Obtención de compuesto de titanio con gradiente de porosidad mediante técnica pulvimetalúrgica

Abstract

En el estudio de biomateriales de uso implantológico para la fabricación de distintos tipos de prótesis, el titanio es un metal que ha sido utilizado exitosamente debido a su buena resistencia a la corrosión y a su buena resistencia mecánica. A pesar de los avances realizados, aún subsisten algunos problemas con este material en aplicaciones de reemplazo óseo debido a la diferencia en el valor de módulo elástico de este metal (110 GPa) en relación al del hueso cortical (20-30 GPa) y al hueso trabecular (1-5 GPa). Esta diferencia es una de las causas por la cual los procesos de osteointegración de prótesis óseas no se mantienen en el tiempo debido al fenómeno de apantallamiento de tensiones (stress shielding). En este sentido una forma de atenuar este problema seria implantar materiales con un módulo elástico similar al del hueso. La pulvimetalurgia es una técnica económica usada en la fabricación de compuestos que permite controlar las características mecánicas de un compuesto mediante la introducción de poros en el material. Sinterizando por ejemplo una mezcla de titanio en polvo y agentes espaciadores que se eliminan durante el tratamiento térmico se puede obtener un material con estructura porosa donde modulando las variables inherentes a la generación de porosidad durante el proceso de fabricación se podría obtener un material con módulo elástico con valores dentro del rango de los que posee el hueso cortical. Ademas dada la versatilidad que presentan los procesos pulvimetalurgicos, es lógico pensar en la posibilidad de fabricar prótesis con gradiente de porosidad, imitando la estructura ósea. Otra de las problemáticas que se presentan en el uso de titanio para implantes es la incapacidad del mismo de inducir los procesos biológicos de osteointegración en tiempos cortos que aseguren una rápida fijación del material al hueso. Existen distintas propuestas para mejorar este problema. Una es la incorporación de hidroxiapatita con el fin de activar los fenómenos de osteointegración, sin embargo, la hidroxiapatita se descompone en presencia de titanio a las temperaturas usuales de sinterización indicadas para este metal. En este trabajo se exponen los resultados obtenidos en la fabricación de un compuesto de titanio con gradiente de porosidad radial sinterizado a partir de una mezcla de hidruro de titanio y bicarbonato de amonio. El proceso se llevó a cabo en condiciones tales que permitió la incorporación de hidroxiapatita al compuesto. Para la obtención de las muestras se estudiaron distintas variantes de fabricación en las distintas etapas del proceso pulvimetalurgico: mezcla de polvos, prensado para la fabricación de modelos en verdes y tratamientos térmicos de sinterizado. El material obtenido se caracterizó mecánicamente mediante ensayo de compresión estática. En el compuesto con porosidad radial obtenido en este trabajo se midieron valores de módulo elástico en el rango de 16,4 a 20 GPa, valores comprendidos dentro del rango de módulo elástico del hueso cortical. La caracterización física de la porosidad superficial indicó un tamaño de poro apto para la fijación de células óseas. Los resultados de los ensayos in-vivo realizados en ratas de la cepa Wistar mostraron un bajo índice de encapsulamiento fibroso en la interfase compuesto-tejido óseo, señal de una buena aceptación del material por parte del organismo. Los resultados de estos estudios mostraron además crecimiento óseo sobre la superficie del compuesto y en el interior del material con porosidad interconectada, lo que indica una buena respuesta al proceso de osteointegración en los primeros estadios del proceso.

In studying the use of implant biomaterials aimed at the fabrication of various types of prostheses, titanium has been successfully employed for both its good corrosion resistance and mechanical properties. But despite of ongoing development, some issues remain to be solved in connection with bone replacement applications; namely, the difference between the value of the elastic modulus of titanium (110 GPa) and that of cortical (20-30 GPa) and trabecular bone (1-5 GPa). This difference prevents osseointegration of bone prostheses from being maintained over time because of the socalled stress shielding phenomena. Hence, an implanting material having an elastic modulus like that of bone would be a way of addressing this problem. Powder metallurgy is a cost-effective technique used in the fabrication of composites. It allows control over the mechanical characteristics of the metal to be carried out by introducing pores into the material. Sintering a mixture of titanium powder and spacing agents, which are removed during heat treatment, results in a porous structure. In other words, a material having an elastic modulus like that of cortical bone could be obtained by modulating the variables affecting pore generation during the fabrication process. Moreover, the fabrication of prostheses exhibiting a porosity gradient which approximates bone structure seems plausible because of the versatility of powder metallurgical processes. Another problem concurrent with the use of a titanium implant is its failure to induce the biological processes of osseointegration in short times so that rapid fixation of the material to the bone would be ensured. There have been several proposals to deal with this problem. One of them consists in incorporating hydroxyapatite to foster osseointegration. However, hydroxyapatite decomposes in the presence of titanium at the usual sintering temperatures specified for this metal. This paper shows results obtained after sintering a titanium compound consisting of a mixture of titanium hydride and ammonium bicarbonate that featured a radial porosity gradient. The process was accomplished so that it permitted hydroxyapatite to be incorporated to the compound. As to the obtainment of samples, each stage of powder metallurgical processes, that is, powder mixing, pressing, and sintering heat treatment were studied. The static compression test was used in the mechanical characterization of the obtained material. The elastic modulus of the compound with radial porosity depicted in this paper ranged between 16.4 and 20 GPa. It correlates well with that of cortical bone. Physical characterization of surface porosity evinced a pore size suitable for bone cell fixation. Results of in vivo tests performed on rats of the Wistar strain showed very little fibrous encapsulation at the composite-bone tissue interface. This fact corroborates the good acceptance of the material by the organism. Bone growth was also observed on the surface of the composite material and inside it, indicating adequate response to the osseointegration process in its early stages.