ANALISIS DE LA BIO - ACTIVIDAD EN EL CUERPO HUMANO DE UN VITROCERÁMICO Y UNA CERAMICA DE LA MISMA COMPOSICION QUIMICA
TIPO DE BIOCERAMICA PARA EL ANÁLISIS.
BIOCERAMICAS ACTIVAS:
figura 1: hidroxiapatita presente en material biologico [3]
- Hidroxiapatita: siendo
el segundo tejido más duro del cuerpo, constituye casi la mitad de los
huesos, así como el esmalte dental y la dentina. Su estabilidad y
biocompatibilidad, su elasticidad y su resistencia y dureza cuando aparece
en compuestos la hacen idónea como protector para recubrir prótesis,
especialmente de cadera. vease en la figura 1.
- Fosfato de calcio: mezclada
con hidroxiapatita, fue uno de los biomateriales más usados en los años
20.
- Vitrocerámica: estos vidrios poseen más propiedades químicas que físicas, por lo que suele sustituirse por las inertes. Su principal uso está en prótesis óseas, ya que dada su reactividad química permite a los osteoclastos (células que forman los huesos) regenerar el hueso donde se incorpora la vitrocerámica [2].
TE HAS PREGUNTADO
¿ QUE PASA CON LOS MATERIALES CERÁMICOS QUE SON INTRUDUCCIDOS EN EL CUERPO PARA AYUDAR A REPARAR UN DAÑO EN EL TEJIDO OSEO?
Las cerámicas, los vidrios y las vitrocerámicas han tenido éxito durante varias décadas en las aplicaciones de reparación de huesos. Son capaces de unirse firmemente al hueso, pero no son reemplazados por completo por hueso nuevo.
El comportamiento bioactivo de los vidrios y las cerámicas se identifica como su capacidad para reaccionar químicamente con los tejidos vivos, formando con ellos enlaces mecánicamente fuertes. Estos enlaces óseos se atribuyen a la formación de una capa similar a la apatita en la superficie del vidrio, con una composición y estructura equivalentes a la fase mineral del hueso [1].
RUTA DE OBTENCIÓN DE LOS MATERIALES.
El propósito del análisis es explorar la influencia de la estructura del material (completamente cristalino o vitrocerámico) en el comportamiento bioactivo. Para ello, se prepararon dos materiales con la misma composición química dentro del sistema cuaternario SiO2 -P2 O5 -CaO-MgO.
En el presente analisis, una vitrocerámica (G-TCP60) y una cerámica (C-TCP60) con la misma composición química, correspondientes a:
* 61% en peso de Ca3 (PO4)2 (Fosfato tricálcico: " TCP ")
* 24% en peso de CaSiO3 (Wollastonita: " W ")
*15% en peso de 3MgO · 4SiO2 (Talco: " T "),
fueron
seleccionados en el Ca3 (PO4)2 –CaSiO3 –3MgO · 4SiO2 ( TCP-WT) sistema
pseudo-ternario.
Los polvos vitrocerámicos se obtuvieron
fundiendo mezclas estequiométricas de las materias primas. La mezcla de
polvo se fundió en un horno eléctrico durante 2 h en un crisol de Pt a 1500 ° C. El
vidrio fundido se vertió en agua para obtener una frita (G-TCP60).
Se obtuvieron muestras de polvo de biocerámica policristalina mediante la ruta de sinterización en estado sólido convencional. Las materias primas se mezclaron por trituración en etanol durante 1 hora y el polvo se tamizó para obtener un polvo menor de 100 µm. Discos de 10 mm de diámetro y 5 mm de altura se prensaron uniaxialmente (1000 kg / cm 2) y se sinterizaron a 1050 ° C durante 2 h. Estas piezas se molieron con mortero de carburo de tungsteno y se tamizaron hasta un tamaño entre 45 y 100 µm [1].
CARACTERIZACIÓN
Las materias primas de partida se caracterizaron
determinando la distribución del tamaño de partícula mediante
difracción láser, análisis químico con Malvern Mastersizer S (Reino Unido) y fluorescencia
de rayos X con Philips MagiX (Alemania).
las muestras se molieron a polvo con un tamaño
promedio por debajo de 100 μm usando
un molino de carburo de tungsteno y se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD) usando un
difractómetro Bruker Multiload D8 (Alemania). Los datos se recolectaron entre 10 ° y 60 ° (2 θ )
en pasos de 0.05 °, contando 1 s por paso y usando radiación CuKα. El
tubo de rayos X se hizo funcionar a 40 kV a 40 mA. Se
utilizó el software Eva-versión 6.0.0.1 Diffract plus para evaluar los patrones de difracción .
Las soluciones de Tris-HCl después de los
tratamientos se analizaron mediante espectroscopia de emisión atómica
de plasma acoplado inductivamente (ICP-AES)
Iris Advantage of Thermo Jarrel Ash.
La morfología de las muestras de vitrocerámica y
cerámica y la posible formación de una capa de hidroxiapatita en
la superficie de estos biomateriales cuando se sumergen en SBF se
estudiaron mediante dos tipos de microscopios electrónicos de barrido. Primero,
se utilizó un SEM Hitachi TM-1000 como primera aproximación. Las muestras
seleccionadas se observaron utilizando un microscopio electrónico de barrido de
emisión de campo (FE-SEM), Hitachi S4700 (Japón), equipado con espectroscopia
de rayos X de dispersión de energía (EDS). Las muestras se montaron
en una película de carbón adhesivo para
su observación y se revistieron con Ag por pulverización catódica
BIO-ACTIVIDAD EN EL FLUIDO.
La bioactividad de ambos materiales se estudió
mediante pruebas in vitro de SBF durante
diferentes períodos de tiempo (1-3 semanas). Se empaparon muestras en
forma de disco en SBF a pH 7,4 y 36,5ºC . Se utilizó una incubadora de agitación orbital
con una velocidad de agitación de 80 rpm. Se estudió mediante SEM la
evolución de las fases y los cambios microestructurales de la superficie de las
muestras con el tiempo de exposición a la solución
figura 3: "C " y " F " muestra la textura de la superficie sin
pulir de un disco prensado sinterizado del material cerámico. Este tipo de
observación se realizó con el objetivo de comparar la superficie de las
muestras antes y después del experimento SBF. La microestructura está
formada por cristales con diferentes morfologías y una gran distribución de
granos
BIO-DEGRADABILIDAD EN " TRIS - HCl : "Resultado del experimento Tris-HCl in vitro realizado con partículas de polvo de las muestras."
A partir de datos experimentales, se encontró
que ambos materiales liberaron Ca gradualmente a lo largo de la prueba. No
se alcanza un valor máximo durante el experimento. En ambos casos,
muestras vitrocerámicas y cerámicas, el comportamiento es similar, disminuyendo
la tasa de lixiviación con el tiempo. Parece que el mecanismo está
controlado por difusión, como se suele considerar. Es importante destacar
que la cantidad de Ca extraído de la muestra vitrocerámica es más del doble de
la cantidad de Ca extraído del material cerámico. Es bastante notable que
la cantidad de Ca lixiviado de la vitrocerámica sea de alrededor del 15% del Ca
total de la muestra.
En el caso de Mg, el comportamiento es bastante
similar. Solo las cantidades extraídas son diferentes, es decir, es menor
para ambas muestras en comparación con cada cantidad de Ca propia extraída. La
diferencia de liberación de Mg es mayor entre ambos materiales que en el caso
de Ca.
Al analizar la evolución de la liberación de P, ambos materiales mostraron una tasa máxima en torno a 24h y desde ese punto disminuyeron gradualmente. Probablemente esto se deba a que cuando el fósforo se disuelve, en presencia de Ca y Mg, alcanza el valor del producto de solubilidad y luego comienza la nucleación en la superficie de las partículas de polvos. Si el medio es adecuado, estos fosfatos proporcionan la base para la formación de hidroxiapatita sobre la superficie del material.
La estructura de la fase vítrea dentro de la
vitrocerámica está formada por una red en la que los átomos de P, Si, Ca y Mg
se distribuyen homogéneamente en el material. Esta estructura permite que
P tenga un camino de difusión continuo hacia la superficie. Además, la
homogeneidad estructural del vidrio permitió la liberación de iones Ca y Mg
desde cualquier punto de la superficie en contacto con la solución de Tris-HCl
el material cerámico es un material
policristalino cuyas fases están distribuidas “heterogéneamente”. La
disolución de las fases se produce de forma gradual y algunos granos no entran
en contacto con la solución, por lo que no se disuelven. Esta es la razón
por la que este material muestra un comportamiento más estable que la
vitrocerámica durante este experimento in vitro
BIO - ACTIVIDAD EN SBF
figura 5: Imágenes
FE-SEM Hitachi S4700 de la superficie de vitrocerámica después
de 21 días de remojo en SBF (A – C). Espectros EDS registrados a partir de
la capa de revestimiento (D).
se observa algo de desconchado de la capa de cobertura en la esquina superior derecha de la Fig. A. Esta capa estaba compuesta de cristales con morfología en forma de placa ( Fig. B y C). Esta morfología es típica de la apatita[1].
CONCLUSIONES
Se han obtenido 2 biomateriales diferentes basados en Ca 3 (PO 4 ) 2 , una vitrocerámica y
una cerámica, con la misma composición química.
Ambos materiales expuestos al SBF llevaron a la formación de cristales de apatita. Estos cristales forman una capa continua sobre la superficie del material vitrocerámico después de 21 días de remojo, mientras que se forman pocos cristales sobre la superficie del material vitrocerámico.
En todos los casos (pruebas SBF y Tris-HCl), se ha observado una mayor reactividad en el material vitrocerámico.
La “penetración de ataque” de los cationes Mg y Ca en el material vitrocerámico se estimó entre ∼3 y 5% de profundidad utilizando un modelo esférico para la morfología de las partículas . Sin embargo, al mismo tiempo hay algunas precipitaciones de fases secundarias porque el contenido en los diferentes iones alcanza valores de producto de solubilidad.
Las diferencias en la reactividad de las muestras en soluciones acelulares se deben a diferencias en su composición mineralógica. Las fases identificadas exhiben diferente solubilidad en las pruebas Tris-HCl y SBF. El orden de solubilidad es: fase vítrea > CaSiO 3 > α-Ca 3 (PO 4 ) 2 > β-Ca 3 (PO 4 ) 2 > Mg 2 Si 2 O 6
Estas diferencias dan la oportunidad de diseñar materiales compuestos mezclando polvos de vidrio y cerámica de acuerdo con su reactividad [1].
REFERENCIAS
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