Obtención y caracterización de fases de refuerzo monocristalinas y biocompatibles para su aplicación en biocomposites para regeneración ósea

  1. García-Tuñón Blanca, Esther
Dirixida por:
  1. Francisco Guitián Rivera Director
  2. Jaime Franco Vázquez Director

Universidade de defensa: Universidade de Santiago de Compostela

Fecha de defensa: 14 de febreiro de 2011

Tribunal:
  1. José Serafín Moya Corral Presidente/a
  2. Víctor Valcárcel Secretario/a
  3. Bruno Dacuña Mariño Vogal
  4. Carmen Cerecedo Vogal
  5. Eduardo Sáiz Gutiérrez Vogal
Departamento:
  1. Departamento de Edafoloxía e Química Agrícola

Tipo: Tese

Resumo

Durante años la cirugía ortopédica reparadora ha estado utilizando injertos de hueso autólogo para reparar defectos óseos. Sin embargo, el uso de este tipo de implantes presenta ciertos inconvenientes, como una disponibilidad limitada del hueso propio (autoinjerto) o la aparición de dolor crónico asociado con su recolección. Todo ello ha impulsado el desarrollo y uso de biomateriales sintéticos como sustitutos óseos. Hoy en día existe una creciente demanda de materiales sintéticos para la regeneración ósea. Además, existe un gran potencial para el uso de estos materiales como soportes de las propias células del paciente o factores de crecimiento recombinantes (FG) para acelerar y mejorar la calidad de la regeneración ósea, lo que se conoce como Ingeniería de Tejidos. La Ingeniería Tisular consiste en la combinación de las células con un material que actúa como soporte (scaffold), de manera que se proporcionen unas condiciones adecuadas que conduzcan a la formación de tejido óseo. La naturaleza del material así como sus propiedades químicas y mecánicas son aspectos fundamentales para alcanzar los requisitos del tejido huésped. Entre los materiales utilizados para este propósito se encuentran las biocerámicas, como el hidroxiapatito (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) y el ß-fosfato tricálcico (ß-Ca3(PO4)2), ß-TCP). Ambos, HA y TCP tienen una composición similar a la del componente mineral del hueso. En los últimos 20 años se ha realizado un considerable esfuerzo de investigación en el campo de las biocerámicas como el hidroxiapatito (HA), el fosfato tricálcico (ß-TCP), las vitro-cerámicas, los biovidrios, cementos óseos, etc. Así, se han hecho enormes progresos en este campo, como por ejemplo en la síntesis de nuevos materiales, o en los conocimientos básicos de los fenómenos que tienen lugar después de la implantación, (tales como la aparición de la interfaz de material tejido, la respuesta de los tejidos, la estabilidad del implante en el largo plazo, etc). El Instituto de Cerámica de Galicia (ICG) de la Universidad de Santiago de Compostela, ha llevado a cabo investigaciones en el campo de los biomateriales desde 1988, y en concreto sobre la producción y el diseño de biocerámicas fosfato de calcio. Los materiales cerámicos de fosfato de calcio presentan una excelente biocompatibilidad, pero una tenacidad a fractura baja en comparación con la exhibida por los huesos. Este inconveniente ha limitado su aplicación clínica a zonas de baja demanda mecánica. Una forma de mejorar las propiedades mecánicas de estos materiales (HA, TCP y BCP (materiales de fosfatos cálcicos bifásicos)) y de los cementos óseos, consiste en el uso de fases de refuerzo monocristalinas y biocompatibles con buena relación de aspecto. Además, la obtención de monocristales de este sistema (apatito) es interesante para otras aplicaciones, como el estudio de la adsorción de proteínas en la superficie, los estudios de los mecanismos de disolución, o estudios de las propiedades mecánicas dependiendo de la orientación del cristal. Otra de las aplicaciones de los monocristales de fosfatos cálcicos (como la espodiosita y el clorapatito) consiste en la inmovilización de residuos radiactivos de plutonio en su estructura. La estructura de los apatitos presenta una gran versatilidad, y puede adaptarse y alojar en su red a diferentes tipos de iones. El método de sales fundidas, es una técnica sencilla para obtener polvos cerámicos con morfologías diversas como "whiskers", "platelet-like", "needle", y estequiometría compleja. Esta técnica se basa en el uso de fundentes (cloruros alcalinos, sulfatos, carbonatos o hidróxidos) como medio de reacción para el crecimiento cristalino. Se utiliza con frecuencia en la obtención de cerámicas superconductoras y otras aplicaciones como la obtención de ferritas, titanatos, niobatos, mullita, etc. Este método permite sintetizar cristales de fosfato de calcio mediante un proceso de disolución-precipitación de polvos de TCP en sales fundidas. Esta tesis presenta los resultados de la obtención y caracterización de fibras monocristalinas y biocompatibles, para su aplicación como fase de refuerzo en biocompuestos para reparación ósea. En primer lugar se ha estudiado el crecimiento de monocristales de fosfato de calcio (CaPs) en sales fundidas mediante un procedimiento similar al propuesto por Taç y Teshima (véase el capítulo 2, revisión bibliográfica). El capítulo 3 describe todas las técnicas de análisis que se han utilizado para caracterizar las muestras obtenidas en este trabajo (capítulo 3). El capítulo 4 recopila los resultados de la síntesis de monocristales a partir de polvos de fosfatos de calcio de elevada pureza. Las síntesis se han llevado a cabo mediante el estudio de la manipulación de varios parámetros experimentales: composición del fundente, la temperatura del baño salino, la proporción soluto/fundente, y el ciclo térmico. El capítulo 5 se centra en el estudio de la síntesis y caracterización de fibras de clorapatito (ClAp). Se ha realizado un estudio del diagrama de fases del sistema TCP/CaCl2 para la obtención de monocristales de clorapatito con diferentes tamaños (milimétricos y micrométricos), varias morfologías (prisma y aguja) y distintas características superficiales (rugosidad). Este capítulo muestra los resultados obtenidos de la caracterización de los monocristales de clorapatito utilizando diversas técnicas de análisis. Para ello se han utilizado las siguientes técnicas: microscopía electrónica (MEB-EDX); espectroscopía infrarroja (FT-IR); análisis químico (ICP), y medida de concentración de cloruros en disolución con electrodo selectivo; interferometría de luz blanca (ILB); microscopía de fuerza atómica (MFA); y difracción de rayos-X de polvo y monocristal (DRX). Las propiedades físico-químicas de los materiales dependen de su ordenamiento atómico, por ello se ha realizado un estudio detallado de la estructura cristalina a partir de datos de difracción de rayos X de monocristales y de muestras policristalinas (polvo). Este análisis proporciona información sobre las distancias interatómicas, longitudes de enlace, las vibraciones térmicas, las desviaciones del orden ideal, estabilidad, etc. La estructura cristalina de los monocristales de ClAp sintetizados ha sido refinada a partir de datos de difracción de monocristales y polvo (capítulo 5). Por otro lado, es importante predecir y evaluar el comportamiento de estos materiales 'in vivo', por ello se ha realizado un estudio de comportamiento 'in vitro' en solución de Hanks a 37ºC. Los resultados de estos experimentos se incluyen en el capítulo 5 (apartado 5.4). Estos estudios permiten determinar la degradación del cristal en condiciones que simulan el entorno fisiológico, y analizar los mecanismos de disolución que tienen lugar en la superficie de los cristales. Este tipo de estudios de disolución en monocristales permite analizar los fenómenos de disolución que tienen lugar en los apatitos de origen biológico como la dentina, el esmalte o el tejido óseo. El capítulo 6 recopila los resultados de los análisis de la evolución química y estructural de monocristales de ClAp hacia HA. Estos monocristales se han obtenido siguiendo un procedimiento similar al propuesto por Young y Elliot (véase el capítulo 2, revisión bibliográfica). Esta conversión se estudia con varias técnicas: difracción de rayos X, espectroscopia FT-IR, medición de la concentración de cloruro, y análisis morfológico. En este capítulo se recopilan los resultados de todos los análisis realizados y se proporciona una caracterización estructural detallada a partir de datos de difracción de monocristal de rayos-X de los cristales de composiciones binarias (Ca5(PO4)3Clx(OH)1-x) obtenidos durante el proceso de conversión. Se describe esta evolución a través del análisis de diferentes parámetros estructurales, como la variación de las posiciones atómicas, parámetros de red, sustituciones iónicas, cambios en la simetría, o variación en la "calidad" de los cristales. La síntesis de monocristales en este sistema binario cuyo contenido de cloruro es cada vez menor, supone una gran ventaja, ya que las medidas y refinamientos de estos monocristales proporcionan un seguimiento de la evolución desde un punto de vista estructural. Estos análisis permiten simular y extrapolar los fenómenos que ocurren en la naturaleza, donde es frecuente encontrar estructuras y composiciones similares a las que se han estudiado en esta tesis, como por ejemplo las de los apatitos de origen geológico y biológico (como el esmalte, la dentina y el hueso). Por último, en el capítulo 7 se presentan los resultados de las propiedades mecánicas de las fibras monocristalinas de ClAp y composiciones binarias (Ca5(PO4)3Clx(OH)1-x) a partir de medidas de nanoindentación. Además, en este capítulo se incluye un pequeño estudio preliminar donde se analiza la posibilidad de aplicación de estos monocristales como fase de refuerzo en biocomposites.