Recubrimientos de cerámica y vidrio nanoestructurados para aplicaciones ortopédicas, parte 1

Recubrimientos de vidrio y cerámica nanoestructurados para aplicaciones ortopédicas

Guocheng Wang1, Zufu Lu 1 , Xuanyong Liu 2 , Xiaming Zhou 2 ,

Chuanxian Ding 2 y Hala Zreiqat 1 , *

1 Unidad de Investigación de Biomateriales e Ingeniería de Tejidos, Escuela de AMME,

Universidad de Sydney, Sydney 2006, Australia

2 Instituto de Cerámica de Shanghai, Academia China de Ciencias, Shanghai 200050,

República Popular de China


Las vitrocerámicas han atraído mucha atención en el campo biomédico, ya que ofrecen grandes posibilidades para manipular sus propiedades mediante tratamientos posteriores, incluida la resistencia, la tasa de degradación y el coeficiente de expansión térmica. En este trabajo, se prepararon revestimientos vitrocerámicos con nanoestructuras de hardystonita (HT; Ca2ZnSi2O7) y esfeno (SP; CaTiSiO5) con nanoestructuras utilizando una técnica de pulverización de plasma utilizando polvos convencionales. La resistencia de la unión y la dureza Vickers para los recubrimientos de HT y SP son superiores a los valores informados para los recubrimientos de hidroxiapatita pulverizados con plasma. Ambos tipos de recubrimientos liberan iones de calcio (Ca) y silicio (Si) bioactivos en el ambiente circundante. La prueba de mineralización en medio de cultivo libre de células mostró que muchos compuestos de Ca y fósforo parecidos a hongos se formaron en los recubrimientos de HT después de 5 h, lo que sugiere su alta capacidad de mineralización acelular. Los osteoblastos humanos primarios se adhieren, se propagan y proliferan bien en ambos tipos de recubrimientos. Se observó una mayor tasa de proliferación en los recubrimientos de HT en comparación con los recubrimientos de SP y la aleación de Ti-6Al-4V sin recubrimiento, probablemente debido a los iones de zinc liberados de los recubrimientos de HT. Se observaron niveles de expresión más altos de Runx2, osteopontina y colágeno tipo I en ambos tipos de recubrimientos en comparación con la aleación Ti-6Al-4V, posiblemente debido al Ca y Si liberados de los recubrimientos. Los resultados de este estudio apuntan al uso potencial de los recubrimientos de HT y SP para aplicaciones ortopédicas.

Palabras clave: spray de plasma; ortopédico; aleación de titanio ; nanoestructura; genes osteogénicos; cerámica de vidrio


  1. INTRODUCCIÓN

La aleación de titanio (Ti-6Al-4V) se usa ampliamente en aplicaciones ortopédicas que incluyen articulaciones de cadera artificiales, placas óseas e implantes dentales debido a sus excelentes propiedades mecánicas [1]. Sin embargo, el principal inconveniente de los implantes Ti-6Al-4V es la formación de tejido fibroso denso en la interfaz implante-hueso debido a su bioinserción [2], que pone en peligro la estabilidad de las prótesis, lo que lleva a la falla prematura de los dispositivos. El recubrimiento de implantes Ti-6Al-4V con un recubrimiento bioactivo es una forma efectiva de resolver este problema, ya que el recubrimiento puede acelerar la formación de hueso nuevo en la interfaz hueso-implante, lo que lleva a un fuerte anclaje del material del dispositivo en el tejido óseo circundante y, por lo tanto, Extendiendo el tiempo de vida de los implantes. Se han utilizado diversas técnicas de modificación de la superficie, que incluyen sol-gel, pulverización de plasma, deposición biomimética, deposición por láser pulsado y técnicas de haz de iones [3]. La pulverización de plasma es, con mucho, la técnica comercial más establecida, debido a su alta tasa de deposición, depósito grueso, bajo capital y costo de operación [4], junto con el hecho de que las superficies rugosas de los recubrimientos rociados con plasma son favorables para la fijación ósea 5]. Los recubrimientos de hidroxiapatita (HAp) rociados con plasma se han comercializado y se han utilizado ampliamente en los reemplazos de las articulaciones de la cadera debido a la similitud química de la HAp con el componente inorgánico de los huesos humanos. Sin embargo, la principal preocupación con el recubrimiento de HAp es su baja resistencia de unión al Ti-6Al-4V subyacente que resulta de la falta de coincidencia de sus coeficientes de expansión térmica, lo que aumentará el riesgo de deslaminación de los recubrimientos. Una vez que se produce la deslaminación, los fragmentos de los recubrimientos promoverán la inflamación y la osteólisis resultante, comprometiendo así la estabilidad a largo plazo de los implantes de Ti-6Al-4V [6].

Un método alternativo es recubrir los implantes con bioglass a base de CaO-SiO2 cuya bioactividad ha sido bien documentada in vitro [7-11] e in vivo [12,13]. Sin embargo, la mayoría de los revestimientos de bioglass rociados con plasma fallan debido a su débil unión interfacial con la aleación Ti-6Al-4V debido a un mayor coeficiente de expansión térmica (14–15 × 10 -6 K -1 [14]) en relación con el de la aleación ( 8.4–8.8 × 10 -6 K -1 [15]) [16]. La alta tasa de degradación es otra barrera para el uso de bioglass como recubrimientos de implantes . Sin embargo, se sabe que la liberación de iones de calcio (Ca) y silicio (Si) aumenta la adhesión, proliferación y diferenciación de los osteoblastos [17-20] y promueve la formación de hueso [11,21]. Por lo tanto, el diseño de recubrimientos a base de CaO-SiO2 con una liberación limitada de iones de Ca y Si, que no comprometa la estabilidad a largo plazo de los recubrimientos, resultaría en recubrimientos con bioactividad mejorada. En nuestro trabajo anterior, informamos que el hardystonite (HT) o esfeno

Las cerámicas (SP), producidas por la adición de ZnO [22] o TiO2 [23], respectivamente, en el sistema CaO-SiO2, poseen una mejor estabilidad química en comparación con las cerámicas CaSiO3. Además, sus coeficientes de expansión térmica (11.2 × 10 -6 K -1 para HT [24]; 6 × 10 -6 K -1 para SP [25]) son más cercanos a las aleaciones de Ti-6Al-4V , lo que implica que Debe obtenerse la fuerza de unión. Por lo tanto, es plausible sugerir que HT y SP serían recubrimientos candidatos adecuados para aplicaciones ortopédicas.


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