total o parcialmente cubierto de una superficie epitelial.
Los biomateriales pueden clasificarse de varias formas aunque en este trabajo
solo lo haremos de acuerdo a su respuesta biológica y según su composición química.
Respuesta biológica: al hablar de la respuesta biológica nos estamos refiriendo
al término BIOCOMPATIBILIDAD, actualmente relacionado con el concepto de
"aceptabilidad biológica'; o interacción de los materiales con los tejidos susceptibles de estar en contacto con ellos.
Pueden ser:
- Biotolerantes
- Bioinertes
- Bioactivos
Biotolerantes: El organismo no produce una gran respuesta inflamatoria al
implante aunque interacciona con este encapsulándolo mediante una capa de tejido fibroso conjuntivo.
Como ejemplo de esto podemos citar al Polimetilmetacrilato PMMA (cemento
óseo), Acero Inoxidable utilizado en placas y otros materiales de osteosíntesis y las
aleaciones de Cromo-Cobalto.
Bioinertes: Estos biomateriales no causan ninguna respuesta de su huésped y
esto se debe generalmente a que no producen ningún tipo de reacción química
entre ambos; esto es porque la mayoría de estos materiales son metales con su
superficie recubierta de una capa de óxido estable. Como resultado de esto las
células pueden estar en contacto directo con el material pero sin formar ningún
tipo de unión entre ambos, asu vez no se produce inhibición de la osteogénesis.
Ejemplo de estos pueden ser la Alúmina, Zirconia y el Titanio.
Bioactivos: Son los biomateriales de mas reciente desarrollo. Tienen la capacidad de reaccionar con el teíido adyacente y de formar enlaces químicos directos
con el mismo. Normalmente las células crecen directamente junto al biomaterial y
en algunos casos van formando tejido especializado dentro del mismo.
Ejemplo: Cerámicas de Fosfato de Calcio, Cerámicas de óxido de Silicio o Biovidrios.
La otra clasificación de biomateriales la podemos hacer según su Composición
Química, y los dividiremos en:
• Metales
-Acero inoxidable
-Aleaciones Cromo-Cobalto
-Aleaciones de Titanio
•Polímeros
- Polimetilmetacrilato (PMMA)
- Polietileno
•Cerámicas
-Alúmina
-Zirconia
306
• Composites
Biocerámicas
Definición: "Cerámica es todo biomaterial inorgánico no metálico" (2)
Generalidades
Los Materiales Cerámicos son usados industrialmente en una sorprendentemente amplia gama de aplicaciones. El procesamiento de cerámicas involucra usualmente polvos, y para impedir la introducción de defectos durante el procesamiento
de este deben tomarse rigurosos cuidados. En años recientes ha existido un creciente interés en los principios que gobiernan la composición, arquitectura y métodos de ensamblaje de una gran variedad de cerámicas biológicas tales como las
encontradas en huesos y dientes.
Podemos decir que las cerámicas utilizadas en medicina son materiales 810COMPATIBLES. Presentan como propiedades la de ser mas rígidos y resistentes
que el acero cuando se someten a fuerzas de compresión, soportan más calor y
corrosión que los metales o los polímeros, tienen una densidad menor que la
mayoría de los metales y sus aleaciones; y sus materias primas son abundantes y
baratas.
Por el contrario debemos decir que son materiales muy quebradizos, es decir
que no tiene fase de deformación plástica y que tienen una escasa resistencia a las
fuerzas de tracción, flexión o cizallamiento.
A continuación vamos a clasificarlos para posteriormente dar una somera explicación sobre las propiedades y usos de algunas de ellos.
Clasificación
Las BIOCERAMICAS pueden clasificarse según su estructura física en:
• Sólidos cristalinos
- Policristalinos por chorro de plasma
- Sólidos amorfos.
Y según su composición química en:
- Óxidos cerámicos
- Biovidrios
- Fosfato de calcio
A pesar de esto, una clasificación de acuerdo a su actividad biológica sería de
mayor utilidad para comprender su comportamiento una vez implantados.(20)
Se dividen en:
- Bioinertes (Alúmina, Zirconia)
- Bioactivos (Hidroxiapatita, biovidrio, biovitroceramicas)
- Reabsorvibles (Fosfato de calcio)
En el presente trabajo vamos a centrarnos en aquellos materiales con mayor
aplicación en el campo de la ortopedia, para lo cual, haremos referencia a la
Alúmina, Zirconia, y los Fosfatos de Calcio.
Alumina
Generalidades
Alúmina: Oxido de Aluminio (AI3 02)
La alúmina es una de las cerámicas más utilizadas en el campo de la cirugía
ortopédica. La mayoría de las investigaciones sobre esta cerámica fueron hechas
entre los años 1950 y 1970, y fue la primer biocerámica de uso extensamente difun-
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Introducción
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dido. Fue en 1970 cuando P. Boutin, en Francia, introdujo el uso de la alúmina para
el reemplazo de cabezas femorales y cotilas (par alúmina-alúmina) (4)
Se ha utilizado en la ortopedia durante casi treinta años por su excelente biocompatibilidad y por la delgada cápsula fibrosa que la rodea una vez implantada
que permite la fijación sin cemento.(19)
Su dureza es muy alta (30 -40 veces mayor resistencia al rayado que las aleaciones de cromo-cobalto) lo que permite disminuir el desgaste por abrasión
(el desgaste promedio en implantes retirados es de 8 -9 um en cotila y 5-6 um
en cabeza).
Aplicaciones en cirugía ortopédica
Esta biocerámica ha sido desarrollada como una alternativa a las
aleaciones metálicas, de uso quirúrgico, para prótesis totales de
cadera, ya que su gran dureza, bajo
coeficiente de fricción y su excelente resistencia a la corrosión ofrece
un muy bajo rango de desgaste en
superficies articulares. (5)
Fabricación
Su fabricación comienza mediante la mezcla de polvo cristalino
de gran pureza, con pequeñas cantidades de aglutinante, agua y
lubricante. Posteriormente, se
somete a compresión en molde y a
un secado para evaporar el agua. A
continuación los cilindros obtenidos son torneados hasta obtener la
forma deseada, en nuestro caso
cabezas femorales.
El paso siguiente consiste en un
proceso llamado "Sinterización"
(Hot lsostatic Pressing), por el cual el material es calentado nuevamente a 160018000 Cy sometido a elevadas presiones para densificarlo; finalmente se somete a
un tratamiento de acabado según su destino.
El material resultante obtiene su máximo grado de oxidación, lo que le aporta
una gran estabilidad termodinámica, y gran resistencia a la corrosión.
P.Boutin
1970
Propiedades
Es un material muy rígido (módulo de Young 380 Gpa). Presenta buena resistencia a la compresión y mala a la tracción, lo cual le impide ser utilizado en zonas
sujetas a flexión. Muestra una alta fragilidad (ausencia de deformación plástica)lo
cual la hace proclive a la rotura, siendo su límite de fractura 3-6 Mpa.
Presenta excelentes propiedades tribológicas, tales como bajo coeficiente de
fricción, gran lubricación y mínimo desgaste (el par alúmina-alúmina presenta un
desgaste 10 veces menor que el par metal-polietileno).
Su estructura química tiene un elevado número de enlaces iónicos, como todos
los cristales y es esta estructura iónica la que lo hace altamente hidrolilico, presentando gran capacidad de adsorción de moléculas de agua o mojabilidad (la mojabilidad facilita su lubricación disminuyendo el desgaste por adhesión).
Zirconia
Generalidades
Circonio, de símbolo Zr, es un elemento metálico de número atómico 40. El circonio es uno de los elementos de transición del sistema periódico. El elemento fue
descubierto en 1789 por el químico alemán Martín Heinrich Klaproth y aislado en
1824 por el químico sueco J6ns Jakob Berzelius.
Propiedades y estado natural
En estado puro, el circonio existe en dos formas: la forma cristalina, un metal
blando, blanco y dúctil; y la forma amorfa, un polvo negro-azulado. Ambas formas
son insolubles en agua, ligeramente solubles en alcohol y completamente solubles
en ácido fluorhídrico. El metal arde en el aire a 500 •c. El circonio ocupa el lugar 18
en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. El circonio tiene un
punto de fusión de 1.852 •e, un punto de ebullición de 4.377 •e y su masa atómica
es 91,22.
Nunca se encuentra libre en la naturaleza; existe principalmente como silicato,
en el mineral zircón, y como óxido, en el mineral badeleyita. Las minas de circonio
contienen también el elemento hafnio, un metal con propiedades similares a las del
circonio.
Aplicaciones en Cirugía Ortopédica
La investigación y el desarrollo de Zirconia como biomaterial comenzó en los
años 60. El primer estudio concerniente a las aplicaciones biomédicas de esta biocerámica fue publicado en 1969 por Helmer y Driskell (3), mientras que el primer
proceso de manufactura de Zirconia para cabezas femorales en prótesis totales de
cadera fue introducido por Christel y col. (6)
La Zirconia pura es un material muy inestable al que podemos encontrar en 3
fases diferentes: Monocíclica, tetragonal y cúbica .De acuerdo a esto existirá una
gran diferencia en cuanto al volumen y a las propiedades mecánicas que presentará el material.
La estabilización de la Zirconia se realiza mediante la adición de óxidos metálicos que van a producir una aleación que es meta-estable a temperaturas fisiológicas, por tratando de mantener la fase tetragonal de la misma ya que es en esta fase
donde se han observado los resultados mas adecuados. (17).
La adición de óxido de calcio ( CaO l y óxido de magnesio (MgO) ha sido utilizada para obtener un material estable , produciendo un material llamado PSZ
(Zirconia parcialmente estabilizado). Recientemente con la adición de Ytrio (Y203)
se ha obtenido una biocerámica con mejores propiedades llamada Y-TZP (Zirconia
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Reemplazos articulares de cadera.
policristalina tetragonal estabilizada con Ytrio), que es la que se comercializa para
aplicaciones biomédicas. La Y-TZP presenta además un tamaño de grano fino y
ofrece las mejores propiedades mecánicas.
Las cabezas femorales de Zirconia solo pueden articularse con cotilos de
polietileno, ya que se han detectado resultados nefastos cuando se utilizó el
par Zirconia-Aiúmina o el par Zirconia-Zirconia. La Zirconia sobre polietileno
ha demostrado similares resultados de desgaste que el par alúmina-polietileno
in vitro, pero in vivo los resultados no han sido muy favorables, ya que se ha
encontrado en diversos estudios (AIIain et al., Hernigou y Bahrami) (7) (8)
aumento de osteólisis en el calcar, tal vez debido a los granos de degradación
in vivo, con posterior transformación de la misma a una fase monocíclica e
inestable.
Nombre
Abrev.
Ca/P
Fosfato tetracácico
Hidroxiapatita
Fosfato tricálcico
Fosfato Octacácico
Fosfato dicálcico
TICP
HA
TCP
OCP
DCP
2.0
1.67
1.5
1.33
1.0
1. Adsorción de proteínas en superficie y actividad celular.
2. Iniciación de la mineralización: formación de capa de hidroxiapatita carbonatada en la superficie.
3. Crecimiento de esta capa.
4. Formación de una matriz de colágeno mineralizado en aposición a la capa de
hidroxiapatita carbonatada.
Fabricación
La Zirconia es una biocerámica que esta siendo evaluada constantemente para
tratar de mejorar sus propiedades y poder ser utilizada con mayores beneficios y
seguridad en el campo de la cirugía ortopédica.
La fabricación puede realizarse utilizando tres procesos diferentes. El polvo de
fosfato de calcio puede ser comprimido bajo presión o puede ser precipitado formando una capa. El polvo compactado de la capa precipitada, es tratado con altas
temperaturas, lo que permite que la fusión del granulado cristalino se adhiera y
establezca un cerámico rígido.
Una tercera técnica produce hidroxiapatita cerámica macroporosa mediante el
uso de un proceso "replaneiforme" (21 ). En este proceso, la estructura de carbonato
de calcio del coral marino es reemplazada en una reacción química mediante altas
temperaturas y alta presión por fosfato de calcio. Este proceso tiene la ventaja de
utilizar como un péndulo la estructura porosa natural del coral marino durante la
reacción. La hidroxiapatita cerámica creada por compactado + sinterización, por
precipitación + sinterización, o por el proceso "replaneiform" posee una estructura
porosa altamente organizada y permeable que soporta el crecimiento fibrovascular
y la deposición ósea.
Propiedades químicas
Cerámicas de folfato de calcio
Generalidades
HAP ósea
Impurezas de carbonatos
Relación Ca/P 1,61
4,4%de Co2
HAP
Ca1oíP04)s(OHl2
Relación Ca/P de 1,67 (exceso de Calcio que
facilita la unión al hueso)
Fosfato Tricálcico (8-TCP)
Ca3 (P04)2
Las cerámicas de fosfato de calcio ocupan un lugar importante dentro de las biocerámícas, ya que por sus propiedades químicas y biológicas similares al componente mineral del hueso, son capaces de unirse químicamente al mismo.
Hueso
Fibras de colágeno (34 %)
Cristales de Fosfato de Calcio apatítico (42%)
Agua (24%)
A su vez comparten una excelente biocompatibilidad, esto es que no presentan
toxicidad local o sistémica, respuesta inflamatoria ni reacción a cuerpo extraño;
debiéndose esto a que en parte los únicos metabolitos de estas biocerámicas son
iones de fosfato de calcio.
Fue en la década de 1920 cuando se inició el estudio de este tipo de cerámicas
derivadas del fosfato de calcio; particularmente los estudios se decantaban por la
Hidroxiapatita y el Fosfato tricálcico, aunque la primer clase de hidroxiapatita en
ser desarrollada fue la hidroxiapatita macroporosa, que fue producida sintéticamente en la década de 1970.
Clasificación
Una forma útil de clasificar a los fosfatos de calcio sería según una relación
CafP decreciente:
Propiedades
Además de la biocompatibilad anteriormente comentada, estos biomateriales
tienen la propiedad de formar un enlace directo con el hueso, sin interposición de
tejido fibroso conectivo; a esta propiedad se la denomina BIOACTIVIDAD, y se sabe
que los biomateriales que presentan esta propiedad presentan un mecanismo de
enlace directo que sigue 4 etapas: (9)
308
Propiedades biológicas
A lo largo del tiempo se ha demostrado en innumerables estudios realizados que
las cerámicas de fosfato de calcio tienen la propiedad de ser BIOCOMPATIBLES.
Además son biocerámicas BIOACTIVAS (capacidad de reaccionar con el tejido
adyacente y de formar enlaces químicos directos con el mismo), aunque cuando
hablamos de esto solo podemos referirnos a que son OSTEOCONDUCTORAS, es
decir tienen una estructura tridimensional capaz de dar soporte el crecimiento
de mamelones vasculares con células osteoprogenitoras. No se puede afirmar
que estas cerámicas sean osteoinductoras, ya que no intervienen en la estimulacíón de una diferenciación de células totipotencíales a células condro u osteoprogenitoras.
Para comprender mejor el concepto de OSTEOCONDUCCION debemos referirnos al término de POROSIDAD. La porosidad es un factor muy importante que lleva
a la integración entre el tejido vivo y el implante cerámico.
La cerámica presenta una MACROPOROSIDAD que es creada a propósito para
producir el crecimiento vascular y que debe ser de un tamaño mayor de 100 micrómetros (100-500 um) (24)(25),aunque diversos estudios establecen que la colonización vascular requiere poros de 200-400 um (11). Sin embargo, la porosidad por sí
sola no es suficiente para el crecimiento óseo, y resulta indispensable que esté asociada a interconexión de los poros. (23)
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DR. L. CARRASCO MARTL'ffiZ; DR. A. CHIRINO CABRERA; DR. J. P. RODRÍGUEZ ALVAREZ
Biomateriales cerámicos
Actualmente existen diferentes métodos para crear macroporosidad, por ej.:
microondas, soluciones de peróxido de hidrógeno (12) y emulsiones (13). aunque
los avances en la investigación para obtener una estructura porosa ideal están en
constante desarrollo.
Esta porosidad permite:
- -
-··
·········---------
Existen distintos métodos de recubrimiento, en la siguiente tabla podemos ver algunos.
De las técnicas que aparecen en el cuadro anterior, solo el "termal spraying" y
en particular el"plasma spraying" o "chorro de plasma" es el único método
comercialmente aceptado para la producción de cobertura de implantes con hidroxiapatita.
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• Crecimiento de mamelones vasculares
•Intercambio de fluidos
• Llegada de células osteoprogenitoras.
~-
Como contrapartida, el aumento de MACROPOROSIDAD trae como consecuencia un debilitamiento de la cerámica, ya que se ha demostrado una relación inversamente proporcional entre esta y la resistencia mecánica.
La MICROPOROSIDAD se obtiene durante el proceso de sinterización.
Son necesarios poros menores de 7 micrómetros, ya que este tamaño favorece la invasión por líquidos del medio. Posteriormente se produce un aumento progresivo de iones de fosfato y de calcio creándose un microambiente
sobresaturado, lo cual desencadena una precipitación cristalina en la matriz
extracelular formándose así nuevos cristales biológicos de apatita similares al
hueso.
Degradación
La reabsorción o biodegradación esta causada por: (18)
1. Disolución físico-química, que depende del producto de solubilidad del material y del pH local del medio.
2. Desintegración física en forma de pequeñas partículas.
3. Factores biológicos que varíen el pH local.
Los factores que aumentan la degradación son el aumento del área superficial
(polvo>sólido poroso>sólido denso), el descenso de la cristalinidad y en el caso de
la hidroxiapatita por la sustitución de C03 en los sitios de fosfato y por Mg2, Sr2 en
los sitios de calcio.(14)
Por todo lo expuesto podemos afirmar que es muy importante el control microestructural, el estado de las fases y la composición físico-química de la biocerámica si se
desea obtener una tasa especifica de reabsorción una vez implantada la misma.
Aplicaciones
Actualmente las cerámicas de fosfato de calcio comerciales incluyen HA (de origen natural o sintético), 8-TCP (beta fosfato tricálcico), 8CP (fosfato de calcio bifásico, mezcla de HA y 8-TCP) y AP (apatita no sinterizada).
Las cerámicas de fosfato de calcio tienen una aceptación muy extendida como
SUSTITUTOS OSEOS en medicina y odontología y específicamente en el campo de
la medicina tienen las siguientes aplicaciones: REPARACIÓN DE DEFECTOS
OSE OS, FUSION VERTEBRAL, ADYUVANTES DE IMPLANTES NO RECUBIERTOS.
Estas biocerámicas usadas como SUSTITUTOS OSEOS y comparándolas con
autoinjertos o aloinjertos tienen la ventajas del bajo coste, el de no ser inmunogénicas y que su producción sintética permite un aprovisionamiento ilimitado.
Otros fosfatos de calcio (ACP, DCPD, TTCP) son usados en la fabricación de
cementos óseos.
La HIDROXIAPATITA se utiliza frecuentemente para RECUBRIMIENTO DE
IMPLANTES.
El recubrimiento de implantes con esta biocerámica ofrece grandes ventajas, ya
que se aprovechan las excelentes propiedades bioactivas de la misma utilizando a
su vez las propiedades mecánicas del material a recubrir, tales como el titanio u
otras aleaciones bíocompatibles.
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Implantes protésicos recubiertos con Hidroxiapatita.
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DR. G. MURATORE MORENO; DR. J. S. OJEDA CASTELLANO; DR. P. ERDOCIA EGUIA;
DR. L.CARRASCO MARTÍNEZ; DR. A. CHIRINO CABRERA; DR. J. P. RODRÍGUEZ ALVAREZ
Mientras que el proceso de plasma spraying se comprende bien, el control
de las variables en el proceso de cobertura como la !0 , velocidad del chorro,
Técnica
Espesor
Dip Coating
0.05-0.5mm
Ventajas
Barata
Desventajas
Requiere elevadas !0 •
Sputter Coating
0.02-1mm
Cobertura sobre
implantes planos
Cara
Proceso lento
Produce coberturas
amorfas
Pulsed Laser
Deposition
0.05- 5mm
Similar al anterior
Similar al anterior
Hot Pressing and 0.2-2.0mm
Hot lsostatic
Pressing
Produce coberturas
densas
No es útil para
sustratos complejos
Requiere altas t0
Cara
Electrophoretic
Deposition
0.1·2.0mm
Coberturas
uniformes
Implantes complejos
Requiere altas t0
Thermal Spraying 30-200mm
Excelente capacidad
de cobertura
El enfriamiento rápido
produce fallos en la
cobertura
Sol-Gel
Cobertura de formas Algunos procesos
complejas
necesitan atmósferas
Utiliza bajas t0
controladas
Relativamente barata
<1m m
etc., es bastante complicado y pequeños cambios pueden afectar seriamente
las propiedades de la cobertura con el consiguiente defecto a largo plazo del
implante.
En la interfaz que se forma entre la hidroxiapatita y el hueso parece demostrarse
un verdadero enlace químico entre ambos; aunque si esto no sucediera completamente tampoco encontraríamos respuesta inflamatoria o reacción ante cuerpo
extraño.(22)
Diversos estudios demuestran la elevada tasa de supervivencia de los componentes femorales recubiertos y el crecimiento óseo que se produce por medio de la
hidroxiapatita. (151. (16)
Conclusiones
Las biocerámicas son biomateriales que presentan un gran impacto en el mercado de la ortopedia y la traumatología y esto se debe a la gran versatilidad de for·
mas y aplicaciones que pueden presentar las mismas .. Asimismo es sabido que
como son materiales que interaccionan con un tejido vivo están sometidas siempre
a innumerables variables biológicas que modifican su respuesta. Por todo esto
existe una necesidad creciente de continuar con estudios experimentales para comprender mejor su comportamiento como para mejorar sus aplicaciones.
Por ultimo dar un reconocimiento a todas aquellas personas involucradas con la
investigación y el desarrollo de las mismas por su incansable búsqueda de una
mejor calidad de vida de nuestra población.
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