Desarrollo y caracterización de nuevos recubrimientos en biomateriales metálicos - Belén, Federico (2024)
En el ámbito de la biomedicina, el diseño y desarrollo de recubrimientos avanzados para biomateriales metálicos, como el titanio de grado 5 (Ti-6Al-4V), desempeñan un papel fundamental en la mejora de la biocompatibilidad y el rendimiento de los implantes médicos. El titanio de grado 5, conocido por su excelente resistencia mecánica y biocompatibilidad, representa una base sólida para la investigación de nuevos recubrimientos destinados a optimizar la integración del implante con el tejido óseo circundante. En este contexto, la presente propuesta se centra en el diseño, desarrollo y la caracterización de recubrimientos innovadores basados en la aleación de Ti-6Al-4V, específicamente de dióxido de titanio (TiO2). Estos recubrimientos no solo tienen como objetivo mejorar la respuesta biológica del implante, sino también una integración más efectiva del mismo con el tejido óseo circundante y otorgarle nuevas y mejoradas propiedades que permitan emplearlo en terapias específicas. Se desarrolló un recubrimiento de TiO2 mediante un tratamiento electroquímico, específicamente oxidación anódica. Para aplicar el tratamiento, se emplearon discos de Ti-6Al 4V como ánodo, en una solución ácida de H3PO4/HF. Mediante el control de los principales parámetros del proceso electroquímico como el voltaje aplicado, concentración del electrolito, temperatura y tiempo de reacción se logró obtener un recubrimiento de TiO2 con una estructura nanoporosa que se repite periódicamente, confiriéndole a la aleación una superficie única, caracterizada por su estabilidad ante la oxidación térmica, rugosidad multiescala, comportamiento hidrofóbico y propiedades electroópticas excepcionales. En una segunda instancia, se depositaron nanopartículas de plata con morfología de prisma (p-AgNPs) en los recubrimientos nanoporoso desarrollados mediante dos procedimientos diferentes: (i) los discos con el recubrimiento de TiO2 anodizado electroquímicamente se colocaron en una celda de reacción en donde se sintetizaron p-AgNPs siguiendo un procedimiento previamente optimizado y se dejaron en la oscuridad durante un tiempo estipulado (procedimiento de deposición in situ), (ii) por otro lado, se sumergieron los discos en una suspensión p-AgNPs durante varias horas en oscuridad (procedimiento de deposición ex situ). A continuación, Se logró demostrar que la capa nanoporosa desarrollada es un sustrato noble para la inmovilización simple y eficiente de las nanopartículas. Además, se determinó que el procedimiento de deposición in situ mejora las propiedades electroópticas del recubrimiento de TiO2 mediante foto-conversión bajo irradiación NIR, demostrando que la radiación emitida en la superficie de las p-AgNPs puede ser reflejada por los sustratos de titanio dentro de los nanoporos, aumentando las señales de reflexión del infrarrojo cercano medio y mejorando la capacidad de reflexión de la superficie. Por otro lado, se observó que estas superficies presentan una elevada capacidad de fotoconversión incrementando su temperatura al ser irradiadas con radiación NIR. Debido a las propiedades mencionadas, el recubrimiento nanoporoso desarrollado podría ser aprovechado en plataformas teranósticas multifuncionales para imágenes y tratamientos fototérmicos, presentando oportunidades significativas en la construcción de diseños fotodinámicos aplicados a implantes ortopédicos funcionales. A partir de los resultados obtenidos, se diseñó e implementó un sistema automatizado capaz de controlar de manera precisa y reproducible los principales parámetros durante el proceso de oxidación anódica. El sistema está comprendido por una celda de reacción de polipropileno con una ventana de acrílico y un módulo de control de temperatura digital. Además, posee un brazo robótico de polipropileno con una barra de grafito como cátodo y un soporte para un disco pulido de Ti-6Al-4V como ánodo. Los electrodos están conectados a una fuente de voltaje variable. El brazo tiene la posibilidad de realizar movimientos rotacionales y verticales precisos para colocar los electrodos en posición y los discos de Ti-6Al-4V en frente de la ventana para la obtención de imágenes digitales usando un microscopio digital para evaluar el pulido mecánico y el anodizado electroquímico. El prototipo desarrollado opera con iluminación controlada a través de un arreglo de LEDs. Un amperímetro registra la corriente que circula en el proceso de anodizado. Todas las partes mencionadas que conforman al prototipo se encuentran sobre una base estructural de PLA, la que incluye también una serie de sensores, actuadores y mecanismos esenciales para las operaciones del sistema a través de un microcontrolador comercial. Tras una cuidadosa optimización de los parámetros más importantes implicados en el proceso, y analizando las medidas de la corriente que circula por el sistema y las imágenes de la superficie a lo largo del proceso, se confirmó que el factor que afecta de manera más significativa a la formación de la capa de óxido superficial es la concentración de HF en el electrolito. Este sistema permitiría establecer los parámetros para replicar el tratamiento de manera efectiva sobre piezas metálicas de prótesis comerciales, además de monitorear su trazabilidad, en tiempo real, durante el proceso, obteniendo las nanoestructuras deseadas y representando un gran avance en la aplicación de esta técnica de modificación superficial proporcionando mejoras en estos biomateriales. Un aspecto a considerar para el rendimiento de los implantes ortopédicos es la corrosión y desgaste que pueden sufrir una vez implantados, acortando la vida útil del implante y liberando residuos potencialmente tóxicos para el organismo. Para evaluar estos procesos es indispensable contar con métodos analíticos que permitan la cuantificación de los metales presentes en los implantes de manera simple, rápida y económica. Por lo mencionado, en la última parte de esta Tesis, se presenta el desarrollo de una metodología para la cuantificación de aluminio y vanadio liberados de la aleación Ti-6Al-4V en forma simultánea en medios biológicos simulados. La metodología desarrollada, combina de forma conjunta, la espectroscopía UV-VIS y el procesado de datos con diferentes herramientas quimiométricas, incluyendo PLS, Algoritmo de Proyecciones Sucesivas por intervalos acoplado a Mínimos Cuadrados Parciales (iSPA-PLS) y Resolución de Curvas Multivariantes - Mínimos Cuadrados Alternos (MCR-ALS). Los mejores resultados se obtuvieron con iSPA-PLS para la determinación de aluminio y vanadio en términos de capacidad predictiva.