90 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 21, N° 2,2001,90-95.

BIOACTIVIDAD DE VIDRIOS MODIFICADOS DEL SISTEMANa20·CaO·Si02·P20S

l. Barrios de Arenas', C. Schattner-, M. Vásquez-

1 Lab. de Microscopía Electrónica, Departamento de Tecnología de Materiales, l.U.T. - RegiónCapital, PO Box 40347, Caracas 1040. Venezuela. e-mail:

2. Departamento de Ciencias de Materiales, Universidad Simán Bolívar, Sartenejas. Venezuela.

Resumen.

Desde hace algunos años se han ido desarrollando materiales cerámicos especiales, cuyas propiedades permiten que éstossean usados como reemplazo de hueso en humanos. Una de las propiedades que se destaca en estos materiales es labiocompatibilidad, que permite que el material sea aceptado por el organismo aún cuando no interactúe con el. Muchosinvestigadores han estudiado la bioactividad de cerámicas y vidrios, así como su capacidad de unión con tejidos blandos yduros. Hench y sus colaboradores descubrieron que es posible la unión química entre huesos y vidrios de ciertas composiciones,los cuales denominaron vidrios bioactivos, encontrando numerosas aplicaciones en la reparación y reconstrucción de tejidosenfermos y dañados, especialmente en huesos. El B203 YAI203 se usan para modificar la superficie de disolución, la durabilidady las características de fusión y formabilidad de los vidrios bioactivos; sin embargo la alúmina (A 12°3) a diferencia del B203puede inhibir el proceso de unión entre el material bioactivo y el hueso, siendo la cantidad aceptable de alúmina, una función dela composición del vidrio. El propósito de este trabajo fue estudiar la influencia de la adición BP3 y AIP3 en proporcionesvariables sobre la bioactividad de vidrios del sistema Na20·CaO·Si02·P20S' investigando in vitro la formación de la capa deapatita en la superficie de los vidrios, sumergiendo las muestras en un fluido simulado del cuerpo, que es una solución acuosasin celulas de una concentración iónica similar a la del plasma de sangre humana. La superficie de reacción fue estudiada usandoMicroscopía Eléctrica de Barrido (MEB) Yla capa depositada fue analizada por distribución lineal de barrido usando un detectorUTW. Los perfiles composicionales de la capa formada sobre la superficie de los substratos mostraron que esta capa es rica encalcio y fósforo, caracterizada en trabajos anteriores como apatita. Esta fase creció en los vidrios todas las composicionesestudiadas excepto en aquellas con una relación BP/ Al203 mayor a 0,55.

Palabras Claves: Bioactividad; Biocompatibilidad, Fluido Simulado del Cuerpo (SBF), Microscopía Electrónica.

Abstract.

Special materials ha ve been developed with properties which allow them to be used where abone replacement is needed. Animportant property of these materials is the biocompatibility, this property allows that these materials are accepted by theorganism although there is not interaction with it. Research works bave been carried out on the bioactivity of ceramics andglasses studying their bond to soft or hard tissues. Hench and co-workers discovered that chemical bonding between aboneand certain glass compositions is possible, so called bioactive glasses, encountering them nurnerous applications in the repairand reconstruction of diseased and damaged tissue, especially hard one (bone). B203 and Al203 have been used in bioactiveglasses to modify its surface dissolution and durability, melting and forming characteristics; however, Al203 in contrast to B203can inhibit bone bonding, being the acceptable amount of alumina a function of glass composition. The purpose of this workwas to study the influence ofvariable B203 / Al203 addition on the bioactivity Na20·CaO-Si02·P20S glasses, being the formationof the apatite layer on the glasses surface investigated in vitro soaked at different timeintervals, using simulated body fluid, anacellular aqueous solution which has similar ion concentration to human blood plasma. The reaction surface was studied usingScanning Electron Microscopy (SEM) and the deposited layer was analysed by EDX line scans using UTW detector. Thecompositional profiles of the deposited surface and substrate showed a layer rich in calcium and phosphorous characterised inprevious works as apatite. This phase has grown in al! studied compositions except those with B203 / Al203 contents higher than0,55.

Keywords: Bioactivity, Biocompatibility, Simulated Body Fluid (SBF), Electron Microscopy.

1.Barrios y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

1. Introducción

Un material bioactivo es aquel que proporciona unarespuesta biológica específica en la interface del material,que resulta en la unión entre el material y los tejidos. Todomaterial bioactivo forma una unión interfacial con tejidosadyacentes. Sin embargo, el tiempo de unión, la resistenciade la unión, el mecanismo de unión yel espesor de la zona deunión difiere entre ellos [1-4].

La tasa de desarrollo de la unión interfacial entre el implantey el hueso puede ser referido a un nivel de bioactividad.Hench, introdujo un Índice de bioactividad (IB)(Ec. 1) rela-cionado al tiempo donde más del 50% de la superficie se haunido al hueso (tO,5bb). Un valor alto de este índice (entre 8-10), implica un tiempo de unión muy corto, lo cual garantizauna unión firme y estable tanto con el hueso como con lostejidos blandos [5].

91

(Ec.l)

En el diagrama temario Nap-Si02 -CaO (fig. 1) se puedeobservar la dependencia composicional con la bioactividad.En la región A, los vidrios son bioactivos y se unen al hueso,todas las composiciones en esta región tienen un 6% pesode P205; en el medio de esta área, hay una pequeña regiónindicada con una línea discontinua dentro de la cual tambiénocurre la unión con los tejidos blandos (IB> 8). Los vidriosde la región B, se comportan como materialesaproximadamente inertes y son encapsulados por tejidosfibrosos no adherentes cuando son implantados. Lascomposiciones en la región C, son reabsorbidos por el tejidoen un lapso de 10 a 30 días. [5]

CaO........

-:" "", :' <... ::; 'o,... • •

Fig. 1 Dependencia composicional (% peso) de la capacidad de los vidrios y vitrocerámicas bioactivas de establecer enlace con el hueso ylos tejidos suaves. [5]

Es importante tomar en cuenta que pequeños cambios enla composición de un biomaterial pueden afectarsignificativamente sus características, siendo posible queun material bioactivo se transforme en un material bioinerteo reabsorbible. Se ha demostrado que ciertas composicionesde vidrios, cerámicas, vitrocerámicas y composites tienen lacapacidad de desarrollar uniones mecánicamente fuertes conel hueso [1-4], estos son conocidos como "materialesbioacti vos", existen otras composiciones de vidriosbioactivos que forman unión tanto con el hueso comó conlos tejidos blandos [6,7]. La característica común entre ellos,es la modificación superficial cinética dependientedel tiempoque ocurre sobre el implante [2,3]. La superficie forma unaapatita hidroxicarbonada biológicamente activa (HCA), que

permite la unión interfacial con los tejidos, esta capa esquímicamente y estructuralmente equivalente a la fase mineraldel hueso y es responsable de la unión interfacial. La capacidadde algunos materiales ceramicos de establecer unión tantocon el hueso como con los tejidos blandos, se demostróprimero para un cierto rango de vidrios bioactivos quecontenían Si02, Na20, CaO, y P205 en proporciones específicas[4]. Existen tres claves composicionales características de estosvidrios que los distinguen de los vidrios tradicionales de estesistema: (1) menos de 60% mol de Si02, (2) alto contenido deNap y CaO y (3) Una proporción CaO/ PPs mayor que 5:1.Estas características composicionales hacen que la superficiedel vidrio sea altamente reacti va cuando se expone a un medioacuoso.

92 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 21, N° 2,2001.

Por métodos estadísticos (Ec 2), se encontró una relaciónentre el número de reacción (RN) y el porcentaje en peso decada uno de los óxido añadidos (% en peso), cuyo rango devalidez se presenta en la tabla 1 [8]. Este modelo considera,no sólo la biocompatibilidad del implante, sino que también

se diferencia entre un implante aceptable (RN = 4) Y unaunión firme (RN >5).

RN = 88,38751.12306[CaO]2.08689[AIP3]

- 0.01 16272 [SiOY - 0.980188[Nap]-- 1.20556[PPs] - 0.560527[BP3] -

(Ec.2)

COMP Si02

Tabla l. Rango de composiciones para recubrimientos bioactivos. [8J

CaO%PESO 38-65 15 - 30 0-3

Luego de muchos. análisis, Hench concluyó que labioactividad ocurresqlo dentro de ciertos límitescomposicionales y para relaciones de óxidos específicas enel caso de vidrios del sistema Si02, Na20, CaO, P20s' K02'MgO; sin embargo la ampliación de estos límitescomposicionales y las razones físicas y químicas de estoslímites no son muy conocidas [9].

Hench ha descrito los mecanismos de unión como unasecuencia de reacciones entre el vidrio y el fluido circundante[9], Gross y Strunz describieron esta unión desde un puntode vista biológico[lO], el conjunto de reacciones resulta enla formación de una capa rica en sílice adherida firmemente alhueso. Este tipo de vidrios pueden tener una alta disoluciónel cual podría reducir la confiabilidad largo plazo. La formatradicional de reducir la solubilidad del vidrio es a través dela adición de alúmina (Al203), también se conoce que laalúmina puede inhibir la unión al hueso y que un 1,5 % pesode A1203 puede ser añadido sin verse afectada lamineralización de los osteocitos [11].

En el presente estudio, se investigó la formación de lacapa de apatita en la superficie de.vidrios del sistema Si02,

Na20, CaO, y PP5 in vitro y el efecto producido en losmismos por la adición de B20} y A120} en diferentesproporciones.

2. Procedimiento Experimental

2.1 Preparación de los vidrios.

Las composiciones de los vidrios se formularon tomandoen cuenta el índice de bioactividad (lB)' introducido por Hench[5] yel número de reacción (RN), desarrollado por Andersson[8]. También se respetaron las tres claves composicionalesmencionadas anteriormente. Las composiciones de los vidriosse muestran en la Tabla 2, notando que todas cumplen conlas condiciones establecidas tal que muestren uncomportamiento bioactivo. Las materias primas fueron: Si02,

CHNa03' CaCO}, P20s' B203y Al203 con una pureza mayor al

10 - 24 0-8 0-3

99%. Las mezclas de óxidos fueron fundidas en un crisol deplatino por aproximadamente 6 horas, a una tasa decalentamiento de 5°C I min, manteniendo el horno por 60minutos a una temperatura de 1000°C para garantizar laeliminación de los carbonatos presentes y otros 30 minutosa 1450°C para lahomogenización y refinamiento del vidrio.La fusión fue vaciada en moldes cilíndricos de grafito de 10mm de diámetro precalentados a 500°C, pasando luego a unenfriamien to lento con el propósito de eliminar las tensionesdel vidrio. La superficie de los vidrios fueron desbastadas ypulidas con pasta de diamante de 1 !-lm.

2.2 Preparación del fluido simulado del cuerpo (FSC).

La solución acuosa se preparó de acuerdo a lasproporciones especificadas por Kokubo [12J en estudiosprevios, empleando los mismos reactivos de grado químicoque son NaCl, NaHC03, KCI, K2HP04·3Hp, MgCl2·6H20,CaCl2 y Na2S04. Estos se disolvieron en agua destiladaajustando el pH a 7,25 con la adición de 50 mM de un trisma(tris(hidroximetil)-aminometano (NH2C(CHPH)3) y 45 mMde ácido clorhídrico (HC1).

2.3 Inmersión en el FSC.

Las muestras fueron inrnersas en el fluido. Para mantenerla temeperatura del sistema a 36,5 ± 0,5 °C, se utilizó unaresistencia y un termostato incorporado a la misma, paramantener el fluido fresco sobre la muestra. Las muestras fue-ron extraídas a diferentes intervalos de tiempo (2, 3, 4 Y 5semanas), con el fin de analizar la evolución del proceso dereacción. Las muestras se limpiaron cuidadosamente conacetona, y fueron embutidas en una resina al frío, para luegocortar las transversal mente con un disco de diamante. Lassecciones transversales se desbastaron y pulieron con pas-ta de diamante de 1 um, para poder ser analizadas pormicroscopía electrónica de barrido fueron recubiertas conuna película de carbono.

1.Barrios y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 93

Tabla 2. composiciones de los vidrios [% peso1

Glass Si02 Na20 CaO P20S BZ03 Alz03 B2Oy'Ah03

1 49.0 23.0 23.0 4.0 0.4 0.6 0.662 49.0 23.6 22.0 4.0 0.5 0.9 0.553 49.0 23.8 21.6 3.8 0.6 1.2 0.504 49.0 24.0 21.0 3.6 0.9 1.5 0.605 48.0 24.9 20.8 3.5 1.0 1.8 0.556 47.0 25.5 20.7 3.4 1.3 2.1 0.627 46.0 26.3 20.0 3.7 1.6 2.4 0.668 46.0 26.2 19.8 3.3 2.0 2.7 0.74

3. Resultados y Discusión.

Al entrar en contacto el vidrio con la solución (FSC),ocurre un intercambio iónico entre los iones alcalinos del

vidrio (en este caso el Na+) y los iones hidrógeno de lasolución. Este intercambio es relativamente fácil debido aque los iones Na no son parte de los formadores de la redvítrea; Es importante resaltar que durante este intercambio,el resto de los componentes del vidrio no se ven afectados.Luego de esta etapa hay una disolución interfacial de la red,que provoca la ruptura de los enlaces Si-O-Si, creándoseluego enlaces Si-OH (silanol) en la superficie del vidrio encontacto con la solución de FSC. Ocurriendo luego lacondensación y repolímerización del silicio, que dá paso a laformación de una capa rica en sílice la cual es característica

de los vidrios bioacti vos. La migración de iones Ca2+ y PO42+

del vidrio a través de la capa rica en silicio, se depositan enel tope de la misma y originan la formación de una capa defosfato de calcio; que posteriormente crece debido a laincorporación de estos mismos iones provenientes de lasolución [13]. La migración de los iones de calcio y fosfato através del vidrio, se ve favorecida por las vacancias dejadaspor los iones alcalinos.

En el caso de la figura 2 (a) se puede observar la formaciónde una capa rica en sílice y una capa muy delgada e irregularrica-en calcio y fósforo. A pesar de tener el valor mas alto deRN, puede observarse en la tabla 3 que el crecimiento de lacapa rica en calcio y fósforo comenzó luego de 2 semanas enel fluido simulado del cuerpo, por lo tanto los vidrios decomposición 1 son considerados biocompatibles pero nobioactivos.

En las imágenes de las figuras 2 (b, e y e) se aprecia laformación de ambas capas, siendo la capa rica en calcio yfósforo de un espesor bastante uniforme, notando que enlas imágenes 2 (e y e), se aprecia una alta porosidad en lacapa rica en sílice, esto posiblemente se deba a la alta

migración de iones Na+ hacia la superficie del substrato, en

estos vidrios se observó la presencia de la capa de apatitadesde las primeras semanas por lo que los vidrios de compo-siciones 2, 3 Y5 son considerados bioactivos.

En las imagenes de la figura 2 (d, f y g) se nota la forma-ción de la capa rica en sílice y cerca de la resina se observauna variación de la tonalidad, pero de acuerdo con el perfilcomposicional esta variación no se debe a la formación de lacapa de apatita (alta concentración de iones de calcio y fós-foro), en la superficie del substrato sino simplemente a ungradiente de composición. De hecho en las otras imágenes,la zona que corresponde a la capa de apatita tiende a ser masclara que la correspondiente a la capa rica en sílice. Es posi-ble que en estos casos los óxidos de iones multivalentes seencuentran en una proporción tal, que ambos actúan comoformadores en la estructura vítrea, haciendo que el vidriotenga una alta resistencia química. En base a esto, los vidriosde composición 4, 6 Y 7 son considerados vidriosbiocompatibles. Finalmente la figura 2 (h)muestra la-seccióntransversal de un vidrio de composición 8 en el cual no ocu-rre ningún tipo de cambios. La solubilidad de este vidrio estan baja, que el proceso de reacción fue inhibido completa-mente, es por ello que este vidrio es considerado bioinerte.

Para analizar con mas detalle el comportamiento de losvidrios estudiados, se midieron los espesores de la capa ricaen sílice, y la capa rica en calcio y fósforo a diferentes inter-valos de tiempo, estos resultados se muestran en la Tabla 3.

En base a lo discutido a partir de la figura 2, junto a lainformación mostrada en la tabla 3. Se establece que aúncuando todas las composiciones tienen un RN mayor a 5,sólo los vidrios de composiciones 2, 3 Y 5 mostraron uncomportamiento bioactivo, es importante destacar que lacomposición 5 excede el porcentaje límite establecido tal queno afecte la bioactividad del vidrio, este comportamientopuede deberse a la presencia de B203 que de algún modopermite la migración de iones Na" a través de la superficie. Apartir de la tabla 2 se puede señalar que las composicionesque resultaron tener un comportamiento bioactivo tienen unarelación BPiAIP3 entre 0,5 y 0,55 .

94 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 21, N° 2,2001.

v

(h)

Fig. 2 (a-h) Imágenes MEB de la sección transversal de los diferentes vidrios (comp. 1-8), sumergidos en FSC por 5 semanas con su perfilcomposicional sobrepuesto. El substrato de vidrio esta identificado como (V), una capa rica en sílice (Si), y una capa rica en calcio y fósforo(CaP), la zona más oscura corresponde a la resina (R).

l. Barrios y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales95

Tabla 3. Espesores de las capas de reacción después del ensayo de bioactividad in vitro.

Semanas 2 3 4 5Capa( m) Si CaP Si CaP Si CaP Si CaP

Vidrio B2°ylAlz03 RNI 0.66 5.80 50.0 O 70.5 16 102.3 23.5 97.7 23.32 0.55 5.65 85.4 18 108.4 18 114.6 21.3 109.0 25.43 0.50 5.46 60.5 12.4 91.7 12.5 227.0 17.8 90.9 23.84 0.60 5.39 135.4 O 118.8 O 104.2 7.5 79.5 O5 0.55 5.29 66.7 20.0 66.7 O 77.0 35 120.5 156 0.62 5.25 O O 65 O 54.2 0.63 50 O7 0.66 5.18 11.8 O O O 13.2 O 12.8 O8 0.74 5.13 O O O O O O O O

4. Conclusiones

Los resultados sugieren que cuando la Al203 esta presentejunto con el B203, debe tomarse en cuenta la relación B °/2 )

AI20). El B20) aparentemente influye en la estabilización dela alúmina, permitiendo así la acumulación de calcio y fósforoen la superficie del vidrio. En los vidrios cuya proporciónB20/AI20) estuvo en un rango entre 0,5 y 0,55 se observóun comportamiento bioactivo, a diferencia de los que teníanun valor de 0,6; 0,62 Y 0,66 que presentaron la formación deuna capa rica en sílice y en algunos casos una capa de apatitapero luego de 3 y 4 semanas de sumergidas en el FSC por loque estos vidrios resultaron ser biocompatibles. Y finalmenteen el caso de la composición 8 se observó un comportamientobioinerte y ésta proporción fue de 0,74. De acuerdo a estecomportamiento pareciera que a medida que aumenta larelación B20i Al203 se hace mas difícil el proceso de reacciónentre el material y el fluido simulado del cuerpo.

Referencias

1. L. L. Hench, E. C. Ethridge: Biomaterials: An inierfacialApproach. (Academic Press NY 1982).

2. L. L. Hench Bioactive Ceramics: p 54, in Bioceramicsmaterial s Characteristics versus in vivo behavior. Vol.523. (Ed. P. Ducheyne and J. Lemons., Annual ofNewYork 1988).

3. U. Gross, R. Kinne, H. J. Schmitz, V. Strunz: CRC, CIit.Rev. Biocompat. 4, 2 (1988).

4. L. L. Hench, R. 1.Splinter, W. C. Allen, T. K. GreenleeJr.:1.Biomed. Mater. Res. 2 [1] (1972), pp. 117-41.

5. L. L. Hench, 1.Wilson: An Introduction to bioceramics.World Scientific, (1993)

6. 1.Wilson, G. H. Pigott, F. J. Shoen and L. L. Hench.: J.Biomed Mater. Res., 15 (1976), p. 805.

7. 1. Wilson, D. Noletti.: Bonding o/ soft tissues to Bioglass.Pp. 280-302 in Handbook ofBioactive Ceramics, Vol I,Bioactive glasses and glass ceramics. (Ed. T. Yamamuro,L. L. Hench and J. Wilson. CRC Press. Boca Ratón. Fl.1990).

8. M. Cable, J. M. Parker: Hihg Performance Glasses.Blackie and Son Limited. Glasgow. Reino Unido (1992),pp. 155-156.

9. L. L. Hencb.: 1.Am. Ceram. Soco74 [7] (1991) pp. 1487-510.

10. U. Gross, V. Strunz.: J. Biomed. Mater. Res. 19 (1985),p.251

11. [O. H. Andersson, K. H. Karlsson, K. Kagasniemi, Yli-Urpo.: Glasstech. Ber., 61 (1988), pp. 300-05.

12. T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi, T.Yamamuro.: J. Biomed. Mater. Res. 24 (1990), pp.721-34.

13. M. Ogino, F. Ohuchi, L. L. Hench.: J. Biomed. Mater.Res., 14, (1980), pp 55-64.