BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. 26(1987) 1, 13-19

MATERIALES BIOCERAMICOS Y BIOVIDRIOSo)

F. ORGAZ J. RINCÓN F. CAPEL Instituto de Cerámica y Vidrio, C.S.I.C. Arganda del Rey (Madrid).

RESUMEN

En este trabajo .se presenta una panorámica global de los materiales biocerámicos y biovidrios utiliza­dos como implantes.

Se describe de forma detallada las características principales que deben cumplir estos nuevos materia­les para poder ser utilizados en aplicaciones biológicas, destacando fundamentalmente su biocompatibili-dad. Igualmente se presenta una clasificación de los materiales biocerámicos atendiendo a su reactividad superficial con los tejidos.

Por último se resumen los recubrimientos bioactivos sobre sustratos inertes así como las posibles aplicaciones que los materiales biocerámicos y biovidrios puedan tener en futuros desarrollos.

Bíoceramíc materials and bioglasses

This paper is an up-to-date on bioceramics and bioglasses used as surgery implants. A detailed description of the main characteristics of these materials on biological applications is given with a special focus on biocompatibility.

A systematic classification of bioceramics respecting their surface reactivity with tissues has been described. A brief description of bioactive coatings onto inertes substracts and future applications is also described.

Matériels bioceramiques et bioverres

Ce travail constitue un tour d'horizon des biocéramiques et des bioverres utilisés comme implants. Il fournit une description détaillée des principales caractéristiques que doivent avoir ces nouveaux maté­riaux pour pouvoir être employés dans des applications biologiques; Taccent est mis essentiellement sur leur biocompatibilité. Il établit également une classification des biocéramiques en fonction de leur réacti­vité superficielle avec les tissus. Enfin, il présentebrievement les revêtements bioactifs sur des substrats inertes et les possibilités d'applications envi.sageables pour les biocéramiques et les bioverres avec les progrès à venir.

Biokeramische Materialien und Bíogláser

Die Arbeit bringt eine Ubersichtsdarstellung der für Implantate verwendeten biokeramischen Werk­stoffe und Spezialglaser. Im einzelnen werden die wichtigsten Eigenschaften beschrieben, die diese neuarti­gen Werkstoffe besitzen müssen, damit sie für biologische Anwendungszwecke geeignet sind; unter diesen Eigenschaften steht besonders ihre Biokompatibilität im Vordergrund. Die biokeramischen Materialien werden in der Arbeit nach den Kriterien ihres Reaktionsvermögens mit den Körpergeweben eingestuft.

Zusammenfassend werden ferner die bioaktiven Überzüge auf inertem Substrat und die möglichen Anwendungen von biokeramischen Werkstoffen und Biogläsern im Zuge künftiger Entwicklungen erör­tert.

1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de materiales con características especí­ficas de aplicación ha sido un reto continuo en el desarro­llo científico y tecnológico. Durante los últimos años los nuevos materiales han jugado un papel fundamental en el desarrollo de las nuevas tecnologías. Dentro de estos nuevos materiales, los utilizables en el cuerpo humano ocupan un lugar no menos importante.

Desde muy antiguo, los cirujanos han soñado con la posibilidad de reemplazar partes del cuerpo humano por nuevos materiales artificiales. Su sustitución es una prác­tica común, sin embargo su uso es relativamente muy antiguo, remontándose a comienzos de este siglo donde

(I) Original recibido el 26 de agosto de 1985.

ENERO-FEBRERO 1987

eran ya utilizados implantes de escayola (1). En el campo cerámico los biomateriales son, sin embargo, de reciente aplicación, siendo realizados los primeros implantes y estudios serios a comienzos de los años 60. Un producto patentado con Cerosium, formado por una alúmina porosa impregnada de resina epóxi, constituye la utili­zación del primer implante cerámico con gran experi­mentación clínica. Los intentos posteriores se centraron en buscar nuevos materiales cerámicos con aplicaciones biológicas. En este sentido se desarrollaron materiales a base de alúmina porosa enlazada a fosfatos en 1971 y los materiales porosos a base de Al203-CaO, Ti02-Cao y Zr02-CaO, los cuales exhibían una buena biocompatibi-lidad. Al mismo tiempo se examinaron los efectos que tenían el tamaño de los poros sobre el crecimiento y penetración del hueso. Los resultados demostraron que todos los sistemas anteriores exhibían una buena bio-

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compatibilidad, y en donde el tamaño de poros de los implantes controlaba la calidad y extensión del creci­miento interno del hueso. Tamaño de poros de hasta 200 mieras producían adecuados crecimientos internos, si bien su comportamiento mecánico mostraba un cierto debilitamiento. Estudios paralelos fueron realizados sobre la biocompatibilidad de la alúmina, si bien la pri­mera invención de biocerámicos para sustitución de hue­sos, usando alúmina pura, se remonta a la patente de Max Rock en 1982. Actualmente y a corto plazo, los materiales de alta alúmina siguen constituyendo los materiales cerámicos de mayor interés en aplicaciones biológicas. Como ejemplos de aplicación clínica de uso de este tipo de materiales están los realizados por F. Bou­tin en Francia con el uso de alta alúmina en juntas de cadera, el uso en Japón de cristal de zafiro en cirugía dental y tornillos para huesos, con más de 50.000 casos de documentación clínica y la primera endoprótesis total usando materiales cerámicos realizados por Salzer y Engelhardt en Alemania.

Actualmente la investigación de biomateriales se realiza de forma interdisciplinaria en donde cirujanos, histólogos, expertos en biomecánica, en ciencia de mate­riales y técnicos de producción toman parte en su desa­rrollo.

El objeto de esta revisión, es presentar una panorá­mica general del potencial que los materiales cerámicos y biovidrios pueden aportar a la tecnología clínica.

2. MATERIALES BIOCERÁMICOS: FUNCIONES Y FACTORES DE DISEÑO

Se consideran materiales biocerámicos aquellos materiales cerámicos cuya inercia química les hacen adecuados para su uso en implantes; de tal manera que puedan lograr un específico comportamiento biológico y fisiológico. Esto significa que los implantes han de reunir una serie de características, las cuales imponen a su vez una serie de limitaciones al desarrollo de estos materiales: Dentro de estas características destacan:

— Deseables respuestas bioquímicas o biocompatibi­lidad.

— Compatibilidad mecánica o resistencia y solda­dura permanente y continua.

— Adecuada interacción tejido-material. — Compatibilidad funcional. — Compatibilidad de comportamiento. — Fácilmente mecanizables, etc.

Así pues, todo biomaterial, aparte de ser aceptado por los tejidos vivos del organismo de forma adecua­da, debe ser capaz de ser fabricado en forma y tamaño apropiado, que pueda ser implantado al paciente y sufrir las cargas mecánicas propias de su función y los fenómenos de fatiga durante un aceptable período de tiempo. Así pues, un biomaterial debe responder a un compromiso de sus propiedades, resultante de la conjun­ción de varios factores físicos, fisiológicos, clínicos y téc­nicos, que deben ser tenidos en cuenta a la hora de su diseño con el fin de lograr un comportamiento óptimo que se aproxime a la estructura a reemplazar. En la figura 1 se presenta una microfotografía electrónica de barrido del corte transversal de un hueso humano donde

Fig. I - M i croîtra fía de un hueso humano obtenida en un niieroseopio eleetrónieo de barrido (cortesía de F. Martínez del

Opto. Traumatología. Centro Ramón y Caja/ de la S. S. de Madrid).

se puede observar su textura porosa. El análisis microes-tructural del mismo refleja una porosidad total del 80 por 100, con una distribución del tamaño de poros compren­dida entre 50 y 600 mieras y una resistencia mecánica de unos 110 MN/m2. La composición química inorgánica está formada por fosfatos básicos de calcio y magnesio, siendo el hidroxiapatito el principal constituyente estruc­tural. En realidad, la composición del hueso es la de una mezcla de fibras de colágeno (proteína o polímero orgá­nico conteniendo Cl, S, K, Na por el suero fisiológico) e hidroxiapatito en la denominada zona trabecular.

2.1. Biocompatibilidad

La característica principal que debe cumplir un bio­material es su biocompatibilidad con los tejidos del cuerpo humano, de tal manera que no exitan fenómenos de toxicidad o de rechazo, capaces de provocar trombo­sis o coagulaciones en la sangre. Cualquier material en contacto con la sangre provoca en la interfase un proceso de coagulación; sin embargo cuando un material es bio­compatible, además de no ser tóxico, ni cancerígeno, ni provocar trombos, es capaz de favorecer los procesos vitales de la células que lo rodean. Así, en un biomaterial de alúmina o en un biovidrio, las células proliferan enormemente en su interfase (2), mientras que en un plás­tico no aparece tal proliferación de células vivas (fig. 2).

El problema de las reacciones en la interfase material-tejido es el principal factor respecto a la biocompatibili­dad (3). Conseguir una interfase suficientemente estable durante un tiempo prolongado es fundamental. Los fenómenos de biocompatibilidad están recogidos además por una serie de propiedades relativas a distribución de carga y tensión superficial, textura, adhesión y permeabi­lidad.

Según estudios biomédicos, los materiales con poten­ciales superficiales negativos son antitrombogénicos mientras que los de tipo positivo son coagulantes. La heparina, por ejemplo, es la sustancia orgánica más car­gada negativamente en el cuerpo humano. También se sabe, que, cuanto menor sea la diferencia entre la cons­tante dieléctrica del implante y la de la pared sanguínea.

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Materiales biocerámicos y biovidrios

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Fig. 2—Proliferación ele células en la interfase iniplante-lejido vivo en el caso de un material cerámico de alúmina y un plástico (2).

mayor es el período de inducción a la coagulación. Dicha carga superficial puede modificarse en materiales bioce­rámicos por tratamientos superficiales. Igualmente, existe una relación inversa entre el tiempo de inducción a la coagulación y la tensión superficial del material implantado. Las células se unen más fácilmente a mate­riales como el vidrio, de elevada tensión superficial, que a materiales como el teflon o la silicona de baja tensión superficial.

La topografía superficial, por su parte, no sólo afecta a la actividad anticoagulante sino también a la promo­ción del crecimiento interno del tejido vivo. De ahí que el control de la microestructura sea muy importante en un biomaterial y deba basarse en conseguir poros de suficien­te tamaño que permita el crecimiento del tejido óseo así como mantener el aporte sanguíneo y nutritivo suficiente (fig. 3).

Diversos ensayos se han desarrollado para examinar la compatibilidad biológica, los cuales consisten en exponer pequeñas muestras de material a tejidos blandos de pequeños animales o a cultivos en líquidos fisiológicos y tejidos vivientes (4).

»a4':^^^Hï^'vt

Fig. 3—Micrografía del crecimiento del tejido oseo en un material cerámico de composición de vitrocerámico (según Pemot y col., CR.

Acad. Sei. París t. 286, Serie C, 533-536).

2.2. Interacción material-tejido

Otro de los requerimientos fundamentales de los biomateriales es su interacción con el tejido vivo. Como parámetros básicos de esta interacción cabe destacar la constitución atómico-molecular del material y su estruc­tura micro y macromorfológica.

El objetivo científico en el estudio de materiales bio­cerámicos y biovidrios consiste en profundizar en los mecanismos de las reacciones interfaciales entre estos materiales y los tejidos así como el control de estas reac­ciones a través de cambios en la composición y en la microestructura. En este sentido, tres han sido los cami­nos seguidos en el estudio de estas interacciones: (a) cambios en la porosidad y microestructura, (b) reaccio­nes que impliquen reabsorción o sustitución y (c) reacti­vidad superficial controlada.

Se ha observado que los tejidos del hueso crecen den­tro de los poros de un implante cuando estos tienen un diámetro superior a 100 mieras, asegurando una firme adherencia entre el hueso y el implante. Los estudios de porosidad en materiales biocerámicos han ocupado un campo importante de investigación (5), mostrando una correlación entre diámetro de poros y crecimiento del tejido óseo. Un ejemplo típico de falta de interacción implante-hueso es la aparición de una capa fibrosa que se presenta en la utilización de materiales inertes como implantes. Así lo presentan metales (6) y materiales cerámicos densos como la alúmina (7) lo cual constituye aún el factor principal limitante en el uso a largo plazo de estos materiales. Esta capa aparece en las primeras sema­nas después de la implantación, debido, aparentemente, a la ausencia de una serie de reacciones tanto químicas como celulares, en la región de cicatrización.

La formación de los osteoblastos (células creciendo en el hueso), así como las fibras del hueso (colágeno) y el material que lo constituye (hidroxiapatito) no se produ­cirá a menos que se den una serie de circunstancias en la interfase tales como: un cambio en la razón Na/K, un crecimiento importante de calcio, fósforo, un cambio cíclico de pH, una variación de la tensión de oxígeno, así como el desarrollo de un potencial eléctrico negativo. Un gran esfuerzo se ha encaminado a reducir el espesor de esta cápsula fibrosa a través de la experimentación con diferentes materiales inertes. En este sentido se han utili­zado materiales tales como el acero inoxidable, aleacio­nes Co/Cr, aleaciones de titanio, polimetilmetacrilato, polietileno de alta densidad y más recientemente alúmina densa (8) y alúmina porosa (9). Sin embargo, la cápsula fibrosa aún subsiste en todos ellos. Como caminos de solución reciente se han propuesto el uso de materiales totalmente reabsorbibles y el desarrollo de materiales de reactividad superficial controlada. En esta última línea, el papel del vidrio y de los materiales vitrocerámicos, tanto en masa como en forma de recubrimiento, pueden ser importantes en el futuro (10).

2.3. Propiedades mecánicas

En cuanto a las propiedades mecánicas, el implante deberá tener al menos la misma resistencia que el hueso a reemplazar, por lo que un equilibrio entre porosidad y resistencia mecánica se hace absolutamente imprescindi-

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ble. También es necesario que estos materiales presenten un adecuado comportamiento a la fatiga, así como que sean fácilmente mecanizables a formas precisas.

Hasta la fecha sólo la alúmina cumple las normas internacionales, que se expresan en la tabla I, estableci­das para la utilización de materiales cerámicos como implantes.

TABLA I

N O R M A ISO PARA M A T E R I A L E S B I O C E R A M l C O S UTILIZABLES EN I M P L A N T E S (10)

Densidad Contenido en Al^O^ Tamaño medio de grano Módulo de elasticidad Microdureza Resistencia a la comprensión Resistencia a la flexión Resistencia a la tensión Desgaste (anillo en disco) Resistencia a la corrosión

^ 3,90 g/cm ^ 99,5 %

^ 7 jum •• 380.000 N/mm2 =- 23.000 N/mm2 =^4.000 N/mm2

^ 4 0 0 N/mm2 ^ 350 N/mm2

^ 0,01 mm\ /h < mg/m2 día

La fina y fuerte estructura de la alúmina densa hace posible reproducir exactamente una determinada forma geométrica con un acabado superficial de alta calidad. Al mismo tiempo pueden lograrse variaciones de rugosidad no superiores a 0,5 mieras.

F = lot 10̂ /10̂

100 150 200 250

log (3; (MPa)

300

Fig. 4—Diagrama de predicción del tiempo de vida de la alúmina densa basándose en los fenómenos de mecánica de fractura (11).

La figura 4 muestra la predición de vida de una alú­mina densa sometida a distintas condiciones de tensión (11). Así, por ejemplo, una alúmina densa sometida a una tensión de 200 N/mm^, aproximadamente dos veces la tensión de rotura de los huesos más largos de un adulto, tendría una predición de vida de 140 años si su resistencia mecánica fuera de 400 N/mm^, para una tensión aplicada de 100 N/mm2 (aa) y una predición de vida de diez años, un ensayo de prueba (ap) de 190 N/mm^, correspondiente a una relación (ap/aa) = 1.9, sería neceario a fin de elimi­nar las muestras más débiles y garantizar dicho período de vida.

3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES BIOCERAMlCOS

Una de las ventajas de los materiales cerámicos y vitreos es su capacidad para ser preparados con amplias respuestas bioquímicas; es decir, pueden realizar reaccio­nes rápidas con los fluidos del cuerpo y ser casi insolubles o presentar fenómenos de reactividad superficial contro­lada. De acuerdo con estos criterios, Hulbert (1) y Hench (12) han clasificado los materiales biocerámicos en tres categorías (fig. 5): (A) Biomateriales reabsorbibles, (B y C) Biomateriales de reactividad superficial controlada y (D) Biomateriales inertes.

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LU Û1

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10 10̂ 10̂ ÜOG DIAS

Fig. 5— Reactividad relativa de los diferentes materiales biocerámicos (1) (12).

3.1. Materiales biocerámicos reabsorbibles

Estos materiales deben tener composiciones que con­tengan solamente los elementos que son fácilmente metabolizables por el organismo, tales como Ca, P, H2O y COT. Con el tiempo dichos materiales son totalmente reabsorbidos por el cuerpo y reemplados por los tejidos. Consecuentemente, la función de estos materiales es par­ticipar en el proceso dinámico de formación y reabsor­ción que se produce en los tejidos óseos, es decir, su función es meramente la de servir como andamiaje o llenado de espacios, permitiendo a los tejidos su filtra­ción y su sustitución. Así, pues, deben ser biodégradables y de naturaleza porosa. La principal ventaja de estos materiales es su facilidad de adquisición en el mercado y la posibilidad de eliminación de una segunda interven­ción quirúrgica; sin embargo, tienen el inconveniente de que su resistencia disminuye durante el proceso de reab­sorción.

Como materiales de este tipo que presentan buenas características están los fosfatos tricálcicos y los de hidroxiapatito. También han sido utilizadas composicio­nes a base de fosfato-aluminato. Los fosfatos calcicos exhiben buena interacción con los tejidos vivos, siendo el fosfato tricálcico el que presenta un mayor grado de compatibilidad.

Estudios recientes han indicado que las formas cerá­micas de a-fosfato tricálcico, Ca3(P04)2, son reabsorbi­bles, mientras que las formas de hidroxiapatito, Ca,o(P04)(^(OH)2, son inertes como materiales de

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Materiales biocerámicos y biovidrios

implante, con la existencia de un enlace interfacial. Así pues, el fosfato tricálcico y el hidroxiapatito se compor­tan de forma diferente. El enlace químico entre el hueso (apatito biológico) y el fosfato tricálcico o el hidroxiapa­tito, se produce tanto si el material es denso o poroso. De hecho, la biocompatibilidad la controla la razón Ca/P y la porosidad condiciona la penetración del hueso y la reabsorción de los constituyentes químicos.

3.2. Biovidrios de reactividad superficial controlada

La composición de estos materiales se diseña de tal manera que la superficie da lugar a una reactividad quí­mica determinada con el sistema fisiológico, produciendo un enlace químico entre los tejidos y la superficie del implante. Se presentan como materiales que tienden a resolver el problema de la estabilización interfacial o unión directa hueso-material del implante. La ventaja potencial de este tipo de material es la de combinar la alta resistencia de los materiales biocerámicos inertes con la reactividad química superficial que favorece el enlace al tejido, consiguiendo una mayor flexibilidad en el diseño y en la fabricación. Dentro de este grupo de materiales están los biovidrios y los biovitrocerámicos, los cuales han sido desarrollados fundamentalmente entre 1971 y 1975 en la Universidad de Florida por el grupo del profe­sor Hench.

Ca O NQÍO

Fig. 6—Límite ele composición de biovidrios para enlace hiovidrio-hueso (3).

Sus investigaciones en el sistema Si02-CaO-NaO (figura 6) dieron lugar a un biovidrio (45S5) conteniendo 2,6 por 100 de P2O5, que reacciona con el hueso for­mando una interfase de hidroxiapatito y gel de sílice des­pués de su exposición a los fluidos del organismo. Otro grupo de materiales preparados por dicho equipo son los biovidrios y materiales biocerámicos no porosos, biovi­drios con porosidad superficial, recubrimientos de biovi­drios sobre alúmina y acero inoxidable, materiales com­puestos de biovidrios con alúmina, polímeros y fibras sintéticas, etc. Tres han sido los elementos fundamentales

que se han tenido en cuenta en la formulación de este tipo de biomateriales: (a) el establecimiento de unos criterios generales de diseño, (b) la determinación de unos márge­nes de composición y (c) el establecimiento de los meca­nismos de actuación. En cuanto a los criterios de diseño, se ha sugerido (10) que todo biovidrio para que tenga una adecuada respuesta fisiológica ha de proporcionar gru­pos Ca" y PO4" superficiales reactivos, así como pH alca­lino en la interfase tejido vivo-material. Se han probado varios materiales, si bien básicamente están constituidos por vidrios sodo-cálcicos (fig. 6) de composición 45SÍO2 —(23-24)CaO-(24-25)Na20 (zona A del diagrama), con adiciones de P2O5 comprendidas entre 1 y 10 por 100; siendo el 6 por 100 el más utilizado. Aditivos de ZnO, B2O3 y F2Ca se ha usado a fin de modificar las propieda­des de viscosidad y fusibilidad, sin modificar su biocom­patibilidad. Estas adiciones son especialmente necesarias en la preparación de recubrimientos de biovidrios sobre diferentes sustratos. El mecanismo de reacción de este tipo de materiales pasa por las siguientes etapas ( 13) (fig. 7):

Perfil de la película de corrosión

"^^^^BÇII^^^^^^^

Fig.

0 60 120 180 240 300 360

Tiempo de bombardeo iónico

7—Relación de altura de picos de los espectros Auí^er obtenidos en función del tiempo (13).

Difusión de los iones Na del biovidrio con ionesH^ de la disolución, con la formación de una capa super­ficial enriquecida en sílice. Lixiviación de la capa superficial de sílice for­mada (0,05 mieras). Formación de una capa superficial rica en Ca y P. Cese del ataque y formación de una capa rica en sílice de 2 a 3 mieras, por debajo de la capa rica en Ca y P. Crecimiento de una película superficial de fosfato cal­cico procedente de los iones Ca y P presentes en di­solución. Cristalización superficial, con el paso del tiempo, de una estructura tipo apatito en un medio ligeramente alcalino. La formación de esta capa parece estar rela­cionada con el tipo de enlace hueso-biovidrio.

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La secuencia de estos pasos se ha explicado en térmi­nos de la estructura de los vidrios. Se han llevado a cabo aplicaciones clínicas de estos materiales con gran éxito. Con objeto de mejorar la resistencia mecánica, así como la necesidad de estudiar el efecto de la microestructura sobre la aceptación biológica, se prepararon también materiales biovitrocerámicos a partir de un biovidrio 45S5, obteniéndose también buenas aplicaciones de los mismos. Una posible explicación del buen comporta­miento de estos biovidrios y materiales biovitrocerámicos se basa en que el desarrollo de la capa superficial de fosfato facilita la incorporación de estructuras orgánicas, haciendo que las'-células crezcan en el hueso (osteoblas-tos). La mineralización o cristalización del fosfato calcico en la capa gelatinosa, se produce con la formación simul­tánea de hidroxiapatito en el hueso. Ambos frentes de mineralización se entrecurzan con la formación- de una unión interfacial fuerte.

Otros investigadores (14) han examinado también la aplicación de este tipo de materiales en implantes. Pernot y cois, consiguieron recientemente un material formado por 78-83 mol por 100 de (P03)2Ca, 31-33 mol por 100 PO4AI, 9-5 por 100 mol K2O. P2O5 y 0-4 por 100 mol SÍO2 con adiciones de un 2 por 100 de CO^Ca al vidrio base y sometiéndolos posteriormente a un trataminto térmico a temperaturas comprendidas entre 675 y 800 °C para producir porosidad controlada. El tamaño de grano del C03Ca determina el tamaño de poros así como la resistencia mecánica resultante.

Los materiales biocerámicos de hidroxiapatito des­arrollados por Jarcho y cois, y los implantes de hidroxia­patito desarrollados por Aoki en Japón parecen presen­tar excelentes propiedades de enlace.

Materiales vitrocerámicos conteniendo cristales de apatito y wollastonita han sido preparados en la Univer­sidad de Kyoto a partir de compactos de polvos de vidrio de composición 4,6MgO-44,9CaO-34,2Si02-l 6,3P2O5-0,5 F2Ca (por 100 peso). Estos materiales dan lugar a un enlace directo y firme con el hueso, debido a la formación de cristales de apatito (fosfato calcico). Además son muy fuertes mecánicamente debido a la forma en aguja de los cristales de wollastonita que se forman.

3.3. Materiales biocerámicos inertes

Los materiales biocerámicos inertes muestran pocos cambios químicos durante su exposición a las disolucio­nes fisiológicas. La respuesta del tejido a esta clase de materiales es la formación de una membrana fibrosa muy fina de varias mieras, que rodea al implante. Debido a que los tejidos fibrosos no se enlazan químicamente al material biocerámico inerte, la fijación en el cuerpo se hace a través de un fuerte enlace físico adicional. Cuando se requieren altas resistencias, el enlace se hace con perfo­raciones en el implante utilizando hilos, cementos, etc. Cuando las condiciones de resistencia no son muy gran­des, una porosidad con tamaño de poros entre 50 y 200 mieras garantiza el crecimiento de los tejidos hacia den­tro del implante asegurando su fijación.

La alúmina densa y los carbones pirolíticos constitu­yen los materiales cerámicos inertes de mayor interés bio­lógico, la alúmina inerte utilizada como implante ha sido ensayada por Hulbert en EE.UU, por Gris y Heinke en

Alemania y por Boutin en Francia, mostrando efectos mínimos de corrosión y rozamiento. No obstante, la eli­minación de la debilidad interfacial del implante en el hueso no ha sido aún superada. Por otra parte, la aplica­ción de carbones pirolíticos en válvulas de corazón, con­dujo a su utilización como implantes en restauración dental y ortopédica. La comparación de resultados obte­nidos con carbón LTL alúmina y alúmina recubierta con carbón LTI (15), muestran una mayor tolerancia de los tejidos hacia el carbón, aunque los resultados eran en todos ellos bastante satisfactorios.

4. RECUBRIMIENTOS BIOACTIVOS SOBRE SUSTRATOS INERTES

Estudios recientes han demostrado que si la química superficial es correcta, siempre se producirá un buen enlace con el hueso.

Actualmente, la línea de investigación más promete­dora supone el uso de materiales bioactivos como ele­mentos de interfase entre el hueso y los materiales bioi-nertes, especialmente sobre acero inoxidable y metales de alta resistencia así como sobre sustratos de alúmina densa. En este sentido, se han investigado vidrios de borato sobre sustratos de alúmina y recubrimientos de a-alúmina y óxido de titanio depositados por proyección de plasma.

El proceso de recubrimiento de un vidrio sobre AI2O3 se realiza de forma semejante a los métodos convenciona­les de esmaltado. El biovidrio fundido se prepara en forma de frita con tamaño de partícula de unas 44 mieras, y se añade un aglomerante orgánico y un disol­vente apropiado a fin de obtener la reología que permita su deposición. A continuación se somete a 650 °C para quemar la materia orgánica, seguido de la fusión del esmalte a 1.350 °C y recocido. Usualmente se aplican dos recubrimientos con el fin de crear barreras protectoras que eviten fenómenos de difusión, especialmente de alu­minio, que alteran las propiedades de reactividad del biovidrio. Aplicaciones clínicas de estos materiales se han llevado a cabo en animales obteniéndose un enlace seguro y sin formación de la cápsula fibrosa. Aunque estos recubrimientos de biovidrios sobre alúmina han demostrado su capacidad para establecer un enlace directo con el hueso, sin embargo, aún subsisten ciertos problemas de reproducibilidad.

Otra forma de conseguir implantes de alta resistencia ha sido la de depositar biovidrios (16) y óxidos sobre acero inoxidable. Varios estudios se han encaminado a prevenir la difusión de los metales de transición que pue­dan alterar la compatibilidad biológica y a conseguir coeficientes de dilatación más ajustados entre sustrato y recubrimiento mediante la adición de aditivos que eviten cuarteos o deformaciones y aumenten la adherencia entre ambos (17). Se han utilizado técnicas de dispersión a la llama y de inmersión rápida para depositar estos recu­brimientos. Se han realizado con éxito aplicaciones clíni­cas con estos recubrimientos en diversos animales. Inves­tigaciones orientadas a eliminar el uso del cemento de polimetilmetacrilato como elemento de anclaje para implantes ha conducido al desarrollo de implantes metá­licos esmaltados con mezclas de vidrio inerte y granulos de vidrios bioactivos fundentes.

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Materiales biocerámicos y biovidrios

Debe decirse, pues, que vibrios y materiales vitroce-rámicos de composiciones apropiadas, recubrimientos de biovidrios y de óxidos depositados con plasma y ciertos materiales cerámicos a base de hidroxiapatito, presentan excelentes propiedades en cuanto a su capacidad para interaccionar con los huesos del organismo a través de la formación de un enlace químico fuerte.

5. DESARROLLOS FUTUROS EN BIOVIDRIOS Y BIOCERÁMICOS

Los materiales de alta tenacidad, de aplicaciones en motores de combustión, se ha ensayado por su posible uso como biocerámicos. Así se han utilizado materiales como la circona estabilizada con ytria, el nitruro de sili­cio y los sialones. Por otra parte, materiales "como TiO^Ba, mullita, espinela y circón, muestran una exce­lente biocompatibilidad, por lo que la lista de materiales con futuras aplicaciones médicas parece interminable.

Aparte de las tradicionales aplicaciones de los mate­riales cerámicos y de vidrio como implantes, es de esperar en el futuro otro tipo de aplicaciones de los mismos, debido fundamentalmente a su naturaleza bioactiva. En este sentido, aplicaciones biocerámicas incluyen implan­tes para fijación de drogas y sustancias bioactivas. Mate­riales cerámicos porosos han sido ensayados para la fija­ción y liberación controlada de antibióticos (17). Igualmente pequeñas esferillas de vitrocerámicos no porosos están también siendo ensayadas para evitar tumores cancerosos.

Entre las posibles aplicaciones para biovidrios se incluyen las de fijación de proteínas y la inmovilización de enzimas. Otras dos áreas en proceso de expansión, si bien el impacto no será apreciado hasta finales de este siglo, son la fijación sobre vidrios de anticuerpos especí­ficos y el desarrollo de sistemas de cromatografía para la separación y fijación de proteínas.

Puede decirse que, si unimos la gran cantidad de materiales cerámicos y de vidrio biocompatibles en expe­rimentación con los ya disponibles, parece inevitable que ambos juegen en la tecnología médica un importante papel en el futuro.

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E N E R O - F E B R E R O 1987 19

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GALÁN HUERTOS, E. ESPINOSA DE LOS MONTEROS, J.

«ELCAm^ EN ESPAÑA»

Ed. Madrid 1974. x ix+230págs

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