La presente invención se refiere a la producción de recubrimientos constituidos por materiales biocompatibles para su aplicación sobre implantes de fijación ósea.

Esta invención proporciona un método basado en el plaqueado superficial por láser para recubrir la superficie de un implante de fijación ósea, de tal forma que el implante así tratado mejora significativamente sus propiedades de integración en el hueso con el que va a estar en contacto durante su vida útil. Estos recubrimientos están constituidos por materiales biocompatibles como los fosfatos calcicos, vidrios bioactivos, vitrocerámicas o mezclas de estos materiales.

Cuando se plantea la necesidad de reemplazar una parte defectuosa del cuerpo humano, la mejor solución es la utilización de un tejido u órgano compatible proveniente de un donante humano, ya que los tejidos y órganos naturales contienen la proporción justa de materiales necesaria para satisfacer las funciones del organismo. Sin embargo, dada la creciente demanda de transplantes, los donantes humanos no son suficientes para satisfacer las necesidades de injertos vivos. Por otro lado, en implantes naturales aparecen a menudo problemas de rechazo por parte del organismo receptor.

Una solución para intentar paliar esta necesidad es la utilización de tejidos y órganos artificiales. Desde la década de 1950 se viene investigando sobre biomateriales, sustancias no farmacológicas apropiadas para su inclusión en sistemas que potencian o sustituyen las funciones de los órganos y tejidos corporales.

Los biomateriales actuales se prestan a múltiples aplicaciones, desde la sustitución de lentes intraoculares hasta la fabricación de corazones artificiales. De forma general, podemos afirmar que para que un material sea considerado como un biomaterial debe ser mecánica y biológicamente compatible, es decir : debe satisfacer las solicitaciones mecánicas propias de la función a desempenar, así como interaccionar con el cuerpo humano de forma no tóxica, controlable y predecible.

De una forma más concreta podemos establecer una serie de especificaciones que deben satisfacer los biomateriales (véase por ejemplo : S F. Hulbert, en"Use of Ceramics in Surgical Implants", ed. por S. F. Hulberty F. A. Young. Gordon and Breach Science Publishers, New York, (1969) 1) : a) ser resistente al ataque de los fluidos fisiológicos; b) soportar las solicitaciones mecánicas a que se verá sometido durante su vida útil; c) Ser susceptible de adquirir la forma deseada; d) no provocar reacciones alérgicas o tóxicas; e) no interferir con los mecanismos naturales de defensa del organismo; f) no promover la formación de

trombos sanguíneos, ni la coagulación o desnaturalización de las proteínas del plasma.

En resumen, el material debe ser biocompatible desde ambas perspectivas : la de los efectos del cuerpo humano sobre el dispositivo a implantar y la de los efectos del propio dispositivo (así como los productos derivados de la posible corrosión o desgaste) sobre el organismo.

Los implantes dentales y ortopédicos más utilizados son los implantes metálicos de titanio puro o aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V) (D. F. Williams, J. Med. Eng.

Technol. 1 (1977) 266-270) debido a que combinan una gran resistencia a las solicitaciones mecánicas con una baja densidad. Como resultado se obtiene un implante resistente y ligero, junto con una buena resistencia a la corrosión; ésta se debe a su acusada afinidad por el oxígeno, ya que se cubre de una fina capa de óxido protectora a temperatura ambiente. Pero esta afinidad por el oxígeno hace particularmente dificil su limpieza.

Dado que los implantes basados en el titanio y sus aleaciones son implantes bioinertes, si durante el proceso de recuperación se produce algún movimiento interfacial, la cápsula de tejido fibroso puede ser demasiado gruesa provocando que el implante se afloje rápidamente y, finalmente, una ruptura del implante o del hueso adyacente (L. L. Hench y J. Wilson, en"An Introduction to Bioceramics"ed. por L. L.

Hench y J. Wilson, Advance Series in Ceramics-Vol. l. World Scientific Publishing, <BR> <BR> <BR> Singapore, (1993) 1-24). Además, tanto desde el punto de vista mecánico como en su composición los implantes metálicos difieren mucho de los tejidos de los huesos donde deben alojarse.

Con el objeto de resolver los inconvenientes que presentan los implantes metálicos, se han venido ensayando materiales no metálicos, como cerámicas, polímeros o materiales híbridos.

Como la fase mineral del hueso está constituida por un fosfato calcico, dentro de las cerámicas biocompatibles se han estudiado preferentemente diferentes tipos de fosfatos cálcicos (CaP) : hidroxiapatita, fosfato tricálcico, hidroxiapatita carbonatada, apatita, pirofosfato, fosfato tetracálcico, etc. La ventaja de esta clase de materiales es que se unen directamente al hueso sin ningún tejido fibroso en la interfase, es decir, presentan una alta bioactividad (S. Best en"Seminar in Bio-Active Materials in Orthopaedics' ; 27 Sep. 1994, Cambridge, UK).

Entre estos fosfatos calcicos, la hidroxiapatita (HA), cuya fórmula química es Cal (PO4) 6 (OH) 2, ha suscitado un gran interés ya que su composición química está muy cercana a la del fosfato calcico del hueso. Actualmente está bastante bien documentado el hecho de que el hueso desarrolle una unión fuerte con implantes hechos <BR> <BR> <BR> de hidroxiapatita (HA) sinterizada (K DeGroot, R. Geesink, C. P. A. T. Klein y P.

Serekian, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 21, (1987) 1375-1381), es decir, presenta una bioactividad muy elevada.

El gran inconveniente del uso de implantes fabricados de estos fosfatos cálcicos es que poseen muy poca resistencia a los fallos por fatiga, debido a sus pobres propiedades mecánicas. Por esta razón, el uso de recubrimientos a base de fosfatos cálcicos sobre substratos metálicos u otros materiales que deban soportar cargas en tensión se hace cada vez más popular en implantes dentales y ortopédicos.

Los recubrimientos de CaP más empleados en implantes dentales y ortopédicos son los de HA. Si el recubrimiento de HA es puro y denso, es decir de baja porosidad, no se resorberá y la unión entre la HA y el hueso se formará en unas 3-6 semanas. Los métodos de procesamiento más utilizados últimamente para producir tales<BR> <BR> recubrimientos son la deposición electroforética (P. Ducheyne, W. V Raemdonck, JC.

Heughebaerty M. Heughebaert, Biomaterials 7 (1986) 97), la pulverización por plasma <BR> <BR> (S. D. Cook, J. F. Kay, KA. Thomas, R. C. Anderson, MC. Reynolds y J. Jarcho, J.

Dental Res. 65 (1986) 222) y la pulverización catódica por radio frecuencia (E.

Ruckenstein, S. Gourisanker and R. E. Baier, J. Colloid and Interface Sci. 63 (1983) 245). El método más utilizado comercialmente para producir tales recubrimientos de HA es el método de pulverización por plasma (plasma spraying), que produce capas de 50-200 pm de espesor y con una pureza de 90% de HA, si el material de partida es 100% HA. El espesor mínimo alcanzable industrialmente es de 50-60 pm y resulta de un compromiso entre espesor mínimo y homogeneidad, ya que esta técnica produce capas muy porosas y, por lo tanto, resulta necesario depositar sucesivas capas de alrededor de 10Lm para poder obtener un recubrimiento granular uniforme. Sin embargo, tales recubrimientos presentan las siguientes deficiencias : a) hasta ahora ha sido imposible depositar capas continuas con espesores inferiores a unos 20tm; b) los recubrimientos tienen morfología granular, es decir, son bastante porosos; c) la adhesión al sustrato es muy pobre; d) con frecuencia aparecen grietas como resultado de las tensiones producidas por la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica entre substrato y recubrimiento; e) algunas partes del recubrimiento resultan ser amorfas o microcristalinas (microcristales de fosfato tricálcico) debido a las altas temperaturas que alcanza el plasma, provocando la descomposición y fusión excesiva de los polvos de HA. Por esta razón resultan ser bastante resorbables, sin ser posible controlar fácilmente el grado de resorbabilidad.

En la práctica y debido a los problemas de desconchamientos (baja adherencia substrato-recubrimiento), tanto en aplicaciones dentales como ortopédicas, muchos cirujanos prefieren utilizar implantes sin recubrimiento a correr el riesgo elevado de que el recubrimiento falle.

La técnica del plaqueado superficial por láser consiste en fusionar un determinado material sobre la superficie de un sustrato con el mínimo de dilución con él. Dicho material es aportado normalmente en forma de polvo. Esta técnica viene siendo utilizada para la producción de recubrimientos metálicos sobre sustratos asimismo metálicos <BR> <BR> <BR> (visse por ejemplo : V M Weerasinghe and W. M. Steen, en"Applied Laser Tooling", ed.<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> por O. D. D. Soares y M. Perez-Amor, Martinus Nijhoff, Dordrech, (1987) 183). En la invención que se presenta se hace una aplicación de dicha técnica en el campo de los recubrimientos osteointegrables.

Una de las ventajas que presenta esta patente consiste en una sensible mejora de la adhesión entre el recubrimiento y el implante por medio de un verdadero enlace químico entre el sustrato y el material aportado como recubrimiento, con lo que se logra superar uno de los mayores inconvenientes de los recubrimientos aplicados por medio de la técnica comercial de la pulverización por plasma.

Por otra parte, la invención objeto de la presente patente permite aplicar el recubrimiento biocompatible directamente sobre la superficie del implante sin necesidad de un tratamiento especial de su superficie (exceptuando una rutinaria limpieza de rigor). Es decir, no es preciso proceder a un granallado de la superficie del implante como es preceptivo siempre que se desea aplicar un recubrimiento por medio de la técnica comercial de la pulverización por plasma.

Además, por medio de la presente invención, es posible aplicar recubrimientos biocompatibles sobre implantes metálicos sin necesidad de realizar calentamiento previo alguno del implante o sustrato a recubrir.

Otra de las ventajas que presenta el método de producción de recubrimientos biocompatibles mediante láser objeto de la presente patente, es el de la reducción de la zona del implante afectada térmicamente en comparación con la técnica comercial de la pulverización por plasma.

Por otra parte, los recubrimientos biocompatibles obtenidos mediante el método objeto de la invención, presentan un menor nivel de porosidad, una mayor homogeneidad siendo posible el control del nivel de dilución entre sustrato y recubrimiento y el control de las propiedades del recubrimiento biocompatible obtenido.

El método de producción de recubrimientos biocompatibles objeto de la presente invención, se lleva a cabo mediante un sistema del cual se muestra un ejemplo en la figura 1. En primer lugar el sustrato o implante (8), una vez finalizadas las tareas propias de su fabricación, debe ser sometido a un proceso de limpieza y pasivado. Este proceso puede ser realizado por medio de un ataque ácido en bano de ultrasonidos.

Una vez realizado el proceso de limpieza y pasivado de la superficie, el sustrato es situado sobre una mesa X, Y, Z (9) controlada automáticamente. Los equipos de control

de dicha mesa, por ser de uso común en equipos industriales, no se muestran en la figura.

El haz láser (1) es focalizado sobre el sustrato (8) por medio de una lente (3) construida de un material adecuado para poder transmitir la energía del haz laser (1). El material a aplicar es aportado sobre la zona irradiada por el haz laser (1) en forma de polvo (10) por medio de un alimentador de polvos (6). Para lograr el arrastre efectivo del polvo (10), se inyecta gas inerte a presión al alimentador de polvos (6) por medio de una entrada de gas (11) adecuada. La alta densidad de energía obtenida por medio del haz laser (1) permite una fusión de los polvos (10) sobre la superficie del sustrato (8), dando lugar a la formación del recubrimiento (7). Al producirse un movimiento de la mesa X, Y, Z (9) con respecto al haz láser (1) se obtiene un recubrimiento (7) uniforme sobre la superficie del sustrato (8).

El haz láser (1) está encerrado por medio de un tubo protector (2) y una boquilla (5) que permiten aislar el haz laser (1) del puesto de trabajo evitando así posibles accidentes. Asimismo, una ventana protectora (4) permite transmitir la energía del haz laser (1) protegiendo la lente (3) de los posible impactos o contaminación por parte del polvo (10).

A modo de ejemplo, mediante el método que acabamos de describir y utilizando <BR> <BR> <BR> un láser de Nd : YAG (, = 1.064 nm) trabajando en modo pulsado a 50Hz, con un ancho de pulso de 5 ms, con gas nitrógeno a una presión de 2x105 Pa y con una densidad de potencia de 600 W/cm2 se obtuvieron recubrimientos de fosfato cálcico con estructura apatítica sobre implantes de titanio puro, cuya velocidad de aplicación fue de al menos 0.08 mm3/s.

Mediante el método que acabamos de describir es posible aplicar un recubrimiento muy adherente de un material biocompatible sobre implantes hechos de una gran variedad de materiales, por ejemplo : titanio y sus aleaciones, aceros, aleaciones a base de Cr y Co o materiales híbridos.

La gran flexibilidad de este método permite variar las propiedades fisico- químicas y el espesor de las películas modificando tan sólo los parámetros de procesamiento.

Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como una forma de llevarla a la práctica, sólo nos queda por añadir que en su conjunto y partes que lo componen es posible introducir cambios de forma, materiales y de disposición, siempre y cuando dichas alteraciones no varíen sustancialmente las características de la invención que se reivindican a continuación.