BIOCERMICAS Y BIOGLASSES

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BIOCERÁMICAS Y BIOGLASSES

• INTRODUCCIÓN
• BIOCERÁMICAS
• HIDROXIAPATITA (HA)
• HA DENSA
• HA POROSA
• BIOGLASSES
• RECUBRIMIENTOS

BIBLIOGRAFÍA - Bioceramics applications of
ceramic and glass materials in medicine J.F.
Shackelford, Trans Tech Publications 1999 -
Bioactive glasses and glass-ceramics Boletín de
la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio 46, Nº.
2 (2007) 45
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INTRODUCCIÓN

• Las prótesis o implantes metálicos y políméricos
  que se usan tradicionalmente para reemplazar
  huesos o partes dañadas del tejido óseo no son
  biocompatibles. No suelen ser inertes, a lo sumo
  son biotolerables, y no son bioactivos.
• Quedan encapsulados por tejido fibroso
• No se adhieren al hueso
• Corrosión y desgate
• Módulo elástico muy alto
• Se necesitan materiales
• Que no sean rechazados por el cuerpo
• Inocuos no tóxicos
• Inertes
• Estables en el cuerpo
• Se adhieran al hueso regenerando tejido óseo
• Sean reabsorbidos
• Materiales inertes con buenas propiedades
  mecánicas para una función estructural ? ALUMINA,
  CIRCONIA, .
• BIOCERÁMICAS Ceramicas cristalinas vidrios
  vitrocerámicas

Reacciones adversas
Material biocompatible
Material bioactivo
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INTRODUCCIÓN

• Materiales cerámicos biocompatibles con buenas
  propiedades mecánicas para una función
  estructural pero no bioactivos? ALUMINA,
  CIRCONIA, RUTILO, .
• Materiales bioactivos tienen malas propiedades
  mecánicas ?CERÁMICAS BIOACTIVAS basadas en
  fosfatos de calcio

BIOCERÁMICAS Ceramicas cristalinas vidrios
vitrocerámicas
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INTRODUCCIÓN
HA hidroxiapatita TCP fosfato tricálcico TTCP
fosfato tetracálcico A-W oxyfluorapatitawolastoni
ta cristalinas en MgO-CaO-SiO2 vítrea Ca10(PO4)6(
O,F2)(CaO.SiO2)
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COMPOSITES CERÁMICOS / BIOCERÁMICAS

• Estructura del hueso nos proporciona las ideas
  para desarrollar las biocerámicas destinadas a
  implantes óseos

69 HA 20 colágeno Composición 9 agua
HA ? Ca10(PO4)6(OH)2
J.J. Pavón. Tesis, UPC (2006)
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COMPOSITES CERÁMICOS / BIOCERÁMICAS

• La estructura jerarquica del hueso es la
  responsible de sus caracterísiticas mecánicas, y
  nos proporciona las ideas para desarrollar las
  biocerámicas destinadas a implantes óseos

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BIOCERÁMICAS

• Propiedades mecánicas de las biocerámicas y el
  hueso humano
• Aplicaciones
• Articulaciones (Circonia y alumina)

Alúmina
Recubrimiento de HA
Ti64
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COMPOSITES CERÁMICOS / BIOCERÁMICAS
Duro y bajo coeficiente de fricción (alúmina)
Resistente y tenaz Ti64
Blando, resistente al desgaste,
(S. Blatcher, PhD Thesis, Queen Mary College,
London, 1995)
9
(No Transcript)
10
(No Transcript)
11
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL HUESO EN TRACCIÓN
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Los fosfato de calcio son la base de las
biocerámicas bioactivas!
COMPOSITES CERÁMICOS / BIOCERÁMICAS
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BIOCERÁMICAS

• CARACTERÍSTICAS DE LAS CERÁMICAS BIOACTIVAS
  IDEALES
• Biodegradable para permitir la osteointegración
• Macroporosidad para permitir el crecimiento de
  celulas y vascularización en su interior.
  Interconectividad
• Estabilidad mecánica
• Osteoconductividad capacidad del material de
  actuar como sustrato para la formación y
  crecimiento del hueso
• Osteoinductividad capacidad del material para el
  transporte de celulas y proteinas

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BIOCERÁMICAS
Clasificación dependiendo de las caractérísticas
de una unión implante tejido
J.J. Pavón. Tesis, UPC (2006)
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ESTRUCTURA 3D DE LAS BIOCERÁMICAS
Macroporosa (esferica)
Macroporosa(esférica) microporos
No-porosa
microporosa
Macroporosa ordenada
Macroporosa ordenada microporos
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BIOCERÁMICAS DERIVADAS DE LA HA

• Woesz Dept. of Materials Science and Metallurgy.
  University of Cambridge

• Una estructura virtual un scaffold de biocerámica
  diseñada por CAD
• Scaffold de HA
• Scaffold de HA recubierto con colágeno

http//images.google.es/imgres?imgurlhttp//www.e
funda.com/processes/rapid_prototyping/images/3Dpri
nting.gifimgrefurl http//www.oulu.fi/spareparts
/ebook_topics_in_t_e/abstracts/liebschner_1.pdfh
266w389sz8hlesstart82um1tbnidLpj8f3ezZ
MPAlM
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SÍNTESIS DE HA
Técnica de solución hidrotérmica
10Ca(NO3)26(NH4)2HPO42H2O ? Ca10(PO4)6(OH)212NH
4NO38HNO3
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SINTERIZACIÓN DE HA
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CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LA HA
D. K. Pattanayak, Trends Biomatert. Artif. Organs
18 (2005)

• Condiciones de sinterización
• Sin presión aplicada, entre 1000 1200 ºC
• Tgt 1200 ºC, HA ? TCPCaO, y crecimiento de grano
• Aditivos F, Cl y (CO32-)
• Ca/Pgt1.67 produce CaO ?Ca(OH)2 que rebaja la
  resistencia mecánica
• Ca/Plt1.67 produce ?-TCP y ?-TCP (aumenta la
  biodegrabilidad y rebaja la tenacidad)
• La resistencia mecánica y tenacidad decrecen con
  la porosidad

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CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LA HA DENSA
Depencia de la resistencia mecánica y tenacidad
de la porosidad de la HA sinterizada

• Rangos de valores para HA pura y densa
• Tenacidad de fractura, KIC ? 0.8 1.2 MPa m1/2
• Energía de fractura, W ? 2.3 20 J/m2
• Resistencia en flexión, 38 250 MPa
• Resistencia en comprensión, 120 900 MPa
• Resistencia en tracción, 38 300 MPa
• Módulo de Young, 35 120 GPa
• Módulo de Weibull, 5 18 típico de materiales
  cerámicos frágiles

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HA POROSO
Huang Miao (2007)
PU poliuretano
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CARACTERÍSTICAS DEL HA POROSO

• Se añade aditivos como H2O2, naftaleno,
  poliuretano, cera,
• Fuerte adherencia con el tejido óseo que cree por
  los poros y canales
• El crecimiento interno de tejido confiere
  resistencia al implante
• Tamaño de poros gt100 ?m para tener
  vascularización
• La distribución y tamaño de poros limita la
  resistencia mecánica
• Resistencia a flexión 2 11 MPa ( 40 60 del
  hueso)
• Resistencia a compresión 2 100 MPa
• Resistencia en tracción ? 3 MPa
• Velocidad de degradación ? 2 - 4 vol/año
• APLICACIONES
• Scaffolds

http//www.nanotecni.com/images/uumeddev.pdf
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CARACTERÍSTICAS DEL HA POROSO
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BIOCERÁMICAS DE FOSFATO DE CALCIO
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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES

• COMPOSICIÓN SiO2-Na2O-CaO-P2O5
• SiO2lt60 mol
• CaO/P2O5?5 molar, condición para unirse
  directamente al hueso
• PROPIEDADES
• Desarrolla una capa de HA carbonatada (HAC) que
  origina el enlace con el hueso
• La cinética de enlace al hueso y la velocidad de
  reabsorción se puede controlar variando la
  composición del vidrio
• Unión tejido/implante estable y blanda
• BIOGLASS ORIGINAL 45S5 (45SiO2-24.5Na2O-24.5Ca
  O-6P2O5)
• (Hench 1971) primeros implantes en 1984

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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
SBF simulated body fluid
T. Kokubo et al, Biomaterials 24 (2003) 2161
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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
A región de buen enlace vidrio/hueso B región de
composiciones no bioactivas C composiciones
rápidamente reabsorbidas D composiciones que no
producen vidrio

• LA BIOACTIVIDAD DEPENDE
• Reactividad superficial de vidrio (composición)

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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
29
VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
J. J. Pavón. Tesis, UPC (2006)
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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
T. Kokubo et al, Biomaterials 24 (2003) 2161
Glassceramic A-W (Mg-CaO-SiO2)amorfo/Ca10(PO4)6(O
F2)?-wolastonita(CaO.SiO2)
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VIDRIOS BIOACTIVOS / BIOGLASSES
Glassceramic A-W (Mg-CaO-SiO2)amorfo/Ca10(PO4)6(O
F2)?-wolastonita(CaO.SiO2)
T. Kokubo et al, Biomaterials 24 (2003) 2161
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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES
Los bioglasses tienen muy buena capacidad para
promover la formación del enlace directo con el
tejido óseo, pero muy mala resistencia mecánica.
Recubrimiento de implantes metálicos inertes
aleaciones de Ti

• VENTAJAS
• Evitan interacción quimica directa entre implante
  y tejido
• Mejor fijación del implante
• Mejor distribución de las tensiones en la
  interface implante/hueso
• DIFICULTADES
• Hacer un buen recubrimiento con una unión
  metal/bioglass fuerte
• La diferencia de CTE, y conductividad térmica ?
  Grietas y tensiones residuales. ??/?Ti?60
• Las técnicas típicas (proyección por llama o
  plasma, o inmersión en el vidrio fundido no son
  aplicables)

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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES

• ESTRATEGIA PARA DESARROLLAR UNIONES Ti/HUESO
• Modificar la composición del bioglass para hacer
  que ? ? ?Ti
• Desarrollar una técnica que produza una
  transición estructural gradual del sustrato
  metálico al bioglass ? funcionalizar el
  bioglass
• La clave es añadir MgO y K2O, aumentar SiO2 y
  reducir CaO

Ti 9,4
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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES
Fabricación del recubrimiento de bioglass/Ti64 J.
J Pavón. Tesis, UPC 2006
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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES

• Características de los recubrimientos
• Según la temperatura y duración del tratamiento
• Excelente adhesión
• Sin grietas
• Con la adecuada porosidad y grado de cristalinidad

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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES
Mapa del procesado del recubrimiento de Ti64 con
el bioglass 6P57
6P57 56.7 SiO2-6P2O5-15CaO-11NaO2-8.5MgO-3K
2O
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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES
Mapa del procesado del recubrimiento de Ti64 con
el bioglasses
Rango de composiciones con del los bioglass con
6 P2O5 que producen un recubrimiento óptimo de
Ti cp y Ti64
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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES
Qué fenómeno controla las características del
recubrimiento sobre Ti?
La formación de una capa delgada de Ti5Si3 (?150
nm) mediante la reacción reacción 5Ti3SiO2 ?
Ti5Si33O2?

• CONDICIONES
• EL vidrio fundido moje completamente el sustrato
• Tiempo y temperatura

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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES
Corte transversal de la unión Ti64/Bioglass
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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES
Se cumple el objetivo de obtener un recubrimiento
con una buena unión bioglass/sustrato
Se pierde bioactividad Los recubrimientos que
realizan buenas uniones con el sustrato son tres
veces menos menos biactivos que el bioglass 55S4!!
Desarrollo de functionally graded materials (FGM)
http//www.csm.ornl.gov/Highlights/FGM.html http/
/www.rm-platform.com/index.php?optioncom_docmant
askdoc_downloadgid288
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RECUBRIMIENTOS CON BIOGLASSES