La habilidad de formar apatita parecida al hueso sobre la superficie de los materiales fue determinada in vitro mediante el uso de SBF, este análisis es útil para predecir cualitativamente y cuantitativamente la bioactividad. Una de las ventajas mas importantes de este análisis es poder predecir la bioactividad antes de examinar con animales y por lo tanto la reducción del número de animales utilizados y la reducción de la duración de los experimentos en animales, para su futuro análisis. La figura 4.20 presenta las graficas del incremento de peso de los materiales sintetizados contra el tiempo de incubación en SBF en el cual la mayoría de los compositos sujetos al examen incrementan peso debido a la formación de la apatita antes de 15 días de inmersión, mientras que el PU pierde peso de aproximadamente 1% por degradación, sin embargo a 21 días todos los compositos
pierden masa probablemente debido al desprendimiento de la capa de apatita formada y/o a una disolución en el SBF de la misma.
Figure 4.20. Incremento de masa de nHA y compositos después de la incubación en SBF.
4.2.9.1 Difracción de rayos X
El análisis de difracción de rayos X de los compositos mediante haz razante después de ser sometidos a 7 días de inmersión en SBF confirman que la fase obtenida es hidroxiapatita HA cristalina debido a que no se observa otra fase diferente a la que se tenia antes de ser sumergidas en el fluido (figura 4.21).
4.2.9.2 Espectroscopia de infrarrojo
El análisis de FTIR del PU, nHA y compositos (Figura 4.22) muestra los espectros con las bandas características de PU y nHA. Para PU, las bandas principales de C-O a 1732 cm−1, N-H vibración elástica a 3440 cm−1, vibración simétrica y asimétrica de CH2 a 2945 cm−1 y 2868 cm−1, respectivamente fueron observadas.
Para HA, bandas a 1033cm−1, 1095 cm−1, 565cm−1 y 603cm−1 correspondientes a los grupos PO43−; las bandas asignadas a los grupos hidroxil (OH-) a 634 cm−1 confirman la presencia de la fase HA. Mientras que para los compositos, no es observada una banda a
3573 cm−1 que corresponde a los grupos OH− debido a la probable formación de un enlace entre el PU de los compositos y la HA formada.
Figure 4.21. Difractograma de DRX de nHA y compositos después de 7 días de inmersión en SBF.
Figure 4.22. Difractograma de DRX (a) y FTIR (b) de nHA y compositos después de 7 días de inmersión en SBF.
4.2.9.3 Microscopia electrónica de barrido
En las figuras 4.23 a 4.27 se presentan las imágenes de microscopia electrónica de barrido tomadas en la superficie de los compositos después de la inmersión en SBF, los resultados confirmaron que los materiales son capaces de formar HA con formas esféricas en la superficie de los compositos (con excepción del PU) en un corto periodo de tiempo prediciendo que estos tendrán una alta capacidad de enlazarse al hueso vivo también en un corto periodo de tiempo.
La figura 4.23 presenta la superficie de las muestras después de un día de inmersión, en la cual ya se puede observar un crecimiento de la HA y se observan partículas esféricas menores a una micra.
Figure 4.23. Fotomicrografías de MEB de los compositos a un día de sumergir en SBF.
Para 7 días de inmersión, el tamaño de las partículas esféricas incrementa considerablemente (entre 2-5 μm) y la formación de aglomerados es observada con el incremento del tiempo. Las partículas son de mayor tamaño y se acumulan unas sobre otras formando una capa compacta de mayor espesor (Figura 4.24).
Figure 4.24. Micrografías de MEB de los compositos a 7 días de la inmersión en SBF: (a) HA10; (b) HA20; (c) HA30 and (d) HA40.
La figura 4.25 presenta el desarrollo gradual de HA sobre la superficie de los compositos como resultado del incremento de los días de inmersión en SBF (14 días). En este tiempo de inmersión todos los compositos se observan cubiertos por una capa estrechamente compactada de HA con algunas grietas debidas a la perdida de humedad en la superficie y a la manipulación de las muestras.
Figure 4.25. Micrografías de MEB de los compositos a 14 días de la inmersión en SBF: (a) HA10; (b) HA20; (c) HA30 and (d) HA40.
Después de 14 días los compositos se mantuvieron en incubación dos semanas más, y se observa la apatita del mismo tamaño y forma anterior (figura 4.26 y 4.27). La formación de las capas de HA en los compositos aumenta de tamaño con el aumento del tiempo de inmersión en SBF y los aglomerados esféricos de la ultima capa de HA formada aumentan también comparados con otros compositos [35,37]. En la figura 4.26 se pudo observar el espesor de la capa de HA para 21 días de incubación con un tamaño entre 15 y 20 μm.
La formación de HA sobre la superficie de los compositos fue analizada cualitativamente por EDS, corroborando la presencia en la superficie de los compositos de iones calcio y fosforo. La HA detectada a un día de inmersión tuvo una relación promedio Ca/P de cerca de 1.5, mientras a la primera semana de inmersión la relación fue de aproximadamente
1.85. Después de 14 días de inmersión, todas las superficies fueron completamente cubiertas por una capa compacta de HA y la relación promedio Ca/P fue de alrededor de 1.6 y esta relación se mantuvo para un tiempo de 21 días, en la Tabla IV.5 se muestran estos resultados.
Figure 4.26. Micrografías de MEB de los compositos a 21 días de la inmersión en SBF.
Tabla IV.5. Se presentan las relaciones Ca/P antes y después de la inmersión en SBF. Muestra Antes de
análisis 1 día 7 días 14 días 21 días 28 días
HA10 1.56 1.46 1.75 1.68 1.65 1.88
HA20 1.58 1.56 1.84 1.55 1.66 1.74
HA30 1.61 1.42 1.87 1.61 1.66 1.56
HA40 1.51 1.51 1.92 1.66 1.67 1.73
Figure 4.27. Micrografías de MEB de los compositos a 28 días de la inmersión en SBF.
La figura 4.28 presenta los análisis por EDS antes y después de la inmersión para los compositos HA40 a 21 días de incubación y en estas es fácilmente observado el incremento en la señal de los elementos Ca y P como resultado del crecimiento de HA.
De acuerdo a los resultados obtenidos, es importante hacer una pequeña discusión respecto al comportamiento esperado de los materiales sinterizados en el caso de ser expuestos a pruebas in vivo. Sabemos que las fases presentes en los materiales son biocompatibles, por lo que se esperaría descartar totalmente problemas relacionados de toxicidad en caso de ser implantados [1,2,6]. Por otro lado, a partir de este estudio, analizando las propiedades de absorción de agua y degradación de los compositos, es de esperarse que a medida que aparecen los poros en el material puede ayudar a mejorar la regeneración de hueso nuevo cuando el material es implantado; esto es, la mezcla de las dos fases de HA y PU actúan como semillas para el hueso nuevo y soporte
respectivamente, actuando como fuentes de Ca y P necesarios la formación de hueso [38].
Figura 4.28. Análisis de EDS antes (a) y después (b) de la inmersión en SBF.
CONCLUSIONES
1.
Polvos de nHA pudieron ser exitosamente fabricados mediante diferentes métodos de síntesis (precipitación con agitación mecánica, precipitación con agitación ultrasónica, cristalización hidrotérmica y sol-gel) a baja temperatura con sustitución parcial de grupos (CO32-); los polvos nanocristalinos en todos los casos, se presentan como aglomerados submicrométricos con diferentes morfologías, así como composición homogénea y muy cercana a la estequiométrica.2.
De los métodos utilizados para la síntesis de nHA, el método de precipitación con agitación ultrasónica reduce considerablemente el tiempo de síntesis de nHA y provee características nanométricas al material, lo que conlleva a una alta área superficial (valor) y por lo tanto mayor interacción matriz-refuerzo.3.
Materiales compositos híbridos PU/nHA con incorporación in situ de nHA con concentraciones de 0, 10, 20, 30, 40 % en peso, fueron exitosamente fabricados mediante un método de polimerización en dos pasos. La nHA fue homogéneamente dispersa en la matriz de PU.4.
El método de síntesis con incorporación in situ de los polvos de nHA durante la polimerización, promueve un enlace químico entre la matriz y la fase de refuerzo (nHA).5.
La estabilidad térmica del PU incrementa por la incorporación de nHA en todos los compositos, sin embargo existe una mayor estabilidad a porcentajes de 10 y 20% en peso.6.
Los compositos hibridos resultantes presentaron propiedades mecánicas satisfactorias para un posible uso en sustitución en una futura aplicación, especialmente los compositos de composición 10% y 20% de nHA debido a un mayor modulo y baja degradabilidad.7.
Es posible incrementar o decrementar la suceptibilidad a la degradación con la variación del porcentaje de nHA en los compositos.8.
Los grupos hidroxilo de la nHA actúan como elementos de nucleación para la formación de los nuevos cristales de hidroxiapatita en la superficie de los compositos.9.
Crecimiento de HA en la superficie de todos los compositos después de sumergir en SBF aseguran alta bioactividad e interacción química favorable para una futura implantación permitiendo una estrecha unión con el tejido circundante.10.
Todos los compositos con porcentajes de 10-40% en peso presentan características distintivas y podrían ser en un futuro, estudiados in vivo como sustituto de hueso o en situaciones médicas específicas.Referencias
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