para su uso en implantes médicos anton smi

329 Pages·2016·15.19 MB·English

CONSEJO SUPERIOR DE
INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID

DISEÑO Y PROCESAMIENTO DE NUEVOS MATERIALES COMPUESTOS
CERÁMICA-METAL (BIOCERMETS) PARA SU USO EN
IMPLANTES MÉDICOS

Memoria presentada para optar al grado de
DOCTOR EN CIENCIAS FISICAS

ANTON SMIRNOV

Director:
Dr. JOSÉ FLORINDO BARTOLOMÉ GÓMEZ

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Madrid 2016

CONSEJO SUPERIOR DE
INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID

DESIGN AND FABRICATION OF NEW CERAMIC-METAL
COMPOSITES (BIOCERMETS) FOR HARD TISSUE
REPLACEMENT APPLICATIONS

Thesis submitted for the degree of
DOCTOR OF PHILOSOPHY IN PHYSICS

ANTON SMIRNOV

Supervisor:
Dr. JOSÉ FLORINDO BARTOLOMÉ GÓMEZ

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Madrid 2016

To my parents

ACKNOWLEDGEMENTS
First of all, I thank Prof. José Serafín Moya for the opportinity to start the work at the
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM - CSIC). His knowledge and
assistance will always be remembered. Thank you for intellectual contribution to my
research and support during my studies.
Also, I would like to thank my tutor Prof. Miguel Manso Silván for his academic
guidance and support.
The success of this thesis is attributed to the extensive support and assistance from
my supervisor, Dr. José Florindo Bartolomé. I deeply thank him for his invaluable advice
and guidance throughout the research work, which was done at the Department of
Biomaterials and Bioinspired Materials of Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
(ICMM - CSIC). I would like to express my gratitude for his help whenever I had a
problem with my work or any problem during my staying in Spain. Thank you for
unlimited patience and for pushing me to learn and grow while reminding me to laugh and
have fun throughout the work as well as being my professional guru and friend.
Prof. Frank A. Müller and his team are gratefully acknowledged for the guidance
and teaching during the experimental work, which was done at the laboratories of Otto
Schott Institute of Materials Research (Jena, Germany). Danke (‘Thank you’) for your
support and friendship. I would especially like to thank André, Clemens and Anne for their
patience and help.
I would like to thank Prof. Ramón Torrecillas San Millán, director of the
Nanomaterials and Nanotechnology Research Center (Oviedo, Spain), and his group for
sintering zirconia based composites for this project. In particular I would like to thank
Toño, Teresa, Belen and Carlos for their kindness, help and friendship.
I’d like to thank to Mª Carmen Muñoz and Juan Ignacio Beltrán for theoretical
calculations.
I would like to express my thank to Dr. Ramiro Couceiro Otero (Health Research
Institute of Santiago, Santiago de Compostela, Spain), Dr. Arturo Martínez–Insúa (Instituto
de Cerámica de Galicia, Universidad de Santiago de Compostela, Spain) and Dr. Roberto
López-Píriz (Minimally Invasive Surgery Center, Cáceres, Spain) for their support in
preparing meticulous clinical and statistical expertise as well as for clarifying results
obtained in vitro and in vivo studies of the specimens used in this work.
I also would like to thank my friends and colleagues; Ivan, Pedro, Teresa, Maviael,
Lola, Rocio, Nines, Leticia, Raul and Gustavo for their encouragement and friendship. I am
grateful to all staff of the Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid for their kindness
and support.
Most importantly, I would like to thank my parents and family. This PhD degree
could not have been possible without their endless love, encouragement and support. My
special thanks are due to MDSGV for her love, encouragement and immeasurable support.
Last, but not least, I would like to thank all the organizations that financially
supported this work, including Spanish National Research Council (JAE PreDoc 2010
fellowship), Spanish Ministry of Science and Innovation (project MAT2012-38645) and
German Academic Exchange Service (project Re. 57050270).

Madrid, February 2016
Anton Smirnov
RESUMEN I

RESUMEN
Hasta la fecha los biomateriales utilizados en implantes estructurales han sido
seleccionados por sus propiedades mecánicas y por tener una influencia nula o muy
pequeña en los tejidos vivos que los rodean. Estos materiales satisfacen exclusivamente las
condiciones de carga impuestas en entornos fisiológicos pero no reproducen fielmente las
propiedades mecánicas, químicas y la compleja arquitectura del hueso. La diferencia entre
las propiedades elásticas correspondientes al implante y el hueso adyacente genera una
desigual aplicación de carga que provoca la pérdida de fijación del implante y su posible
rotura. La naturaleza magnética de los implantes de acero y los formados por aleaciones de
Co-Cr provoca una interacción con los campos magnéticos durante las pruebas de
diagnósticos realizadas por resonancia magnética nuclear (RMN), lo que da lugar a
calentamiento y/o movimiento del implante o artefactos en las imágenes producidas. Las
sensibilidad y/o alergias a los implantes metálicos y la posible relación con efectos
cancerígenos desarrollados en un periodo corto de tiempo hacen imperativa la eliminación
del uso de metales tóxicos en los implantes. Por otro lado, los materiales cerámicos que se
utilizan hoy en día (alumina y circona) presentan problemas de fragilidad y envejecimiento.
Además, los diferentes materiales usados en prótesis articulares (polímero principalmente)
presentan importantes problemas clínicos debidos a su gran desgaste y la generación de
partículas.
Por lo tanto, tras décadas de investigación todavía existe la necesidad de desarrollar
implantes con adecuadas propiedades mecánicas, biocompatibilidad, alta resistencia a la
corrosion y bajo desgaste, así como una buena osteointegración. (Fig. 1).
II RESUMEN

•No presentanproblemasde diagnóstico
(Resonanciamagnéticanuclear)
D
•Biocompatibilidad
•Facilmentemecanizables
C E paraobtenernuevos
diseñosde prótesis
Biocermet
B A
•Alta resistenciaa la
degradaciónporfatiga •Alta propiedades
y desgaste mecánicasy tolerancia
a los defectos
Fig.1. Propiedades que un biomaterial ideal debe tener
En la presente tesis se han desarrollado nuevos materiales multifuncionales con matrices
cerámicas (3Y-TZP, Al O ) con alta dureza, resistencia al desgaste e inercia química
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reforzados con un metal (Tántalo) no tóxico ni magnéticos mediante diferentes rutas de
procesamiento de polvos (homogeneización en vía líquida o vaporización por láser) y
sinterización (sin presión, prensado en caliente o por descarga de plasma) y con diferentes
microarquitecturas (nano-micro-macro).
Se han evaluado las propiedades mecánica tanto en condiciones críticas como subcríticas
(fatiga) y las propiedades tribológicas, obteniéndose materiales con altas prestaciones
mecánicas. Además también se han determinado las propiedades frente al envejecimiento
acelerado, indicando que los materiales desarrollados tienen un comportamiento estable
frente al envejecimiento. Por otro lado se ha evaluado su biocompatibilidad mediante
estudios de proliferación celular in vitro (células madre mesenquimales humanas) e in vivo