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Recubrimientos biocompatibles obtenidos por Proyección Térmica y estudio in vitro de la función osteoblástica.

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Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica

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[cat] La hidroxiapatita (HA) ha sido ampliamente estudiada y clínicamente probada debido a sus propiedades bioactivas. Al ser un material demasiado frágil para ser implantado en condiciones sometidas a carga, se suele aplicar en forma de recubrimientos sobre sustratos metálicos para combinar las buenas propiedades mecánicas de los metales con las excelentes propiedades biológicas de HA. Aunque los recubrimientos de HA pueden ser obtenidos por una amplia gama de técnicas de deposición, la proyección térmica por plasma atmosférico (APS) es el proceso más utilizado industrialmente   La principal limitación que presentan de los recubrimientos de HA obtenidos por APS es la generación de una fase amorfa y otras fases de fosfato de calcio diferentes a la HA. Estas fases, al ser más solubles que la HA cristalina en medios fisiológicos, pueden causar inestabilidad mecánica y adhesiva en el recubrimiento poniendo en compromiso la integridad de la interfaz hueso-recubrimiento. Por este motivo el principal objetivo de la presente tesis doctoral fue estudiar técnicas alternativas para mejorar la adherencia de estos recubrimientos después de estudios inmersión en medios fisiológicos.  Una posible alternativa es la proyección térmica de HA por alta velocidad (HVOF), ya que al utilizar temperaturas inferiores a la proyección APS se minimiza la degradación térmica del material. En este estudio se han comparado recubrimientos obtenidos mediante la técnica HVOF y APS, pudiéndose observar que los recubrimientos obtenidos por HVOF presentan la misma adherencia que los de APS pero una mayor cristalinidad y mayor pureza. Este tipo de recubrimientos presentaron así mismo un buen comportamiento in vitro con cultivos celulares de osteoblastos.  A pesar de las mejoras en la cristalinidad y pureza de los recubrimientos obtenidos por HVOF respecto los obtenidos por APS, la fase amorfa se concentraba en la interfaz substrato-recubrimiento como ocurría con los obtenidos por APS. Esta fase amorfa debido a su rápida disolución en medios fisiológicos compromete el anclaje del recubrimiento una vez en funcionamiento, por lo que se plantearon posibles mejoras entre las que se encuentran la cristalización total del recubrimiento mediante tratamientos térmicos, la utilización de capas de anclaje de materiales cerámicos biocompatibles entre el substrato metálico y la capa de HA y la obtención de recubrimientos de cristalinidad gradual, es decir, más cristalino en la interfaz y menos en la superficie. Estos últimos han permitido combinar las buenas propiedades de una interfaz cristalina, resistente a la degradación en medios fisiológicos y con buena adherencia, con las propiedades de una superficie parcialmente amorfa como son la capacidad de depositar una capa de apatita que favorece una buena respuesta in vitro de la diferenciación celular y una osteointegración más rápida en los primeros estadios.

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[eng] Hydroxyapatite (HA) has been extensively studied and clinically applied for its bioactive properties. HA is too brittle to be used as bulk material for prosthesis under loaded conditions, so it is normally applied as a coating on metallic substrates in order to combine the mechanical strength of metals with the excellent biological properties of HA. Although HA coatings have been applied by a wide range of surface deposition techniques, the atmospheric plasma spray (APS) process is still the most commercially used technology. During the spraying, the material is fully or partially melted in the plasma jet and sprayed at high velocities onto a substrate to build up the coating. However, due to the extremely high temperatures of the plasma jet and the rapid cooling rate of sprayed particles when impacting the substrate, the degradation of HA to other bioresorbable phases, such as tricalcium phosphate (Alpha-TCP), tetracalcium phosphate (TTCP) or CaO is inevitable  High Velocity Oxy-fuel Spraying (HVOF) was proposed to obtain HA coatings, due to the lower particle temperatures achieve so the thermal degradation of the material is minimized. In this study the two technologies have been compared, confirming that the coatings obtained by HVOF showed similar adherence and higher crystallinity and purity than those of APS. Moreover, HVOF coatings showed a good in vitro behavior with cellular (osteoblast) cultures.  In spite of the improvements, an amorphous phase was concentrated in the substrate-coating interface as it was observed in the obtained ones by APS. The amorphous phase dissolution diminishes the anchorage of the coating due to its fast physiological dissolution. Furthermore, different improvements in adhesion were considered as the total crystallization of the coating by means of heat treatments, the use of biocompatibles bond coats between the metallic substrate and the HA coating or the use of gradual crystallinity coatings. The latest have allowed to combine the good properties of a crystalline interface with good adhesion and resistant to the degradation in body fluids, with the properties of a partially amorphous surface that has the ability to deposit an apatite layer after the implantation and a good in vitro response.

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Tesis Doctorals - Departament - Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica

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Recubrimientos biocompatibles obtenidos por Proyección Térmica y estudio in vitro de la función osteoblástica.