ES2222778B2

ES2222778B2 - PROCEDIMIENTO PARA INCREMENTAR LAS PROPIEDADES MECANICAS DE BIOCERAMICAS DE FOSFATOS CALCICOS MEDIANTE LA ADICION DE GELES CON RELACION Ca/P CONTROLADA A LOS POLVOS DE MATERIAS PRIMAS.

Info

Publication number: ES2222778B2
Application number: ES200201571A
Authority: ES
Inventors: Jaime Franco Vazquez; Francisco Guitian Rivera; Alejandro Souto Serantes
Original assignee: Universidade de Santiago de Compostela
Current assignee: Universidade de Santiago de Compostela
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2005-10-01
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: ES2222778A1

Abstract

Procedimiento para incrementar las propiedades mecánicas de biocerámicas de fosfatos cálcicos mediante la adición de geles con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas.

Procedimiento para incrementar las propiedades mecánicas de biocerámicas de fosfatos cálcicos mediante la adición de geles con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas de fosfatos cálcicos para la fabricación de piezas para su uso en cirugía ortopédico-restauradora, neurocirugía y odontología. Mediante la adición de geles de composición controlada y tamaño de partícula inferior a 0,1 \mum, a los polvos de fosfato cálcico de partida, este uso conjunto de los geles con los polvos de materias primas de fosfatos cálcicos hace que las piezas preparadas presenten mejores propiedades mecánicas que las obtenidas por un procesamiento cerámico convencional llegando a obtenerse resistencias a compresión de hasta 150 MPa.

Description

Las biocerámicas de fosfatos cálcicos se han venido empleando a lo largo de los últimos 20 años en la cirugía ortopédico-restauradora, neurocirugía y odontología, de entre los cuales podemos destacar el fosfato tricálcico, el hidroxiapatito y sus mezclas.(S. F Hulbert, J. C. Boleros, L. L. Hench, J. Wilson and G. Heimke, "Ceramics in Clinical Applications: Past, Present and Future"; pp 189-213 in High Tech Ceramics. Edited by P. Vincenzini. Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 1987). Son de gran interés debido a su gran similitud con la fase mineral del hueso, por lo que no provocan reacciones de rechazo y permiten la integración del tejido vivo en el implante. Las biocerámicas de fosfato cálcico comprenden un grupo de compuestos que se diferencian entre sí en la relación Ca/P y en la presencia o ausencia de agua en su constitución (ver tabla 1). Una variación en dicha relación produce desde diferencias en la solubilidad del compuesto en agua o en suero fisiológico, hasta comportamientos muy diferentes de los distintos fosfatos en contacto con el tejido vivo y distintas respuestas de estos tejidos (H. Oonishi, L. L. Hench, J. Wilson, F. Sugihara, E. Tsuji, S. Kushitani, H. Iwaki, J., Biomed Matter Res, 1999 (44), 31-43),. El diseño de materiales con la relación Ca/P controlada permite fabricar a medida piezas con propiedades adecuadas para aplicaciones concretas ("taylor-made").

TABLA 1

1

Se utilizan habitualmente fosfatos cálcicos con relación Ca/P= 1,67 (Hidroxiapatitos), con características bioactivas; fosfatos cálcicos con relación Ca/P= 1,50 (Fosfatos tricálcicos), que son materiales reabsorbibles; y composiciones con estequiometrías intermedias (1,50<Ca/P<1,67), que se conocen como "materiales bifásicos" (BCP, biphasic calcium phosphates, en sus siglas inglesas).

Las piezas utilizadas hoy en día se fabrican por métodos de procesamiento convencionales de la industria cerámica tales como extrusión, colado (normal, centrífugo y a presión), inyección de pastas cerámicas (de baja y alta presión), prensado (uniaxial, isostático en frío y en caliente), gelcasting, etc. Una vez conformadas, estas piezas se procesan térmicamente. Este procesamiento incluye: a) una etapa de secado, a temperaturas entre 60ºC y 150ºC, que tiene por objeto la eliminación del agua presente en la pieza. Esta etapa puede no ser necesaria en algunos casos; y b) la cocción, característica de las cerámicas, que se realiza a temperaturas superiores a los 100ºC, y con ciclos de tiempo muy variables, dependiendo de la composición y características dimensionales y de forma de las piezas.

Las formas mas utilizadas como implantes son esponjas porosas, cuñas, tornillos, granulados de distintos tamaños de partícula, etc.

Las piezas de fosfatos cálcicos se caracterizan por su débil resistencia mecánica, que las hace inadecuadas para su uso en zonas de implantación con este tipo de solicitaciones (Feenster, L. and K. de Groot, in "Bioceramics of calcium phosphates", p. 131, edited by K. de Groot, CRC Pres, Boca Raton, Florida, 1983). Estas resistencias se encuentran normalmente entre 5 y 30 Mpa en compresión, y de 2 a 20 Mpa en flexión, claramente insuficientes para la mayoría de las aplicaciones en zonas de alta solicitación mecánica.

Por ello, comúnmente, las cerámicas de fosfato se utilizan en rellenos, como carga de otros materiales más resistentes, o en recubrimientos de metales. En los últimos años se ha dedicado un considerable esfuerzo para conseguir reforzar estas cerámicas de fosfato cálcico, utilizando las técnicas de uso general en la ciencia cerámica y de materiales.

En el campo de los materiales cerámicos se utilizan una serie de procedimientos para el reforzamiento mecánico y la consiguiente mejora de propiedades tales como la resistencia a compresión, la resistencia a flexión, la tenacidad, etc., algunos de los cuales se citan a continuación ("Engineered Materials Handbook", Vol. 4, Ceramics and Glasses, Edited by ASM International, 1991).

\bullet: Introducción de una fase secundaria que incremente la tenacidad de la pieza.

\bullet: Transformaciones de fases meta estables que refuercen la matriz, como el reforzamiento por transformación martensítica de la circona.

\bullet: Reforzamiento con whiskers (fibras monocristalinas de alta relación de aspecto).

\bullet: Incorporación de fibras continuas en la matriz cerámica.

\bullet: Adición de una fase vítrea.

\bullet: Utilización de nanopartículas.

La aplicación de este tipo de procedimientos de reforzamiento en el campo de las biocerámicas de fosfatos cálcicos está bastante limitada, bien sea porque la segunda fase a añadir sea perjudicial para el cuerpo (toxicidad del material, liberación de fibras y/o partículas no deseadas) o por el elevado coste y dificultad del proceso (fabricación de whiskers de biocerámicas o uso de nanopartículas).

Formalmente, cuando se habla de nanopartículas se hace referencia a un material en polvo cuyo tamaño de partícula es inferior a 0,1 \mum. Obtener nanopartículas en polvo supone seguir un proceso complejo y largo (H. Schmidf et col. "Sol-Gel derived nanoparticles and processing routes to ceramics and composites" in "Sol-Gel Synthesis and Processing", edited by S. Komarmeni, S. Saka, P. P. Phulé & R. M. Laine, Am. Cer. Soc., Ohio, 1998) que, inevitablemente, hace que se incrementen la dificultad y los costes del mismo. Una manera de evitar la obtención de nanopartículas en polvo es trabajar con suspensiones coloidales. En las suspensiones coloidales las nanopartículas se encuentran dispersas en un disolvente.

Tal como ya se ha dicho, para obtener piezas de biocerámicas de fosfatos cálcicos es necesario partir de polvos que se procesan para conseguir formas con las dimensiones requeridas. Una vez conformadas las piezas se calcinan para conseguir materiales consolidados a temperaturas inferiores a la de fusión total del compacto, en un proceso de sinterización. La sinterización implica fenómenos de transporte de materia basados en la difusión. Su fuerza conductora es la disminución de energía libre del compacto, y en particular de su energía libre superficial. Por ello altas superficies específicas en el material de partida favorecen la sinterización. Para los fosfatos cálcicos el rango de temperaturas de sinterización se encuentra entre 900ºC y 1500ºC (Elliott, J. C.; "Structure and Cemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates", Studies in Inorganic Chemistry 18, Elsevier, Amsterdam, London, New York, Tokio (1994)).

En el procesado de materiales cerámicos se tiende a utilizar materiales cada vez más finos, para favorecer la sinterización y disminuir los defectos de la pieza. En la actualidad son bastante comunes los procesos en los que se emplean, únicamente o en parte, nanopartículas, es decir partículas cuyo tamaño es inferior a 0,1 \mum.

Por otra parte, es bien sabido que los geles de hidróxidos, fosfatos y otras sales de metales de alta relación carga/radio están formados por sistemas coloidales compuestos por partículas de tamaño inferior a 0,1 \mum (M. Jarcho, C. H. Bolen, M. B. Thomas, J. Bobick, J. K. Kay and R. H. Dhoremus, J. Mater Sci 1976 (11)., 2027). Así pues, añadiendo a los polvos cerámicos utilizados en la fabricación de una determinada pieza, una cantidad adecuada de geles de fosfatos cálcicos de composición controlada, se puede mejorar la sinterización de dicha pieza en la posterior cocción de la misma y consecuentemente se mejorarán también sus propiedades mecánicas.

Se puede hacer una clasificación de la naturaleza de los fosfatos de calcio en función de la relación Ca/P de los mismos (ver tabla 1).

En función de esta relación van a presentar diferentes propiedades, tanto físico-químicas como bioactivas, por lo que es interesante al diseñar las piezas, no sólo controlar sus propiedades-mecánicas, sino también la respuesta que va a tener el cuerpo frente al implante. De ahí que sea primordial controlar dicha relación Ca/P.

En la presente invención proponemos un procedimiento que consiste en la obtención de geles, de relación Ca/P controlada, y su adición a los polvos de materias primas de biocerámicas de fosfato cálcico. Este método permite reforzar las piezas con geles de relación Ca/P igual o diferente a la de la matriz cerámica. Este método es compatible con las rutas conocidas de procesamiento cerámico. Las piezas obtenidas, con resistencias mecánicas más altas que las tradicionales, podrían ser utilizadas en zonas de elevadas solicitaciones mecánicas, en las que hasta ahora no se emplean, añadiendo como ventaja el que la fase que se emplea para reforzar el material es igualmente compatible que el propio material. Dependiendo de la granulometría del polvo de partida se pueden llegar a alcanzar cotas de resistencia mecánica a compresión de 600 MPa.

Procedimiento

Para la obtención de geles con la relación Ca/P controlada se mezclan simultáneamente una disolución acuosa que contenga [Ca^{2+}] con otra disolución acuosa que contenga [PO_{4}^{-3}], ambas estabilizadas a un pH adecuado y con las concentraciones adecuadas de calcio y fósforo, para obtener una precipitación masiva de partículas coloidales de fosfato cálcico amorfo inferiores a 0,1 \mum de diámetro. Asimismo, es posible obtener geles de relación Ca/P controlada estabilizando a pH ácidos una disolución que contenga calcio y fósforo en las concentraciones adecuadas para posteriormente incrementar bruscamente el pH y obtener una precipitación masiva fosfato cálcico amorfo de relación Ca/P igualmente controlada. En ambos casos, las suspensiones se centrifugan o filtran para obtener un gel de relación Ca/P controlada y contenido en agua moderado.

Una vez que se obtiene el gel de relación Ca/P controlada se pueden conformar las piezas de fosfatos cálcicos por vía húmeda en procesos tales como extrusión, colado (normal, centrifugo y a presión), inyección de pastas cerámicas (de alta y baja presión), gelcasting..., o bien por vía seca, utilizando técnicas de procesamientos tales como prensado uniaxial y prensado isostático en frío o en caliente.

Para trabajar por vía húmeda, los polvos cerámicos de fosfato, convenientemente molidos, se dispersan en agua, conjuntamente con el gel, con la ayuda de dispersantes tales como, Dolapix, Reotán, hexametafosfato sódico,
Sedisperse, Darwan..., de tal manera que se consigue que haya un contacto muy íntimo entre las partículas de materia prima y las partículas coloidales del gel. Las cantidades de partículas coloidales que se pueden añadir a los polvos de materia prima oscilan entre el 1% y el 50%. Una ver realizada esta dispersión conjunta y eliminados los agregados, se conforman las piezas por cualquiera de los procedimientos habituales, para secarlos posteriormente y procesar térmicamente en un horno.

Para trabajar con el material en vía seca se centrifuga o filtra el gel de relación Ca/P controlada para separarlo del agua en exceso. Una vez centrifugado o filtrado se diluye con un disolvente orgánico volátil (cetonas, alcoholes, éteres...). Se mezcla y agita para conseguir una mezcla perfectamente homogénea y se vuelve a centrifugar o filtrar. Se repite esta operación tantas veces como sea necesaria para desplazar el agua contenida originalmente en el gel por la cantidad suficiente de disolvente volátil elegido. La razón de emplear un disolvente orgánico volátil es porque al desplazar el agua se consigue minimizar en gran medida la formación de hidratos durante el secado. Estos hidratos promueven la formación de agregados hecho que, a su vez, supone que aumente el tamaño de las partículas, lo cual haría que se perdiese la fuerza impulsora de las nanopartículas. Una vez que el contenido en agua esté minimizado, se mezclan los polvos de fosfato cálcico finamente molidos con este nuevo gel hasta obtener una mezcla homogénea (con o sin ayuda de dispersantes). Se elimina el disolvente volátil, con o sin agitación simultánea, para obtener un polvo seco perfectamente recubierto de agregados de nanopartículas con una relación Ca/P controlada, dispuesto para seguir cualquiera de los procesos de conformación usuales, ya sean siguiendo una vía seca o bien una vía húmeda según las técnicas descritas anteriormente. Se pueden mezclar polvos de materias primas con partículas coloidales contenidas en el gel desde un 1% hasta un 70%, aumentando el espesor del recubrimiento conforme se incremente la cantidad de gel a mezclar con las materias primas.

Ejemplo 1

Una disolución acuosa de Ca(NO_{3})_{2}\cdot4H_{2}O 0,5M se mezcla con una disolución de H_{3}PO_{4} 0,33M, ambas estabilizadas a pH 10 con NH_{3(aq)} para obtener una precipitación masiva. El resultado de la mezcla se centrifuga para obtener un gel acuoso de fosfatos cálcicos con un 12% en peso de partículas coloidales precursoras de TCP [Ca_{3}(PO_{4})_{2}]. Se mezcla dicho gel con polvo de TCP con un tamaño medio de partícula de 5 pm. Se prepara una suspensión acuosa de esta mezcla con un 80% en sólidos, de modo que el porcentaje final de nanopartículas, contenidas en la mezcla dispersa es del orden del 5%. Se prepara por colado una pieza cilíndrica, que se seca a 110ºC y se calcina a 1100ºC durante 3 horas. Los ensayos mecánicos sobre piezas así preparadas dan un resultado de resistencia a compresión de 72 MPa, frente a los 19 MPa que se obtienen tras el procesado convencional, sin la adición de gel de fosfato
cálcico.

En la figura 1 se pueden ver foto micrografías de microscopía electrónica de barrido (SEM). En las fotografías se muestra el aspecto de la superficie de fractura de dos probetas preparadas por colado, A sin adición de Gel, B con la adición de un 5% de gel según ejemplo 1. El grado de sinterización de la probeta con adición de gel (B) es mayor que el de la que no tiene adición de gel (A). Se ha empleado un gel de la misma relación Ca/P que los polvos con los que se ha mezclado.

Ejemplo 2

Una disolución acuosa de Ca(NO_{3})_{2}\cdot4H_{2}O 0,5M se mezcla con una disolución acuosa de H_{3}PO_{4} 0,33M, ambas estabilizadas a pH 10 con NH_{3(aq)} para obtener una precipitación masiva. El resultado de la mezcla se centrífuga para obtener un gel acuoso gel de fosfato cálcico con un 12% en peso de nanopartículas precursoras de TCP. Dicho gel se diluye con acetona en exceso y se mezcla mediante agitación mecánica para su posterior centrifugado. Se repite esta operación cuatro veces para reducir al máximo el contenido en agua del gel. Finalizada esta operación se obtiene un gel (con un contenido final de un 11% en peso de nanopartículas) con un contenido en agua inferior al 0,5%. Se mezcla polvo de TCP, con un tamaño medio de partícula de 5 \mum y una superficie específica de 6,34 m^{2}/g, con el gel con acetona como vehículo, de modo que el porcentaje final en peso de nanopartículas es del 6%. Se evapora la acetona y con el polvo obtenido, que presenta una con una superficie específica de 48 m^{2}/g, se prensa uniaxialmente un cilindro que se calcina durante 3 horas a 1100ºC. La pieza obtenida se ensaya a compresión dando como resultado una resistencia de 150 Mpa. Se preparó, igualmente, una pieza de TCP procesada por el procedimiento tradicional, obteniéndose un resultado de resistencia a compresión de 40 MPa.

En la figura 2 se pueden ver foto micrografías de microscopía electrónica de barrido de alta resolución (SEM). En la foto A se muestra cómo es el fosfato cálcico original. En la foto B se puede ver cómo es el aspecto de un polvo preparado según ejemplo 2. Las partículas de fosfato tricálcico de la fotografía B, similares a las de la fotografía A, se ven recubiertas de nanopartículas de gel seco. Este gel seco tiene la misma relación Ca/P que los polvos de partida.

Claims

1. Procedimiento para incrementar las propiedades mecánicas de biocerámicas de fosfatos cálcicos mediante la adición de geles con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas, de modo que se consiga la obtención de piezas implantables de fosfato cálcico de alta resistencia mecánica de hasta 150 MPa a compresión, para su uso en traumatología, cirugía ortopédica, neurocirugía y cirugía maxilofacial, caracterizado por: a) la adición de geles de fosfatos cálcicos sin alterar y con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas (hidroxiapatito, fosfato tricálcico o sus mezclas); b) la conformación posterior de la pieza por cualquiera de los procedimientos utilizados en la industria cerámica, y c) su posterior procesamiento térmico.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque la estequiometría o relación calcio/fósforo de los geles puede ser la misma o diferente que la que tienen los polvos de materia prima; las relaciones Ca/P están comprendidas entre 1 y 1,67 puesto que son las relaciones correspondientes a los fosfatos cálcicos con mayor interés biológico para su uso en materiales implantables.

3. Procedimiento, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se realiza la adición de las partículas coloidales contenidas en el gel acuoso a los polvos de fosfato cálcico, en cantidades que oscilan entre el 1% y el 50%; posteriormente la mezcla obtenida se conforma por vía húmeda.

4. Procedimiento, según la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque se realiza un cambio de disolvente en el gel precipitado, desplazando el agua y sustituyéndola por un disolvente orgánico de bajo punto de ebullición; la mezcla de dicho gel con los polvos de materia prima, donde las partículas coloidales pueden añadirse desde un 1% hasta un 70%, se seca y se procesa posteriormente por vía seca.

5. Procedimiento, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se conforman las piezas biocerámicas de fosfatos cálcicos siguiendo rutas de procesado tales como extrusión; colado normal, centrífugo y a presión; inyección de pastas cerámicas de baja y alta presión; prensado uniaxial, isostático en frío o en caliente; gelcasting, u otros métodos industriales.

6. Procedimiento, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las piezas conformadas se procesan térmicamente, con o sin una etapa de secado previo, a temperaturas suficientes para la sinterización del material, comprendidas entre los 900ºC y los 1500ºC.