Procedimiento de obtención de un biomaterial con recubrimiento metálico.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un biomaterial, con recubrimiento metálico, mediante un método metalúrgico de inmersión de un sustrato metálico de base de titanio en una aleación fundida de aluminio y silicio. A su vez la presente invención se refiere al uso de dicho biomaterial para aplicaciones biomédicas.

Procedimiento de obtención de un biomaterial con recubrimiento metálico.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un biomaterial, con recubrimiento metálico, mediante un método metalúrgico de inmersión de un sustrato metálico de base de titanio en una aleación fundida de aluminio y silicio. Además la presente invención se refiere al uso de dicho biomaterial para aplicaciones biomédicas.

Estado de la técnica anterior

Desde la década de los años 70 los implantes quirúrgicos empleados en traumatología y cirugía ortopédica han sido fabricados usando aceros inoxidables austeníticos, aleaciones CoCrMo, y aleaciones de titanio. En relación con otros biomateriales cerámicos y poliméricos, los biomateriales metálicos poseen la capacidad de soportar cargas que pueden llegar a ser extremadamente elevadas y de naturaleza dinámica. Ejemplos típicos de implantes sometidos a niveles altos de carga son las prótesis de rodilla y cadera o los implantes dentales, entre otros. Los datos de supervivencia muestran que después de 15 años en servicio, entre un 15 y un 25% de los implantes habrá fallado, y un pequeño porcentaje de ellos cesará su función antes. Este hecho no plantea grandes problemas si la esperanza de vida de los pacientes que los reciben no es demasiado larga. Sin embargo, el aumento de la esperanza de vida de la población en los países desarrollados está incrementando dramáticamente la tasa de fallos y la consiguiente proporción de las cirugías de revisión para reemplazar las prótesis (hoy en día representan hasta un 25% de las intervenciones). Estas revisiones son técnicamente más difíciles que las artroplastias primarias, están asociadas con más complicaciones clínicas, y tienen resultados clínicos menos predecibles. Para los pacientes más jóvenes (más activos), una segunda e incluso una tercera revisión podrían ser necesarias. Estos hechos han propiciado que numerosos grupos de investigadores trabajen en el desarrollo de nuevos biomateriales con mejores propiedades que garanticen su funcionalidad a largo plazo.

Las aleaciones CrCo son ampliamente utilizadas en la sustitución de articulaciones debido a su razonable resistencia al desgaste. Sin embargo, las aleaciones CrCo no son 100% biocompatibles. De hecho el Co ha sido citado como un metal que puede ser tóxico para el cuerpo humano. En comparación con otras aleaciones metálicas, las aleaciones CoCrMo presentan una densidad más alta.

Los aceros inoxidables austeníticos son materiales biotolerables con un bajo coste y fáciles de mecanizar. Por lo tanto, son ampliamente utilizados en la producción de implantes permanentes o en componentes que están en contacto con el cuerpo humano, tales como útiles para la reducción de fracturas, relojes, etc. Dichos aceros se han utilizado debido al excelente compromiso entre sus características, tales como resistencia mecánica intrínseca, estabilidad frente una variedad de diferentes formas de corrosión, y resistencia al desgaste.

El titanio y las aleaciones con base de titanio manifiestan una excelente biocompatibilidad in vitro e in vivo. Dentro de esta familia de aleaciones, la de Ti6Al4V es la más utilizada. La aleación de Ti6Al4V es menos biocompatible que el Ti puro, pero debido a sus mejores propiedades mecánicas es apreciada en la fabricación de componentes sometidos a carga. Sin embargo, su pobre resistencia al desgaste restringe su uso en superficies deslizantes, tales como componentes articulantes. Su excelente resistencia a la corrosión se basa en su capacidad para desarrollar espontáneamente en la superficie una capa de óxido no estequiométrico tipo TiO₂ que justifica la baja cesión de iones al medio (en ausencia de fricción). Sin embargo, la presencia de V en la capa de pasivado, que es tóxico tanto en su forma atómica como en su forma óxido (E. Eisenbarth et al, Biomaterialien 2001; 2(4)), podría ser una fuente de efectos sistémicos a largo plazo. El carácter citotóxico del V ha desencadenado un gran interés en el desarrollo de aleaciones alternativas (Ti6Al4Nb, TiAlFe, etc.) o de recubrimientos según se describe en el artículo de Saldaña et al., en J Biomed Mater Res A. 2005; 73:97-107.

Por otro lado el proceso de inmersión en un baño fundido de una aleación Al-Si ha sido utilizado para la modificación superficial en aceros ferríticos para mejorar su comportamiento magnético en aplicaciones eléctricas según los artículos de T. Ros-Yañez, Y. Houbaert, J. Appl. Phys. 91 (2002) 7857; y en T. Ros-Yañez, et Al. Rev. Metal. Madrid 36 (2000) 339, en aluminuros de Ti para mejorar su resistencia a la oxidación, (H.P. Xiong et Al, Mater. Sci. Eng. A, 433 (2006) 108), o en aceros inoxidables austeníticos para mejorar sus propiedades mecánicas superficiales (E. Frutos et Al. Surface and Coating Technology, 203 (2009) 2916-2920).

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un procedimiento de obtención de un biomaterial con un recubrimiento biocompatible mediante inmersión en un baño fundido de una aleación de Al-Si de un sustrato metálico con base de titanio. A su vez la presente invención proporciona el uso de este biomaterial para aplicaciones biomédicas.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un biomaterial que comprende la inmersión de un sustrato metálico, de titanio o aleación de titanio, en una mezcla fundida que comprende una aleación de aluminio y silicio.

Preferiblemente la mezcla fundida está a una temperatura inferior a 900ºC.

Los parámetros del proceso que influyen en las propiedades finales del biomaterial se refieren a la composición del baño fundido, temperatura, tiempo de inmersión, y ciclo térmico antes y después de la inmersión. Dichos parámetros deben ser optimizados en función de las propiedades del material a recubrir y de las propiedades finales deseadas.

La aleación fundida está a una temperatura superior a la temperatura de fusión con el fin de disminuir su viscosidad y contribuir a una mejor mojabilidad del sustrato metálico que se quiere recubrir.

En una realización preferida el tiempo de inmersión es menor a 40 min.

Preferiblemente la aleación de aluminio y silicio tiene un porcentaje atómico de silicio de entre el 12 y el 32% en masa.

En una realización preferida la aleación de titanio es Ti6Al4V.

En una realización preferida, el procedimiento de la invención además comprende un precalentamiento del sustrato metálico a una temperatura de entre 500ºC y 800ºC previo a la inmersión.

Antes de la inmersión o bien antes del precalentamiento del sustrato metálico, en el caso de realizarse, se puede someter al sustrato metálico a un proceso de limpieza mediante métodos químicos conocidos por cualquier experto en la materia.

En otra realización preferida el procedimiento de la invención además comprende un tratamiento térmico posterior a la inmersión que comprende:

La presente invención incluye la posibilidad de utilización de dichos tratamientos térmicos posteriores a la inmersión con el fin de relajar las tensiones residuales e incrementar los espesores de los recubrimientos, lo que puede afectar significativamente a las propiedades superficiales y en consecuencia a la respuesta biológica. Sin embargo, hay que tener en cuenta que diferentes composiciones, el tiempo, y la temperatura, producen distintos espesores debido a reacciones de transformaciones de fase en estado sólido.

En otra realización preferida el procedimiento de la invención además comprende un tratamiento superficial de tipo químico y/o físico del producto obtenido. En una realización más preferida el tratamiento químico es una limpieza en medio ácido. Y en otra realización más preferida el tratamiento físico es de desbaste y posterior pulido.

El procedimiento de la invención proporciona un recubrimiento tenaz, resistente a la corrosión y biocompatible, esta última característica es debida... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de obtención de un biomaterial que comprende la inmersión de un sustrato metálico, de titanio o aleación de titanio, en una mezcla fundida que comprende una aleación de aluminio y silicio.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la mezcla fundida está a una temperatura inferior a 900ºC.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde el tiempo de inmersión es menor a 40 min.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la aleación de aluminio y silicio tiene un porcentaje de silicio de entre el 12% y el 32% en masa.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la aleación de titanio es Ti6Al4V.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que además comprende un precalentamiento del sustrato metálico a una temperatura de entre 500ºC y 800ºC previo a la inmersión.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que además comprende un tratamiento térmico posterior a la inmersión que comprende:

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que además comprende un tratamiento superficial de tipo químico y/o físico del producto obtenido.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, donde el tratamiento químico es una limpieza en medio ácido.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, donde el tratamiento físico es de desbaste y posterior pulido.

11. Biomaterial obtenible por el procedimiento descrito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Biomaterial según la reivindicación 11, caracterizado por poseer un recubrimiento que comprende aluminio en un porcentaje en peso de entre el 5% y el 20%, silicio en un porcentaje en peso de entre el 50% y el 70% y titano en un porcentaje en peso de entre 25% y el 45%.

13. Biomaterial según cualquiera de las reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado por tener a temperatura ambiente un recubrimiento con una dureza de al menos 3 GPa y un módulo elástico de entre 100 GPa y 150 GPa.

14. Biomaterial según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, donde el tamaño de grano del recubrimiento metálico es menor de 1 μm.

15. Biomaterial según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, donde el espesor del recubrimiento metálico es menor a 100 μm.

16. Uso del biomaterial según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, para la fabricación de un implante o dispositivo biomédico.

17. Uso según la reivindicación 16, donde el implante es un implante dental u ortopédico que se selecciona de entre prótesis de rodilla, hombro o codo.