Recubrimientos biocompatibles de Hidroxiapatita-Titania obtenidos mediante Proyección Térmica de Alta Velocidad (HVOF)

Abstract

Desde hace décadas se implantó el uso en la industria de recubrimientos biocompatibles de hidroxiapatita obtenidos mediante proyección plasma sobre prótesis metálicas. El objetivo de estos recubrimientos es mejorar el enlace tejido óseo-prótesis, de manera que la movilidad de la prótesis sea mínima y se eviten fallos prematuros de ésta. Pero numerosos estudios realizados desde entonces han mostrado las limitaciones de estos recubrimientos por la degradación térmica que lleva tanto a la formación de fases nocivas como a una rápida disolución del recubrimiento por la presencia de fases amorfas.

Por esta razón, de entre las diferentes posibilidades que se podían considerar para resolver estos problemas, se ha escogido la adición de un 20% de TiO2 a la hidroxiapatita en la mezcla inicial, combinada con la sustitución de la proyección plasma por proyección térmica de alta velocidad (HVOF). La tesis considera en primer lugar la amplia caracterización de los recubrimientos obtenidos –sobre sustratos de TiAlV-, comparándolos con recubrimientos de otras composiciones u obtenidos mediante proyección plasma. La caracterización mecánica, que considera tanto propiedades de adherencia como de tenacidad a fractura o desgaste, entre otras, permite observar que la combinación escogida presenta iguales o mejores propiedades que otras (como 100% hidroxiapatita o 60%hidroxiapatita-40%titania). De entre las condiciones de proyección consideradas para el caso 80-20, la que presenta más compactación y menor cantidad de fases amorfas es la que mejores propiedades mecánicas presenta. Los ensayos electroquímicos, que comparan este mejor caso 80-20 con recubrimientos 100%hidroxiapatita y con sustratos sin recubrir, muestran que la adición de TiO2 en la mezcla inicial multiplica prácticamente por cuatro la duración de la funcionalidad del recubrimiento en condiciones fisiológicas. Por último, los ensayos in vitro realizados a los cuatro casos 80-20 muestran que el comportamiento celular en superficie es bueno en general, pero que los casos que presentan peores resultados son los de menor cantidad de fases amorfas; es decir, los que mejores propiedades mecánicas presentaban. De ahí la segunda consideración de la tesis: estudiar tratamientos que pudieran mejorar el comportamiento osteoblástico en la superficie de estos últimos recubrimientos o añadirle una funcionalidad biológica extra. Dos vías han sido las elegidas: la comparación entre tratamientos alcalinos y con colágeno, para evaluar cuál de los dos resulta más adecuado para mejorar la bioactividad del recubrimiento; y la comparación entre la adición de ZnO y el tratamiento con gentamicina para otorgarle una función bactericida al recubrimiento. El análisis de estas dos vías ha permitido llegar a dos conclusiones interesantes: el tratamiento con colágeno mejora sustancialmente la viabilidad y sobre todo, la diferenciación de los osteoblastos en superficie; y el tratamiento con gentamicina mejora las propiedades bactericidas del propio recubrimiento, tanto para bacterias Gram-positivas como Gram-negativas.

Así, se puede concluir que los recubrimientos 80-20 estudiados son una buena opción de cara a sustituir a los utilizados industrialmente, especialmente los de mejores propiedades mecánicas. Y los dos tratamientos escogidos al final de la tesis (colágeno y gentamicina) resultan ser dos vías muy prometedoras para proseguir el estudio de la mejora de la funcionalidad biológica en los recubrimientos para prótesis.

Since the 70s the employment of plasma-sprayed hydroxyapatite coatings onto metallic substrates has been widely used. However, many problems inherent to this procedure were identified. That is why many solutions were proposed in the following years to improve the behaviour of these coatings.

In this PhD thesis the use of a combination of 80wt%hydroxiapatite and 20wt% TiO2 sprayed by means of high velocity oxy-fuel (HVOF), a technique with lower reached temperatures than plasma-spray, has been considered.

The first step considers the obtention process and the extensive characterization of the coatings, sprayed onto TiAlV substrates, comparing them to coatings with other compositions or coatings obtained by plasma-spray. Mechanical characterization (adhesion, fracture toughness, wear, etc.) shows that the studied 80-20 coatings have equal or better properties than the other (100%hydroxyapatite or 60%hydroxyapatite-40%titania). The coating with best mechanical properties among the 80-20 cases is the one that presents more compaction and fewer amount of amorphous phases. Electrochemical tests, comparing the best 80-20 case with hydroxyapatite coatings and uncoated substrates indicate that the TiO2 addition to the mixture lengthens the functionality of the coating under physiological conditions. Finally, in vitro tests show that the cell behaviour over 80-20 coatings is positive. However, the cases with poorer biological results have the lowest amounts of amorphous phases, i.e. are those with better mechanical properties.

Hence the second step considered in this thesis: finding surface treatments that could improve osteoblastic behavior over the coatings with better mechanical properties, or add some additional biological property. The comparison between collagen and alkaline treatments to evaluate which one is more suitable for improving the bioactivity of the coating, as well as the comparison between the addition of ZnO and a treatment with gentamicin, to confer a bactericidal function to the coating, were considered. The analysis of these two methods led to conclude that collagen treatment and gentamicin impregnation are promising ways to improve osteoblast behaviour and eliminate Gram-positive and Gram-negative bacteria, respectively.