Desarrollo y caracterización de nuevos recubrimientos en biomateriales metálicos

Abstract

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.

In the field of biomedicine, the design and development of advanced coatings for metallic biomaterials, such as grade 5 titanium (Ti-6Al-4V), play a key role in improving the biocompatibility and performance of medical implants. Grade 5 titanium, known for its excellent mechanical strength and biocompatibility, represents a solid basis for the investigation of new coatings aimed at optimizing the integration of the implant with the surrounding bone tissue. In this context, the present proposal focuses on the design, development and characterization of innovative coatings based on Ti-6Al-4V alloy, specifically titanium dioxide (TiO2). These coatings aim not only to improve the biological response of the implant, but also to integrate it more effectively with the surrounding bone tissue and provide it with new and improved properties that allow it to be used in specific therapies. A TiO2 coating was developed by electrochemical treatment, specifically anodic oxidation. To apply the treatment, Ti-6Al-4V disks were used as an anode in an acidic H3PO4/HF solution. By controlling the main parameters of the electrochemical process such as applied voltage, electrolyte concentration, temperature and reaction time, a TiO2 coating with a periodically repeating nanoporous structure was obtained, giving the alloy a unique surface characterized by thermal oxidation stability, multi-scale roughness, hydrophobic behavior and exceptional electro-optical properties. In a second instance, silver nanoparticles with prism morphology (p AgNPs) were deposited on the developed nanoporous coatings by two different procedures: (i) discs with the electrochemically anodized TiO2 coating were placed in a reaction cell where p AgNPs were synthesized following a previously optimized procedure and left in the dark for a stipulated time (in situ deposition procedure), (ii) on the other hand, the discs were immersed in a p-AgNPs suspension for several hours in the dark (ex situ deposition procedure). It was then demonstrated that the developed nanoporous layer is a noble substrate for simple and efficient immobilization of the nanoparticles. Furthermore, it was determined that the in situ deposition procedure improves the electro-optical properties of the TiO2 coating by photo-conversion under NIR irradiation, demonstrating that the radiation emitted on the surface of the p-AgNPs can be reflected by the titanium substrates inside the nanopores, increasing the mid-near infrared reflection signals and improving the surface reflectance. On the other hand, it was observed that these surfaces exhibit a high photoconversion capacity by increasing their temperature when irradiated with NIR radiation. Due to the aforementioned properties, the developed nanoporous coating could be exploited in multifunctional theranostic platforms for imaging and photothermal treatments, presenting significant opportunities in the construction of photodynamic designs applied to functional orthopaedic implants. Based on the results obtained, an automated system capable of accurately and reproducibly controlling the main parameters during the anodic oxidation process was designed and implemented. The system consists of a polypropylene reaction cell with an acrylic window and a digital temperature control module. In addition, it has a polypropylene robotic arm with a graphite rod as cathode and a holder for a polished Ti-6Al-4V disc as anode. The electrodes are connected to a variable voltage source. The arm has the ability to perform precise rotational and vertical movements to place the electrodes in position and the Ti-6Al-4V discs in front of the window for digital imaging using a digital microscope to evaluate mechanical polishing and electrochemical anodizing. The developed prototype operates with controlled illumination through an LED array. An ammeter records the current flowing in the anodizing process. All the aforementioned parts that make up the prototype are on a PLA structural base, which also includes a series of sensors, actuators and mechanisms essential for the system's operations through a commercial microcontroller. After careful optimization of the most important parameters involved in the process, and analyzing the measurements of the current flowing through the system and the images of the surface throughout the process, it was confirmed that the factor that most significantly affects the formation of the surface oxide layer is the concentration of HF in the electrolyte solution. This system would allow establishing the parameters to replicate the treatment effectively on metal parts of commercial prostheses, in addition to monitoring its traceability in real time during the process, obtaining the desired nanostructures and representing a breakthrough in the application of this surface modification technique providing improvements in these biomaterials. One aspect to consider for the performance of orthopaedic implants is the corrosion and wear that they can undergo once implanted, reducing the useful life of the implant and releasing residues that are potentially toxic for the organism. To evaluate these processes, it is essential to have analytical methods that allow the quantification of the metals present in the implants in a simple, fast and economical way. Therefore, in the last part of this Thesis, we present the development of a methodology for the quantification of aluminium and vanadium released from Ti-6Al-4V alloy simultaneously in simulated biological media. The developed methodology combines UV-VIS spectroscopy and data processing with different chemometric tools, including PLS, Interval Successive Projections Algorithm coupled to Partial Least Squares (iSPA-PLS) and Multivariate Curve Resolution - Alternating Least Squares (MCR-ALS). The best results were obtained with iSPA-PLS for the determination of aluminum and vanadium in terms of predictive ability.