Development of protective coatings to improve the Ti6Al4V alloy behavior in orthopedic applications

Abstract

Hoy en día, debido al aumento de la esperanza de vida, al elevado ritmo de vida y al aumento del número de personas que practican deporte, es necesario que el ser humano esté activo y dinámico durante más tiempo. Esto implica una serie de problemas a nivel osteo-articular que pueden limitar la actividad física y la calidad de vida de las personas. En algunos casos, estas complicaciones pueden llegar a necesitar una total o parcial reconstrucción o reemplazo de un tejido, hueso o articulación. Es en este punto en el que los biomateriales pueden ayudar a cubrir todas estas necesidades.Un estudio realizado en 2011 estimó que para el 2030, en Estados Unidos harán falta 4 millones de prótesis de cadera y rodilla. Sin embargo, no sólo está aumentando el número de prótesis implantadas, sino que también se ha apreciado un aumento en el número de cirugías de revisión.Los implantes ortopédicos presentan una serie de limitaciones habitualmente relacionadas con el biomaterial empleado para su fabricación. En el caso de las prótesis de rodilla y cadera, que son las dos aplicaciones en las que este estudio está centrado, el biomaterial empleado en su fabricación es la aleación Ti6Al4V.El Ti6Al4V es una de las aleaciones más empleadas para implantes óseos debido a su excelente biocompatibilidad, buena resistencia a corrosión, y propiedades mecánicas. Sin embargo, posee una limitación, su comportamiento tribológico es muy pobre ya que presenta una baja resistencia al degaste que puede provocar el fallo prematuro del dispositivo implantable. Además, existen otros tipos de fallo generados por una falta de osteointegración entre el implante y el hueso, y por la presencia de una infección bacteriana. En este sentido, esta tesis se ha centrado en mejorar el comportamiento de la aleación Ti6Al4V para aplicaciones ortopédicas desarrollando distintos recubrimientos multifuncionales mediante diferentes técnicas de tratamiento superficial, la Deposición Física en Fase Vapor (PVD) y la Electro Oxidación por Plasma (PEO).En relación a la prótesis de rodilla, este trabajo se ha centrado en reducir el desgaste producido en la meseta tibial (con de la aleación Ti6Al4V como biomaterial), generado por las vibraciones que tienen lugar entre este componente metálico y el componente polimérico (polietileno de ultra alto peso molecular). Este efecto se conoce comúnmente como efecto fretting. Del mismo modo, se ha proporcionado a los recubrimientos un carácter biocida para reducir el riesgo de infección bacteriana. Con este fin, se ha empleado la técnica de Deposición Física en Fase Vapor (Physical Vapor Deposition, PVD) para el desarrollo de recubrimientos de Ti-C-N y se ha incorporado una capa adicional de plata para evitar la adhesión bacteriana y su consiguiente crecimiento (Fig. 1). Fig. 1. Esquema de la solución desarrollada para la aplicación de implantes de rodilla.En la siguiente figura (Fig. 2) se presenta de manera esquemática el trabajo relacionado en el desarrollo de recubrimientos protectores para implantes de rodilla y que se presenta en forma de dos contribuciones. Fig. 2. Esquema de los estudios llevados a cabo en el desarrollo de recubrimientos de Ti-C-N. Se desarrollaron cinco recubrimientos originales, C1-C5, y se seleccionaron dos, Ti-C-N_1 y Ti-C-N_2, tras una caracterización previa. Se depositó una capa de Ag en el mejor recubrimiento (Ti-C-N_2) dando como resultado el recubrimiento Ti-C-N_2+Ag. Se realizaron ensayos de fretting y análisis de adhesión bacteriana en Ti-C-N_2 y Ti-C-N_2+Ag.En la primera contribución se presentan los primeros pasos llevados a cabo para la búsqueda de recubrimientos con alta resistencia al desgaste. Mediante la tecnología de PVD con el método de arco catódico, se han desarrollado cinco tipos de recubrimientos de Ti-C-N (Fig. 3), variando los parámetros del proceso de deposición, dando como resultado capas con diferentes porcentajes de titanio, carbono y nitrógeno, y distintas propiedades físicas y microestructurales. Fig. 3. Ejemplo de una micrografía obtenida por SEM de uno de los recubrimientos Ti-C-N.Una vez realizado el proceso de caracterización de todos los recubrimientos desarrollados, los ensayos tribológicos demostraron que todos los recubrimientos desarrollados mejoraban la respuesta tribológica del Ti6Al4V (Fig. 4). En base a los anteriores resultados, se seleccionaron los recubrimientos C2 y C5, que presentan la mejor resistencia a desgaste y el menor coeficiente de fricción, para continuar con una caracterización adicional. Fig. 4. Micrografías SEM obtenidas en las huellas generadas en los ensayos de fretting. a) Ti6Al4V, b) C1, c) C2, d) C3, e) C4 y f) C5.En la segunda contribución, se ha llevado a cabo una caracterización holística de los recubrimientos seleccionados en la primera contribución (codificados C2 y C5 en la primera contribución y recodificados como Ti-C-N_1 y Ti-C-N_2 en la segunda). En este caso, se analizó el comportamiento a tribocorrosión de las dos capas seleccionadas y del sustrato. El estudio de la sinergia entre el desgaste mecánico y el proceso electroquímico es esencial para entender en profundidad lo que ocurre en el cuerpo humano, cuando el implante está rodeado de fluidos biológicos corrosivos. Tras estos ensayos, se ha observado que sólo uno de los recubrimientos, el Ti-C-N_2, supera satisfactoriamente las condiciones de ensayo (Fig. 5), con un desgaste mínimo, una buena resistencia a corrosión y un efecto impermeable que evita la migración de iones desde el sustrato al exterior. Fig. 5. Potencial de circuito abierto durante el proceso de deslizamiento en los ensayos de tribocorrosión para el Ti6Al4V sin recubrir y los recubrimientos Ti-C-N_1 y Ti-C-N_2.Tras seleccionar el Ti-C-N_2 como el recubrimiento más prometedor, se depositó una fina capa de plata mediante el método de magnetrón sputtering para aportarle propiedades biocidas (Fig. 6). Con el fin de simular las condiciones de fretting reales producidas en la meseta tibial, se llevaron a cabo ensayos fretting con suero bovino fetal y con el contramaterial real (polietileno de ultra alto peso molecular). La respuesta tribológica del recubrimiento Ti-C-N_2 es muy prometedora, mientras que la de la capa de plata resulta bastante pobre. La baja dureza de la plata parece ser la responsable de esa falta de resistencia al desgaste. Fig. 6. Composición química en profundidad del Ti-C-N_2+Ag obtenida mediante análisis de GD-OES.En cuanto a la respuesta obtenida en los ensayos de adhesión bacteriana frente a Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis, la capa de plata ha mostrado un excelente comportamiento antibacteriano (Fig. 7). Además, teniendo en cuenta que el mayor riesgo de contraer una infección se produce en la primera hora tras la implantación de la prótesis, la baja resistencia al desgaste de la capa adicional de plata resulta beneficiosa ya que, una vez que el dispositivo ha sido introducido en el cuerpo, la eliminación rápida de la misma es muy deseable. Fig. 7. Las imágenes del microscopio de fluorescencia obtenidas para el sustrato Ti6Al4V, y las superficies Ti-C-N_2 y Ti-C-N_2+Ag cubiertas con S. aureus (a) y S. epidermidis (b) muestran un descenso de la colonización bacteriana en el Ti-C-N_2+Ag.Mediante la investigación recogida en las dos primeras contribuciones se ha podido conseguir un recubrimiento biocompatible, con excelente resistencia al desgaste, bajo coeficiente de fricción, alta resistencia a corrosión, impermeable, y finalmente, con propiedades antibacterianas.En relación a la prótesis de cadera, este estudio se ha dirigido a proporcionar a la superficie del dispositivo implantable las características favorables que promuevan el crecimiento celular y mejoren la osteointegración del vástago de Ti6Al4V. Asimismo, al igual que en el implante de rodilla, se buscaron una excelente resistencia al desgaste y propiedades antibacterianas. Para esta segunda aplicación, se ha usado la técnica de la Electro Oxidación por Plasma (PEO) para el desarrollo de recubrimientos protectores de TiO2 con las características mencionadas (Fig. 8). Fig. 8. Esquema de la solución desarrollada para la aplicación de implantes de cadera.En la siguiente figura (Fig. 9) se presenta la actividad llevada a cabo en el desarrollo de recubrimientos de TiO2 para implantes de cadera. Fig. 9. Esquema de los estudios llevados a cabo en el desarrollo de recubrimientos TiO2. Se desarrollaron dos recubrimientos (PEO-1 y PEO-2) y se caracterizaron mediante ensayos de tribocorrosión y análisis de adherencia bacteriana.En el trabajo presentado en la tercera contribución, se han desarrollado recubrimientos de óxido de titanio (PEO-1 and PEO-2) usando la tecnología PEO. Además, se han introducido elementos promotores del crecimiento celular como el calcio y el fósforo. Estos recubrimientos tienen un contenido significativo de TiO2 en forma de rutilo, una microestructura porosa y rugosa y son más hidrófobos que el Ti6Al4V. Todas estas características los hacen apropiados para la absorción de proteínas y el posterior anclaje de células (Fig. 10). Fig. 10. Izquierda) Micrografía SEM de uno de los recubrimientos desarrollados, donde se puede observar la estructura rugosa. Derecha) Espectro de la composición química obtenida mediante análisis EDS.En los ensayos de tribocorrosión, los recubrimientos desarrollados han mostrado coeficientes de fricción más altos que el sustrato sin tratar debido a la elevada rugosidad conferida por la presencia de poros. Además, han mostrado una resistencia al desgaste mejorada en comparación con la aleación de Ti6Al4V como consecuencia de la relativa alta dureza proporcionada por su naturaleza cerámica, la estabilidad química y las mejores propiedades mecánicas proporcionadas por el alto porcentaje de TiO2 en fase rutilo (Fig. 11). La resistencia a corrosión no ha sido afectada en ningún caso por el proceso de desgaste. Fig. 11. Topografía de las huellas de desgaste: a) Ti6Al4V, b) PEO-1 and c) PEO-2.Con el fin de proporcionar propiedades antibacterianas a los recubrimientos anteriores, se ha incorporado yodo como agente biocida en los mismos. Los resultados obtenidos en los ensayos de adherencia bacteriana, llevados a cabo con cepas colección, han sido positivos frente a Staphylococcus epidermidis (Fig. 12). Sin embargo, con las cepas Staphylococcus aureus no se ha apreciado efecto biocida. Fig. 12. Porcentaje medio de superficie recubierta por S. epidermidis.Como conclusión general de este trabajo de tesis se puede afirmar que se han mejorado las propiedades de la aleación Ti6Al4V para aplicaciones ortopédicas mediante el desarrollo de dos recubrimientos diferentes con las técnicas de PVD y PEO. Esto puede reflejarse en un aumento en la vida útil del dispositivo implantable debido tanto a la mayor resistencia al desgaste que poseen estos recubrimientos como a la menor posibilidad de contraer una infección bacteriana como resultado de las propiedades biocidas conferidas.La memoria de la tesis doctoral se presenta en el formato por contribuciones. Así, se aportan tres publicaciones en revistas indexadas en la base de datos Journal Citation Report: las tres en revistas del primer cuartil (la última en revisión por el editor). Además, la memoria recoge un capítulo de libro (¿Titanium and Titanium alloys as Biomaterials¿ in: Gegner, J. (Ed.), Tribology ¿ Fundamentals and advancements, Intech, Rijeka, Croatia, 2013, 155-181) relativo al estado del arte en el área del titanio y sus aleaciones usados como biomateriales para implantes óseos.Los hallazgos logrados en esta tesis, son parte del trabajo desarrollado en el marco del proyecto FUNCOAT (CSD2008-00023) financiado por el Ministerio Español bajo el programa CONSOLIDER INGENIO-2010, y por el Gobierno Vasco bajo el programa EMAITEK.