Estudio de las condiciones experimentales necesarias para el desarrollo de superficies antimicrobiales nanoestructuradas en aleaciones de titanio

Abstract

[ES] Hoy en día, las infecciones relacionadas con implantes es uno de los problemas de salud pública más importantes en la mayoría de países desarrollados. La realización de artroplastias de cadera, de rodilla, de hombro y otras articulaciones se ha convertido en un hecho rutinario en los hospitales de España.

Los biofilms son un conjunto de células microbianas que se adhieren a la superficie de los implantes. Estos pueden ser los responsables del desarrollo de infecciones protésicas. Estas infecciones pueden llevar a la necesidad de una terapia antibiótica prolongada y en ocasiones a la retirada del dispositivo.

Hasta el siglo XVIII los materiales metálicos utilizados en implantes quirúrgicos eran el oro y la plata. En el siglo XIX empezaron a utilizarse los aceros, y ya en este siglo aparecieron los aceros inoxidables, las aleaciones de cromo, cobalto y molibdeno, siendo en la década de los años 40 cuando se introdujeron el titanio y sus aleaciones en el campo de la medicina.

Aunque el acero inoxidable sea más barato, el titanio presenta mejor biocompatibilidad. Esto se debe a que presenta excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y gran capacidad de modificar sus propiedades mediante tratamientos térmicos. Todo ello demuestra que el titanio es un biomaterial excelente para implantes médicos utilizados en cirugía oral y ortopédica.

Una de las vías que se está estudiando recientemente, es el desarrollo de superficies activas nano-estructuradas de aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V) que inhiban el crecimiento de los biofilms bacterianos causantes de la infecciones. La gran afinidad del titanio por el oxígeno hace que el metal este recubierto permanentemente por una capa pasiva de TiO2 la cual proporciona al metal una gran resistencia a la corrosión.

Por tanto, en este TFG se estudiará cómo se puede conseguir la formación de superficies nano-estructuradas de titanio mediante una oxidación térmica con el propósito de que se forme una capa antimicrobial que evite infecciones en los implantes. Una vez aplicado el tratamiento térmico, se llevarán a cabo diversas técnicas de caracterización para poder analizar las propiedades de las muestras obtenidas. Algunas de las técnicas que se emplearan son: microscopia electrónica de barrido (SEM), microscopia de iones focalizada (FIB-SEM), medición de la humectabilidad y caracterización mediante ensayos de corrosión.

[EN] Nowadays, implant-related infections are one of the public health problems more important in the majority of the developed countries. The performance of the hip, knee, shoulder and other joint arthroplasties has become a routine fact in Spanish hospitals.

Biofilms are a set of microbial cells that adhere to the implant surface. These may be responsible for the development of prosthetic infections. These infections can lead to the need for prolonged antibiotic therapy and sometimes to device removal.

Until the XVIII century, the metal materials used in surgical implants were gold and silver. In the XIX century, steels began to be used and in this century stainless steel, chromium, cobalt, and molybdenum alloys appeared, being in the decade of the 40s when titanium and its alloys were introduced in the field of medicine.

Although stainless steel is cheaper, titanium has better biocompatibility. This is because it has excellent mechanical properties, corrosion resistance, and a great capacity to modify its properties through heat treatments. All this shows that titanium is an excellent biomaterial for medical implants used in oral and orthopaedic surgery.

One of the ways that are being studied recently, is the development of nanostructured active surfaces of titanium alloys (Ti-6Al-4V) that inhibit the growth of bacterial biofilms that cause infections. The huge affinity of titanium for the oxygen makes that the metal is permanently covered by a passive layer of TiO2 which provides the metal huge corrosion resistance.

Therefore, this final thesis will study how the formation of nanostructured surfaces of titanium can be achieved through thermal oxidation to form an antimicrobial layer that prevents infections in the implants. Once the heat treatment has been applied, various characterization techniques will be carried out to analyse the properties of the samples obtained. Some of the techniques that will be used are: Scanning Electron Microscopy (SEM), focused ion microscopy (FIB-SEM), measurement of wettability, and corrosion tests.