Gil, F.J.

González, M.

Manero, J.M.

Peña, J.

Rodríguez, D.

UPCommons (Universitat Politècnica de Catalunya)

Biomecánica

Estudio de la biocompatibilidad de una nueva  aleación beta-titanio de bajo módulo de elasticidad

UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC

24M. GONZÁLEZ, D. RODRÍGUEZ, F.J. GIL, J. PEÑA, J.M. MANERO.Grupo de Biomateriales, Biomecánica e Ingeniería de Tejidos (BIBITE).Dpto. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).Correspondencia:Marta GonzálezGrupo de Biomateriales, Biomecánica e Ingeniería de Tejidos (BIBITE). Dpto. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. E.T.S. Enginyeria Industrial deBarcelona (ETSEIB), Pavelló E. Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Av. Diagonal 647; 08028 - BarcelonaE-mail: Marta.Gonzalez.Colominas@upc.eduEstudio de la biocompatibilidad de una nueva aleación beta-titanio de bajo módulo de elasticidadBiomecánica, 18(1), 2010, pp 24-28IntroducciónLa aplicación de biomateriales metálicos en el ámbito de los implantes biomédicos es un éxito indiscutible en un gran número de aplicaciones, pero adolece de problemas en algunos ámbitos de aplicación debido a la elevada rigidez que presen-tan estos biomateriales, superiores en un orden de magnitud a la que tienen los materiales biológicos. La elevada rigidez del implante provoca el afloja-miento de la prótesis, debido a la pérdida de masa ósea provocada por el apantallamiento de cargas [1,2].Se han estudiado diversas vías para reducir la rigidez efectiva de los biomateriales metálicos, que van desde el diseño de productos sanitarios con geometrías complejas al uso de biomateriales con morfologías de espumas o fabricadas mediante técnicas de prototipado rápido.El presente trabajo analiza la biocompatibilidad del resultado de una vía diferente, a saber, la obten-ción de biomateriales metálicos de bajo módulo elástico. En concreto, se explora la posibilidad de obtener aleaciones de titanio en fase beta con un módulo de elasticidad inferior a 50GPa, muy redu-cido en comparación con el acero inoxidable AISI 316, de uso habitual en placas y clavos de osteosín-tesis, con un módulo de elasticidad de 200GPa. Para obtener dicha aleación, se exploró el espacio de fase formado por la adición de aleantes betáge-nos al titanio, como Nb, Ta, Zr, Hf y Mo, mediante el empleo de métodos teóricos semiempíricos para la optimización de la búsqueda en dicho espacio de fase, obteniendo como resultado optimizado la aleación Ti-16.2Hf-24.8Nb-1Zr. Esta aleación pre-senta un módulo de elasticidad de 46GPa después de ser laminada en frío [3].Los resultados obtenidos permiten establecer la excelente biocompatibilidad de la aleación desarro-llada, tanto a nivel de su resistencia a la corrosión en medio fisiológico como a nivel de la respuesta celular en cultivos in vitro. Como conclusión se sugiere la posibilidad de que dicha aleación pueda ser utilizada en implantología de transferencia de carga con el fin de reducir el apantallamiento de cargas y favorecer el remodelado óseo.Materiales y métodosPara realizar el estudio de biocompatibilidad de la aleación de bajo módulo Ti-16.2Hf-24.8Nb-1Zr (wt%) desarrollada se ha realizado un estudio del comportamiento electroquímico de la aleación obtenida en medio fisiológico, así como mediante el estudio experimental in vitro de la respuesta ce-lular osteoblástica a dicho material. La condición del material estudiado es de laminado al 95% de reducción del espesor. Como control en el estudio se ha tomado la aleación titanio comercialmente puro (c.p.) grado 2, ampliamente usada en aplica-ciones implantológicas. Para el estudio todas las muestras han presentado una superficie especular con una Ra<15nm conseguida mediante pulido mecánico.Comportamiento electroquímicoSe han realizado ensayos de potencial libre y de voltametría cíclica de la aleación en su condición de trabajado en frío. Los ensayos se han realizado con tres réplicas por condición estudiada. En cada ensayo se han empleado 125 ml de electrolito, Solución de Hanks, de Sigma-Aldrich, (HBSS, Hank’s Balanced Salt Solution). El electro-lito se ha mantenido a 37ºC mediante un baño ter-mostático. Como electrodo de referencia respecto al cual se han medido los potenciales se ha utili-zado un electrodo saturado de calomelano (SCE). 25Como contraelectrodo se ha empleado una barra de grafito. El equipamiento usado en los ensayos fue un potenciostato ParStat 2273 Advanced Electroche-mical System, siguiendo las normas ASTM G5 y ASTM G31-92. Los ensayos de potencial libre se han realizado en circuito abierto durante 3 horas, para estudiar la estabilidad del sistema y compro-bar que la preparación de las probetas ha sido co-rrecta. Como potencial libre se ha tomado el valor de voltaje que ha permanecido estable durante 30 minutos. Los ensayos de voltametría cíclica se han realizado incrementando el voltaje de -0,3 a 4 V a una velocidad de 1 mV/s.Respuesta celular in vitroPara evaluar la respuesta celular in vitro del material estudiado se ha realizado un ensayo de cuantificación de la adhesión celular. Se han eva-luado dos tipos de muestra:• Material en su condición de estudio• Ti c.p. grado 2 (patrón)Las células se han cultivado en D-MEM (Dulbecco’s Modified Eagle Medium) con 10% FCS (suero fetal de ternero), suplementado con L-glutamina, penicilina- estreptomicina y piruva-to sódico. Se ha utilizado la línea de células pre-osteoblásticas MG63 de la American Type Cultura Collection, provenientes de un osteosarcoma hu-mano, ya que son células de comportamiento co-nocido y ampliamente reportado en la literatura. Se han sembrado 30.000 células en cada pocillo y se ha utilizado 1ml de medio por pocillo. Las muestras se han dejado reposar durante un perío-do de tiempo de 4 horas. Para estudiar la morfo-logía de las células adheridas en cada superficie, se realizaron observaciones mediante microscopía de fluorescencia. Como marcadores del núcleo ce-lular, filamentos de actina y puntos focales se han empleado respectivamente Hoechst, rodamina-faloidina y goat anti-mouse 488. Se ha realizado la cuantificación de la adhesión mediante contaje de células por unidad de área y del spreading mostra-do por las mismas, mediante el software de análisis de imagen Image-J de imágenes tomadas mediante un microscopio de fluorescencia Nikon E-600. Resultados y discusiónResultados de comportamiento electroquímicoLos resultados muestran una mayor resistencia a la corrosión de la aleación con el 95% de reduc-ción del espesor, con un potencial libre medio de 0,241mV (Figura 1). Cabe destacar que la aleación en dicha condición de trabajo en frío está forma-da por una estructura nanocristalina de granos de fase beta [3]. Este resultado coincide con la mejor resistencia a la corrosión reportada en la literatu-ra para muchas aleaciones con estructura nano-cristalina [4,5,6]. La nanocristalinidad mejora la difusión a través del material, debida a la mayor relación de superficie respecto de volumen causa-do por el mayor número de límites de grano. La mayor difusión facilita la formación de la capa de Figura 1. Curvas de potencial de circuito abierto, E, en función de tiempo obtenidas en la superficie de Ti c.p., de la nueva aleación sin trabajo en frío y con un 5 y un 95% de reducción del espesor (a) y media del potencial de circuito abierto correspondiente a las tres réplicas ensayadas (b).26óxido protectora. Cabe destacar, además, que no existen diferencias significativas entre las demás superficies estudiadas.Los ensayos de voltametría cíclica muestran una mejor respuesta (menor corriente circulante) en la nueva aleación de estudio, Ti-16.2Hf-24.8Nb-1Zr, en todas las condiciones estudiadas, respecto a las muestras control de titanio c.p. grado 2 (Figura 2 y 3). Entre las diferentes condiciones ensayadas de la nueva aleación de estudio no existen diferencias estadísticamente significativas.Figura 2. Curvas de polarización cíclica correspondientes a: Ti c.p. (a), nueva aleación de estudio sin trabajo en frío (b), con 5% de reducción del espesor (c) y con 95% de reducción del espesor (d).Figura 3. Intensidades de corriente determinadas para diferentes rangos de potencial, obtenidos a partir de las curvas de polarización cíclica de las diferentes superficies de estudio.27Resultados de respuesta celularDebido a que el material de estudio va a ser uti-lizado en aplicaciones tales como una prótesis de cadera o en un implante dental, es necesario que tenga una alta adhesión celular, para favorecer la osteointegración y el remodelado óseo.Las imágenes de inmunofluorescencia de las células adheridas sobre las superficies después de cuatro horas de cultivo muestran que la nueva aleación de estudio presenta una buena respuesta celular, similar a la del Ti c.p. (Figura 4). Sin em-bargo, el contaje de células por unidad de área es ligeramente más bajo en el caso de la nueva alea-ción de estudio (Figura 5). Además, podemos ob-servar que no existen diferencias significativas en la morfología (área de adhesión) de las células del material estudiado respecto del Ti c.p. (Figura 5). Figura 4. Adhesión celular a cuatro horas sobre: Ti c.p. a x20 aumentos (a), Ti c.p. a x40 aumentos (b), nueva aleación con 95% de reducción del espesor. a x20 aumentos (c) y nueva aleación con 95% de reducción del espesor a x40 aumentos (d).Figura 5. Número de células adheridas por cm2 en Ti c.p. y en la nuevas aleación de estudio laminada a un 95% de reducción del espesor (a) y área media de las células adheridas sobre las superficies de los materiales anteriormente mencionados (b).28ConclusionesDe la caracterización electroquímica puede concluirse que la nueva aleación de estudio pre-senta una mejor resistencia a la corrosión que el Ti c.p. (material patrón).El estudio de la respuesta celular in vitro obte-nido a partir del estudio de adhesión después de cuatro horas de cultivo celular muestra la nueva aleación de estudio presenta una respuesta celular similar a la del Ti c.p.Los resultados obtenidos sugieren que la posi-bilidad de que la nueva aleación en la condición de bajo módulo elástico (95% de reducción del espe-sor) pueda ser utilizada como material para trau-matología. En concreto para aplicaciones de trans-ferencia de carga para reducir el apantallamiento de cargas y favorecer el remodelado óseo.AgradecimientosCon el apoyo de la Comisión para las Universi-dades y la Investigación del Departamento de In-novación, Universidades y Empresas de la Gene-ralitat de Catalunya y de la European Social Fund.BibliografíaH. Tang, Y. Jiang, X.Z. Luo, S.M. Ren and H.K. Genant. Assessment of periprosthetic bone loss after total hip arthroplasty, Chin. Med. J., 2002, (115):510–513M.I.Z. Ridzwan, S. Solehuddin, A.Y. Hassan, A.A. Shokri, M.N. Mohamad Ibrahim. Problem of Stress Shielding and Improvement to the Hip Implant Designs: A Review., J Med Sci, 2007; 7(3):460-467.M. González, J. Peña, J.M. Manero, M. Arcinie-gas and F.J. Gil. Optimization of the Ti-16.2Hf-24.8Nb-1Zr alloy by cold working, J. Mater. Eng. Perform., 2009, (18):506-510.W. Zeiger, M. Schneider, D. Scharnweber and H. Worch. Corrosion behaviour of a nanocrystalline FeA18 alloy. Nanostructured Materials, 1995; 6(5-8):1013-1016.D. Zander and U. Köster. Corrosion of amorphous and nanocrystalline Zr-based alloys, Mater. Sci. Eng. A, 2004; (375-377):53-59.R. Mishra, R. Balasubramaniam. Effect of nano-crystalline grain size on the electrochemical and corrosion behavior of nickel, Corrosion Science, 2004; 46(12):3019-3029.1.2.3.4.5.6.

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