1230F-1/08/2014 página 1 de 48 14.07.2014 ESTADO DEL ARTE - uso de la circona en aplicaciones biomédicas ANTECEDENTES Por parte de D. Alejandro Ceres, DIRECTOR GENERAL de Dental Milling Engineering S.L., se nos solicita un informe científico/técnico sobre el uso y aceptación clínica de la circona (Y-TZP) para aplicaciones biomédicas, particularmente en implantes dentales. ÍNDICE 1. Biomateriales cerámicos 3 2. Circona. 3 2.1. Generalidades. 3 2.2. Estructura y propiedades. 4 2.3. Fenómeno de aumento de tenacidad por transformación de fase. 5 2.4. Sistema ZrO2-Y2O3. 6 2.4.1. Circona tetragonal (Y-TZP). 8 2.4.2. Circona parcialmente estabilizada (PSZ) 9 2.5. Problemática química. 2.5.1. Degradación espontánea de la Circona: 11 11 Degradación hidrotérmica a baja temperatura (LTD). 2.5.1.1. Influencia de factores microestructurales. 12 2.5.1.2. Influencia en las propiedades mecánicas. 14 2.5.2. Solución a la LTD. 15 2.5.3. Radioactividad. 17 2.6. Biocompatibilidad de Circonas. Citotoxicidad, oseointegración, 19 hemocompatibilidad, mutagenicidad y carcinogenicidad. 2.6.1. Generalidades. 19 2.6.2. Pruebas in vitro. 20 2.6.4. Pruebas in vivo. 24 Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 2 de 48 14.07.2014 2.6.5. Mutagenicidad-Carcinogenicidad. 3. Aplicaciones Circonas basadas en Y-TZP. 26 28 3.1. Uso en ortopedia. 28 3.2. Uso en odontología: Implantes dentales. Sistemas Y-ZTP. 28 4. Referencias 33 Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 3 de 48 14.07.2014 1. Biomateriales cerámicos. Un biomaterial, material biocompatible o material bioaplicable es, en términos de medicina quirúrgica, un material farmacológicamente inerte, diseñado para ser incorporado, bien como implante o como prótesis dentro de un sistema vivo [1-4], y cuya finalidad es sustituir o regenerar tejidos vivos y sus funciones. Tradicionalmente, estos biomateriales han sido clasificados como biomateriales metálicos, cerámicos y poliméricos. Los biomateriales cerámicos tienen nulo o poca correspondencia con el concepto tradicional de cerámica que, según Kingery [5] y otros [6], comprende productos manufacturados constituidos por materiales sólidos inorgánicos no metálicos, conformados habitualmente en frío y consolidados por acción del calor. En este caso, deben englobarse dentro de las denominadas cerámicas especiales, avanzadas o cerámica fina (Advanced Ceramics, Fine Ceramics) que, gracias a que poseen excelentes propiedades optimizadas, tales como propiedades mecánicas bajo condiciones extremas de tensión, altas resistencias al desgaste, a las altas temperaturas y a los ambientes corrosivos o excelentes propiedades eléctricas, magnéticas u ópticas, acompañado de una densidad relativamente baja hacen que sus campos de aplicación sean muy numerosos [7]. Entre ellos y, teniendo en cuenta el material que nos concierne, cabe destacar las biocerámicas basadas en Circona para su utilización en fines médicos como biomateriales. 2. Circona. 2.1. Generalidades. El término Circona identifica al dióxido de Zirconio u óxido de Zirconio (IV), ZrO2. Es un refractario óptimo (punto de fusión = 2715K) y posee una gran resistencia química al ataque de ácidos y bases. Gracias a estas propiedades, lleva años siendo utilizado en la industria, para la realización de componentes destinados a operar en ambientes agresivos y en condiciones de trabajo severas, como son las partes mecánicas de piezas sujetas a desgaste y componentes para motores a combustión. También es usado como sustituto de utensilios de acero para cortes debido a su mayor durabilidad, como células de combustibles, filamentos de lámparas incandescentes, etc. Sin embargo, en las décadas de los 70 y 80, el interés por su estudio y aplicabilidad se disparó debido al descubrimiento de un mecanismo que podía incrementar espectacularmente su tenacidad de fractura: el Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 4 de 48 14.07.2014 mecanismo de transformación de fase [8]. Desde entonces, se han realizado numerosos estudios enfocados a entender este fenómeno y en vistas a desarrollar microestructuras con propiedades mecánicas impensables años antes. Tal es así, que para éste compuesto se llegó a utilizar el slogan “Circona, la única limitación es tu imaginación”. En cuanto al ámbito como biomaterial en dispositivos médicos, la Circona ha sido aplicada inicialmente en ortopedia, como prótesis de cadera, de rodilla, en la cirugía de manos, etc. [9-11]. y, más recientemente, en odontología. 2.2. Estructura y propiedades. La circona pura presenta tres polimorfismos en función de la temperatura. La fase cúbica es estable a temperatura elevada (entre 2680 ºC y 2370 ºC). La fase tetragonal lo es hasta 1170 ºC, y para temperaturas inferiores aparece la fase monoclínica. La fase cúbica tiene una estructura tipo fluorita, mientras que la circona tetragonal difiere ligeramente de la cúbica, y su estructura corresponde a una distorsión de la fluorita. La fase monoclínica acostumbra a presentar maclas como resultado de los cambios de forma y volumen originados por la transformación de la fase tetragonal. En la figura 1 se representan esquemáticamente las estructuras correspondientes a cada fase, y en la tabla 1 se muestran los valores de los parámetros cristalográficos, el grupo espacial de simetría y las propiedades de cada una de ellas. Figura 1. Los tres polimorfos de Circona: a) Cúbica; b) Tetragonal; c) Monoclínica [12]. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 5 de 48 14.07.2014 Tabla 1. Parámetros cristalográficos de la Circona. Tetragonal Cúbica (3Y-TZP) (5Y-TZP) P21/c P42/nmc Fm3m 5.83 6.10 6.06 Parámetros-Estructura Monoclínica Grupo Espacial Densidad (g/cm3) Parámetros Cristalográficos (Å) a = 5.156 b = 5.191 c = 5.304 a = 5.094 b = 5.177 a = 5.124 2.3. Fenómeno de aumento de tenacidad por transformación de fase. El fenómeno de aumento de tenacidad en estos materiales se debe a una transformación de fase, de circona tetragonal a monoclínica (t→m), que lleva asociado un aumento volumétrico. Esta transformación puede ser activada por un campo de tensiones externo, y si se produce alrededor de una fisura genera esfuerzos compresivos en sus caras que inducen su cierre y dificultan su propagación. Por tanto, la presencia de fase tetragonal es indispensable para que se dé el deseado aumento de tenacidad, y su cantidad y distribución en la microestructura afectarán en gran manera esta propiedad mecánica. Puesto que la circona tetragonal es la responsable del aumento de tenacidad, es necesario que la microestructura incorpore dicha fase. Esto se consigue mediante la adición de óxidos metálicos (MgO, CaO, Y2O3, y CeO2, principalmente), que metaestabilizan a temperatura ambiente las fases cúbica y tetragonal. Como la coordinación del catión circonio es octaédrica en las fases tetragonal y cúbica, los iones que estabilizan dichas fases deben tener un radio iónico que no supere en un 40% al del Zr4+ [13]. Los mecanismos exactos por los que se produce dicha estabilización no están del todo claros. La cantidad de estabilizante es uno de los parámetros importantes que determinan la transformabilidad de la microestructura y el posterior aumento de tenacidad obtenido. Dada la importancia del estabilizante, los materiales de Circona endurecida (ZTC, Zirconia-Toughened Ceramics) se acostumbran a nombrar por el símbolo químico del catión del óxido estabilizante, seguido por la siguiente nomenclatura [13]: Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 6 de 48 14.07.2014 • Circona parcialmente estabilizada, PSZ (Partially-Stabilized Zirconia): La fase ZrO2 tetragonal se encuentra como precipitados embebidos en una matriz de ZrO2 cúbica. • Circona tetragonal policristalina, TZP (Tetragonal Zirconia Polycrystal). La microestructura está formada por granos de simetría tetragonal. • Materiales compuestos de matriz cerámica y partículas de circona, ZDC (Zirconia-Dispersed Ceramics). Entre ellos destaca el compuesto alúmina-circona, ZTA (Zirconia-Toughened Alumina). Así, a modo de ejemplo, un material formado por granos tetragonales y que contiene como estabilizante itria, se denomina como Y-TZP, mientras que uno formado por fase tetragonal y cúbica, estabilizado con magnesio se denomina Mg-PSZ. En la siguiente tabla 2 se presentan las propiedades mecánicas para aquéllos óxidos cerámicos basados en Circona de interés biomédico más representativos y para alúmina a título comparativo. Tabla 2. Propiedades mecánicas de óxidos cerámicos de interés biomédico [14]. Propiedad-Cerámica Alúmina Mg-PSZ 3Y-TZP AMC Módulo Young, E (GPa) 380 210 210 350 Resistencia flexión (MPa) 630 600 950 1380 Dureza (GPa) 19.5 12.5 12.5 19 Tenacidad (MPa·m1/2) 3.2 5.8 10.5 6.5 Densidad (g/cm3) 3.97 5.85 6.02 4.37 Conductividad térmica (W/mK) 30 - 2.5 - CETL* (10-6/K) 8.1 - 5-10 - *CETL= Coeficiente de expansión térmica lineal. 2.4. Sistema ZrO2-Y2O3. El diagrama de fase comúnmente aceptado para el sistema Y2O3-ZrO2 es el propuesto por Scott en 1975 y que se muestra en la figura 2 [15]. Sin embargo, todavía existen discrepancias hoy en día sobre la posición exacta de los límites de la zona de coexistencia de las fases cúbica y tetragonal [16], que pueden inducir diferencias de hasta un 3% en la proporción de fases presentes. Una particularidad de este sistema es la presencia de una fase tetragonal no transformable, t’ [15], Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 7 de 48 14.07.2014 caracterizada por retener una elevada cantidad de Y2O3 en solución sólida, y que, como su nombre indica, no experimenta transformación a fase monoclínica. Esta fase t’ se forma por descomposición difusiva de la ZrO2 cúbica en situaciones de no-equilibrio y se ha encontrado en compuestos con una elevada proporción de estabilizante, alrededor del 4-5% molar [17-19]. Dada la inestabilidad de dicha fase, un tratamiento térmico en el campo de coexistencia tetragonal-cúbico puede transformarla a la fase tetragonal convencional [18]. Un punto especialmente interesante para obtener los materiales ZTC por sinterización es la temperatura de la reacción de descomposición eutectoide. En el sistema Y2O3-ZrO2 esta reacción se da a una temperatura suficientemente baja (∼565 ºC) [20] como para no observarse en condiciones experimentales normales, puesto que por debajo de 1200 ºC la difusión catiónica es muy lenta [15]. Ésta es una diferencia muy importante con respecto al sistema MgO-ZrO2 donde la reacción eutectoide se produce a unos 1400 ºC y no se aconseja practicar tratamientos térmicos a esas temperaturas si se desean obtener buenas propiedades mecánicas [13]. Figura 2: Diagrama de fases para el sistema Y2O3-ZrO2 [15]. Los símbolos m, t y c se refieren a Circona monoclínica, tetragonal y cúbica, respectivamente. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 8 de 48 14.07.2014 Las principales microestructuras que se obtienen en el sistema Y2O3-ZrO2 son la Y-TZP y la Y-PSZ. Para cantidades de Y2O3 comprendidas entre 2.5 y 3 % molar la fase estable es la tetragonal, y se pueden obtener materiales de circona totalmente tetragonal, como la Y-TZP. Existe también una amplia zona de coexistencia de las fases cúbica y tetragonal para mayores cantidades de estabilizante (entre 5 y 8 % molar), que permite obtener materiales Y-PSZ. 2.4.1. Circona tetragonal (Y-TZP). La Y-TZP es el primer material base de Circona introducido en el uso clínico y lleva una utilización que supera los 20 años [21]. La norma técnica EN-ISO 13356 “Implants for surgery — Ceramic materials based on yttria-stabilized tetragonal zirconia (Y-TZP)”[22], que identifica las características mínimas para empleos clínicos, fue adoptada a nivel internacional en 1997 y al año siguiente también por la norma estadounidense de la American Society for Testing and Materials (F-1873: “Standard especification for high purity dense yttria tetragonal zirconium oxide polycrystal (Y-ZTP) for surgical implant applications”) [23]. La mayoría de TZPs comerciales contienen entre 2 y 3% molar de Y2O3 y se acostumbran a sinterizar a temperaturas de 1400-1500 ºC, lo que permite producir cerámicas de grano muy fino que presentan una elevada resistencia mecánica (>1 GPa). Su microestructura consiste principalmente en granos tetragonales de pequeñas dimensiones (0.2-1 µm), así como pequeñas cantidades de granos cúbicos, de tamaño mucho mayor que los tetragonales, debido a inhomogeneidades en el polvo de partida. La morfología de los granos tetragonales varía entre facetada y redondeada, en función de la cantidad de fase vítrea intergranular. Esta fase vítrea suele ser continua y formada por Y2O3, SiO2, ZrO2 y en algunos casos Al2O3 [24]. El SiO2 es una impureza común en el polvo de ZrO2, ya que proviene de ZrSiO4. El Al2O3 puede provenir de las bolas de molturación utilizadas en la fabricación del polvo. La fase vítrea está involucrada en el proceso de densificación, no puede tener mucha viscosidad y proporciona un medio idóneo para el transporte y la rápida homogeneización química, al mismo tiempo que limita el crecimiento de grano. Además la presencia de fase vítrea no es indeseable, ya que puede evitar la formación de microfisuras de origen térmico. La fase vítrea es blanda y puede acomodar las anisotropías en las expansiones térmicas en las etapas de enfriamiento, reduciendo de esta manera las tensiones residuales. Sin embargo, hay una Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 9 de 48 14.07.2014 correspondencia con la tenacidad, puesto que al aumentar el contenido de esta fase vítrea intergranular se reducen los valores de tenacidad que se pueden conseguir [25]. El primer trabajo que puso de relieve las atractivas propiedades mecánicas de estos materiales se debe a Gupta y col. [26]. La principal cualidad de las TZP es su elevada resistencia mecánica, que puede llegar a los 1.5 GPa si se usan técnicas de prensado isostático en caliente (HIP) [27]. La resistencia depende de la cantidad de estabilizante, siendo su valor máximo para una cantidad de Y2O3 alrededor del 3% molar, con una marcada disminución para contenidos de Y2O3 fuera de este rango [28]. La temperatura de sinterización también influye en la resistencia, obteniéndose valores máximos para temperaturas próximas a 1400 ºC, por lo que ésta acostumbra a ser la utilizada para las Y-TZPs comerciales. Respecto a la tenacidad de fractura, hay dos factores que influyen claramente en sus valores, la cantidad de Y2O3 y el tamaño de los granos tetragonales [29, 30]. Respecto a la cantidad de estabilizante, la tenacidad disminuye al aumentar la proporción de Y2O3, y es independiente de la temperatura de sinterización (entre 1400 ºC y 1600 ºC) [27]. El tamaño de los granos tetragonales dicta la facilidad con la que se puede producir la transformación de fase, existiendo un valor límite por encima del cual la transformación es espontánea, sin aplicar una tensión externa, y por tanto no contribuye a aumentar la tenacidad de fractura. Por eso, el tamaño de grano de la fase tetragonal debe confinarse en un estrecho rango de valores. Los valores de tenacidad de fractura para la mayoría de Y-TZPs comerciales no son muy elevados, y se sitúan entre 4 y 5 MPa√m [13, 31]. 2.4.2. Circona parcialmente estabilizada (PSZ) Existe una amplia zona de coexistencia de fase cúbica y tetragonal, que permite obtener Y-PSZ, en concreto para composiciones de Y2O3 entre 3 y 6% molar (del 6 al 12.5% en peso). Para estas composiciones los tratamientos térmicos en la zona cúbica son antieconómicos (T>2200 ºC) y están limitados por la capacidad del equipo de preparación, por lo que se acostumbra a trabajar en un rango de 1750 a 2000 ºC. Estas temperaturas no permiten obtener un agregado policristalino de Y-PSZ, sino que aparecerán también granos de simetría tetragonal. El proceso de enfriamiento suele ser rápido y puede estar compuesto por etapas isotérmicas para generar de forma controlada precipitados tetragonales procedentes Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 10 de 48 14.07.2014 de la descomposición de la fase cúbica. En la microestructura resultante aparecen granos cúbicos de gran tamaño, entre 50 y 70 µm, que contienen precipitados tetragonales en su interior. Una característica fundamental en este tipo de materiales es el contraste tipo ‘tweed’ que adquieren los granos cúbicos cuando son observados por microscopía electrónica de transmisión. Este contraste ha puesto de manifiesto la presencia de finos precipitados tetragonales. Si se realizan tratamientos de envejecimiento a 1300-1400 ºC durante varias horas, se pueden observar estos precipitados, agrupados en forma de placas rectangulares o en forma de colonias [18, 32]. Como se ha comentado, en la bibliografía consultada no se menciona la fabricación de circonas estabilizadas con itria y compuestas exclusivamente por granos cúbicos con precipitados tetragonales. Sólo existen datos acerca de las propiedades de monocristales de Y-PSZ, y difieren bastante entre ellos según el método seguido para prepararlos. La tenacidad de fractura de estos monocristales muestra una fuerte dependencia con la cantidad de itria, puesto que ésta condiciona la concentración de precipitados tetragonales, y muestra un valor máximo (∼ 7-8 MPa√m) para composiciones entre 2 y 3 % molar de Y2O3 [33]. A diferencia del sistema Y2O3-ZrO2, en el que no se pueden obtener microestructuras Y-PSZ en su totalidad, en el sistema MgO-ZrO2 se producen materiales Mg-PSZ para composiciones de MgO entre 8 y 10% molar, debido a que la temperatura requerida es menor (<2000 ºC). Precisamente, la Mg-PSZ ha sido una de las circonas más estudiadas y caracterizadas, por lo que merece la pena describirla brevemente. Las Mg-PSZ se sinterizan a temperaturas entre 1680 y 1800 ºC, y posteriormente se someten a un tratamiento térmico de envejecimiento para favorecer el crecimiento de los precipitados tetragonales hasta su tamaño óptimo y obtener una dispersión homogénea de ellos en la matriz cúbica [13]. Los granos cúbicos son de gran tamaño, 50-70 µm, y las dimensiones de los precipitados tetragonales se sitúan entre 100 y 150 nm según el tratamiento de envejecimiento aplicado. La resistencia mecánica depende de los tratamientos térmicos de envejecimiento, pero los valores más comunes se sitúan entre 450 y 650 MPa [13, 34]. Sin duda, la característica más atractiva de las MgPSZ es su tenacidad de fractura, situándose normalmente entre 8 y 10 MPa√m [13, 34], pero puede alcanzar valores próximos a 15 MPa√m optimizando el tamaño y cantidad de los precipitados tetragonales [35]. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 11 de 48 14.07.2014 2.5. Problemática química. 2.5.1 Degradación espontánea de la Circona: Degradación hidrotérmica a baja temperatura (LTD). Uno de los problemas que presenta la aplicación de la Y-TZP es el fenómeno conocido como degradación a baja temperatura (LTD, Low Temperature Degradation) o degradación hidrotérmica (HD, Hydrothermal Degradation). Este fenómeno es definido como la transformación espontánea de Circona tetragonal a Circona monoclínica, seguida de microfracturas y pérdida de la integridad estructural del material, con una caída brusca de los valores de tenacidad y resistencia mecánica cuando el material se expone a temperaturas comprendidas entre 250 y 400ºC, especialmente en ambientes húmedos [27, 36]. Este efecto fue observado por primera vez por Kobayashi [36] y cuyas características principales han sido descritas por Yoshimura y col [37] : • Ocurre más rápidamente entre 200ºC y 300ºC y depende del tiempo de exposición (figura 3). • Es causada por la transformación t m que causa microfracturas. • Comienza en la superficie y progresa hacia el interior del material. • El agua o el vapor de agua aumenta su ocurrencia. • La disminución del tamaño de grano o el aumento de cantidad de estabilizador (Y2O3), retarda su aparición y progreso. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 12 de 48 14.07.2014 Figura 3. Envejecimiento de 3Y-TZP por degradación LTD [36]. La cantidad de artículos y reviews concernientes a la LTD son incontables. Si bien el mecanismo atómico se encuentra en investigación y su ocurrencia no es del todo clara [37-39], los cambios microestructurales sí han sido bien identificados. Como se representa en la figura 4, primeramente tiene lugar la transformación de los granos con el respectivo aumento de volumen. En los granos o partículas vecinas aumenta la tensión y, con ello, la transformación y aparición de microfracturas, permitiendo al agua penetrar e inducir la transformación de los granos internos. Sucesivas LTD produce rugosidades en la superficie, siendo crítico este efecto para aplicaciones donde tienen lugar contacto por deslizamiento entre piezas, como en las prótesis de caderas [40]. Figura 4. Mecanismos de LTD en biocerámicas Y-TZP [41]. 2.5.1.1. Influencia de factores microestructurales. Existen varias variables que influyen en la existencia e intensidad de la LTD: • Tamaño de grano. Este es el más importe de entre todos ellos. Se ha encontrado un tamaño crítico, que depende del contenido de fase estabilizadora, bajo el cual no ocurre la LTD. Watanabe [42] encontró un rango entre 0.2µm y 0.6µm de tamaño crítico para composiciones de 2% a 5% molas de Yttria añadida (2Y-TZP a 5Y-TZP). Sin embargo, Tsubakino [43] observó degradación LTD a menores tamaños de granos. Por otra parte, Winnbubst y Burggraaf [44] demostraron que para tamaños menores de 0.1µm. había degradación para 2% molas de Yttria (2Y-TZP) pero no para 3.5% molar (3.5Y-TZP). Finalmente, Lu y Chen [45] encontraron un valor crítico de 0.52 para 3% molas de Yttria (3Y-TZP). Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 13 de 48 14.07.2014 Hoy en día, el estándar de fabricación de biocerámica basada en Circona dopada con Yttria es 3Y-TZP. La norma ISO 13356 a la que antes se hizo referencia específica un valor máximo de 0.6µm. Sin embargo, ha sido recomendado disminuir este límite debido a la potencial sensibilidad al envejecimiento con este tamaño [40]. Una de las explicaciones propuestas para la influencia del tamaño de grano en la LTD es que la tensión promedio generado debido a la expansión térmica anisotrópica es mayor para tamaños de Circona mayores, desestabilizando la estructura [46]. • Contenido de fase estabilizante. El aumento en sí mismo del tamaño crítico con el contenido de fase estabilizadora es ya una evidencia de una mayor estabilidad. El aumento en contenido de óxido de Ytrio (Y2O3) aumenta la resistencia a la degradación [47, 48]. Los primeros exámenes microestructurales del fenómeno LTD llegaron a la conclusión de que el aumento de Yttria conlleva un aumento de Circona fase cúbica y que la fase monoclínica provenía de la transformación de la fas tetragonal Por tanto, la degradación LTD disminuye cuando la cantidad de Circona tetragonal es menor [48]. En sí, la Yttria como óxido dopante, disminuye el subenfriamiento y las tensiones debido a la anisotropía de la expansión térmica [49]. La homogeneización de la fase dopante es crucial, ya que las inhomogeneidades, que dan lugar a zonas con menor contenido, pueden facilitar la nucleación de la fase monoclínica [50]. Además, es importante destacar que la Circona dopada con otros óxidos también sufren la degradación LTD. Por ejemplo, la aleación con CeO2 por debajo de un 10% en peso, también se degrada, aunque más lentamente que 3Y-TZP [48]. Si la cantidad de este dopante alcanza un 12% en peso, el material es altamente resistente a la LTD [51]. Mg-PSZ y Ca-TZP también son susceptibles a la degradación LTD [49]. • Acabado de la superficie y densidad. Como la degradación LTD comienza desde la superficie, El estado de esta última es determinante para su iniciación. Moliendas que produzcan tensiones compresivas en la superficie pueden impedir la LTD y, por tanto, la transformación de fases [52, 53]. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 14 de 48 14.07.2014 Un adecuado pulido de la superficie rugosa tras la molienda, puede reducir la LTD, pero si este no está realizado de manera correcta, puede dejar defectos que pueden servir como núcleos de formación de la fase monoclínica [53]. La porosidad asociada con la baja densidad ofrece caminos al agua para penetrar y causar la transformación de fases y, con ello, la descohesión de los granos [41]. 2.5.1.2. Influencia en las propiedades mecánicas. Aunque el efecto de la degradación de la resistencia mecánica adquiere importancia tras el fallo masivo de prótesis de caderas en 2001, los cambios en las propiedades mecánicas han sido observados desde los primeros estadios de investigación de la LTD. En 1984, Tsukuma [27] observó que el incremento de transformación de fase estaba acompañado de una disminución en la resistencia a fractura. Además, cuando no existía transformación de fase, la resistencia mecánica no se veía afectada. Estas mismas observaciones fueron encontradas por Sato [54]. Distintos autores han encontrado un deterioro en la resistencia a flexión a través de una disminución en el módulo de ruptura (MOR) [55, 56]. En este caso reportaron pequeñas disminuciones de resistencia con la degradación. Para cuantificar este hecho, Ban envejeció 3Y-TZP durante 10 días a 210ºC [57]. Encontró que con un 50% de transformación tm, sólo tuvo lugar un 15% de reducción de la resistencia a flexión biaxial. Sin embargo, el efecto de la temperatura y tiempo de envejecimiento sobre la resistencia no es sencillo y requiere de una mayor investigación. Sato reportó que la resistencia a fractura es afectada significativamente sólo cuando la capa degradada o transformada de 3Y-TZP es superior a 50 µm. Aunque el deterioro en la resistencia está siempre implícito cuando existe LTD, existen pocos estudios en Y-TZP apoyados por análisis estadísticos, casi todos relacionados con implantes dentales. Kim y col. [58] observaron un aumento de la resistencia con envejecimiento a temperaturas de hasta 125ºC. Esto sugiere que cuando la proporción de fase monoclínica es pequeña, las tensiones residuales decrecen y el aumento de volumen producido da lugar a una inhibición de la propagación de grietas, aumentando así la resistencia. A temperaturas superiores, la resistencia empieza a decrecer cuando se incrementa el módulo de Weibull. Ban y col. [57] degradaron Y-ZTP a 210ºC y observaron una menor resistencia a fractura y una Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 15 de 48 14.07.2014 ligera disminución del módulo de Weibull. Similar resultado fue obtenido por Piconi y col, que envejecieron Y-TZP a 140ºC durante 12h obteniendo una reducción de la resistencia en torno al 12%, pero con un aumento del módulo de Weibull [59]. Papanagiotou y col. [60] envejecieron Y-TZP en agua hirviendo a 250ºC y no observaron cambios significativos en la resistencia. Dittmann [61] observó una pequeña reducción de la resistencia de un 4%, pero con un aumento del módulo de Young casi al doble. García y col. [62] observaron un 10% de disminución de la resistencia mecánica y un aumento significativo del módulo de Weibull que fue explicado por el cambio del origen de los defectos, desde defectos o imperfecciones naturales en el material original a huecos o defectos más profundos existentes entre las zona degradada superficial y el material no degradado. La observación global es que la LTD tiene un efecto menor en la resistencia mecánica de la Y-ZTP, tendiendo a incrementar el módulo de Weibull. Si este aumenta, la distribución de tamaños críticos de defectos es más homogénea, por lo que el material es estructuralmente más fiable [58], a pesar de una resistencia algo menor. Sin embargo, es importante destacar que todos los estudios estadísticos de la influencia de la LTD en la resistencia mecánica se han realizado en ensayos de flexión. En esta configuración, la tensión es paralela a la superficie, a la capa degradada y a la mayoría de microgrietas que tienden a ser paralelas a dicha superficie. Esto explica la baja influencia de la LTD en la resistencia, ya que las microgrietas son poco sensibles a las tensiones paralelas a la superficie externa. Es de esperar que, si las medidas se hubiesen realizado con esfuerzos de tracción perpendiculares, la caída de resistencia hubiese sido algo mayor. Existen otros estudios que están focalizados en las propiedades mecánicas de la propia capa degradada superficial. Castkovà y col [63]midieron la dureza Vickers mediante ensayos de nanoindentación, obteniendo una dureza de 8GPa en el comienzo de la capa degradada, que incrementó linealmente hasta el centro de dicha capa, con una dureza bastante mayor, en torno a 15 GPa. Por tanto, la nanoindentación ha servido también para estudiar las variaciones en la nanodureza y en el módulo de Young. La transformación de fase y el desarrollo de microfisuras son las principales causas del decaimiento de esas propiedades. Guicciardi y col. [64] observaron en Y-TZP, tras un envejecimiento a 131ºC y 60h, una reducción de dureza de 15GPa a 10GPa y de módulo de elasticidad de 250GPa a 150Gpa Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 16 de 48 14.07.2014 mediante ensayos de nanoindentación de la superficie degradada. Estos cambios permitieron a Gaillard [65] estimar el espesor de la capa degradada a través de un modelo de película delgada. 2.4.2. Solución a la LTD. Tan pronto como la LTD fue descubierta, empezaron a llevarse a cabo muchos estudios para impedir su ocurrencia. Existen muchos procedimientos para ello, pudiéndose clasificar en tres grupos principalmente: a) Control microestructural. Engloba un diseño óptimo de fases, incluyendo como factores el tamaño de grano, cantidad de fase estabilizadora y existencia de otras fases secundarias. La manera más directa de reducir la LTD es mediante el aumento de la energía libre superficial a través de la reducción del tamaño de grano. Las partículas pequeñas son menos sensibles a la degradación. Esto puede ser logrado disminuyendo la temperatura de sinterización, utilizando polvos de partida de estructura fina y altamente reactivos, así como mediante la utilización de coadyuvantes de sinterización [49]. Sin embargo, reducir de manera excesiva el tamaño de grano provoca un riesgo de deteriorar la tenacidad como consecuencia de que el material pierde transformabilidad de fase. Otro posible método de aumentar la energía libre y estabilizar la cerámica es mediante la modificación de la aleación. En concreto, el incremento de Yttria como estabilizador aporta mayor estabilidad a la fase tetragonal. Sin embargo, las propiedades mecánicas son empeoradas [49]. La mezcla dopante que más éxito ha tenido es la aleación de Ceria (CeO2) con Yttria (Y2O3). Sato [66] concluyo que la adición de CeO2 inhibió la degradación sin afectar al tamaño de grano y a las propiedades mecánicas. De manera similar a la Yttria, CaO y MgO también incrementan la resistencia, pero el incremento de la fase cúbica afecta negativamente a las propiedades mecánicas. Otros muchos trabajos han llegado a la misma conclusión [67, 68]. Además, posteriormente se ha demostrado que composiciones de 5.5Ce-4YTZP y 8Ce-2Y-TZP no se degrada tras 1000h en agua a 200ºC. Otra forma de diseñar la estructura de la Circona es a través del mezclado con fases secundarias, mejorando la energía libre de esfuerzo. El primer aditivo usado fue alúmina (Al2O3) [66]. Tuvo lugar un retardo de la degradación por LTD y un incremento de módulo de Young. Además, la adición de Al2O3 está estudiada como indicada para resistir la expansión causada por la transformación desde Circona Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 17 de 48 14.07.2014 tetragonal hasta monoclínica [69, 70]. Sin lugar a dudas, este uso de aditivos es, hasta la fecha, el método más extendido para eliminar o disminuir la ocurrencia de la LTD. b) Revestimiento. Mediante el recubrimiento de la superficie de Circona puede ser aislada ésta del ataque del agua que da lugar a la LTD. Iio et al. recubrieron Y-TZP con alúmina mediante CVD (Chemical Vapor Deposition), logrando su estabilidad completa. La desventaja de este método de recubrimiento es la introducción de un nuevo material, con una naturaleza distinta que el material base, y que tendrá que responder a los requerimientos de la aplicación específica, en concreto, a los requerimientos de densidad completa, estabilidad química, excelente adhesión y propiedades de desgaste. c) Nitruración. Este método de disminución de la LTD, puede definirse como la sinterización o tratamiento térmico de Circona pura o Circona dopada en presencia habitualmente de una fuente gaseosa de N2. Junto a otros como recristalización superficial, aplicación de óxidos estabilizados, etc., son de los menos extendidos, aunque con un gran potencial. El propósito, por tanto, de este método es incorporar iones de nitrógeno dentro de la red atómica de la Circona, generando vacantes en la superficie que hacen a la fase tetragonal más estable en contra de los fenómenos LTD. Los cambios producidos mediante la nitruración pueden variar significativamente dependiendo de las variables del proceso. Esta puede realizarse sobre Circona pura, dopada, en polvo o ya sinterizada, esto último conlleva la nitruración de la superficie de la Circona. La nitruración de la Circona ha sido estudiada desde los años 60, enfocado principalmente en aplicaciones de conducción iónica [71]. En la actualidad, ya numerosos trabajo han sido desarrollados aplicando este método de eliminación o reducción de la LTD [72-75]. 2.5.3. Radioactividad. Las impurezas radiactivas en la Circona están ligadas directamente a la procedencia del mineral, como el Circón o ZrSiO4 y la baddeleyita, constituida esta última por un 80%-90% de Circona monoclínica asociado a un 1-1,5% de Sílice (SiO2) con óxido ferroso (FeO) y otros óxidos como impurezas menores. Es sabido que los minerales empleados como precursores de los compuestos de Circona son Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 18 de 48 14.07.2014 naturalmente radiactivos por la presencia de concentraciones variables de los isótopos 238U del Uranio y 232Th del Torio, además de sus productos de decadencia en equilibrio [76]. En particular, el bióxido de Uranio y la Circona presentan una miscibilidad de hasta un 3%, encontrada en las badeleyitas provenientes de Brasil [77]. Incluso, para rocas de granito de baja pureza, la radiactividad en U y Th suele ser un problema para su manipulación [78] y son objeto de atención por los órganos de seguridad nuclear [79-81]. Sin embargo, para la obtención de cerámicas basadas en Circona de alta tecnología empleadas como biomateriales, los isótopos radiactivos anteriormente expuestos se encuentran sólo en niveles traza. De hecho, los procesos de producción de los reactivos químicos a partir de los cuales se obtienen los polvos empleados para obtener las cerámicas realizan una separación eficaz de los contaminantes radiactivos. La presencia de contaminantes radiactivos, en concreto radionúclidos emisores alfa, beta y gamma en las cerámicas utilizadas como biomateriales ha sido objeto de numerosos estudios entre 1990 y 1996. En la norma técnica EN-ISO 13356 “Implants for surgery — Ceramic materials based on yttriastabilized tetragonal zirconia (Y-TZP)”[22] , se expone la radiactividad máxima que debe poseer la cerámica Y-TZP utilizada, medida ésta la suma de la actividad másica de 238U, 226Ra y 232Th, para ser utilizada como biomaterial, siendo el requerimiento de radiactividad ≤ 200 Bequerelios/kilogramos (Bq/kg). En este sentido, numerosos estudios llevados a cabo confirman la baja cantidad de radiactividad de la Circona basada en Y-TZP usada como implante o prótesis en aplicaciones biomédicas: • Sherer y col. [82] evidenciaron radionúclidos en concentraciones inferiores a 100 Bq/kg, sobre 5 muestras de cemento para hueso provenientes de productores diferentes. Radiactividad incluso inferior al umbral de sensibilidad de la instrumentación empleada en la medida. • Calés y Peille [83] midieron en las cabezas de Circona para caderas un contenido en radionúclidos 226Ra y 40K inferiores a 10 Bq/kg, análogo a aquél medido en cabezas de implantes de cadera de alúmina. También Obtuvieron una clara relación entre los diversos procesos de síntesis usados para la obtención del polvo presinterizado de la cerámica y su actividad específica [84]. • Capannesi y col. [85] demostraron que en materiales no purificados el nivel de radionúclidos puede lograr valores elevados pero que, partiendo de polvos de elevada pureza, la actividad específica es del orden de la existente o inferior a la del cuerpo humano (50 Bq/kg) [85-87]. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 19 de 48 14.07.2014 Además, otros estudios mostraron como, a pesar de que los componentes de Circona Y-TZP para • uso médico poseían valores de actividad específica superior a la alúmina (5-16 Bq/kg, siempre inferior que la actividad específica humana), la interacción de la Al2O3 con Ti y uniones Cr-Co, implicada su uso prolongado para el paciente que están en el límite normal de exposición, según la Comisión Internacional para la Protección Radiológica (IRCP) [88-90]. 2.6. Biocompatibilidad de Circonas. Citotoxicidad, oseointegración, hemocompatibilidad, mutagenicidad y carcinogenicidad. 2.6.1. Generalidades. Los materiales cerámicos avanzados utilizados como biomateriales presentan comportamientos dispares en el medio vivo donde son implantados. Esto es lo que se conoce como biocompatibilidad y puede definirse como la capacidad de un material de producir una respuesta biológica en el huésped o tejido vivo donde han sido implantados en una aplicación específica [14, 91, 92]. La diferente respuesta del huésped ante un biomaterial ha dado lugar a la necesidad de clasificarlos en función de su biocompatibilidad [93, 94]: Existen materiales bioactivos, que reaccionan químicamente con los fluidos corporales dando lugar a una fuerte interacción implante-tejido huésped (Ej. hidroxiapatita), materiales bioreabsorbibles que se degradan gradualmente y son reemplazados por tejido huésped generado (Ej. hidroxiapatita porosa, el fosfato tricálcico y, finalmente, bioinertes, o dispositivos implantados biocompatibles a largo plazo, que son aceptados por el cuerpo y pueden resistir largos periodos de tiempo en un entorno altamente corrosivo de fluidos corporales. A este último grupo pertenecen las biocerámicas basadas en Circona (ZrO2), material base del compuesto Y-TZP o Circona Tetragonal Policristalina estabilizada con Yttria, que nos ocupa. La biocompatibilidad de las biocerámicas bioinertes debe contemplar todos los aspectos de las reacciones interfaciales entre estos materiales y los tejidos corporales, tanto in vitro como in vivo. La respuesta del huésped a la biocerámica implantada contempla las reacciones del hueso, de los tejidos Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 20 de 48 14.07.2014 cartilaginosos, de la sangre, de los fibroblastos gingivales (ya que Y-TZP es usado como implantes dentales), de los macrófagos, etc. La extensa osteólisis (destrucción molecular parcial o total de un hueso, de origen inflamatorio, distrófico o tumoral) alrededor de los implantes cerámicos, observada en algunos pacientes, ha sugerido que estos materiales pudieran no ser biológicamente inertes tal que se teorizó inicialmente. Para estudiar este aspecto así como evaluar la citotoxicidad (definida esta como la capacidad de un material a ser tóxico o nocivo para las células) de las biocerámicas basadas en Y-TZP, se llevan a cabo estudios tanto in vitro como in vivo, tal como se ha expuesto. 2.6.2. Pruebas in vitro. El estudio in vitro representa la forma ideal de estudio del comportamiento celular con los materiales, ya que elimina las interferencias que pueden encontrarse en sistemas in vivo. Sin embargo, los resultados de estas pruebas in vitro pueden verse influenciadas por las características del material, como puede ser su forma física, la reactividad superficial, la composición química, el contenido de impurezas y las condiciones celulares durante la prueba [9]. Para ello, existe una regulación normativa que especifica aquéllos ensayos, así como sus especificaciones y los resultados requeridos de evaluación biológica de materiales diseñados para estar en contacto con sistemas vivos: Norma UNE-EN ISO 10933 “Evaluación biológica de productos sanitarios”. En concreto, en su parte 5 (UNE-EN ISO 10933-5), se hace referencia a los ensayos de citotoxicidad in vitro. En este aspecto, muchos estudios llevados a cabo para examinar las respuestas tisulares a los materiales de implante para ortopedia y odontología han usado diversos tipos de cultivos celulares, como fibroblastos, condrocitos y células epiteliales [95]: • Los primeros datos en linfocitos humanos cultivados en presencia de Circona pusieron de manifiesto que el efecto inhibitorio dependía de la dosis y en todos los casos era inferior a la de TiO2 Rutilo. Aún a altas concentraciones, el efecto citotóxico no superaba el 50% [96]. Piantelli y col. [97] mostraron un comportamiento similar entre Alúmina y Circona en polvo sobre la mitogénesis de linfocitos. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 21 de 48 14.07.2014 • Li y col. [98] demostraron que, en contacto directo, los polvos de Circona son mucho más tóxicos que la forma densa sobre los fibroblastos gingivales humanos. En particular, la citotoxicidad de los polvos de Circona precursores es mucho mayor que los obtenidos del fresado de la cerámica sinterizada, efecto correlacionado con la reactividad superficial y con la liberación de iones de itrio [9]. • Dion y col. mantuvieron cultivos celulares 3T3 y Huvec con cultivo incubado anteriormente con YTZP [99]. Los resultados obtenidos mostraron la ausencia de efectos citotóxicos sobre fibroblastos y células endoteliales. • Hambleton y col. [100] encontraron en experimentos efectuados sobre condrocitos, en contacto directo con Y-TZP, una producción de colágeno y proteínas no colágenas, una incorporación de (3H) uridina y un índice de síntesis de RNA comparables con aquéllas observadas en presencia de Al2O3 y Ti. Sin embargo, las células crecidas sobre Ti sí mostraban una actividad de la fosfatasa alcalina superior respecto a aquéllas crecidas sobre Y-TZP o Alúmina. • Uo y Sjögren [101, 102] valoraron independientemente la citotoxicidad sobre fibroblastos gingivales de diversas cerámicas dentales usadas para la rehabilitación protésica y las compararon con la cerámica Denzir (Y-PSZ) y Empress, mediante prueba con colorante Adamar Blue y la cuantificación de ADN. En ambos casos, la citotoxicidad mostró valores similares respecto al resto de cerámicas. Es importante destacar que ni siquiera para la cerámica Denzir con adición de colorante a base de óxido de Erbio (Er2O3), se observó citotoxicidad significativa. Por otra parte, la formación de hueso depende principalmente de las actividades metabólicas y secretorias del osteoblasto, que son las células del hueso encargadas de sintetizar la matriz ósea. El uso de osteoblastos humanos diferenciados en estudios de biocompatibilidad es de gran interés puesto que están involucrados en reacciones tisulares en el sitio donde tiene lugar el implante. De acuerdo a dichos estudios de biocompatibilidad, el implante que presenta éxito clínico a largo plazo no debe tener efectos nocivos sobre el fenotipo osteoblástico y la oposición directa e íntima de hueso a la superficie del implante es esencial [103]: • Los primeros estudios sobre el contacto directo entre osteoblastos y Circona mostraron ausencia de citotoxicidad [104]: Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 22 de 48 14.07.2014 • Josset y col. [105] analizaron las reacciones celulares de los osteoblastos humanos en relación con la Alúmina y Circona. El test de funcionalidad Mitocondrial (MTT) mostró que las células se mantienen vitales en un 90% tanto en contacto con Al2O3 como ZrO2. Observaron que los osteoblastos proliferan y forman estratos celulares densos en íntimo contacto con ambas cerámicas. Igualmente, mostraron una buena colonización y adhesión de los osteoblastos cultivados especialmente sobre la Circona. Esta adhesión es fundamental para la proliferación y la diferenciación en células formadoras de hueso. Pudo demostrarse que las funciones bioquímicas y biológicas de los osteoblastos se preservaban en presencia de las anteriores biocerámicas y que, además, estas células poseían capacidad de formar matriz extracelular antes de la deposición mineral, lo cual es la secuencia normal de eventos que conduce a la formación de hueso. • Bosetti y col. [106] han valorado in vitro el crecimiento de apatitas, la absorción de proteínas y la biocompatibilidad de Circona revestida de vidrio biactivo después de la inmersión en fluidos que simulan fluidos corporales. Los resultados mostraron que estos revestimientos pueden permitir la combinación de las buenas propiedades mecánicas de la Circona junto con las características químicosuperficiales del revestimiento vítreo bioactivo, que mejoraba sustancialmente la biocompatibilidad y oseointegración. • Una reducción de la proliferación osteoblástica en la Circona también se ha observado, aunque en menor cantidad que la alúmina y que puede estar relacionado con la mayor reactividad superficial de las partículas de Al2O3 de menos tamaño o a una mayor biocompatibilidad de la Circona [107, 108]. • El efecto de la Circona sobre la expresión genética de células MG-63, similares a osteoblastos, encontraron que sólo algunos genes estaban sobreexpresados y otros se expresaban de manera reducida. Esto podría dar lugar a una modificación de la matriz celular y de la proliferación de osteoblastos [109]. • Sin embargo, estudios histológicos [110-112] mostraron que la regulación de la inmunidad convierte a la Circona en reconocible para el huésped. • Al ser la Circona un material químicamente inerte, se ha conseguido aumentar la adhesión celular de la línea osteoblástica humana hFOB desde un 10% hasta un 90% mediante el tratamiento superficial con LASER CO2, en Circona 5Y-TZP [113]. La aplicación de este LASER, permite la formación de una microestructura solidificada de mayor humectación debido a un aumento de componente polar. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 23 de 48 14.07.2014 • Bachle y col. [114] analizaron el comportamiento de células osteoblásticas CAL72 sobre 3 Circonas comerciales (BIO-HIP, Metoxit y Thayngen), tratadas con arenado y teñido ácido para producir superficies con diferente rugosidad y topografía. Los resultados no mostraron diferencias en la proliferación celular y en la colonización de las células en comparación con el Ti arenado y teñido habitualmente utilizado. Además, la Circona no tratada también pareció ser bastantes áspera y permitió a las células fijarse al material. En otro orden, la hemocompatibilidad estudia el comportamiento de un componente o célula sanguínea en la interfase con un material extraño [115, 116]. En concreto, la norma UNE-EN ISO 10993-4 (2009): “Evaluación biológica de productos sanitarios. Selección de los ensayos para las interacciones con la sangre”, regula las pruebas de hemocompatibilidad de un material, investigando su capacidad para producir trombosis, coagulación, activación plaquetaria, activación del sistema del complemento, y alteración hemática (pruebas de hemólisis). Ya han sido llevados a cabo estudios in vitro donde se determina el grado de hemocompatibilidad de la Circona implantada: • Fischer y col. [117] llevaron a cabo un estudio de la hemocompatibilidad de la Circona TZ3YETosoh, comparándola con la del titanio Degussa-Kronos, usando como material de control siliconas y PVC. Los materiales cerámicos determinaron una elevada activación de los sistemas de coagulación en términos de tiempo de tromboplasticidad (PTT) y complejo trombina-antitrombina (TAT). La absorción de proteínas séricas fue muy baja para la Circona si se compara con el Ti o con los materiales de control considerados biocompatibles. • Rosengren y col. evidenciaron [108] resultados similares a los expuestos previamente. Análogamente se hace necesario estudiar la citotoxicidad de las partículas de Circona sobre los macrófagos. Estas células, de vital importancia, forman parte del sistema inmunitario y se localizan en los tejidos. Su principal función es la fagocitosis o eliminación de todos los cuerpos extraños que se encuentren en el organismo vivo, como pueden ser bacterias o sustancia de desechos de los tejidos. Para ello, de nuevo diversos ensayos in vitro se encuentran ya publicados al respecto: • Catelas y col., así como Purchio y col. en dos estudios separados [118, 119], encontraron que tanto la Alúmina como la Circona, estudiando los productos de las mimas sobre macrófagos J774 en Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 24 de 48 14.07.2014 RAW267.5 mediante citometría de flujo, resultaron menos tóxicas que las partículas de polietileno de alta densidad usadas como referencia. • Catelas y col. también observaron cómo los polvos de ambas cerámicas inducían la apoptosis (autodestrucción o muerte de una célula programada por sí misma con objeto de autocontrolar su desarrollo y crecimiento [120]) de los macrófagos en función de la concentración de partículas [121]. • Nkamgueu y col. [122] estudiaron el efecto de las partículas de Alúmina y Circona sobre la concentración iónica intracelular de macrófagos derivados de monocitos humanos en los cambios funcionales de la fagocitosis y sobre el metabolismo oxidativo a través de la citometría de flujo. Ambas cerámicas modificaron la concentración electrolítica intracelular de los macrófagos en cultivo: Aumentaron la concentración de iones Na+, mientras que disminuyeron la concentración de iones K+, disminuyendo, por tanto, la relación K/Na. Esto redujo la viabilidad de macrófagos en un 8% para Circona y un 10% para Alúmina. Esto dio lugar a una reducción de la actividad fagocitaria de los macrófagos en torno a un 27%. Por tanto, a modo de conclusión, todos estos ensayos in vitro llevados a cabo sobre diferentes líneas celulares (macrófagos, linfocitos, fibroblastos, osteoblastos, etc.) reportados sobre la Circona, en particular la mayoría para Circona del sistema Y-TZP, ponen claramente de manifiesto la ausencia de citotoxicidad, toxicidad aguda, una buena biocompatibilidad y oseointegración de este biomaterial cerámico en forma densa. Sin embargo, se debe prestar atención a la posible liberación partículas de los productos hechos a mano, que podrían determinar reacciones inflamatorias e inmunológicas. 2.6.4. Pruebas in vivo. Los resultados de los datos in vivo y datos clínicos sobre las cerámicas de Circona se conocen y fueron publicados incluso antes que los datos de los estudios in vitro. Sin embargo, los resultados obtenidos son a menudo difíciles de interpretar a nivel celular como consecuencia de los numerosos y complejos eventos que surgen en el momento de la inserción o implantación de un material extraño [123]. Estas pruebas in vivo se han efectuado sobre la Circona en diferentes formas físicas e implantadas en distintos sitios, con el fin de analizar la biocompatibilidad, la toxicidad sistemática, la oseointegración y las reacciones adversas en los huesos y en los tejidos blandos: Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 25 de 48 14.07.2014 • Helmer y Driskell [124] implantaron 6Y-TZP en el fémur del mono. Observaron un crecimiento óseo alrededor del material sin reacciones contrarias. Además, pudieron observar que se encontraba presente tejido conectivo en la interfase hueso-cerámica que, gradualmente, se transformaba en hueso directamente en contacto con la Circona. • Piconi [14] expone que han sido reportados por varios autores ausencia de reacciones sistemáticas agudas después de la introducción de Circona en polvo de modo subcutánea, intramuscular, intraperitoneal e intrarticular en ratas y ratones. • Hulbert y col, [125] por su parte, implantaron Circonas dopadas con CaO porosas y no porosas en los músculos paraespinales del conejo. Se observó crecimiento óseo en el interior del material en función del tamaño de poro. • Bortz [126]observó reacciones tisulares adversas con la formación de tejido fibroso y reacciones inflamatorias en Circonas insertadas en las tráqueas y fémur de perros y conejos, respectivamente. Sin embargo, estas reacciones inflamatorias fueron menores que aquéllas observadas en las uniones Cr-Co y de polietileno de alta densidad. • Albrektsson y col. [127] insertaron en la tibia de conejo implantes cilíndricos de policarbonato revestido de Circona. Observaron tras seis meses la presencia de proteoglicanos y glucosaminoglicanos, sin tejido fibroso interconectado pero sí con algunas zonas de vasos sanguíneos asociadas con tejido conectivo y sin fenómenos de inflamación. Además, existen otra serie de estudios previos que corroboraban la buena oseointegración de Circonas como material de implante [128-130]. • Christel y col. [21, 131] implantaron cilindros de Y-PSZ en músculos paraespinales y huesos de ratas y conejos, usando como referencia Alúmina, y no encontrando diferencia entre ambas en el comportamiento. Un aspecto importante a resaltar son los ensayos clínicos relativos al uso de Circona como implantes dentales: • Akanawa y col, en sucesivos ensayos [111, 132], donde insertaron Circona como implantes dentales en monos, observaron aposición directa (entre un 66 y un 81%) de hueso sin tejido fibroso interpuesto en la interfase hueso-Circona, demostrando una estabilidad de los implantes a largo plazo. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 26 de 48 14.07.2014 Junto con estos trabajos, fue Dubruille [110] quien introdujo la posibilidad de usar Circona como implante dental usando el perro como modelo. • A su vez, Schultze-Mosgau y col. [112] mostraron de manera cuantitativa una mayor oseointegración de conos de Circona en comparación de conos de Ti implantados en cerdos. Ésta diferencia puede ser atribuida a un carácter micromorfológico más favorable. • Un estudio liderado por Scarano [133], evidenció la presencia de hueso laminar maduro y compacto y de osteocitos vecinos a la superficie de implantes de Circona, mostrando con ella su buena biocompatibilidad, no alterando el proceso de formación del hueso en la interfase. • Kohal y col. [134] colocaron implantes de Circona post extracción en las mandíbulas de diversos monos que, tras 9 meses, mostraron un contacto implante hueso en torno al 67%, algo inferior respecto al valor reportado para el Ti (73%). • En cuanto a datos clínicos de implantes de Circona, éstos se limitan a estudios en animales y a un reporte [134-137]. Sin embargo, a pesar de la biocompatibilidad fuera de dudas de la Circona, su uso en implantes dentales no tiene una respuesta adecuada, posiblemente debido a su escasa reactividad en superficie [14]. Con este objetivo, están incrementándose de manera notable las investigaciones sobre tratamientos superficiales en la Circona, produciendo superficie porosa [138, 139], tratándola dicha superficie con Al2O3 [136], etc. Pero uno de los métodos más estudiado para aumentar esta unión de la Circona con el hueso circundante es mediante el uso de revestimientos y técnicas para convertir la superficie de la Circona en bioactiva e incrementar así la unión química y biológica del hueso a la misma: • Nicoli y Hulbert [140, 141]en sendos trabajos publicados han sugerido desarrollar materiales de base Circona de alta densidad revestidos de vidrio bioactivo para combinar las propiedades de esta cerámica bioinerte con las óptimas especificaciones osteogénicas del vidrio bioactivo. Estudios in vivo en ratas han confirmado esta mejoría en los procesos de oseointegración de Circona revestida de vidrio bioactivo [140, 142]. • Circona y vidrio biactivo ya han sido probados con células normales y osteopénicas in vitro y en animales con una oseointegración aceptable, mayor en hueso sano [135, 143]. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 27 de 48 14.07.2014 • Además, el revestimiento genera una mejora de oseointegración en huesos osteopénicos, tal como reportó Nicoli y col [144]. Por tanto, en conclusión, todos estos estudios in vivo, al igual que para los ensayos in vitro expuestos previamente, ponen de manifiesto que las cerámicas basadas en Circona poseen una buena biocompatibilidad, oseointegración, así como baja toxicidad en sistemas vivos implantados. 2.6.5. Mutagenicidad-Carcinogenicidad. Otros parámetros importantes que no deben obviarse a la hora de decidir la adecuación de las biocerámicas basadas en Circona como biomateriales para implantes y prótesis es su posible carácter mutagénico o carcinógeno. Estos términos indican la capacidad de un material de producir alteraciones del material genético celular (genes, cromosomas) que da lugar a una modificación permanente de la constitución hereditaria o de producir cáncer o neoplasia, respectivamente. La norma UNE-EN 10993-3:2003 “Evaluación biológica de productos sanitarios. Parte 3: Ensayos de genotoxicidad, carcinogenicidad y toxicidad para la reproducción”, expone los ensayos necesarios para determinar estas características en productos sanitarios y, por ende, debemos hacerlos extensibles a biomateriales. Una importante cantidad de estudios se han llevado ya a cabo para esta finalidad entre los que destacamos: • Hulbert en su experimentación in vivo en conejos no detectó toxicidad sistémica, ni carcinogenicidad o efectos inmunológicos no deseables para tres tipos de cerámicas [125]. • Las primeras pruebas realizadas en presencia de Y-TZP llevadas a cabo por Nicoli [144] han mostrado resultados negativos en carcinogenicidad y teratogenicidad o aberraciones cromosómicas. Además, en estudios a largo plazo en conejos no se encontró formaciones tumorales como reacciones a la cerámica. • La carcinogenicidad de la Circona densa se ha estudiado en células embrionarias de ratón C3H10T1/2, según el sistema de Reznikoff [145, 146]. En las condiciones usadas, la Circona purificada no muestra influencia mutagénica o oncogénica, mientras que aquélla no purificada sí muestra la formación de clones resistentes a la ouabaína similar a aquellos clones que aparecen por el tratamiento Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 28 de 48 14.07.2014 de Rayos-X. Esto parece deberse a la existencia en la Circona no purificada de trazas de radionúclidos [147]. • Josset y col. [105] han demostrado también la ausencia de mutagenicidad y carcinogenicidad tanto de la Alúmina como la Circona sobre células de osteoblastos. Por tanto, queda bien definido la baja o nula carcinogenicidad y mutagenicidad de los biomateriales cerámicos basados en Circona purificadas. Tan sólo para uso de Circonas no purificadas, puede tener lugar la existencia de trazos de elementos radiactivos que podrían inducir, un aumento de la replicación de ADN y de la diplodia, aumentando con ello la posibilidad de mutaciones y de expresiones oncogénicas [148]. Por ello, se pone especial énfasis en hacer ver la necesidad de uso de Circona de alta calidad óptimamente purificada. 3. Aplicaciones Circonas basadas en Y-TZP. 3.1. Uso en ortopedia. La necesidad, en torno a los años 70, de buscar materiales que pudieran recubrir y proteger de la elevada corrosión a los implantes metálicos, dio lugar al estudio y aplicación como recubrimiento de la Circona para tal finalidad mediante técnicas innovadoras de aplicación por llama y atomización por plasma [124, 149]. Posteriormente, el descubrimiento de la transformación polimórfica de la Circona mediante transición entre fases, junto con las características mecánicas del mismo, en particular, la resistencia a tracción, más del doble respecto a la alúmina, y unido también a su mayor biocompatibilidad, abrió nuevas expectativas al uso de este material cerámicos como biomaterial. Ejemplo claro de ello fue la realización de prótesis de cadera en torno a 1985 [9, 21, 150, 151]. El indudable éxito de la Circona como biomaterial para prótesis de cadera, impulsó su utilización en nuevos dispositivos, cómo cóndilos para la prótesis de rodilla o de prótesis de interposición para las articulaciones del metacarpo [152]. Sin embargo, debido a defectos en fabricación surgidos en ciertos lotes [11, 153], dio lugar al cese progresivo de su producción y a su uso hoy en día en ortopedia, principalmente, como segunda fase en materiales compuestos Alúmina-Circona. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 29 de 48 14.07.2014 3.2. Uso en odontología: Implantes dentales. Sistemas Y-ZTP. Los primero estudios relativos al uso de cerámicas para restauración de piezas dentales están disponibles desde los años 60. Se basaban en la aplicación de una cerámica de recubrimiento sobre una subestructura metálica para producir una restauración estéticamente aceptable. Las cerámicas feldespáticas, comúnmente llamadas porcelanas, en base leucita, eran las habitualmente usadas [154]. Sin embargo, las no óptimas propiedades mecánicas que éstas poseía, entre ellas una baja resistencia mecánica y coeficiente de expansión, así como los defectos de fabricación (poros, impurezas, fases vítreas, etc.) provoca una mala adhesión al implante metálico, una generación de grietas y una fractura del material [155-158], por lo que actualmente son poco usadas. Para mejorar este hecho, nuevas cerámicas, como es el caso de la Circona, fueron usadas en forma de recubrimiento cerámico como protección frente a la corrosión de implantes metálicos de Vitallium (aleación Co-Cr-Mo) [129, 159] y, con ello, una mejora de la biocompatibilidad en la cavidad bucal Los ensayos, estudiados en implantes de perros Beagles, pusieron de manifiesto que la fibrointegración de estos implantes de revestidos de Circona era superior que otros revestidos de Alúmina y a aquéllos de Ti sin ningún tipo de revestimiento. El uso de cerámicas basadas en Circona suscitó un mayor interés en odontología cuando fue descubierta la posibilidad de estabilizar la fase tetragonal a temperatura ambiente [8], obteniendo así un material tenaz, capaz de disipar la energía sin fracturarse, propiedad que hasta ahora sólo poseían los metales. Puede corroborarse esta mejora de las propiedades expuestas en la tabla 3 para distintos sistemas biocerámicos comerciales utilizados en implantes dentales basados en Alúmina, Circona y otras cerámicas. Adicionalmente, existen una serie de ventajas del uso de Circonas en lugar de aleaciones metálicas o de Alúmina en el ámbito clínico y estético, que levanta especial interés en el desarrollo de estos implantes en odontología: • Aumento de porcentaje de población que presenta fenómenos de hipersensibilidad a algunos metales que pueden estar presentes en las aleaciones dentales, como Ni o Pd [160-162]. • Conductividad de la Circona muy inferior a la Alúmina (2.5W/mK vs 30W/mK), que reduce la sensibilidad a los cambios térmicos y a los riesgos de irritación pulpar. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 30 de 48 14.07.2014 • Resultado estético superior en la restauración total con Circonas, al eliminar la tonalidad brillante del metal. • Mayor higiene oral ofrecido por los dispositivos de Circona respecto al Ti, como la reducción de bacterias patógenas [163, 164]. • Diopacidad de la Circona, mayor que la Alúmina y similar a las aleaciones metálicas, que mejora su visibilidad en radiografías. • Posibilidad de reducción de las dimensiones de los elementos de conexión respecto a los materiales cerámicos previamente usados en las prótesis, debido a sus mejores propiedades mecánicas [165-168]. Tabla 3. Propiedades de los materiales cerámicos para aplicaciones odontológicas. Sistema Material σ (MPa)* KIC (MPa·m1/2)* Empress II Disilicato Ytrio 300-400 2.8-3.5 In-Ceram Alumina Alúmina + vidrio 235-600 3.1-4.6 420-800 6.8 Alúmina + vidrio In-Ceram Zirconio + Circona Procera All-ceram Bridges Alúmina pura 490-700 4.5-6 Cercon Y-TZP 900-1200 9-10 DCS-Precident Y-TZP 900-1200 9-10 Lava Y-TZP 900-1200 9-10 *σ=Resistencia a flexión; KIC=Tenacidad de fractura. Pues bien, gracias a esta mejora en las propiedades mecánicas de las cerámicas basadas en Circona respecto a las que le precedían, ha permitido en clínicas odontológicas la realización de dispositivos completamente cerámicos [9, 169, 170]. En concreto, el biomaterial cerámico basado en Circona más utilizado es la Y-TZP, basado en una Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 31 de 48 14.07.2014 matriz de Circona Policristalina Tetragonal dopada con Yttria, tal como se expuso en el apartado anterior 2.3.1, con las ventajas de su uso ya expuestas. Hoy en día, ya están disponibles para el uso clínico, al menos cinco sistemas de implantación de Circoncas Y-ZTP: 1. SIGMA (Incermed, Losanna). 2. Z-look3 (Z-systems AG, Konstanz, Alemania). 3. White Sky (Bredent GmbH, Senden, Alemania). 4. Zit-z (Ziterion GmbH, Uffenheim, Alemania). 5. CeraRoot (Oral Iceberg SL, Barcelona). Actualmente, estos implantes se encuentran bastante extendidos. No en vano, a modo de ejemplo, Z-systems ha declarado haber vendido más de 7600 implantes desde 2004 hasta 2007 [171]. Además, un gran número de ensayos odontológicos, adicionales a los estudiados en otras zonas óseas, tanto experimentales (tabla 4) como clínicos (tabla 5), avalan el éxito clínico de estos dispositivos basados en Y-ZTP. En la tabla 4 se resumen los más destacados. Algunos han sido ya expuestos con más detalles en el apartado 2.5 de la presente memoria. Tabla 4. Ensayos experimentales en animales. Dispositivos de implantes odontológicos (Y-ZTP). Estudio (ref.) Miani [172] Akagawa [111] Dubruille [110] Akagawa [132] Galhert Año Muestra Animal Sitio de implante Resultado 1993 Pocillos Perro Maxilar Aposición directa de hueso 1993 Tornillos Perro Maxilar Buena oseointegración 1999 Abutmets Perro Mandíbula 1999 Tornillos Mono Mandíbula 1998 - Cerdo Maxilar Contacto implante-hueso > que en Ti Estabilidad oseointegración >24 meses Mejor oseointegración Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 32 de 48 14.07.2014 [136] Weng [173] Neugebauer [174] superficie arenada 2008 Z-Zit Perro Mandíbula 2007 Conos Perro Mandíbula Reacción contacto huesoimplante similares con Ti Contacto hueso-implante superior para sup. arenada En síntesis, en estos estudios conducidos en varios modelos de animales y en diferentes sitios, los implantes Y-TZP han demostrado resultados mejores a los de los implantes en titanio empleados como controles. Todas las series experimentales consideradas reportan la buena oseointegración de los implantes con diferentes tiempos de observación y su comportamiento mecánico bajo carga. Tabla 5. Ensayos clínicos sobre dispositivos de implantes odontológicos basados en Y-ZTP. Estudio Año Implante Voltz 2003- Zirconio monobloque [175, 176] 2004 + Coronas (ref.) Rieger [177] Blatsche [178] Oliva [179] Mellinghoff [180] 2008 2006 30 Vollkirzon 1, 80 Vollkirzon 2, Z-lock 3 Resultado Restauración completa Ok 66 implantes Vollkirzon 1, 98% oseointegración Vollkirzon 2 y Z-lock 3 estable 2007 100 implantes CeraRoot 2006 189 implantes Z.lock3 Sólo 2 Implantes retirados Índice sobrevivencia 93% Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 33 de 48 14.07.2014 Puede apreciarse como el éxito de los implantes basados en Y-TZP es muy elevado, poniendo a las claras, el buen hacer de estos materiales como implantes dentales. Escuela Técnica Superior de Ingeniería - Camino de los Descubrimientos, s/n - 41092 SEVILLA Teléf: 95 448 61 24 - Fax: 95 446 31 53 1230F-1/08/2014 página 34 de 48 14.07.2014 4. Referencias. [1] Williams D. Definitions in Biomaterials. Proceeding of a Consensus Conference of the European Society for Biomaterials. 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