Nanopartículas de vidrio bioactivo dopado con Zinc y recubrimientos de quitosano/vidrio bioactivo sobre implantes de titanio para evitar infección y promover osteointegración

Abstract

En este trabajo se investigó el diseño y evaluación de recubrimientos híbridos de quitosano y nanopartículas de biovidrio (BGNs) sobre sustratos de Ti-6Al-4V, con el objetivo de desarrollar superficies capaces de prevenir infecciones y promover la osteointegración en implantes permanentes. Se buscó lograr materiales bioactivos, estables frente a la corrosión y compatibles con células óseas. El estudio se dividió en dos etapas principales: en la primera se sintetizaron y caracterizaron BGNs dopadas y no dopadas con zinc; en la segunda, se incorporaron las nanopartículas seleccionadas en recubrimientos obtenidos mediante deposición electroforética (EPD), y se evaluaron sus propiedades fisicoquímicas, electroquímicas y biológicas. Las BGNs se sintetizaron por vía sol-gel y se sometieron a tratamientos térmicos a 700 °C. Se analizaron mediante DRX, FTIR, SEM-EDX y ensayos de bioactividad en fluido fisiológico simulado (SBF). También se evaluó su biocompatibilidad con células preosteoblásticas MG-63 y su potencial actividad antibacteriana frente a E. coli y S. aureus. Los resultados mostraron que todas las formulaciones presentaron morfología esférica, tamaño nanométrico (138 a 165 nm) y estructura amorfa. Las partículas sin dopar promovieron una rápida formación de depósitos compatibles con hidroxiapatita en SBF, mientras que las dopadas con zinc presentaron un retraso en este proceso. Asimismo, todas las muestras mantuvieron una viabilidad celular mayor al 80 %, sin efectos tóxicos evidentes, aunque no mostraron acción antibacteriana significativa. El bajo nivel de incorporación efectiva de zinc, sumado a la ausencia de ventajas en las propiedades funcionales, llevó a descartar el dopaje para la segunda etapa del trabajo. En la etapa de recubrimientos, se optimizaron los parámetros de EPD mediante un diseño Taguchi, seleccionándose una condición de 15 V, 3 min y disolvente metanol por su buena cobertura, uniformidad y adhesión (clase 1 según ISO 2409). Los recubrimientos obtenidos fueron homogéneos, estables en medio fisiológico y presentaron una alta incorporación de nanopartículas. El análisis por FTIR confirmó la presencia de los grupos funcionales del quitosano y las bandas características del biovidrio. Las mediciones de ángulo de contacto indicaron superficies hidrofílicas, adecuadas para la adhesión celular. En términos electroquímicos, los recubrimientos mejoraron significativamente la resistencia a la corrosión del sustrato metálico, reduciendo la densidad de corriente de corrosión al menos en un orden de magnitud. Tras 21 días en SBF, los recubrimientos conservaron sus señales estructurales y no mostraron pérdida de integridad evidente. Si bien no se detectaron de forma concluyente señales de fosfato asociadas a la formación de hidroxiapatita, se sugirió, con base en estudios previos con BGNs solas, que podría haberse iniciado el proceso de nucleación sobre las nanopartículas embebidas. Finalmente, los ensayos biológicos mostraron que las células MG-63 mantenían alta viabilidad y buena distribución sobre las superficies recubiertas, superando al metal pulido. En conclusión, se demostró que las BGNs sin dopar pudieron sintetizarse exitosamente mediante sol-gel y presentaron características adecuadas de bioactividad y biocompatibilidad. La técnica de EPD permitió obtener recubrimientos híbridos de quitosano y BGNs con buena adhesión, resistencia a la corrosión, estabilidad química y compatibilidad celular. Aunque no se verificó de forma directa la formación de hidroxiapatita sobre los recubrimientos, su comportamiento en medios simulados y su desempeño biológico indicaron un gran potencial para su uso en implantes óseos permanentes. En cuanto al dopaje con zinc, no se observaron mejoras significativas en la bioactividad, citocompatibilidad ni actividad antibacteriana. Se considera que esta falta de efecto se debió, principalmente, a una baja incorporación efectiva de Zn en las partículas (del orden del 1–2 mol %), lo que podría atribuirse a deficiencias en el diseño del proceso de síntesis, lo que habría limitado la liberación de iones al medio. Además, se observó que el dopaje con Zn retardó la formación de fosfato cálcico en ensayos de bioactividad. Por estas razones, el zinc fue descartado para su incorporación en los recubrimientos desarrolla