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Sustituto del hueso: El carburo de silicio biomórfico como biomaterial

19 agosto 2012

Estimados lectores,

Tras la buena acogida que tuvieron algunos de mis artículos tales como “Materiales con memoria de forma” y tras un período de ausencia, me vuelvo a unir a vosotros para dejaros un nuevo artículo que os refresque en esta época de vacaciones, calor y playa. Espero que disfrutéis de esta pequeña introducción al interesantísimo y amplio mundo de los materiales biomiméticos (materiales que intentan imitar a la naturaleza). Yo no me lo perdería.

1. Introducción sobre los biomateriales

Fines estéticos y necesidades terapéuticas han impulsado el desarrollo de materiales sintéticos, y naturales tratados, susceptibles de reemplazar, o incluso aumentar, la función de tejidos y órganos humanos.

En razón de la aplicación que vayan a tener, los materiales para fabricar cada pieza pueden ser elegidos por su resistencia y propiedades mecánicas, por su biocompatibilidad o por sus propiedades de reabsorción orgánica. Podemos encontrar cerámicas bioinertes (ZrO2, Al2O3), cerámicas bioactivas y biodegradables (hidroxiapatita, fosfato tricálcico) y polímeros (UHMWPE, silicona, látex, polisulfona). No obstante, en sustituciones óseas, las estrellas hasta día de hoy han sido los materiales metálicos. Los biomateriales metálicos pueden suportar mucha carga y realizar grandes esfuerzos mecánicas o complicados movimientos, a veces incluso varios movimientos combinados.

Sin embargo, el uso de metales en contacto con tejidos corporales siempre conlleva el peligro de la corrosión y, con ello, en muchas ocasiones, el rechazo clínico. Para solventar este problema, se tiende hoy a modificar el material metálico de suerte que haya en su superficie, la región de contacto con el medio biológico, algún tipo de recubrimiento biocompatible y protector, bioinerte o bioactivo.

Alguno de los materiales metálicos más usados hasta la fecha como biomaterial son:

Acero AISI 316 L: buena resistencia a la corrosión, maleabilidad, módulo elástico, límite de tracción.
Aleación de cobalto F75 (Co-28Cr-6Mo): resistencia a la corrosión mediante formación de capa pasivada.

Aleación de titanio Ti-6Al-4V: resistencia a la corrosión muy superior a las dos anteriores mediante la formación de rutilo.

En especial, las aleaciones de titanio son las que más se han desarrollado para su uso como biomaterial: se ha creado el titanio poroso y se han empezado a utilizar aleaciones exentas de vanadio para una mayor biocompatibilidad.

Paradójicamente, la buena resistencia y rigidez de los metales son las causantes de que su uso se esté empezando a cuestionar debido al efecto conocido como “apantallamiento del esfuerzo”: debido a que el metal tiene un módulo de elasticidad considerablemente más alto que el hueso (ver tabla), el implante de metal soporta una parte desproporcionada de la carga, en otras palabras, el implante metálico protegerá al hueso para que no esté sometido a la carga que tendrá que soportar en condiciones normales. Aunque desde un punto de vista de la ingeniería esto parece deseable y lógico, desde el punto de vista biológico es indeseable. El material óseo responde a la tensión remodelándose (reconstruyéndose) según el nivel de esfuerzo aplicado. Debido al apantallamiento de esfuerzos, el hueso se remodela a un nivel de carga más bajo y su calidad se deteriora.

En la práctica esto se traduce en la necesidad de reemplazar el implante en un plazo de 10-15 años debido a que el metal, literalmente, se descuelga con el tiempo.

2. El hueso

El hueso es un material estructural que se encuentra en muchos organismos y constituye otro ejemplo de un material compuesto natural complejo, formado por una mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos.

La macroestructura del hueso del hueso afecta de manera vital a las propiedades mecánicas del mismo. La estructura de todos los huesos a nivel macroscópico se puede dividir en dos tipos distintivos de tejidos óseos: 1) cortical o compacto y 2) reticulado o trabecular (ver figura 1).

Los huesos corticales y reticulados tienen propiedades mecánicas totalmente diferentes. El hueso cortical tiene mayor densidad y es más fuerte y rígido que el hueso reticular, sin embargo, también es más frágil. Cede y se fractura cuando el esfuerzo supera el 2%. En cambio, el hueso reticulado (trabecular) es menos denso y puede soportar un nivel de esfuerzo sostenido de 50% antes de fracturarse y, en virtud de su estructura porosa, absorbe grandes cantidades de energía antes de fracturarse.

A todo ello hay que añadir que el hueso presenta un fuerte comportamiento anisotrópico.
En general, se puede decir que ciertos huesos son más resistentes y rígidos en la dirección en que soportan comúnmente carga durante las actividades normales diarias.

Es muy importante señalar que los huesos suelen ser mucho más resistentes a la compresión que a la tensión; por ejemplo, el hueso cortical tiene una resistencia a la tensión de 130 MPa y una resistencia a la compresión de 190 MPa.

La nueva generación de materiales para implantes médicos deben mimetizar las inteligentes estructuras jerárquicas presentadas por la naturaleza y optimizadas tras millones de años de evolución.

                                                                 Figura 1: Hueso trabecular y cortical humano

3. Cerámicas Biomórficas

3.1 La madera

En primer lugar hay que encontrar una estructura a la que mimetizar que presenten buenas propiedades de resistencia, rigidez, ligereza y fiabilidad.
La madrea es un material compuesto que presenta se presenta en forma natural y consiste principalmente en un complejo arreglo de células de celulosa reforzadas con una sustancia polimérica llamada lignina y otros compuestos orgánicos.

Se cumple que la resistencia a la compresión de la madera en la dirección paralela al grano es considerablemente más alta que la de la madera perpendicular al grano, por un factor de 10 aproximadamente. La causa de esta diferencia es que la resistencia de la madera en dirección longitudinal se debe en primer término a los enlaces covalentes fuertes de las microfibrillas de celulosa cuya orientación principal es longitudinal. La resistencia de la madera en dirección perpendicular al grano es mucho más baja porque depende de la resistencia de los puentes de hidrógeno más débiles que unen lateralmente a las moléculas de celulosa.

Todas estas propiedades, unidas a su abundancia en la naturaleza, bajo coste, variedad, versatilidad y fácil mecanizado hacen de la madera el material ideal a mimetizar como implante.

4. Carburo de silicio biomórfico a partir de la madera.

El carburo de silicio biomórfico se fabrica mediante pirolisis e infiltración de silicio fundido en preformas de madera. El resultado final es SiC con la misma microestructura que la madera precursora. Como hemos visto, la madera es un material compuesto que presenta una morfología porosa anisotrópica con una excelente elasticidad, resistencia y tolerancia al daño; algunas de estas propiedades se trasladarán y amplificarán al pasar a la cerámica que se elabora a partir de la misma.

Los diversos métodos de fabricación tradicionales del SiC han sido el sinterizado en caliente sin presión, el sinterizado en caliente con presión, la deposición química en fase vapor y el compactado por reacción.
Frente a estos, el proceso de fabricación mediante infiltración de silicio en madera, presenta potencialmente las siguientes ventajas:
• Bajo coste de fabricación, ya que las temperaturas de procesado son inferiores y

no es necesario partir de polvo de SiC de alta pureza.

  • No es necesario el uso de aditivos
  • Aumento significativo en las velocidades de síntesis al usar una estructura conporosidad abierta
  • Gran diversidad de microestructuras y propiedades en función de la maderaprecursora.
  • Obtención de forma natural de una estructura similar a la de los materiales defibra continua, en contraposición a otros procesados mucho más costosos
  • Posibilidad de fabricar piezas con formas complejas, ya que sólo requerirá elmodelado de la madera carbonizada
  • Alta resistencia y tenacidad introducida por la estructura fibrosa de la madera.El proceso de fabricación de las cerámicas biomórficas (ver figura 2) involucra diversos pasos:
    1. 1)  Secado de la madera a 60oC durante 24 horas
    2. 2)  Pirolización en ausencia de oxígeno a temperaturas próximas a 1000oC
    3. 3)  La preforma de carbón así obtenida es infiltrada con silicio fundido en vacío auna temperatura de 1550oC en vacío durante 30 minutos

    Figura 2: proceso completo de preparación del carburo de silicio biomórfico y sus correspondientes micrografías.

    Se han utilizado como precursores maderas de distinta especie y distinta densidad. No obstante, la elección de la madera como precursor para implantes médicos fue la madera sapelli (ver figura 3). Este tipo de madera presenta porosidad abierta (en torno al 11%) y porosidad cerrada de un 55% en volumen. Su densidad es de 0.61 g·cm-3. Los poros forman canales cilíndricos de unos 100 μm de diámetro. Dichos poros constituyen el gran entramado de vasos comunicantes de los que consta el árbol.

En general, la topología vegetal se mantiene a lo largo del proceso para obtener el carburo de silicio biomórfico final.

     Figura 3: micrografía axial y transversal de la madera Sapelly.

El siguiente paso es un mecanizado de la preforma de carbono. Éste puede hacerse por un simple cortado o desbastado. El proceso de infiltración no cambia significativamente el tamaño y forma de las piezas (por debajo de un 0.1%), así que este paso nos dará un producto con una forma muy próxima a la final requerida.

La infiltración de Si líquido se hace en vacío. La temperatura necesaria debe estar por encima del punto de fusión del Si (1410oC). Cuanto mayor sea la temperatura, más se reducirá la viscosidad del Si fundido, aumentado la tasa de infiltración.

La subsiguiente formación de SiC es espontánea y exotérmica. El calor generado durante la reacción aumenta la cantidad de Si líquido y favorece la solubilización de C. los grupos de Si-C se disuelven en el silicio fundido y precipitan como carburo de silicio cerca de las paredes de carbón cuando la solución se sobresatura. Todo ello se ve apoyado por la morfología facetada de los granos de SiC (ver figura 4).

Figura 4: (a) imagen SEM de la microestructura del SiC. (b) micrografía TEM de un grano de carburo de silicio donde el análisis por difracción de electrones muestra una estructura β-FCC (se incluye el diagrama de difracción en la esquina superior derecha. (C) micrografía TEM de una región de nanogranos de SiC. El diagrama de difracción de electrones se muestra en la parte superior derecha.

En un proceso posterior, el exceso de Si puede eliminarse de la superficie de la cerámica sometiéndola a un proceso de alta temperatura sobre un tejido de fibra de carbono que se empapa del exceso de Si.

Figura 5. (a) micrografía óptica del precursor vegetal Sapelly. (b) micrografía SEM obtenida después de la pirólisis. (c) SiC producido después de la infiltración (el contraste blanco corresponde al Si y el gris al SiC). (d) SiC biomórfico después de la retirado de Si sobrante.

La resistencia a la compresión a temperatura ambiente en la dirección longitudinal de la muestra de SiC obtenida a partir de Sapelly tiene un valor entre 160 hasta 210 MPa. Mientras que en la dirección radial los valores fluctúan entre 430 y 120 MPa. Esto depende de la cantidad de Si que haya sido eliminado de la superficie, que puede ser controlado mediante deposición química o térmica. Estos resultados comparados con los de los huesos del cuerpo humano arrojan unas conclusiones satisfactorias: La resistencia a la compresión de un hueso cortical humano es de 193 MPa en la dirección longitudinal y 133 MPa en la dirección radial. Los valores absolutos de resistencia están en el mismo rango que los valores más vamos del bioSiC, siendo su densidad muy similar (la densidad del hueso cortical está entre 1.6 y 2.0 g·cm- 3). No sólo eso, sino que con comparación con el titanio, los resultados también son favorables: los implantes de titanio tiene una resistencia a la tracción entre 280-345 MPa. Los implantes de mayor calidad como las aleaciones de titanio alfa-beta Ti-6Al- 4V fluctúan entre 830-924 MPa.

La resistencia a la flexión a la temperatura ambiente del bioSiC varía entre 430 y 150 MPa. Por otra parte, el módulo elástico está comprendido entre 25 y 230 GPa dependiendo de la cantidad de Si eliminado, así que esta propiedad puede ser modelada hasta un valor próximo al del hueso humano (15 GPa).
La tenacidad a la fractura alcanza valores entre 2 y 3 MPa·m1/2. Las propiedades mecánicas indican que las cerámicas de bioSiC son materiales adecuados como dispositivos médicos en términos de requerimientos estructurales ya que presentan mejores valores de resistencias que le hueso cortical común y una tenacidad razonable. Además, teniendo en cuenta los requerimientos biomecánicos (densidad, módulo elástico, deformación en la fractura, porosidad, etc.) de un tipo particular de hueso que deba ser reparado en el cuerpo, el SiC biomórfico puede ser adaptado mediante una apropiada selección del precursor vegetal.

5. Biocompatibilidad

Tan importante como las propiedades mecánicas, es la respuesta que tiene el organismo frente al material del que está compuesto el implante. Existen 2 tipo de pruebas de biocompatibilidad fundamentales: pruebas in vitro (ensayos llevados a cabo en probetas) y pruebas in vivo (en organismos vivos).

Las pruebas in vitro se han demostrado determinando la respuesta biológica de las células osteoblásticas tipo MG-63. El bioSiC no afecto significativamente la actividad celular en ninguna de las concentraciones a las que se tomaron en contraste con una aleación de uso típico en implantes como es la Ti6Al4V. Los resultados sugieren que el bioSiC está libre de sustancias dañinas o que tiene, al menos, una cantidad insuficiente para producir daños considerables en cultivos in vitro.

La capacidad del bioSiC de mantener la unión celular y promover el crecimiento se ha evaluado mediante la implantación de células humanas del tipo MG-63 osteoblásticas en el material. La figura 6 muestra micrografía SEM de las piezas de bioSiC cargadas de células a diferentes tiempos. Tres horas después, células redondeadas responsables de la división celular pueden verse unidas a la superficie de la cerámica bioSiC. Se observa como las células empezaron a colonizar la superficie interior de los poros existentes. La interacción célula a célula y la unión en forma de filópodos se puede observar a grandes aumentos. Después de 6 horas, las células se han extendido y desplazado a una configuración plana y morfología normal. Las células vecinas mantienen el contacto físico con una y otra a través de las extensiones del citoplasma.

Después de 24 horas, la superficie de bioSiC has sido casi completamente cubierta por las células MG-63. Los poros comienzan a llenarse por las células, y no hay evidencia de grandes deterioros o respuestas citotóxicas. El bioSiC promueve la unión de las células, la formación celular monocapa, y la completa colonización de su superficie.

Figura 6: Muestra de biocompatibilidad in vitro, las células osteoblásticas MG-63 creciendo en el bioSiC obtenido a partir de Sapelli.

Pruebas in vivo
Para comprobar el potencial del bioSiC como material biocompatible, se hicieron experiencias in vivo de implantación en conejos. El crecimiento interno del hueso en el bioSiC fue evaluado y comparado con piezas de titano implantadas como control. Después de 12 semanas de implantación, una exanimación histológica (figura 7) de los especímenes mostró formación de nuevo hueso alrededor del implante y dentro del SiC, sin la aparición de tejido fibroso en la frontera hueso-implante y sin ninguna reacción inflamatoria importante. No hubo diferencias significativas en la densidad del hueso formado alrededor del SiC y el control de Ti. Análisis adicionales con SEM han demostrado la presencia de hueso trabecular en los poros centrales de la cerámica, que alcanzan un promedio de 700 micras dentro del implante.

Figura 7: biocompatibilidad in vivo. Sección histológica de un implante recuperado a las 12 semanas. En la periferia del implante se puede observar (I), el nuevo hueso formado está en contacto directo con el bioSiC (flechas) y la continuidad con el tejido trabecular huésped. (B) nuevo hueso creciendo dentro del SiC. No se encontró inflamación de tejidos alrededor del implante.

Como es tendencia habitual en los últimos tiempos, la mejora de las propiedades de los materiales se está llevando a cabo mediante tratamiento que sólo afectan a su superficie. Es por ello que las propiedades de biocompatibilidad del BioSic no iban a ser menos. En la actualidad, se recubre en carburo de silicio con un “vidrio bioactivo” : una suerte de recubrimiento depositado mediante técnica de ablación láser. Dicho recubrimiento está formado principalmente por Si, Na, Mg, O, Ca, K. Estos elementos con los componentes principales del hueso y del plasma sanguíneo.

Con ello se busca mejorar aún más la fijación y oseointegración. La unión interficial previene el movimiento relativo entre el implante y el tejido del huésped, mimetizando el tipo de interficie que se forman naturalmente cuando los tejidos se auto- reparan (ver figura 8).

Figura 8: Comparación de las estructuras del hueso y del BioSiC poroso recubierto con vidrio bioactivo, observar el alto grado de mimetización conseguido.

La presencia de silicio en los implantes ha suscitado desde hace tiempo la controversia entre distintos estamentos médicos: se teme que el silicio presenten en algunos empastes dentales provoca silicosis (enfermedad pulmonar) a largo plazo. Es importante matizar que los biomateriales con alto contenido de silicio no presentan efectos fisiológicos adversos en el cuerpo. Recientes estudios de vidrios bioactivos implantados en huesos de ratones concluyen que el silicio residual se excreta a través de la orina y no existe acumulación en los órganos principales.

6. Perspectivas actuales

Hemos visto como las propiedades mecánicas del BioSiC, próximas a las del hueso lo hacen recomendable para su uso como sustituto del mismo. Este hecho, junto con su alta biocompatibilidad, facilidad de preparación y disponibilidad de materia prima, convierten al carburo de silicio en un firme candidato como sustituto de las aleaciones metálicas.

Figura 9: Comparación de las estructuras del hueso y del bioSiC poroso recubierto con vidrio bioactivo, observar el alto grado de mimetización conseguido.

Y hasta aquí el primer artículo sobre materiales biomiméticos, espero que haya sido de vuestro agrado. Quizá cualquier día, dentro de muchos años, agradeceremos que se haya profundizado en el estudio de este tipo de materiales.
Un cordial saludo,
Antonio.
Para saber más

[1] P. González et al. New biomorphic SiC ceramics coated with bioactive glass for biomedical applications. 2003

[2] F.M Varela Feria, A. R. de Arellano López, J. Martínez Fernández. Fabricación y propiedades del carburo de silicio biomórfico: maderas cerámicas

[3] M. Presas, J. LLorca, A. R. de Arellano López, J. Martínez Fernández, R. Sepúlveda. Microestructura y propiedades mecánicas del SiC biomórfico obtenido a partir de eucalipto.

[4] P González et al. A new generatioin of bio-derived ceramic materials for medical applications. 2007

[5] William F. Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales.

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4 comentarios leave one →
  1. hernando estrada permalink
    22 agosto 2012 16:11

    muy importante
    felicitaciones

  2. ccalleja@telecentro.com.ar permalink
    23 agosto 2012 15:11

            Estimado Antonio,  te  agradeceria  tengas a bien  reenviarme  el  presente articulo. Motiva  este  pedido  el  hecho  de  haber  recibido  este  artículo  en forma  incompleta.        Desde  ya  gracias.                                                                            Carlos  Calleja

    On Sun Aug 19 12:18 , ‘Ingenieria de Materiales.’ sent:

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    antoniojcontreras posted: ” Estimados lectores,

  3. 26 marzo 2013 11:34

    try this healthy blog very informative good ones:-There are many people who are very conscious about the environmental aspects of inorganic farming as well as use of genetically modified crops. That is why they ask for comida organic or productos biodegradables so that the natural processes are not hampered and Mother Nature can function in her own sweet and efficient way. The natural cycle has been disturbed by the artificial stuff instead of deshechables biodegradables or productos ecologicos.

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