Recubrimientos multifuncionales para el desarrollo de implantes biodegradables

Resumen

Durante las últimas décadas del siglo XX e inicios del siglo XXI se han producido extraordinarios avances en el campo de los biomateriales, impulsados por la investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales y la investigación en Biomedicina. La combinación de estas dos ramas de la ciencia permite modificar y controlar las distintas propiedades de los biomateriales con el fin de poder utilizarlos en un mayor número de aplicaciones. Dentro de este campo tiene especial importancia el desarrollo de implantes biodegradables, que permiten tratar enfermedades y fracturas óseas sin el inconveniente de tener que realizar una nueva intervención quirúrgica para retirar el implante una vez finalizado el proceso de curación. De entre todos los posibles materiales que pueden utilizarse para la fabricación de implantes óseos biodegradables, el magnesio y sus aleaciones han despertado un gran interés debido a sus excelentes propiedades mecánicas, ya que el magnesio es el más ligero de los metales estructurales y presenta una relación entre resistencia y peso más favorable que el acero, el titanio o el aluminio. También presenta un módulo de elasticidad más próximo al del tejido óseo que los metales citados anteriormente, lo que disminuye la aparición de efectos de resorción ósea durante el tratamiento con este tipo de implantes. Por otro lado, el magnesio es un elemento biodegradable y su catión Mg2+, generado durante su proceso de degradación, es un elemento fundamental en multitud de procesos fisiológicos, entre ellos la formación del tejido óseo. Sin embargo, el magnesio presenta una elevada tasa de corrosión que puede provocar que el implante pierda su integridad estructural antes de la finalización del proceso de curación del hueso, y durante su degradación se libera una gran cantidad de hidrógeno gaseoso que, si se acumula alrededor del implante, puede dañar los tejidos y provocar el fallo del tratamiento. Con el fin de controlar la tasa de degradación de la aleación de magnesio AZ31 y posibilitar su uso como material para implantes biodegradables, se ha propuesto el desarrollo de recubrimientos multifuncionales que protejan al sustrato metálico, disminuyendo su velocidad de degradación para hacer que el material conserve su integridad mecánica por más tiempo, y a la vez disminuyendo la cantidad de H2 generado, permitiendo al organismo asimilarlo y eliminarlo sin riesgo. Diferentes configuraciones de recubrimiento han sido generadas mediante la combinación de recubrimientos de sílice (SiO2) generados por sol-gel y depositados por dip-coating, y recubrimientos cerámicos generados por oxidación por plasma electrolítico. Además, se han utilizado nanopartículas de carbono, más específicamente nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) y nanoplaquetas de grafeno funcionalizadas con grupos carboxilo -COOH (COOH-GNPs), como elementos dopantes en los recubrimientos sol-gel. El nivel de protección frente a corrosión ofrecido por cada una de las distintas configuraciones de recubrimiento generadas ha sido estudiado mediante ensayos electroquímicos de corrosión (resistencia a la polarización lineal, polarización anódico-catódica, y espectroscopía de impedancia electroquímica), así como mediante ensayos de desprendimiento de hidrógeno, usando en los distintos ensayos dos electrolitos consistentes en una disolución de NaCl, y una disolución Hanks’, que simula el ambiente fisiológico durante los ensayos de corrosión in vitro. Por otra parte, ya que estos recubrimientos se han desarrollado con la idea de ser usados en el campo biomédico, es necesario estudiar su biocompatibilidad. Para ello, se han realizado cultivos celulares sobre las distintas configuraciones de recubrimiento generadas. Se han empleado dos líneas celulares, la línea de premioblastos C2C12-GFP, y la línea de preosteoblastos MC3T3-E1. Se ha llevado a cabo una evaluación visual de los cultivos mediante microscopía de fluorescencia, para lo que ha sido necesario usar técnicas de tinción en el caso de la línea celular MC3T3 que carece de autofluorescencia. Se han desarrollado ensayos de evaluación de la actividad metabólica y de cuantificación de ADN, así como estudios de viabilidad celular mediante el uso del hemocitómetro. Respecto al comportamiento frente a corrosión, la presencia de bajas concentraciones de nanoplaquetas de grafeno (0,005 % y 0,05 % en peso) en el sol-gel produce una mejora significativa en la protección ofrecida por el recubrimiento dopado frente a muestras tratadas con recubrimientos sol-gel sin dopar, estudiando el comportamiento frente a corrosión durante una semana de inmersión en disolución Hanks’. Mayores concentraciones de grafeno (0,5 % y 1% en peso), o el uso de nanotubos de carbono de pared múltiple como nanopartículas dopantes, producen una pérdida de la integridad del recubrimiento debido a la formación de agregados de nanopartículas que actúan como puntos de concentración de tensiones que provocan el agrietamiento del recubrimiento. Por otro lado, la combinación de recubrimientos obtenidos por oxidación por plasma electrolítico (PEO) y recubrimientos sol-gel permite obtener un mejor comportamiento frente a corrosión que los ofrecidos por cada uno de estos dos recubrimientos por separado. El sol-gel aplicado sobre el recubrimiento PEO se infiltra en el mismo, rellenando sus poros y dificultando que el electrolito alcance la superficie del sustrato recubierto a través de poros interconectados. Con respecto a la citocompatibilidad de los distintos sistemas de recubrimiento generados, se ha obtenido que los recubrimientos sol-gel presentan buena citocompatibilidad para las dos líneas celulares, mostrando la formación incipiente de monocapas celulares tras 168 h de cultivo, y con altos valores de actividad metabólica y de cuantificación de ADN, especialmente los recubrimientos dopados con bajas concentraciones de nanoplaquetas de grafeno. Sin embargo, si bien los recubrimientos PEO ofrecen mejor protección frente a corrosión, especialmente los que están en combinación con un recubrimiento monocapa de sol-gel, estos sistemas de recubrimiento presentan una menor citocompatibilidad que los recubrimientos monocapa sol-gel, posiblemente debido a la presencia de flúor en la composición del recubrimiento PEO que, en ciertas concentraciones, puede afectar a la adhesión y crecimiento celular. Por tanto, de entre todas las muestras estudiadas en este trabajo, el mejor equilibrio entre protección frente a corrosión y citocompatibilidad se obtiene para las muestras tratadas con recubrimientos sol-gel monocapa dopados con bajas concentraciones de nanopartículas de grafeno.