Design and fabrication of new ceramic-metal composites (biocermets) for hard tissue replacement applications

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Aplicada. Fecha de lectura: 17 de marzo de 2016

Detalles Bibliográficos
Autor: Smirnov, Anton
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2016
País:España
Institución:Universidad Autónoma de Madrid
Repositorio:Biblos-e Archivo. Repositorio Institucional de la UAM
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:repositorio.uam.es:10486/672512
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10486/672512
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Material biomédico - Tesis doctorales
Prótesis internas -Tesis doctorales
Biología y Biomedicina / Biología
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spelling Design and fabrication of new ceramic-metal composites (biocermets) for hard tissue replacement applicationsDiseño y procesamiento de nuevos materiales compuestos Cerámica-metal (biocermets) para su uso en implantes médicosSmirnov, AntonMaterial biomédico - Tesis doctoralesPrótesis internas -Tesis doctoralesBiología y Biomedicina / BiologíaTesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Aplicada. Fecha de lectura: 17 de marzo de 2016Hasta la fecha los biomateriales utilizados en implantes estructurales han sido seleccionados por sus propiedades mecánicas y por tener una influencia nula o muy pequeña en los tejidos vivos que los rodean. Estos materiales satisfacen exclusivamente las condiciones de carga impuestas en entornos fisiológicos pero no reproducen fielmente las propiedades mecánicas, químicas y la compleja arquitectura del hueso. La diferencia entre las propiedades elásticas correspondientes al implante y el hueso adyacente genera una desigual aplicación de carga que provoca la pérdida de fijación del implante y su posible rotura. La naturaleza magnética de los implantes de acero y los formados por aleaciones de Co-Cr provoca una interacción con los campos magnéticos durante las pruebas de diagnósticos realizadas por resonancia magnética nuclear (RMN), lo que da lugar a calentamiento y/o movimiento del implante o artefactos en las imágenes producidas. Las sensibilidad y/o alergias a los implantes metálicos y la posible relación con efectos cancerígenos desarrollados en un periodo corto de tiempo hacen imperativa la eliminación del uso de metales tóxicos en los implantes. Por otro lado, los materiales cerámicos que se utilizan hoy en día (alumina y circona) presentan problemas de fragilidad y envejecimiento. Además, los diferentes materiales usados en prótesis articulares (polímero principalmente) presentan importantes problemas clínicos debidos a su gran desgaste y la generación de partículas. Por lo tanto, tras décadas de investigación todavía existe la necesidad de desarrollar implantes con adecuadas propiedades mecánicas, biocompatibilidad, alta resistencia a la corrosion y bajo desgaste, así como una buena osteointegración. En la presente tesis se han desarrollado nuevos materiales multifuncionales con matrices cerámicas (3Y-TZP, Al2O3) con alta dureza, resistencia al desgaste e inercia química reforzados con un metal (Tántalo) no tóxico ni magnéticos mediante diferentes rutas de procesamiento de polvos (homogeneización en vía líquida o vaporización por láser) y sinterización (sin presión, prensado en caliente o por descarga de plasma) y con diferentes microarquitecturas (nano-micro-macro). Se han evaluado las propiedades mecánica tanto en condiciones críticas como subcríticas (fatiga) y las propiedades tribológicas, obteniéndose materiales con altas prestaciones mecánicas. Además también se han determinado las propiedades frente al envejecimiento acelerado, indicando que los materiales desarrollados tienen un comportamiento estable frente al envejecimiento. Por otro lado se ha evaluado su biocompatibilidad mediante estudios de proliferación celular in vitro (células madre mesenquimales humanas) e in vivo II (conejos y perros), que han puesto de manifiesto que estos materiales presentan una alto grado de biocompatibilidad. También, se han realizado estudios de RMN de los materiales implantados, demostrando su completa compatibilidad con esta técnica de diagnóstico. Esta nueva familia de biomateriales muestra una combinación óptima de propiedades (mecánicas, tribológicas y biológicas) que son obtenidas mediante una sinergia de mecanismos a multiples escalas. Esto abre la posibilidad de producir nuevos biomateriales con propiedades específicas para su uso en una gran variedad de aplicaciones como materiales implantables. Algunos ejemplos del rango de estas aplicaciones incluyen implantes articulares (rodilla, cadera, hombro, tobillo), implantes dentales (pernos y pilares), implantes espinales (fijación lumbar y cervical, mecanismos de estabilización, espaciadores, injertos de fusión), fijaciones óseas (tornillos, placas, etc.), y cirugía maxilofacial.Traditional biomaterials for hard tissue replacement up to now have been selected based on their mechanical properties and their ability to remain inert in vivo; this selection has provided materials that satisfy only physiological loading conditions but do not duplicate the mechanical, chemical, and architectural properties of bone. Mismatch of mechanical properties between an implant and surrounding bone may lead to stress and strain imbalances that cause implant loosening and eventual failure. Magnetic nature of stainless steel and cobalt-chromium implants provokes an interaction with the magnetic fields present during MR imaging that result in device movement, device heating or development of an artefact on the collected image. Sensitization and/or elicitation of contact allergy to orthopaedic metallic implants and possible carcinogenic (cancer causing) effects in the medium-short time, then in the near future any toxic metal containing implant has to be avoided. Ceramic implants (alumina and zirconia) present low toughness and susceptibility to flaws, when introduced either during processing or in service. Additionally, zirconia (Y-TZP) ceramics show aging problems. In spite of the various forms of materials combination used for prosthetic implants, the wear of the articulating surface has been the major problem encountered in clinics, especially in the case of total bone replacement. Therefore, after decades of research there is still a need for developing implants with suitable mechanical properties, biocompatibility, high corrosion resistance and low wear, as well as a good osseointegration. In the present PhD Thesis new multifunctional materials containing chemically inert nature, wear resistance and hardness ceramics (3Y-TZP, Al2O3) reinforced by non-toxic and non-magnetic metal (Tantalum) were fabricated by different routes of ceramic powders mixture preparation (wet mixing and laser vaporization) and sintering (without and with applied pressure). The variety of formed structural architectures from nano to micro-macro levels ensure excellent composites' mechanical properties under static and cyclic loading accompanied by a tribological performance. In comparison with commercially available tetragonal zirconia stabilized with 3 mol% of yttria, the obtained compositions showed significant enhancement of resistance towards low-temperature degradation. In vitro studies (mesenquimal cells) and in vivo studies in New Zealand white rabbits and Beagle dogs revealed that 3Y-TZP/Ta biocermets appeared to be biocompatible. Moreover, Magnetic Resonance Imaging (MRI) results confirmed compatibility of this diagnostic technique with the new developed biocermet. These new family of biomaterials has an optimal combination of properties (mechanical, tribological and biological) that have been developed using synergistic mechanisms at multiple lengths scales. This opens the possibility to produce novel biomaterials with such properties to make implants for a variety of different hard tissue replacement applications. Some examples of the range of applications include load bearing applications (hip, knee, shoulder, ankle), plates for fractures, dental implants (posts), screws and staples, spinal implants, maxillofacial surgery to name just a few.Bartolomé Gómez, José FlorindoDepartamento de Física AplicadaFacultad de CienciasCSIC. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)20162016-03-17doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06NAhttp://purl.org/coar/version/c_be7fb7dd8ff6fe43info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10486/672512reponame:Biblos-e Archivo. Repositorio Institucional de la UAMinstname:Universidad Autónoma de MadridInglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessoai:repositorio.uam.es:10486/6725122026-06-23T12:46:27Z
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