Síntesis de materiales de fosfato tricálcico para regeneración o sustitución ósea Sistema Ca3 (PO4)2 - CaMg (SiO3)2

Resumen

En la presente tesis doctoral se han desarrollado materiales monofásicos y bifásicos dentro del sistema fosfato tricálcico [(Ca3(PO4)2] - diópsido [CaMg(SiO3)2]. En el estudio se ha contemplado la síntesis y caracterización de polvos de Ca3(PO4)2 y CaMg(SiO3)2 y las etapas de diseño de las composiciones, síntesis, sinterización y caracterización microestructural y mecánica, así como estudios de bioactividad in vitro de los compactos obtenidos. Para diseñar correctamente los materiales a estudiar, se ha determinado experimentalmente el sistema fosfato tricálcico [(Ca3(PO4)2] - diópsido [CaMg(SiO3)2]. Consecuencia de este estudio ha sido la confirmación de la composición y temperatura del punto eutéctico binario Ca3(PO4)2-CaMg(SiO3)2. Así mismo, se ha determinado la composición y la temperatura de un nuevo punto peritéctico: ß- Ca3(PO4)2 Æ ¿- Ca3(PO4)2 + Líquido. Más concretamente, el procesamiento de los distintos materiales estudiados incluyó la síntesis de Ca3(PO4)2 puro, estequiométrico y dopado con Si y Mg y de CaMg(SiO3)2 puro y estequiométrico. Así como, la obtención de compactos de Ca3(PO4)2 y de Ca3(PO4)2-CaMg(SiO3)2 y el estudio del proceso de sinterización y la caracterización de los materiales finales y de los obtenidos en todas las etapas intermedias. La síntesis de polvos de Ca3(PO4)2 se ha abordado por dos métodos: a) soluciónprecipitación y b) molienda de atrición de alta energía. Los polvos obtenidos han sido caracterizados mediante Fluorescencia de Rayos X (FRX), Difracción de Rayos X (DRX) y Espectroscopias Raman (ER) y de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) de 31 P y 29 Si. Mediante FRX, RMN y DRX se ha podido confirmar que el Mg y el Si entran en la red cristalina del Ca3(PO4)2 formando soluciones sólidas estables hasta 1440º C con la estructura del ß- Ca3(PO4)2. Durante la etapa de procesamiento y caracterización de los compactos, se han estudiado los parámetros más significativos de los procesos de sinterización de los polvos de Ca3(PO4)2 obtenidos y de mezclas seleccionadas de Ca3(PO4)2- CaMg(SiO3)2, así como de sinterización reactiva de mezclas de Ca3(PO4)2-CaCO3- MgO-SiO2. Se ha estudiado el efecto de distintas variables como la composición de las materias primas, la temperatura y el tiempo para optimizar el proceso. Para lograr los objetivos de esta etapa se usaron técnicas de caracterización desde el punto de vista Térmico: Análisis Térmico Diferencial (ATD) y dilatometría. Estructural: DRX, Microestructural: Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (MEB-EC), Analítico: Análisis por Dispersión de Energías (MEB-EC-EDS) y Mecánico: se determinó el esfuerzo de rotura mediante experimentos de compresión diametral y flexión en tres puntos. Estableciendo el módulo de Young (E) utilizando la técnica de resonancia. Todo lo anteriormente descrito, ha permitido establecer el procesamiento necesario para obtener materiales de ß-, ¿+ß-Ca3(PO4)2ss dopado con Mg y Si y ß-Ca3(PO4)2ssCaMg(SiO3)2 con densidades y propiedades mecánicas óptimas (composición, temperatura de sinterización y velocidades de calentamiento y enfriamiento). Se ha comprobado que la presencia de pequeñas cantidades de MgO y SiO2 da lugar a la formación de líquidos a ¿ 1277º C, que generan procesos de sinterización en presencia de líquidos transitorios, lo que mejora la densificación de los materiales. Las diferencias entre las propiedades mecánicas obtenidas para los materiales sinterizados monofásicos y bifásicos se atribuyen a diferencias microestructurales (tamaño de grano y de poro, porosidad, microgrietas y composición mineralógica). Finalmente, se han realizado los estudios in vitro de los compactos obtenidos: El estudio de la solubilidad en Tris-HCl ha mostrado que los materiales desarrollados reaccionan con esta solución mediante un proceso de disolución-precipitación dando lugar a la formación de apatita. Los materiales basados en ß-C3P presentan una reactividad muy inferior a la de los materiales basados en ¿-C3P. En los materiales con silicio se detecta la liberación de iones Si al medio así como un aumento significativo de la concentración de iones Ca y P en el SFA. En los experimentos de solubilidad in vitro en Suero Fisiológico Artificial (SFA) los materiales con presencia de CaMg(SiO3)2 han liberado una mayor cantidad de iones Ca, P y Si al medio de SFA. Esta característica es de gran importancia si se tiene en cuenta que la concentración de los iones (Si, Mg), tras la disolución, está dentro del rango que genera una mayor proliferación de osteoblastos (osteoestimulación). Sin embargo, no se ha observado la formación sobre su superficie de capas de un grosor detectable de apatita. Si se tiene presente que varios investigaciones han demostrado que el ß- Ca3(PO4)2 es de los pocos materiales que aunque no forme esta capa puede generar una unión buena con el hueso, se puede concluir que este experimento no es concluyente con respecto a la capacidad de los materiales desarrollados de unirse al hueso. Los osteoblastos fetales humanos sembrados sobre la superficie de los distintos materiales desarrollados presentan una alta adhesión y proliferación celular. Los resultados obtenidos indican que los materiales desarrollados no son citotóxicos por lo que todos ellos pueden ser considerados biocompatibles. Los materiales de fosfatos desarrollados (ß- ¿+ß-Ca3(PO4)2 y ß-Ca3(PO4)2- CaMg(SiO3)2) tienen propiedades mecanicas (MOR ¿ 40 MPa y E ¿ 60 GPa) y comportamiento in vitro proximo o mejor, según el caso, a los fosfatos comerciales que se utilizan actualmente en aplicaciones biomedicas. El proceso de obtención usado en la presente tesis: molienda de atrición de alta energía de las materias primas seguido de sinterización reactiva en el rango de temperaturas 1200-1400º C produce materiales con porosidades variables de ß-, ¿+ß-Ca3(PO4)2 o ß-Ca3(PO4)2- CaMg(SiO3)2. Este método es económicamente viable, fácilmente trasladable a una planta de fabricación en serie de cerámica técnica y susceptible de producir implantes con composiciones químicas, mineralógicas y porosidades reproducibles. Las relativamente bajas propiedades mecánicas de los materiales desarrollados limitan su aplicación a zonas sometidas a cargas medias o bajas tales como: otorrinolaringologia, cirugia maxilofacial, dental e implantes periodontales. Tambien pueden ser utilizados en la fabricación de andamiajes porosos para el crecimiento de células o en el relleno de defectos óseos.