ES2250902T3

ES2250902T3 - Interfaz osteointegrativa para protesis implantables y procedimiento para su fabricacion.

Info

Publication number: ES2250902T3
Application number: ES03740162T
Authority: ES
Inventors: Alberto Cigada; Roberto Chiesa; Enrico Sandrini; Gianni Rondelli; Matteo Santin
Original assignee: Politecnico di Milano
Current assignee: Politecnico di Milano
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2006-04-16
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: ITMI20021377A1; ATE305804T1; ITMI20021377A0; DE60301796D1; WO2004000378A1; EP1515759A1; DE60301796T2; EP1515759B1; AU2003278928A1

Abstract

Interfaz biomimética osteointegrativa que comprende un substrato (3) de material biocompatible tal como titanio, tantalio o sus aleaciones, caracterizada porque comprende, en la superficie (3bis) del substrato (3), una primera capa (4) que presenta una primera concentración de óxido del material biocompatible, enriquecida con una segunda concentración de fósforo y con una tercera concentración de calcio, siendo la relación entre la concentración de calcio y la concentración de fósforo mayor que dos, comprendiendo además la interfaz osteointegrativa biomimética (1) una segunda capa (5) que presenta una primera superficie (10) en contacto con la primera capa (4), y una segunda superficie (11), presentando la segunda capa (5) una cuarta concentración de óxido enriquecido con una quinta concentración de calcio y una sexta concentración de fósforo, siendo la cuarta concentración menor que la quinta y sexta concentraciones y siendo la relación entre la quinta concentración de calcio y la sexta concentración de fósforo no menor que tres.

Description

Interfaz osteointegrativa para prótesis implantables y procedimiento para su fabricación.

La presente invención se refiere a una interfaz osteointegrativa para prótesis implantables y a un método para el tratamiento de la interfaz osteointegrativa, particularmente a una interfaz osteointegrativa biomimética, así como a un método para modificar la superficie de la interfaz osteointegrativa superficialmente.

Los procesos biomiméticos que simulan los procesos de biomineralización se han utilizado con éxito para preparar materiales tales como óxidos, apatita y sulfato de cadmio que se utilizan en diferentes campos de la tecnología.

El campo que ha conseguido más "inspiración" de los procesos de biomineralización es el campo de los biomateriales y, en particular, los materiales para ortopedia, cirugía maxilo-facial y odontología.

Estos materiales deben interactuar con los tejidos corporales y deberían por consiguiente presentar biocompatibilidad particular así como cualidades bioactivas y propiedades mecánicas.

Los usos principales de los biomateriales en el campo de los tejidos duros comprenden prótesis tales como prótesis de cadera, prótesis de rodilla, implantes dentales, tornillos, clavos, placas y medios de osteosíntesis.

Debido a las propiedades mecánicas requeridas, los materiales utilizados habitualmente para las prótesis son de acero inoxidable, de titanio, de aleaciones de titanio y de tantalio que presentan las mejores características de biocompatibilidad entre todos los metales.

Estos materiales presentan una elevada carga mecánica de rotura pero requieren largos periodos de implantación para que se establezca su integración con los tejidos biológicos, como por ejemplo, el hueso.

Para evitar este problema, se conocen tratamientos biomiméticos para las interfaces osteointegrativas, mediante las cuales resulta posible conseguir un aumento significativo en la velocidad de precipitación de hidroxiapatita después de la inmersión en fluidos biológicos y su adhesión a la prótesis.

Los fosfatos de calcio, incluyendo la hidroxiapatita, son los principales constituyentes de la matriz del hueso inerte.

Las patentes US nº 5.152.993 (Lars Magnus et al.) y nº 5.885.612 (Ohthuke et al.) proponen un tratamiento en peróxido de hidrógeno con la utilización de peróxido de hidrógeno o peróxido de hidrógeno e iones de metales, que modifica la superficie de la prótesis, provocado la formación de grupos funcionales hidroxilos -OH que pueden inducir a la formación de una interfaz estable con el hueso.

La patente US nº 5.609.633 (Kokubo) y la solicitud de patente europea correspondiente EP 678300A1 (Kokubo) dan a conocer un tratamiento basado en la inmersión en una solución alcalina, tal como NaOH, KOH o CaOH_{2}, seguida de un lavado y un tratamiento térmico a temperatura alta.

En particular, estos dos documentos describen un tratamiento para grabar con hidróxidos un óxido tal como el óxido de titanio, que es prácticamente cristalino en su totalidad y que está compuesto principalmente de rutilo, anastasa y, con poca frecuencia, de fases de brookita, que corresponden a diferentes formas cristalinas de dióxido de titanio, TiO_{2}.

Este grabado presenta la ventaja no sólo de formar un gran número de grupos -OH de manera que la capa superficial se hidroxilata más fácilmente y en particular está considerablemente enriquecida con oxigeno, sino también la ventaja de alcanzar la formación de una capa de fosfatos de calcio amorfos, simétricamente similares a la hidroxiapatita y, por lo tanto puede provocar la formación de hidroxiapatita madura.

El tratamiento térmico comprendido en dicho tratamiento con álcalis daría lugar a un incremento de hasta 1 \mum en el grosor de la capa de óxido de titanio.

Para alcanzar un incremento considerable en el grosor del óxido que se forma en la superficie de un metal, se han optimizado tratamientos de pasivación anódica mediante el desarrollo de una técnica conocida como deposición anódica por chispa (ASD).

La técnica ASD es un procedimiento de electrodeposición galvánica que se lleva a cabo a un voltaje relativamente elevado y provoca una ruptura y perforación puntual de la capa superficial dieléctrica de óxido que se forma progresivamente, permitiendo así su crecimiento.

Con esta técnica, como se describe, por ejemplo, en la patente US nº 5.385.662 (Kurze et al.), es posible producir recubrimientos con las características de materiales cerámicos sinterizados, que son particularmente resistentes a la abrasión y corrosión, y que presentan un grosor de hasta 150 \mum.

Con referencia específica a los implantes óseos, la patente US nº 5.478.237 (Ishizawa) da a conocer la utilización de esta técnica para producir una modificación de la composición, del grosor, y de la morfología de la película del óxido de titanio, es decir, la formación de una capa gruesa de óxido nanoporoso que contiene calcio y fósforo, presentado un espesor claramente mayor al formado por oxidación natural del metal.

Sin embargo, esta técnica no mejora considerablemente las propiedades biomiméticas del titanio.

Para mejorar esta capacidad biomimética, la película o capa se somete a un tratamiento hidrotérmico que puede producir la nucleación de cristales de hidroxiapatita. No obstante, estos materiales no se distribuyen homogéneamente y no cubren la superficie de la interfaz osteointegrativa completamente.

Por lo tanto, no se consigue la homogeneidad del comportamiento.

Además, el enlace mecánico entre el óxido y los cristales es muy débil.

La patente US nº 5 723 038 describe un procedimiento para producir un recubrimiento gradual de fases de fosfato de calcio y fases de óxido de metal en implantes metálicos para acelerar el crecimiento de células.

Considerando la técnica descrita con anterioridad, el objetivo de la presente invención consiste en modificar superficialmente la superficie de titanio, de tantalio y de sus aleaciones para producir superficies biomiméticas con características morfológicas y estructurales innovadoras respecto a las conocidas según la técnica anterior.

Según la presente invención, dicho objetivo se alcanza mediante una interfaz osteointegrativa biomimética según la reivindicación 1.

Dicho objetivo se alcanza asimismo mediante un procedimiento para la producción de una interfaz osteointegrativa biomimética según la reivindicación 4.

En virtud de la presente invención, es posible alcanzar un incremento en el grosor de la película de óxido de titanio, de tántalo, de sus aleaciones desde algunos manómetros a algunos micrómetros reduciendo, entre otras cosas, el intervalo al que se liberan los iones de metal desde el implante. La adherencia de la capa de óxido al sustrato es excelente.

La presente invención, permite asimismo que los elementos como el calcio y el fósforo que pueden estimular procesos de mineralización de la matriz del hueso extracelular se incorporen a la película de óxido de titanio, de tantalio, o de sus aleaciones.

Adicionalmente, en virtud de la presente invención, es posible producir, por ejemplo, a modo de esponja, la formación de una porosidad nanométrica que pueda incitar geométricamente la adhesión de proteínas y en consecuencia la adhesión de células osteoblásticas.

Por último, gracias a la presente invención es posible dar lugar a la formación, en el interior de la película de titanio, es decir en su porosidad, de enlaces - OH que pueden establecer enlaces químicos con iones tanto de fósforo como de calcio, promoviendo asimismo la mineralización de la matriz extracelular, y con proteínas, promoviendo además la adhesión osteoblástica.

Las características y ventajas de la presente invención se pondrán claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada de una forma de realización práctica de la misma, ilustrada a título de ejemplo no limitativo en el dibujo adjunto, en el que:

La figura 1 muestra, en sección, una forma de realización de una interfaz osteointegrativa según la presente invención, y

La figura 2 es una sección, tomada a lo largo de la línea II-II, de las capas que constituyen la superficie de la interfaz osteointegrativa de la figura 1.

Uno de los requisitos más significativos en las aplicaciones para las interfaces osteointegrativas es sintetizar una superficie con cristales de dimensiones comparables a los de la apatita biológica, de manera que un incremento en el área de superficie de los cristales puede mejorar las interacciones en la interfaz con el tejido del hueso e incrementar la capacidad del material para crear un enlace con el tejido del hueso.

Con referencia a las figuras 1 y 2 adjuntas, que muestran un ejemplo de una interfaz osteointegrativa para un implante dental 1 según la presente invención, se cumple este requisito.

Con referencia a la figura 2 en particular, se muestra una sección ampliada a través del implante 1, tomada a lo largo de la línea II-II de la figura 1 para mostrar las capas que componen la superficie de la interfaz osteointegrativa 1, como se indica con la referencia numérica 2.

Estas capas comprenden un substrato 3 genéricamente de titanio, una capa protectora 4, genéricamente de óxido de titanio, superpuesta en la superficie 3bis del substrato 3, y una capa superficial 5 superpuesta en la capa protectora 4.

La figura 1 muestra el implante dental 1 que presenta, por ejemplo, la forma de un tornillo, y que se ha insertado en un alvéolo 6; mostrando una corona dental 7 y la encía 8.

Naturalmente, se debe seleccionar la forma y tamaño del implante en función de la aplicación específica y el ejemplo mostrado en la figura 1 constituye únicamente una de las posibles formas de realización.

En concreto, el sustrato 3 que constituye el núcleo de un implante dental 1 está compuesto de metales de transición, por ejemplo, titanio, tántalo o sus aleaciones.

Si el substrato 3 es de titanio, la capa protectora 4 comprenderá óxido de titanio, formado mediante el proceso descrito a continuación para alcanzar un grosor del orden de algunos \mum, por ejemplo, 5-10 \mum.

En la forma de realización innovadora, esta capa protectora 4 se enriquece a través de su espesor de 5-10 \mum con una concentración relativamente uniforme y elevada en elementos como el calcio y el fósforo, siendo la concentración del elemento calcio superior a la concentración de fósforo, superior al doble, es decir Ca/P > 2.

La capa superficial 5, que presenta un grosor del orden de decenas de nanómetros y que se superpone en la capa protectora 4, comprende los mismos elementos que la capa protectora 4, pero estos elementos presentan relaciones de concentración entre calcio y titanio, que es Ca/Ti, y entre fósforo y titanio, que es P/Ti, prevaleciendo en gran medida los elementos que constituyen el enriquecimiento, que es (Ca + P)/Ti > 80%. Adicionalmente, la relación Ca/P es más alta y es igual a aproximadamente Ca/P \cong 3 o incluso más.

Además, se puede observar que la capa superficial 5 presenta una superficie inferior 10 y una superficie superior 11, la superficie inferior 10 está en contacto con la capa de óxido de titanio 4 y la superficie superior 11 está en contacto con el alvéolo 6.

La capa 5, particularmente en la superficie superior 11, se caracteriza también por la presencia de una alta concentración de grupos químicos acoplados -OH, adecuados para formar varios centros de nucleación 12.

La interfaz osteointegrativa descrita, se produce mediante una serie de etapas que se describen a continuación.

En una primera etapa, la superficie 3bis del implante 1 se somete a un tratamiento de acabado mecánico e incluso químico con papel abrasivo, limpieza con chorro de arena, o similares, para producir una superficie con una aspereza homogénea y controlada con valores Ra del orden de 1-2 \mum para implante dentales y valores mayores para prótesis ortopédicas no cementadas.

A continuación, se prevé una segunda etapa de limpieza de la superficie superior 3bis con la utilización, a tal efecto, de una cámara de ultrasonidos que contiene acetona para un primer periodo de tiempo incluido en un intervalo de tiempo donde 3 < t < 5 minutos y agua destilada para un segundo periodo de tiempo, donde 3 < t < 5 minutos.

Esta etapa es útil en la medida en que permite eliminar partículas sucias y/o impurezas de la superficie 3bis del substrato 3.

Se efectúa una tercera etapa en la que se realiza un primer tratamiento de deposición anódica por chispa (ASD) en una solución acuosa de glicerofosfato de calcio (Ca-GP) a una concentración de 0,015 M con una variación máxima de \pm 0,005 M. En esta etapa se prevé para un tratamiento a T=0ºC, preferentemente con una variación máxima de \pm 1ºC y con un valor de intensidad de corriente predeterminada de 70 A/m^{2}, mientras el potencial aumenta libremente a un valor final predeterminado de 350 V. Ello produce un crecimiento de la capa protectora 4 y la deposición en el interior de una cantidad predeterminada de fósforo y también algo de calcio.

Destaca la adhesión mecánica de la capa protectora al substrato.

La tercera etapa finaliza cuando el potencial alcanza 350 V y la intensidad de corriente es todavía de aproximadamente 70 A/m^{2}.

Seguidamente se realiza una cuarta etapa en la que se efectúa un lavado con agua destilada y un secado cuidadoso del implante osteointegrativo 1 tratado.

La quinta etapa prevé un segundo tratamiento ASD en una solución acuosa de hidróxido de calcio [Ca(OH)] a una concentración de 0,1 M con una variación máxima de \pm 0,02 M. Para un primer periodo de tiempo, se realiza el tratamiento a una temperatura de entre dos y ocho grados centígrados, que es de 2ºC < T < 8ºC, con una intensidad de corriente constante de 70 A/m^{2} mientras se permite aumentar el potencial a un valor final de 370 V.

La quinta etapa continúa durante un segundo periodo de tiempo con una deposición a un voltaje constante de 370 V y una reducción simultánea a un valor predeterminado de 35 A/m^{2}.

La capa 4 se modifica de ese modo y se incorpora adicionalmente calcio.

Obsérvese que la intensidad de corriente final es igual a la mitad de la intensidad de corriente inicial utilizada durante la primera etapa del segundo tratamiento ASD.

A continuación, se prevé una sexta etapa en la que se efectúa un lavado adicional en agua destilada y un secado cuidadoso del implante 1 tratado.

La séptima etapa en la que se realiza la inmersión del implante osteointegrativo 1 tratado en 5 M de una solución acuosa KOH (o incluso NaOH, pero con resultados satisfactorios menores) conservada a T=60ºC durante 24 h.

Finalmente, se efectúa una octava etapa en la que se realiza un lavado final en agua destilada y un secado cuidadoso de la interfaz tratada.

En particular, obsérvese que la tercera etapa, que es el primer ASD, produce una capa de óxido de titanio 4 rica en fósforo y parcialmente en calcio para dar origen a un dieléctrico con un grosor del orden de algunos \mum (probablemente una decena de \mum) que permite la aplicación de los voltajes altos requeridos en el segundo ASD.

De hecho, sin una primera deposición y engrosamiento del óxido de superficie, es imposible llevar el implante osteointegrativo 1 a un voltaje lo suficientemente alto para realizar un segundo tratamiento ASD en una solución de Ca(OH)_{2}, que es una solución sin aniones de modo que es capaz de asegurar la formación de un grosor dieléctrico adecuado.

Básicamente, mientras que, con el primer ASD, se forma una capa de óxido de titanio del grosor óptimo, provisto de una primera concentración de calcio y fósforo, con el segundo tratamiento ASD, la capa se hace gruesa y se incrementa la relación Ca/P.

Además, el segundo tratamiento ASD es preparatorio para la formación de centros de nucleación caracterizados por la presencia de grupos químicos -OH de superficie.

La séptima etapa, que es la inmersión de la interfaz 1 en una solución de KOH, incrementa adicionalmente la relación Ca/P, ya que se extrae el fósforo de la porción de superficie de la capa 4 para favorecer su hidratación y se produce una alta concentración de grupos -OH en la superficie.

Las etapas quinta y séptima producen de este modo una capa superficial 5 en la que las relaciones Ca/Ti y P/Ti tienden a ser elevadas prevaleciendo en gran medida los dos elementos que componen el enriquecimiento, hasta el punto en que la capa superficial 5 está compuesta, en sus últimos nanómetros, substancialmente por calcio y fósforo, con una relación Ca/P cercana a cuatro y en cualquier caso no inferior a tres.

Adicionalmente, en virtud de este método innovador, la capa superficial 5 es rica en grupos químicos con radicales -OH que favorecen la deposición de calcio y fósforo en una solución fisiológica.

Aunque en la descripción anterior, se hace referencia específicamente a interfaces osteointegrativas de titanio, la invención propuesta también puede aplicarse claramente a interfaces realizadas en tantalio y en aleaciones de titanio y tantalio.

Claims

1. Interfaz biomimética osteointegrativa que comprende un substrato (3) de material biocompatible tal como titanio, tantalio o sus aleaciones, caracterizada porque comprende, en la superficie (3bis) del substrato (3), una primera capa (4) que presenta una primera concentración de óxido del material biocompatible, enriquecida con una segunda concentración de fósforo y con una tercera concentración de calcio, siendo la relación entre la concentración de calcio y la concentración de fósforo mayor que dos, comprendiendo además la interfaz osteointegrativa biomimética (1) una segunda capa (5) que presenta una primera superficie (10) en contacto con la primera capa (4), y una segunda superficie (11), presentando la segunda capa (5) una cuarta concentración de óxido enriquecido con una quinta concentración de calcio y una sexta concentración de fósforo, siendo la cuarta concentración menor que la quinta y sexta concentraciones y siendo la relación entre la quinta concentración de calcio y la sexta concentración de fósforo no menor que tres.

2. Interfaz biomimética osteointegrativa según la reivindicación 1, caracterizada porque la segunda capa (5) presenta un gradiente de la quinta concentración de calcio y de la sexta concentración de fósforo cuyo gradiente incrementa desde la primera superficie (10) hacia la segunda superficie (11) de la segunda capa (5).

3. Interfaz biomimética osteointegrativa según la reivindicación 2, caracterizada porque la segunda capa (5) se hidrata y presenta grupos químicos radicales hidroxilo -OH adecuados para formar una pluralidad de centros de nucleación (12).

4. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa en el sustrato de metal biocompatible tal como titanio, tántalo o sus aleaciones, que comprende la siguiente serie de etapas:

a): realizar un primer tratamiento de deposición de ánodo ASD de la interfaz osteointegrativa (1) en una solución de glicerofosfato de calcio,

b): realizar un segundo tratamiento de deposición de ánodo ASD de la interfaz osteointegrativa (1) en una solución de hidróxido de calcio, y

c): realizar la inmersión de la interfaz osteointegrativa (1) en una solución de hidróxido de potasio.

5. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa en el sustrato de metal biocompatible tal como titanio, tántalo o sus aleaciones, que comprende la siguiente serie de etapas:

c): realizar una inmersión de la interfaz osteointegrativa (1) en una solución de hidróxido de sodio.

6. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque la solución electrolítica que contiene glicerofosfato de calcio presenta una concentración de 0,015 \pm 0,005 M y una temperatura T en un intervalo donde -1ºC < T +1ºC.

7. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según cualquiera de las reivindicaciones 4, 5 y 6, caracterizado porque la primera deposición ASD se efectúa con una corriente constante igual a un primer valor predeterminado y con un voltaje que aumenta libremente a un primer valor final.

8. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según cualquiera de las reivindicaciones 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque la solución electrolítica que contiene hidróxido de calcio presenta una concentración de 0,1 \pm 0,02 M y una temperatura T en un intervalo donde 2ºC < T
< 8ºC.

9. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según cualquiera de las reivindicaciones 4, 5, 6, 7 y 8, caracterizado porque la segunda deposición de ánodo ASD produce durante un primer periodo de tiempo, una corriente constante igual a un segundo valor de corriente predeterminada y un voltaje que aumenta libremente a un segundo valor final, y produce además, durante un segundo periodo de tiempo, una disminución libre de la corriente hasta un tercer valor y un voltaje constante igual a un tercer valor de voltaje predeter-
minado.

10. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según cualquiera de las reivindicaciones 4, 6, 7 y 8, caracterizado porque la inmersión en la solución de hidróxido de potasio se efectúa durante un periodo de tiempo de por lo menos t=24 horas y una temperatura T en un intervalo donde 59ºC < T < 61ºC.

11. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según la reivindicación 7, caracterizado porque el primer valor de voltaje predeterminado es igual a aproximadamente
350 V.

12. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según cualquiera de las reivindicaciones 7 y 9, caracterizado porque el primer y el segundo valores predeterminados de corriente son idénticos e iguales a aproximadamente 70 A/m^{2}.

13. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según la reivindicación 9, caracterizado porque el segundo y tercer valores del voltaje final son idénticos e iguales a aproximadamente 370 V.

14. Método para el tratamiento biomimético de una interfaz osteointegrativa según la reivindicación 9 ó la reivindicación 11, caracterizado porque el tercer valor de corriente predeterminada es igual a la mitad del segundo valor de corriente predeterminada y es igual a aproximadamente 35 A/m^{2}.