Funcionalización superficial de aleaciones de titanio mediante anodizado para aplicaciones biomédicas

Resumen

Los grandes avances tecnológicos del siglo XX permitieron impulsar el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos en diversos campos de la tecnología. Entre ellos destaca la medicina, siendo las áreas de medicina cardiovascular, reconstructiva y ortopédica donde el desarrollo para stents, válvulas cardiacas, implantes dentales, espinales, prótesis osteoarticulares totales y/o parciales, ha supuesto un gran avance de enorme repercusión económica y social. A este éxito han contribuido en gran medida los materiales metálicos. Sin embargo, su uso no está todavía exento de inconvenientes. Uno de los principales problemas asociados a los implantes metálicos son las infecciones post-operatorias que pueden llegar a provocar el rechazo del implante. Una forma de prevenir estas infecciones es modificar la superficie del implante para dotarla con propiedades antibacterianas. Diferentes técnicas de modificación superficial como: tratamientos térmicos, recubrimientos sol-gel, tratamientos con laser, pulverización catódica, implantación iónica, anodizado, etc., han sido usadas con el fin de dotar a los distintos biomateriales y en especial a los implantes de titanio, de propiedades que permitan prevenir o eliminar el riesgo de infecciones. De entre dichas técnicas, el anodizado es un proceso que permite crecer capas de óxido de nanoestructura, espesor y composición controladas a partir de la optimización de las condiciones de crecimiento. En el presente trabajo de investigación se han crecido capas anódicas sobre dos aleaciones de titanio, Ti6Al4V y Ti13Nb13Zr, a partir de diferentes electrolitos acuosos, con el objetivo de diseñar nuevas nanoestructuras de óxido de titanio con morfología y composición química controlada que inhiban la adherencia bacteriana. El trabajo realizado en esta tesis engloba desde la definición de las condiciones de crecimiento y su optimización -composición y pH del baño de anodizado, voltaje/corriente aplicados, tiempos de crecimiento, temperatura-, hasta la caracterización morfológica, estequiométrica, microestructural de las capas crecidas y su estabilidad química en una solución fisiológica simulada (PBS) que permita entender cuál será su respuesta en el interior del cuerpo humano. Para ello, se han empleado una gran variedad de técnicas, entre las que destacan, las de caracterización superficial: microscopía electrónica de barrido (SEM) y transmisión (TEM), espectroscopía de energía dispersiva de rayos X (EDS), espectrometría de retrodispersión Rutherford (RBS), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), espectrometría Raman, difracción de rayos X (XDR), perfilometría confocal y determinación de la energía superficial. Así como, técnicas más específicas para el estudio de la estabilidad química de las capas como: las técnicas electroquímicas de estado estacionario y no estacionario (DC y AC). Se han logrado crecer capas anódicas dopadas con flúor en un rango de espesores que van desde el nivel nanométrico (decenas) hasta el micrómetro (2 micrometro), con contenidos de flúor que varían entre el 4 y el 12 % at. y con diferentes morfologías, compacta (barrera), nanoporosa y nanotubular, a partir de baños acuosos a 20 °C y en tiempos comprendidos entre los 5 y los 90 minutos. El análisis de las capas crecidas muestra que se trata, principalmente, de un óxido amorfo cuya composición depende tanto de la aleación, como de la composición del baño de anodizado. Las capas anódicas generadas en Ti6Al4V, tienen una composición molecular media que es una mezcla de TiOx, con x<2, Al2O3, V2O5 y TiF4. Mientras que en la aleación Ti13Nb13Zr la capa está principalmente compuesta por un óxido complejo (TiNbZrO)x con x<1 y fluoruros de los elementos presentes en la aleación, NbF5, ZrF4 TiF4. La caracterización electroquímica de las capas anódicas revela que las superficies modificadas presentan en general una mejora en su comportamiento frente a la corrosión que depende íntimamente de la nanoestructura de las capas. Además, un resultado especialmente interesante es el derivado de una interpretación cuidadosa y exhaustiva de los espectros de impedancia que permite correlacionar la respuesta del sistema con la nanoestructura de las capas, haciendo que la impedancia sea una herramienta muy potente para caracterizar las capas de óxido de titanio crecidas por el proceso de anodizado. Finalmente, la caracterización biológica de los distintos óxidos crecidos se realizó en colaboración con los investigadores pertenecientes a los grupos de Reumatología y Metabolismo Óseo, y Microbiología del Instituto de Investigación Sanitaria (IIS)-Fundación Jiménez Díaz dirigidos por los doctores Pedro Esbrit y Jaime Esteban, respectivamente. Los resultados obtenidos sobre las capas anódicas crecidas en la aleación Ti6Al4V muestran que el contenido de flúor en las capas anódicas es el responsable de la disminución, hasta en un 50 %, de la adherencia de Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis, procedentes tanto de cepas de colección como de cepas clínicas extraídas de pacientes que habían desarrollado infección. Además, la presencia del flúor no altera la respuesta celular ni la mineralización en comparación con la aleación Ti6Al4V sin anodizar. Muy al contrario, en algunos casos la presencia de este elemento en nanoestructuras concretas mejora la función osteogénica.