ES2932603T3 - Proceso de tratamiento de superficies para dispositivos médicos implantables - Google Patents

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Abstract

Un proceso de tratamiento de superficie para un dispositivo médico implantable que incluye una capa de aislamiento dieléctrico de superficie, el proceso comprende la aplicación de iones sobre dicha capa de aislamiento dieléctrico, siendo los iones capaces de formar una carga electrostática y crear localmente un campo eléctrico asociado con al menos parte de la superficie de dicho dispositivo médico implantable tras la aplicación de un líquido a dicha superficie. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de tratamiento de superficies para dispositivos médicos implantables
Esta invención se refiere al campo de los procesos de tratamiento de superficies para dispositivos médicos implantables y dispositivos médicos tratados con tales procesos.
Antecedentes
En muchos tipos de dispositivos médicos implantados (por ejemplo, implantes ortopédicos, tornillos pediculares, implantes dentales, implantes espinales y sensores) es deseable tener una fuerte interacción entre la superficie del dispositivo y los tejidos circundantes (más comúnmente hueso) para el propósito de la transmisión de cargas y esfuerzos. Dichos dispositivos se utilizan para estabilizar fracturas, fortalecer huesos débiles y anclar prótesis.
Se ha demostrado que las superficies de tales dispositivos (en lo sucesivo denominados generalmente "implantes") se osteointegran cuando están rodeadas de hueso. La osteointegración (la formación de una conexión estructural entre el implante y el hueso vivo circundante) se produce después de la colocación del implante como resultado de la formación de hueso nuevo o la remodelación del hueso existente que está en contacto directo con la superficie del implante. El hueso puede formarse directamente sobre la superficie del implante o puede haber una capa de proteína muy delgada interpuesta. Tal osteointegración se ha demostrado en muchos estudios histológicos, radiográficos y con extracción, torsión de extracción, análisis de frecuencia de resonancia y otras pruebas mecánicas.
Los implantes suelen ser metales puros, aleaciones o dispositivos cerámicos. El titanio, la zirconia, el hafnio, el tántalo, el acero inoxidable y el cromo cobalto son materiales de uso común. Es bien sabido que la topografía de la superficie (rugosidad, caracterización de la superficie ya sea aleatoria o repetida) del implante puede influir en la tasa y la calidad de la formación ósea en la interfaz implante-tejido. En general, se considera que los implantes que han sido rugosos a escala nanométrica y micrométrica pueden aumentar la velocidad y la calidad de la formación ósea. La consiguiente reducción del tiempo necesario para la cicatrización y la osteointegración es muy deseable, lo que permite una carga temprana y tiempos de tratamiento reducidos. Además, la resistencia y la rigidez de la interfaz implante-hueso pueden ser mayores con superficies que tengan ciertas topografías.
Hay un número de métodos bien documentados para la alteración de la topografía de la superficie o la rugosidad de los implantes. Estos pueden incluir limpieza por granallado de partículas (gravilla, arena y otras partículas abrasivas), grabado ácido, pulverización de plasma, anodizado, oxidación por microarco o una combinación de estos. Esto puede dar como resultado un solo nivel de rugosidad o múltiples niveles modulados de rugosidad que van desde una escala de 1nm a 100|jm. La topografía y las texturas de este tipo son bien conocidas de productos comerciales y, por ejemplo, de EP 0388 576.
Los procesos de modificación de la superficie descritos anteriormente también pueden alterar la química de la superficie. Por lo general, los metales forman óxidos superficiales al exponerse al aire y al agua. Dicha exposición puede ocurrir durante la producción o la colocación o manipulación quirúrgica. Puede ocurrir una reacción con el agua en la superficie del implante en donde se forman grupos hidroxilo (Boehm H.P., 1971 propiedades ácidas y básicas de las superficies de óxidos metálicos hidroxilados, Discusiones de la sociedad Faraday, 52, 264-275). Químicamente, la superficie del implante puede ser el propio metal, un óxido del metal o una superficie hidroxilada, por ejemplo titanio, óxido de titanio o hidroxilo de titanio. El carbón y otras impurezas pueden estar presentes en la superficie del implante como resultado de los procedimientos de producción, almacenamiento o manipulación.
Es muy deseable que, cuando se coloca un implante en los tejidos o en el hueso, se humedezca completamente con los fluidos tisulares naturales del cuerpo. Los fluidos tisulares contienen nutrientes, electrolitos, proteínas, factores de crecimiento y otras sustancias esenciales en el proceso de cicatrización y formación ósea. Los implantes también pueden tratarse previamente con líquidos o geles, factores de crecimiento, por ejemplo, durante la producción o antes del tratamiento. Cualquier líquido, gel o solución que entre en contacto con un implante debe humedecer completamente la superficie y penetrar cualquier característica topográfica.
Se ha demostrado que existe una correlación entre biocompatibilidad, bioadhesión y tensión superficial o ángulo de contacto sobre un sustrato o superficie del implante (Baier, 1972, el papel de la energía superficial en la trombogénesis, Bull. N.Y. Acad. Med. 48, 257-272). Uno de los principales problemas con los implantes que tienen superficies rugosas es la hidrofobicidad potencial o la incapacidad de la superficie para humedecerse adecuadamente cuando se le aplican líquidos. Esto puede deberse a la contaminación de la superficie con material orgánico o hidrofóbico o a la geometría de la superficie que impide la penetración del fluido debido a la tensión superficial. La humectación, la hidrofilia y la hidrofobicidad de las superficies medidas como el ángulo de contacto se pueden deducir fácilmente utilizando un goniómetro o una placa de Wihelmy.
El artículo de MOLENBERG A ET AL AL ("Improved osseointegration of a novel, hydrophilic Ti surface - a review", Materialwissenschaft und Werkstofftechnic, vol. 40, no. 1-2, 1 de enero de 2009 (2009-01-01), páginas 31-35) divulga un estudio que muestra la importancia de las propiedades del implante de superficie de titanio para la integración ósea. El estudio demuestra que los tornillos de titanio tienen una mejor integración ósea cuando presentan una mayor hidrofilia.
Es esencial que los fluidos tisulares o los líquidos aplicados penetren completamente en la topografía de una superficie para garantizar que los nutrientes, las proteínas y los factores de crecimiento puedan mantener el metabolismo celular, la cicatrización y la formación ósea. Sin embargo, la naturaleza de la topografía o textura de la superficie es importante. El aumento de la rugosidad de una superficie puede hacer que el aire quede atrapado debajo de una capa líquida que impida la humectación. Además, la relación de aspecto (altura o profundidad de las depresiones o porosidades en relación con su ancho o circunferencia) de la topografía es crítica, ya que esto puede causar el puenteado y la formación de puentes con la falla de un fluido para penetrar tales características.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un método para tratar un implante mediante el cual se puede aumentar la hidrofilia o la humectación de la superficie de un implante para aumentar la penetración de líquidos sobre la superficie. Alternativamente, o además, biomoléculas específicas podrían ser atraídas a la superficie. Estos objetos pueden lograrse sobre una parte o la totalidad de la superficie del implante.
Resumen de la divulgación
Según la presente divulgación, se proporciona un proceso de tratamiento de superficie para un dispositivo médico implantable que incluye una capa de aislamiento dieléctrico superficial, el proceso que comprende la aplicación de iones sobre dicha capa de aislamiento dieléctrico, siendo los iones capaces de formar una carga electrostática y crear localmente un campo eléctrico asociado con al menos parte de la superficie de dicho dispositivo médico implantable tras la aplicación de un líquido a dicha superficie.
En un aspecto, dicho campo eléctrico se usa para atraer biomoléculas específicas a dicha capa aislante dieléctrica, por ejemplo, mediante electroforesis. Preferiblemente, las biomoléculas se seleccionan del grupo que incluye preferiblemente en donde las biomoléculas se seleccionan del grupo que incluye péptidos, polipéptidos, proteínas, oligonucleótidos, ácidos nucleicos, ARN, ácidos nucleicos antisentido, ARN de interferencia pequeño, ribozimas, genes, carbohidratos, factores angiogénicos, inhibidores del ciclo celular y agentes contra la reestenosis. Preferiblemente, dicho líquido es una solución electrolítica.
Preferiblemente, dicha aplicación de iones es sobre una parte pero no sobre toda dicha capa aislante dieléctrica. No es necesario recubrir o cubrir completamente la capa aislante dieléctrica con iones.
En un aspecto, dichos iones aplicados son capaces de modificar la humectabilidad de al menos parte de la superficie de dicho dispositivo médico implantable.
El proceso puede comprender además la producción de un patrón de electrodos y/o características topográficas sobre dicha capa aislante dieléctrica a la que se aplican dichos iones.
Preferiblemente, la carga electrostática es insuficiente para iniciar la electrólisis.
En una forma preferida, la capa aislante dieléctrica se proporciona en la superficie de dicho implante entre una parte metálica de dicho implante y un fluido conductor. La capa aislante dieléctrica puede comprender una capa de óxido metálico, por ejemplo, óxido de titanio y/o puede tener un grosor en el rango de 1nm - 100jm.
En un aspecto, la capa aislante dieléctrica incluye un recubrimiento hidrófobo, por ejemplo, un recubrimiento de vidrio, cerámica o fluoropolímero amorfo.
En un aspecto, se aplica una solución acuosa de dichos iones a dicha capa aislante dieléctrica mediante pulverización, inmersión o baño parcial de dicho implante en dicha solución acuosa, incluyendo preferiblemente la solución acuosa un compuesto orgánico volátil. Adicionalmente, dicha solución acuosa puede ser una solución salina fisiológicamente isotónica, preferiblemente de 0.1-2.0% de concentración.
Los iones pueden aplicarse a dicha capa aislante dieléctrica mediante deposición de vapor de plasma.
Preferiblemente, los iones incluyen iones que se encuentran naturalmente en los fluidos corporales. En un aspecto, dichos iones incluyen cationes Na+ o K+ o Mg2+ o aniones CI- o PO4-.
Preferiblemente, dichos iones aplicados tienen un grosor en el rango de 1nm-100|jm.
El proceso de tratamiento de la superficie incluye además preferentemente el paso de secar el implante, por ejemplo proporcionando una temperatura elevada, proporcionando un desecante o colocando el implante en una corriente de aire u otro gas.
Como alternativa, dicha carga electrostática se aplica utilizando una fuente de potencia externa de corriente continua o alterna, preferiblemente un voltaje en el rango de 10mV - 400V y/o en donde dicha carga electrostática tiene una frecuencia en el rango de 0-20 kHz. Dicha carga electrostática puede tener forma de onda sinusoidal, cuadrada, triangular o de rampa.
De acuerdo con otro aspecto de la divulgación, se proporciona un dispositivo médico implantable tratado con el proceso de tratamiento de superficie de cualquiera de los párrafos anteriores.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo médico implantable como se define en la reivindicación 1.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para modificar la humectabilidad de un dispositivo médico implantable como se define en la reivindicación 14.
Preferiblemente, la electrohumectación se inicia durante la implantación de dicho dispositivo médico. Alternativamente, dicho dispositivo médico se implanta antes de que se inicie la electrohumectación. Preferiblemente dicho líquido es un fluido corporal, por ejemplo sangre.
Otras características de la invención se describen en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones preferidas de la invención se describirán ahora de manera más particular, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 es una vista en sección transversal esquemática de parte de un implante tratado con el proceso de la presente invención; y
La figura 2 es un gráfico que indica la carga eléctrica superficial creada en la superficie de un implante tratado con el proceso de la presente invención.
Descripción detallada
La electrohumectación es un proceso conocido en el campo de la microfluídica digital en donde las propiedades humectantes de una superficie hidrofóbica pueden modificarse usando un campo eléctrico aplicado externamente.
El proceso de electrohumectación se lleva a cabo mediante la producción de patrones de electrodos adecuados o características topográficas en una superficie de sustrato a la que se aplica una carga electrostática (carga o voltaje) que provoca variaciones en el ángulo de contacto, cambios en la forma de las gotas, movimiento de fluidos y un aumento en humectabilidad total de la superficie.
Tal electrohumectación permite la manipulación de fluidos y el desarrollo de superficies con humectabilidad controlable. La electrohumectación tiene mucho éxito y se pueden lograr rutinariamente variaciones del ángulo de contacto de varias decenas de grados.
En el campo de los dispositivos médicos implantables, incluidos los implantes dentales, la aplicación externa de carga electrostática puede resultar poco práctica y/o indeseable. Por lo tanto, en un aspecto, la presente invención se refiere a un proceso de tratamiento de superficies para un dispositivo médico implantable que elimina la necesidad de una carga electrostática aplicada externamente.
La figura 1 muestra una sección transversal esquemática de parte de un dispositivo médico implantable tratado por el proceso que se describe a continuación. El implante 1 comprende un cuerpo 2 de implante metálico o de aleación metálica que tiene una capa 3 dieléctrica aislante en la superficie del mismo. El cuerpo 2 de implante puede tener una superficie granallada y grabada, o texturizada de otro modo. La capa 3 dieléctrica puede ser una capa de óxido metálico, por ejemplo, tal como el óxido de titanio que suele estar presente en los implantes médicos de titanio. La capa dieléctrica puede estar inherentemente presente en la superficie (tal como la capa de óxido metálico mencionada anteriormente) o crearse mediante un paso de proceso que implique cubrir el cuerpo 2 de implante con un recubrimiento superior hidrofóbico delgado. Los posibles recubrimiento incluyen vidrios, cerámicas y fluoropolímeros amorfos, pero se pueden contemplar otros. La capa 3 dieléctrica puede tener un grosor típico en el rango de 1nm -100|jm.
El siguiente paso del proceso consiste en tratar la superficie del implante con iones. En una realización, el implante 1 se sumerge o es inmerso en una solución de MgCh6H2O al 1% y se agita ultrasónicamente para garantizar que no queden burbujas de aire atrapadas en la superficie rugosa. Pueden contemplarse otras soluciones adecuadas para la aplicación de iones. Por ejemplo, los iones Cl- se pueden aplicar a partir de una solución salina de NaCl.
Los iones pueden aplicarse a la superficie del implante pulverizando, sumergiendo o bañando parcial o completamente el implante con una solución acuosa de un electrolito. Como alternativa, se puede utilizar la deposición de vapor de plasma. La solución puede ser electrolito y agua solos o se puede agregar un compuesto orgánico volátil para mejorar la penetración. La concentración del electrolito puede ser variable. Un ejemplo es una solución salina al 0.9% que es fisiológicamente isotónica. Además, la cantidad del compuesto orgánico puede variar.
A continuación, el implante húmedo se seca, por ejemplo, en un horno durante 5-15 minutos a 50-90°C, para expulsar el agua y dejar los iones en la superficie del implante. El secado del implante se puede realizar en un número de formas posibles, por ejemplo: a una temperatura elevada, en presencia de aire circulante o un desecante o en una corriente de gas o aire. El secado es importante para atraer y depositar los iones en las fosas, poros y características capilares de la superficie.
El implante 1 seco tiene ahora iones 4 en su superficie. Los iones 4 no recubren la superficie del implante en el sentido convencional - los iones no necesitan cubrir toda la superficie del implante. La aplicación de iones en particular, pero no exclusivamente, a las fosas, poros y características capilares de la parte rugosa de la superficie del implante creará una concentración local de tales iones. El grosor de los iones aplicados puede ser variable y puede estar en el rango de 1nm-100|jm. Los iones aplicados no son suficientes para realizar ningún tipo de función de recubrimiento protector para el implante.
Los iones en la superficie del implante tratado son capaces de formar una carga electrostática y crear localmente un campo eléctrico asociado con al menos parte de la superficie del implante tras la aplicación de un líquido a la superficie, usando una técnica conocida como electrohumectación en dieléctrico (EWOD).
Si se aplica un voltaje entre un electrodo de superficie metálica y una solución de electrolito, antes del inicio de la electrólisis, una doble capa eléctrica se acumula espontáneamente en la interfaz sólido-líquido que consta de cargas en la superficie metálica y una nube de contraiones con carga opuesta en el lado líquido de la interfaz. Esto conduce a un aumento deseable de la humectabilidad. Tal electrohumectación da como resultado una disminución en el ángulo de contacto y la tensión interfacial, un aumento en la hidrofilicidad y la penetración de la topografía de la superficie superando la resistencia capilar y de puente.
En el implante tratado, el cuerpo 2 de implante comprende el electrodo. El implante tratado se puede sumergir, recubrir o poner en contacto de otro modo con un líquido, por ejemplo, una solución electrolítica conductora, para iniciar EWOD. El líquido puede ser un líquido no conductor que se vuelve conductor al entrar en contacto con los iones aplicados al implante tratado. La capa 3 aislante dieléctrica aísla el electrodo del cuerpo del implante de la solución electrolítica que se utilizará en EWOd . En esta configuración EWOD, la doble capa eléctrica se acumula en la interfaz dieléctricoelectrolítica.
La solución electrolítica utilizada para EWOD puede ser un fluido tisular, sangre, solución salina o un fluido portador que contenga fármacos, factores de crecimiento, etc. El tipo o la concentración de la solución electrolítica no tiene una influencia significativa en la humectabilidad. Por lo tanto, la solución puede ser una sola sal o una combinación de sales. Cationes típicos de metales alcalinos tal como Na+ o K+, con los iones correspondientes Cl-, PO4", son ejemplos de muchos adecuados. Por lo tanto, tales soluciones salinas pueden comprender fluidos de tejidos corporales.
De esta forma, el implante tratado puede generar fuerzas electrostáticas locales al entrar en contacto con una solución electrolítica, sin la aplicación de un voltaje externo, lo que aumenta la hidrofilia de la superficie y permite que los líquidos penetren completamente en la topografía de la superficie.
La figura 2 indica la carga eléctrica que se produce cuando un implante tratado se pone en contacto con un líquido adecuado, tal como sangre, fluido tisular o solución salina (la flecha indica el momento en el que el implante entra en contacto con el líquido). A medida que el líquido ingresa a la superficie del implante, el voltaje disminuye con el tiempo.
Si los iones aplicados a la superficie del implante son de sal Na+Cl-, una ventaja adicional es que la sal se disolverá en la solución electrolítica que, si es fluido corporal, será completamente inofensiva al ser un constituyente de tal fluido corporal o fisiológico.
El proceso EWOD se puede realizar igualmente bien in vitro como in vivo.
En una realización, el campo eléctrico creado localmente puede usarse para atraer biomoléculas específicas a una superficie. Esto puede permitir el nivel preferencial y aumentado de formación de hueso en la aproximación directa a la superficie. Una lista no exhaustiva de ejemplos de biomoléculas incluye: péptidos, polipéptidos, proteínas, oligonucleótidos, ácidos nucleicos, ARN, ácidos nucleicos antisentido, ARN de interferencia pequeño, ribozimas, genes, carbohidratos, factores angiogénicos, inhibidores del ciclo celular y agentes contra la reestenosis.
En una realización alternativa, un voltaje aplicado a un circuito que comprende una superficie de implante metálica con una capa dieléctrica y un fluido adecuado (que puede ser un fluido tisular o un fluido portador que transporta fármacos, factores de crecimiento, etc.) provocará una electrohumectación que dará como resultado una disminución en el ángulo de contacto, aumento de la hidrofilicidad y penetración de la topografía de la superficie superando los puentes y la resistencia capilar. Alternativamente, o además, el proceso se puede usar para atraer biomoléculas específicas tales como las enumeradas anteriormente a una superficie. El voltaje aplicado puede ser de corriente continua o alterna y en el rango 10mV-400V y frecuencia 0-20kHz y de forma de onda sinusoidal, cuadrada, triangular, de rampa o arbitraria.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones de esta especificación, las expresiones "comprenden" y "contienen" y las variaciones de las mismas significan "incluidos pero no limitados a", y no pretenden (y no excluyen) otras fracciones, aditivos, componentes, números enteros o pasos. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones de esta especificación, el singular abarca el plural a menos que el contexto requiera lo contrario. En particular, cuando se usa el artículo indefinido, la especificación debe entenderse que contempla tanto la pluralidad como la singularidad, a menos que el contexto requiera lo contrario.
Debe entenderse que las funciones, números enteros, características, compuestos, fracciones químicas o grupos descritos junto con un aspecto, realización o ejemplo particular de la invención son aplicables a cualquier otro aspecto, realización o ejemplo descrito en este documento a menos que sea incompatible con el mismo. Todas las características divulgadas en esta especificación (incluidas las reivindicaciones, el resumen y los dibujos adjuntos), y/o todos los pasos de cualquier método o proceso así divulgado, pueden combinarse en cualquier combinación, excepto combinaciones en las que al menos algunas de dichas características y/o pasos son mutuamente excluyentes. La invención no se limita a los detalles de ninguna de las realizaciones anteriores.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo médico implantable que comprende una capa metálica sobre la cual se ubica una capa aislante dieléctrica superficial que comprende óxido de titanio, la capa aislante dieléctrica tiene iones sobre ella que son capaces de formar una carga electrostática capaz de crear localmente un campo eléctrico asociado con al menos parte de la superficie de dicho dispositivo médico implantable tras la aplicación de una solución electrolítica a dicha superficie;
    y en donde la capa aislante dieléctrica tiene un grosor en el rango de 1nm - 100jm y dichos iones incluyen cationes de Mg2+ aplicados a dicha capa dieléctrica.
    2. El dispositivo de la reivindicación 1, en donde el dispositivo es un implante dental.
    3. El dispositivo de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde dichos iones están en parte pero no en la totalidad de dicha capa aislante dieléctrica.
    4. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos iones aplicados son capaces de modificar la humectabilidad de al menos parte de la superficie de dicho dispositivo médico implantable.
    5. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además un patrón de electrodos y/o características topográficas en dicha capa aislante dieléctrica a la que se aplican dichos iones.
    6. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha carga electrostática es insuficiente para iniciar la electrólisis.
    7. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha capa de aislamiento dieléctrico se proporciona en la superficie de dicho implante entre una parte metálica de dicho implante y la solución electrolítica.
    8. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos iones incluyen iones que se encuentran en fluidos corporales.
    9. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los iones se aplican a dicha capa dieléctrica mediante pulverización, inmersión o baño parcial de dicho implante en una solución acuosa que comprende dichos iones.
    10. El dispositivo de la reivindicación 9, en donde dicha solución acuosa es una solución salina fisiológicamente isotónica de 0.1 a 2.0% de concentración.
    11. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1-10 en donde dichos iones incluyen aniones CI- o PO4. 12. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el dispositivo médico implantable comprende un cuerpo de implante metálico o de aleación metálica que tiene una superficie texturizada o rugosa y en donde el implante se somete además a un paso de secado de manera que los iones se depositan en fosas, poros y características capilares de la superficie rugosa del implante.
    13. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos iones aplicados tienen un grosor en el rango de 1nm-100|jm.
    14. Un método para modificar la humectabilidad de un dispositivo médico implantable que comprende los pasos de: proporcionar un dispositivo médico implantable como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones 1-13; poner el dispositivo tratado en contacto con un líquido por lo que se inicia la electrohumectación.
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