Investigadores del IPN desarrollan recubrimiento nanoestructurado para reducir fricción y aflojamiento de prótesis

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  • Luis Héctor Hernández Gómez, Carlos Torres Torres, Dayvis Fernández Valdés científicos de la#ESIME, Unidad Zacatenco del #IPN desarrollaron un recubrimiento nanoestructurado para alargar el ciclo de vida de las prótesis de uso biomédico. Está elaborado con óxido de titanio y nanopartículas de oro y platino que reduce la fricción y aflojamiento del aparato.

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Con la finalidad de reducir la fricción, el aflojamiento y alargar el ciclo de vida de las prótesis de uso biomédico, investigadores del Instituto Politécnico Nacional (IPN) desarrollaron un recubrimiento nanoestructurado para este tipo de aparatos biocompatibles.

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El doctor Luis Héctor Hernández Gómez de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), Unidad Zacatenco, señaló que el objetivo de esta aportación es mejorar la prótesis de cadera personalizada que se creó hace dos años con el empleo de un nanorrecubrimiento de óxido de titanio (TiO2) con nanopartículas de oro y platino.

La finalidad es reducir el desgaste en puntos donde hay movimiento relativo entre las estructuras óseas, esto es entre prótesis y hueso, “se desea estimular el desarrollo de osteoblastos en dichos recubrimientos para mejorar la integridad estructural del sistema hueso-prótesis”, puntualizó el especialista. El aplicar recubrimiento nanoestructurado plantea dos soluciones: reducir el desgaste de las partes que están en fricción y permitir que el recubrimiento evite el aflojamiento prematuro de la prótesis. “El impacto de este desarrollo tecnológico es generar una prótesis más económica y que al reducir las posibilidades de aflojamiento, prácticamente, el paciente no tenga que regresar al quirófano después de haberle implantado el aparato”, explicó. Agregó que para mejorar la biocompatibilidad se debe incrementar el recubrimiento de óxido de titanio sobre la superficie metálica en donde actúan el hueso y la prótesis. “Los resultados indican que es viable obtener recubrimientos con nanopartículas de oro y platino para prótesis con buena biocompatibilidad”, aseguró. Este recubrimiento presenta una resistencia a la corrosión 10 veces mayor que una superficie de titanio simple. Además, se sintetizó hidroxiapatita por el método hidrotermal y se electrodepositó de forma directa sobre una superficie transparente de vidrio conductor. Es importante resaltar que para este desarrollo también se diseñó una técnica de instrumentación de señales ópticas no lineales en muestras reflectoras para aplicarse en muestras nanoestructuradas y en películas delgadas de óxido de titanio donde se encontraron efectos ópticos no lineales de tercer orden de gran intensidad en nanopartículas de oro y platino, por lo que se recomendó el uso de señales optoelectrónicas en materiales biocompatibles mediante fenómenos no lineales. Hernández Gómez confirmó que este grupo de trabajo de la ESIME considera que estos resultados son la base para el desarrollo de un sistema más complejo que permitirá efectuar ablasión láser fina de materiales.

Las aleaciones metálicas a base de titanio tienen una amplia aplicación en prótesis ortopédicas y dentales debido a su estabilidad mecánica, a su buena compatibilidad con los tejidos duros y a la alta resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Este equipo de especialistas cuenta con una metodología para el diseño y fabricación de prótesis personalizadas y con aspectos clínicos y antropométricos del paciente. Su finalidad es obtener productos con mejoras en sus propiedades mecánicas para su aplicación en el sector salud. En este nanorrecubrimiento colaboraron el doctor Carlos Torres Torres y la alumna de maestría Dayvis Fernández Valdés de la ESIME Zacatenco, así como Martín Daniel Trejo Valdez de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE).

Aflojamiento de prótesis.

Tecnopia-caderaimagen117Es importante evitar el aflojamiento de las prótesis porque pueden ocasionar infecciones. Además de que hay que tomar en cuenta de que la mayoría de las personas que usan éstas tienen más de 50 años de edad. “Lo que se busca con este recubrimiento es ponerlo en una prótesis a la medida para que el paciente se sienta más cómodo mejorando su calidad de vida. Proporcionándole un aparato que quede fijo y sin movimiento, que esté en el cuerpo por el resto de su vida, además dejar de importar este tipo de prótesis”, señaló. Los primeros resultados de la síntesis de películas de óxido de titanio sobre probetas de titanio grado quirúrgico se obtuvieron a través de un estudio de resistencia a la corrosión a través del uso de técnicas de espectroscopia de impedancia y polarización lineal. Los recubrimientos de óxido de titanio se sintetizaron por el método Sol-Gel y se estabilizaron mediante un tratamiento térmico a 240 grados centígrados. Los parámetros de velocidad de corrosión medidos en probetas cubiertas con óxido de titanio y Sol-Gel fueron comparados contra velocidades de corrosión medidas en probetas de titanio sin recubrir. Asimismo, se hicieron pruebas de microdureza y se evaluó el campo de esfuerzos en recubrimientos basados en óxido de titanio y nanopartículas de oro y platino. A través del estudio de la relación entre las propiedades ópticas y mecánicas de diferentes nanomateriales se propusieron las bases para el desarrollo de un sistema de instrumentación que permite diseñar materiales biocompatibles con propiedades ópticas y mecánicas controlables. El científico politécnico informó que recientemente este grupo de trabajo reportó la síntesis Sol-Gel de películas de óxido de titanio dopadas con nanopartículas de oro y platino y sus propiedades ópticas. “Este proyecto muestra que es posible diseñar sensores ópticos para acoplar recubrimientos de óxido de titanio sobre vidrio a un sistema interferómetro simple”, añadió.

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Caracterización de las nanopartículas de oro y platino mediante Microscopia Electrónica de Transmisión
Caracterización topográfica del recubrimiento de óxido de titanio con nanopartículas de oro y platino mediante Microscopia de Fuerza Atómica
Caracterización topográfica del recubrimiento
de óxido de titanio con nanopartículas de oro y
platino mediante Microscopia de Fuerza Atómica
El recubrimiento de óxido de titanio con nanopartículas de oro y platino presenta mejores propiedades para su aplicación en prótesis
El recubrimiento de óxido de titanio con nanopartículas
de oro y platino presenta mejores
propiedades para su aplicación en prótesis

Ampliar el recubrimiento.

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Prótesis diseñada en la ESIME Zacatenco. Fuente: Gaceta Politécnica.

Además, este desarrollo tecnológico mexicano propone que la síntesis de películas de óxido de titanio con nanopartículas de oro y platino sobre una aleación de titanio sea analizada y caractericen sus propiedades superficiales por voltametría cíclica o espectroscopia de impedancia. También se trabaja en los cambios relacionados con la absorción óptica de un medio nanoestructurado. Los resultados derivados del estudio electroquímico y óptico servirán de base para el diseño y proponer un biosensor que permita medir efectos mecánicos y de biocompatibilidad en prótesis recubiertas con óxido de titanio. Una de las técnicas electroquímicas que se empleó es el barrido de curvas de polarización, una práctica de alto campo que permite calcular la velocidad de corrosión mediante la extrapolación de las rectas Tafel, y otra no destructiva como espectroscopia de impedancia electroquímica. El electrolito o sustancia que se descompone en la electrolisis que se utilizó es Kokubo, una solución acelular con concentraciones de iones inorgánicos similares a aquellas encontradas en los líquidos o fluidos extracelulares humanos, también llamados líquidos intersticiales. Su empleo es amplio no sólo en experimentos in vitro sino en etapas anteriores y posteriores a la formación de hueso en varios materiales bajo condiciones biomiméticas. Por otra parte, este grupo de investigadores ha presentado resultados que indican la posibilidad de modificar las propiedades mecánicas de las nanopartículas mediante efecto láser. “A través de los materiales que hemos investigado recientemente, estimamos que es posible proponer las bases para el desarrollo de un sistema de instrumentación que permita diseñar materiales biocompatibles con propiedades ópticas y mecánicas controlables”, añadió. Para completar la evaluación del desempeño de este tipo de recubrimientos es necesario hacer una caracterización mecánica mediante pruebas de microdureza. El doctor Luis Héctor dijo que es posible evaluar los principales parámetros mecánicos del recubrimiento, el módulo de elasticidad y la relación de Poisson (constante elástica) y a partir de esto se puede saber la integridad estructural numéricamente con el método del elemento finito. También, se puede establecer las deformaciones elásticas y plásticas que se desarrollan en el recubrimiento, así como la curva esfuerzo-deformación unitaria del material y por ello se determinó las relaciones constitutivas del material. Esa información es relevante para establecer las condiciones de falla del recubrimiento bajo cargas de compresión y de fatiga. El método de síntesis de hidroxiapatita que se usó en esta investigación fue por vía hidrotermal a partir de sales de fosfato de sodio y nitrato de calcio. En este proyecto se estudiaron diferentes enfoques alternativos que permitieron la modulación de señales ópticas sintonizadas por efectos mecánicos, mecano-ópticos, fotoconductivos, fotoluminiscentes y propiedades eléctricas. Se presentaron esquemas asociados a ablación de materiales; efectos de biocompatibilidad; ordenamiento de estructuras; efectos fototérmicos; interferométricos; termo-ópticos; caóticos y de dopaje. Se propuso un sistema puramente óptico con capacidad de identificar señales ópticas vectoriales y aplicaciones para la instrumentación de señales biomédicas, fluidos, movimiento de mecanismos y fueron contemplados compuestos orgánicos.

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Prótesis diseñada en la ESIME Zacatenco. Fuente: Gaceta Politécnica.

Esto revela que las fracturas de cadera en todo el mundo aumenten de 1.2 millones, generadas en 1990, a 2.6 millones para el 2025 y a 4.5 millones para el 2050. La mayor parte de las fracturas en el siglo XXI ocurrirán en países en desarrollo. Se estima que Asia y América Latina serán las dos regiones que tendrán los mayores aumentos. Casi todos los implantes para sustituir hueso requieren ser de metal porque tienen propiedades mecánicas más adecuadas. Los que poseen una respuesta de biocompatibilidad y de uso médico sólo son tres: de titanio, cobalto-cromo y de acero inoxidable calidad clínica. A escala mundial el titanio ha ganado terreno, la desventaja es que nuestro país no es productor del metal y ni siquiera de manufactura de prótesis, por lo que son extremadamente caros. Uno de los resultados de esta investigación ha mostrado que el óxido de titanio es el más atractivo y el que tiene una mejor respuesta, por lo que científicos se esfuerzan en mejorarlo hasta lograr que una pieza de acero inoxidable recubierta sea igual que una de titanio, pero más económica. Las personas que padecen enfermedades del sistema esquelético va en aumento, esto incrementa el número de individuos que requieren implantes. Se espera que en los próximos años crezca la demanda de sustitutos de articulaciones entre 5 y 10 por ciento, debido al progresivo envejecimiento de la población y a un nú- mero creciente de pacientes más jóvenes que sufren traumatismos debido a accidentes. Los metales han sido utilizados en las cirugías ortopédicas debido a su elevada resistencia mecánica. Sin embargo, fenómenos de desgaste y corrosión alteran su superficie, se liberan partículas o iones al medio con la posibilidad de generar infección o necrosis de los tejidos.

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Fuente: Comunicación Social del IPN

 


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