Aleaciones de Mg como potenciales implantes temporarios: modificación superficial para controlar la degradación. Estudio in vitro

Abstract

El magnesio y las aleaciones base magnesio se presentan como materiales atractivos para ser utilizados como implantes temporarios en el campo ortopédico debido a: (i) su buena resistencia mecánica y compatibilidad en módulo elástico con el tejido óseo (en comparación a los polímeros y otros metales), (ii) su biocompatibilidad, (iii) su capacidad para biodegradarse y (iv) la potencial capacidad de sus productos de degradación para influir en la formación de tejido nuevo en su entorno. A diferencia de los metales actualmente utilizados en el área ortopédica (acero inoxidable, aleaciones de titanio y aleaciones cromo-cobalto), los implantes de magnesio biodegradables eliminarían la innecesaria residencia del metal en el cuerpo o la necesidad de una cirugía de remoción una vez reparada la fractura. Sin embargo, estos materiales exhiben una tasa de degradación elevada en los fluidos corporales con altas concentraciones de cloruros. Para su aplicación como potenciales implantes temporarios biodegradables, dicha alta velocidad de corrosión podría conducir a la falta de integridad mecánica durante la formación del nuevo tejido óseo y a la inflamación aguda de los tejidos (relacionada con la liberación del gas hidrógeno que acompaña a la disolución del magnesio). Las estrategias reportadas en literatura para controlar efectivamente la degradación de estos materiales (y sus problemas asociados) incluyen control de la microestructura (tamaño de grano, impurezas, etc.), aleación con otros elementos y tratamientos de modificación superficial. El desafío que se planteó en este trabajo fue modificar superficialmente dos aleaciones de magnesio (AZ31 y AZ91), con el fin de desarrollar películas protectoras de bajo costo, de fácil escalado y procesamiento que generen una barrera parcial a la degradación del magnesio y desprendimiento de hidrógeno, que al mismo tiempo sean biocompatibles y, de ser posible, bioactivas. Las modificaciones superficiales realizadas incluyeron tratamientos químicos en dos soluciones alcalinas distintas (solución de hidróxido de potasio (KOH), y solución de silicato de sodio en KOH) sobre ambas aleaciones, así como también tratamientos electroquímicos por la técnica de anodizado en KOH (solución 0,1 mol/L y 5 mol/L) sobre la aleación AZ91. Las modificaciones propuestas se caracterizaron a tiempo cero y se estudiaron in vitro sumergiendo las muestras en fluido biológico simulado (SBF) y manteniéndolas en estufa a 37°C por 7 días. Durante el trabajo se utilizaron técnicas electroquímicas como resistencia a la polarización (RP), espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y curvas potencio-dinámicas combinadas con técnicas de caracterización superficial como microscopía óptica (MO), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía Raman y medidas de rugosidad. Además, se llevó a cabo un ensayo para determinar las diferencias en la cantidad de hidrógeno desprendido luego de cada tratamiento superficial sobre la aleación AZ91 a través de la obtención y el procesamiento digital de imágenes. A partir de los ensayos electroquímicos se determinaron densidades de corriente de corrosión para todas las condiciones y se discutieron las limitaciones experimentales de los distintos métodos utilizados durante la realización del proyecto. Los ensayos de caracterización superficial in vitro luego de una semana en SBF a 37°C arrojaron resultados promisorios: en los espectros Raman se encontraron señales que pueden ser asociadas a carbonatos y fosfatos de calcio presentes en la hidroxiapatita carbonatada (HAC), indicando que existe algún grado de bioactividad luego de 7 días en inmersión. Este hecho fue confirmado a través de SEM sólo para el tratamiento químico en silicatos y ambos anodizados sobre la aleación AZ91, en los cuales pueden observarse compuestos con la morfología característica de la HAC. Los ensayos de rugosidad superficial mostraron resultados prometedores para las condiciones anodizadas ya que las mismas presentaron parámetros de rugosidad mayores que las muestras control. Según literatura, estas superficies serían más propensas a la osteointegración in vivo que superficies más lisas. Los ensayos electroquímicos mostraron buenos resultados sobre la aleación AZ91. Sin embargo, con las modificaciones utilizadas sobre la aleación AZ31 no fue posible obtener formación de películas superficiales con propiedades superadoras a las del material desnudo (control). La aleación AZ91 manifestó una mayor resistencia a la degradación con las modificaciones electroquímicas a tiempo cero. Mientras que luego de 7 días se obtuvieron muy buenos resultados en las muestras tratadas con silicatos y anodizadas en KOH 0,1 mol/L. A partir del ensayo de evolución de H2, se obtuvieron resultados favorables para las aleaciones anodizadas. Las superficies anodizadas presentan una tasa de generación de hidrógeno muy baja, mientras que las muestras tratadas en silicatos mostraron la misma generación de burbujas que las muestras control (12 veces superior a las anodizadas). Este hecho es de gran importancia frente la necesidad de disminuir la evolución de gas en los primeros instantes del contacto del material con el medio fisiológico, pensando en una posible implantación. En base a los resultados, se puede decir que el tratamiento electroquímico en KOH 0,1 mol/L sobre la aleación AZ91 es una modificación superficial prometedora para avanzar a ensayos in vivo. Por último, se realizó un análisis económico básico considerando como ejemplo la aplicación de dicha aleación anodizada en fracturas de muñeca. Se concluyó que sería posible la inserción de la misma en el mercado como implante biodegradable. Mail de los autores Julieta Moreno <julietamoreno4102@gmail.com>