DESCRIPCIÓN

La presente invención se refiere a un componente de prótesis y a un procedimiento para su fabricación, que permite la formación de una capa bioactiva para mejorar el grado de osteointegración y, por lo tanto, su fijación al hueso.

Antecedentes de la invención

La sustitución protésica de la cadera es una operación diseñada para reemplazar una unión articulas de cadera que se encuentra dañada, ya sea por un traumatismo o bien por algún tipo de enfermedad degenerativa como, por ejemplo la artrosis. La cadera es una articulación constituida por una esfera ósea situada en el extremo proximal del fémur, la cabeza femoral, que está emplazada dentro de una cavidad presente en el hueso de la cadera a la cual se ajusta perfectamente. La prótesis de cadera puede comprender la substitución de la cabeza femoral y/o del acetábulo. En el caso de reemplazar la cabeza femoral, la prótesis también comprende un vástago, que se inserta en el interior del fémur.

Actualmente, en la mayoría de los sistemas totales de prótesis de cadera implantadas, el vástago es metálico (cromo-cobalto, acero inoxidable o titanio) debido principalmente a las elevadas tensiones mecánicas que debe soportar dicho componente una vez implantado. La cabeza femoral puede ser de cromo-cobalto o bien de algún material cerámico. Por lo que hace referencia al componente acetabular de la prótesis de cadera, también conocido como copa acetabular o cotilo y que va colocado directamente sobre la pelvis, la propuesta más usada en la actualidad está compuesta de un cuerpo de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) embebida dentro de una funda metálica, generalmente fabricados en aleaciones de CoCr o de titanio con acabados rugosos con la finalidad de mejorar su anclaje con el hueso de la cadera.

El uso de UHMWPE en la copa acetabular requiere de la utilización de la funda metálica para fijar este componente al hueso, puesto que el UHMWPE no posee la capacidad osteointegradora que sí presentan otros materiales como el titanio tras la aplicación de ciertas técnicas de preparación y/o tratamiento. A pesar de todo, en ocasiones, esta funda puede aflojarse como consecuencia de falta de fijación ósea al cotilo de titanio. Esta es una de las principales causas de fallo en este tipo de componente, que obliga al recambio del cotilo, siempre que haya hueso disponible suficiente para el recambio.

El éxito clínico de las prótesis o implantes empleados en la sustitución de tejido óseo está basado en la consecución de la osteointegración, es decir, la conexión directa estructural y funcional entre el hueso vivo, ordenado, y la superficie del implante. La mejora de la osteointegración a corto y largo plazo es función de múltiples factores, de entre los cuales, la calidad superficial del implante (fisicoquímica y topográfica) es de gran importancia. De hecho, todas las interacciones biológicas y mecánicas que se dan entre el implante y los tejidos circundantes son a través de la interfaz creada entre dichos tejidos y la superficie del material implantado.

El documento US6596225 describe la utilización de recubrimientos superficiales cerámicos de diamante depositados mediante técnicas PVD, cuya finalidad principal se centra en el aumento de la dureza superficial de superficies de articulación con el fin de disminuir su desgaste. La naturaleza cerámica del recubrimiento de diamante descrito en este documento aporta un carácter bioinerte a la superficie recubierta, a diferencia del componente acetabular de la presente solicitud, que aporta un carácter bioactivo a la superficie del recubrimiento que asegura su osteointegración y su adherencia al hueso de la cadera.

Por su parte, el documento EP0608997 A1 describe la utilización de recubrimientos superficiales cerámicos de óxido de zirconio depositados mediante técnicas PVD, cuyas finalidades principales se centran en el aumento de la dureza superficial de superficies de articulación con el fin de disminuir su desgaste, así como la mejora de la resistencia a la corrosión del conjunto mediante la acción barrera frente a la liberación de iones de estos recubrimientos.

Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es proporcionar un componente de prótesis que mejore su fijación, fundamentada en la formación de una capa bioactiva para mejorar el grado de osteointegración y, por tanto, su fijación al hueso. Descripción de la invención

Con el componente de prótesis y el procedimiento de la invención se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando otras ventajas que se describirán a continuación.

Según un primer aspecto, la presente invención se refiere a un componente de prótesis, que comprende un sustrato de un material polimérico y un recubrimiento superficial, y se caracteriza porque dicho recubrimiento comprende titanio. Debe indicarse que la expresión "componente de prótesis" pretende abarcar cualquier tipo de componente para prótesis en medicina traumatológica, tal como polímeros para la substitución de tejidos duros, componentes poliméricos de prótesis articulares (cadera, rodilla, tobillo, hombro, muñeca, codo, entre otras), así como implantes destinados a su aplicación en raquis lumbar, entre las más destacadas.

Según una realización preferida, dicho recubrimiento también comprende cromo, y ventajosamente dicho recubrimiento comprende una capa de anclaje en contacto con el sustrato y una capa superficial externa que comprende titanio.

Además, dicho recubrimiento también comprende preferentemente una capa de transición dispuesta entre la capa de anclaje y la capa superficial externa, que puede ser de una aleación de cromo y titanio. Por ejemplo, dicha capa de anclaje tiene un espesor comprendido entre 10 nm y

100 nm, dicha capa superficial externa tiene un espesor comprendido entre 400 nm y 1000 nm, y dicha capa de transición tiene un espesor comprendido entre 10 nm y 50 nm. Ventajosamente, dicho recubrimiento tiene una rugosidad exterior comprendida entre 3,5 y 4 μηι, y dicho recubrimiento se deposita sobre el sustrato mediante pulverización por deposición física de vapor (PVD).

Preferentemente, dicho sustrato polimérico comprende polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE), polietilenos altamente entrecruzados (HXLPE), polietileno de alta densidad (HDP), poliéter éter cetona (PEEK), polimetilmetacrilato (PMMA) y/o polietileno (PE), o combinaciones de los mismos, y también puede comprender vitamina E.

Según un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un componente de prótesis tal como se ha descrito anteriormente, que comprende las etapas de:

- formar un sustrato polimérico con un diseño adecuado y un acabado superficial específicamente texturizado para favorecer la osteointegración posterior sobre dicha superficie; y

- depositar sobre dicho sustrato polimérico un recubrimiento que comprende titanio mediante pulverización por deposición física de vapor.

El procedimiento de acuerdo con la presente invención también comprende preferentemente una etapa de tratamiento de bioactivación superficial posterior al depósito de dicho recubrimiento.

Según una realización preferida, dicha etapa de tratamiento termoquímico de bioactivación superficial comprende:

- tratamiento químico del componente acetabular para crear una capa de gel de titanato sódico sobre la cara externa del recubrimiento;

- deshidratación de dicha capa de gel de titanato sódico mediante secado bajo condiciones controladas; y - tratamiento térmico del componente acetabular.

Por ejemplo, dicho tratamiento químico comprende sumergir el componente acetabular en una solución de NaOH a una temperatura comprendida entre 40°C y 140°C durante un periodo de tiempo comprendiendo entre 6 horas y 72 horas, y dicho tratamiento químico también comprende sumergir el componente acetabular en agua ultrapura después de sumergir el componente acetabular en la solución de NaOH.

Además, el secado se puede realizar a una temperatura comprendida entre 40°C y 140°C durante un periodo de tiempo comprendiendo entre 24 horas y 48 horas, y el tratamiento térmico se puede realizar durante un periodo de tiempo comprendido entre 60 y 180 minutos a una temperatura comprendida entre 40°C y 140°C.

De esta manera, se proporciona un componente de prótesis que mejora su fijación, que se fundamenta en la formación de una capa bioactiva para mejorar el grado de osteointegración y, por tanto, la fijación al hueso.

Breve descripción de los dibujos

Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto, se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.

La figura 1 es una vista en perspectiva de una prótesis de cadera que comprende un componente acetabular de acuerdo con la presente invención; y

La figura 2 es una vista esquemática en sección del detalle de las capas que forman el recubrimiento del componente acetabular de acuerdo con la presente invención.

Descripción de una realización preferida

En primer lugar debe indicarse que la presente descripción hace referencia a una prótesis articular de cadera por motivos de simplicidad. Sin embargo, el componente de prótesis de acuerdo con la presente invención es aplicable a cualquier tipo de prótesis adecuada, tal como se ha descrito anteriormente.

En la figura 1 se ha representado una prótesis de cadera que comprende un vástago 1 y un componente acetabular, indicado en general mediante la referencia numérica 10.

En la figura 2 se muestran en sección un sustrato polimérico 1 1 y un recubrimiento 12 que comprende una capa de anclaje 13, una capa de transición 14 y una capa superficial externa 15, tal como se describirá posteriormente.

Debe precisarse que por motivos de claridad las capas que forman el recubrimiento solamente se han representado esquemáticamente. Es decir, esta vista en sección no está dibujada a escala, ya que como se describirá a continuación las diferencias en el espesor de las capas son grandes, y las capas no tienen entre sí una superficie de contacto lisa, como se representa en el dibujo. Además, tampoco se ha representado la rugosidad del recubrimiento para no entorpecer la comprensión del dibujo.

De acuerdo con el procedimiento de fabricación de la presente invención en primer lugar se realiza un recubrimiento 12 que comprende titanio sobre el sustrato 1 1 de UHMWPE del componente acetabular 10, mediante tecnología de pulverización por deposición física de vapor ("PVD-Sputtering") sobre la superficie exterior del componente acetabular que está en contacto con la cavidad de la pelvis.

Para ello, se definen las características técnicas específicas que deberá poseer el componente acetabular:

- Mi ero- rugosidad superficial adecuada para la estimulación de la actividad osteoblástica;

- Ensamblaje a presión de cotilo en la cavidad acetabular; - Espesor del acetábulo de UHMWPE que garantice la resistencia a la fatiga (carga cíclica) no inferior a 8mm.

Además, para que el recubrimiento pueda ser considerado como alternativa a los actuales acetábulos de las prótesis de cadera, deberá poseer las propiedades siguientes:

- Buena adherencia entre el recubrimiento y el sustrato polimérico; - Una superficie bioactiva que estimule la osteointegración;

- Una rugosidad adecuada para la estimulación de la actividad osteoblástica.

Para ello, el acetábulo de acuerdo con la presente invención es de una sola pieza (monobloque), para acabar con los problemas de adhesión y desgaste entre capas, así como para minimizar la acción de posibles fenómenos de absorción ósea por apantallamiento de tensiones ("stress-shielding").

Según una realización preferida, el recubrimiento comprende una capa exterior de titanio y una gradación de capas metálicas de otros materiales, con el objetivo de favorecer la adhesión de la capa de metálica sobre el sustrato (UHMWPE). Otros posibles materiales biocompatibles para la capa exterior podrían ser de titanio puro o de aleaciones de titanio como la TÍ6AI4V, Tántalo y sus aleaciones, aleaciones de Cr-Co, zirconia y niobio. Estas capas se depositan mediante PVD.

A continuación se detallan las características técnicas que deben poseer las capas metálicas:

- Capa de anclaje 13:

El objetivo de esta zona del recubrimiento es la de garantizar una buena adhesión y un fuerte anclaje entre la zona inferior del recubrimiento de naturaleza metálica y la superficie del sustrato del componente de naturaleza polimérica. Esta primera capa del recubrimiento está constituida por un espesor comprendido entre 10 nm y 100 nm y de composición uniforme de cromo metálico (Cr).

El espesor de esta primera capa del recubrimiento garantiza un excelente anclaje entre el sustrato polimérico de UHMWPE y el resto del recubrimiento, conservando en todo momento el nivel de rugosidad y topografía superficial generada durante la conformación por inyección del sustrato del componente acetabular de UHMWPE.

El recubrimiento de una capa intermedia entre el titanio y el sustrato servirá para aumentar la adherencia creando un enlace entre capas no solo mecánico, sino también físico y químico.

- Capa de transición intermedia 14:

Justo después de la primera capa de anclaje del recubrimiento, que está en contacto directo con la superficie del sustrato polimérico de UHMWPE, se encuentra la zona de transición del recubrimiento. La capa de transición está colocada entre la capa de anclaje en contacto directo con la superficie del sustrato y la capa superficial del recubrimiento en contacto directo con el tejido óseo de la cadera.

El objetivo de esta capa de transición es la de garantizar una transición gradual y uniforme entre las propiedades mecánicas presentes entre la capa de anclaje y la capa superficial. Esta capa de transición tiene un espesor aproximado comprendido entre 10 nm y 50 nm de composición variable, compuesta por una mezcla de cromo y titanio. La composición de la capa de transición irá variando gradualmente, partiendo de una composición 100% a base de cromo hasta alcanzar una composición final del 100% en Titanio.

El uso de tecnología PVD permite la formación de recubrimientos de composición gradual, cuyas principales ventajas son las siguientes:

- Transición gradual de propiedades mecánicas a lo largo del espesor de capa evitando cualquier problemática relacionada con la generación de tensiones internas en el recubrimiento; - Inexistencia de fronteras entre capas en el interior del recubrimiento, que aumenta en gran medida la estabilidad estructural del recubrimiento y la resistencia a fatiga del mismo; - Posibilidad de aprovechar el efecto sinérgico de diferentes composiciones del recubrimiento dentro de una estructura de una sola capa, que permita la presencia de una composición en la capa de anclaje que asegure una óptima adherencia y fijación del recubrimiento, además de una capa superficial óptima desde el punto de vista biológico y osteintegrador.

De igual modo que en la capa de anclaje del recubrimiento, el espesor de la capa de transición del recubrimiento también mantiene el nivel de rugosidad y topografía superficial generado durante la conformación por inyección del sustrato de UHMWPE del componente acetabular.

- Capa superficial de capa 15:

Justo sobre la capa intermedia de transición se encuentra la capa superficial externa del recubrimiento. La capa superficial está situada entre la capa de transición y la superficie de tejido óseo de la cadera.

La composición de esta capa superficial es a base de titanio puro (Ti gp2), que al estar en contacto directo con el tejido óseo de la cadera, asegura el carácter biocompatible del recubrimiento y evita la perjudicial formación de tejido fibroso en la superficie del mismo, como posible respuesta por parte del cuerpo a la presencia de un cuerpo extraño.

La presencia de una capa superficial formada únicamente por titanio puro (Ti gp2), ofrece toda una serie de ventajas, las principales de las cuales se resumen a continuación:

- Asegura la biocompatibilidad del recubrimiento, evitando así la encapsulación fibrótica de su superficie, que provocaría el fallo del sistema protésico; - Posibilita realizar el tratamiento termoquímico posterior que garantizará la bioactividad de la superficie del recubrimiento, que se describirá a continuación, pero que garantizará la osteointegración del recubrimiento; - Aporta una gran resistencia a la corrosión del recubrimiento junto con el efecto barrera frente a la liberación de iones que produce la capa de titanio.

El objetivo de esta capa superficial del recubrimiento es la de garantizar la biocompatibilidad del recubrimiento y posibilitar la realización del tratamiento termoquímico posterior de bioactivación. Esta tercera y última capa del recubrimiento tiene un espesor aproximado comprendido entre 400 nm y 1000 nm de aleación de titanio, por ejemplo, titanio metálico (Ti gp2).

De igual modo que en la capa de anclaje del recubrimiento, el espesor de la capa de transición también mantiene el nivel de rugosidad y topografía superficial generado durante la conformación por inyección del sustrato de UHMWPE del componente acetabular.

La topografía es un factor crítico para la osteointegración. La mejora de las propiedades de osteointegración comporta la aceleración del proceso de recuperación del paciente, ya que provocará una ostointegracion más rápida y eficaz. De acuerdo con las investigaciones de los inventores de la presente solicitud, el nivel de rugosidad más apropiado para la fijación de osteoblastos en la superficie del recubrimiento estaría comprendido entre 2 y 6 μηι (Ra).

La topografía externa del implante una vez aplicado el recubrimiento metálico debe copiar la rugosidad inicial presente en la superficie del componente polimérico, o bien presentar una rugosidad controlada favorable a la osteointegración. Además, debe tener el espesor suficiente como para permitir la realización posterior de un tratamiento termoquímico de bioactivación sin dañar completamente el recubrimiento.

Mediante la utilización del proceso PVD se consigue que el recubrimiento metálico obtenido reproduzca la rugosidad media presente sobre la superficie del sustrato polimérico.

Una vez efectuado el recubrimiento superficial del sustrato del componente acetabular se realiza un tratamiento de bioactivación superficial con el fin de dotar al recubrimiento de características osteinductivas, que estimulen y aceleren la creación de hueso natural sobre dicha superficie. Como resultado, la superficie bioactivada en contacto con los fluidos fisiológicos hará que se deposite una capa de apatita in vivo sobre la superficie tratada. El tratamiento de bioactividad consiste en un tratamiento termoquímico. Dicho tratamiento comprende tres etapas principales:

La primera etapa consiste en un tratamiento químico de la superficie con el fin de crear un hidrogel de titanato sódico sobre el recubrimiento de titanio, que se obtiene mediante la inmersión del componente en una solución de NaOH a una temperatura comprendida entre 40°C y 140°C durante un periodo de tiempo comprendido entre 6h y 72h.

La segunda etapa consiste en un secado a una temperatura comprendida entre 40°C y 140°C, durante un periodo de tiempo comprendido entre 6h y 72h.

La tercera etapa consiste en la realización de un tratamiento térmico durante un periodo de tiempo aproximado comprendido entre 60 y 300 minutos a una temperatura comprendida entre 40°C y de 140°C, que proporciona estabilidad al hidrogel formado.

El objetivo de esta secado es deshidratar dicha capa en forma de hidrogel de titanato sódico con el fin de deshidratar, densificar y aumentar la adherencia al sustrato de dicha capa. Como resultado de la realización del tratamiento térmico se obtiene una capa de Na2Ti03 estable y parcialmente cristalina que promueve la bioactividad y mejora sus propiedades superficiales.

Una vez realizado dicho tratamiento de bioactivación se verificó que tanto la capa exterior de titanio como la capa de anclaje soportan el tratamiento químico sin producir la perforación del recubrimiento durante el tratamiento químico, ni afectar a la adherencia/unión entre las diferentes capas que conforman el recubrimiento.

La homogeneidad y el espesor del recubrimiento se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido ("scanning electrón microscope", SEM) y haz de iones focalizados ("focused ion beam", FIB). La adherencia del recubrimiento respecto al sustrato se evaluó mediante un ensayo de rayado "Scratch test".

La realización del tratamiento de bioactivación sobre los componentes recubiertos debe de cumplir una serie de requisitos críticos, que se describen a continuación:

- Asegurar la estabilidad estructural y bioactividad del sistema;

- Asegurar la no introducción de ningún tipo de contaminante superficial que pudiera resultar perjudicial en condiciones in-vivo una vez implantado;

- Mantener inalterados los niveles de rugosidad superficial de las muestras tratadas antes de la realización del tratamiento, con el fin de asegurar el nivel de rugosidad más apropiado para la fijación del hueso en la superficie del recubrimiento.

Por otro lado, como los implantes de UHMWPE no son estables a 600°C, se optimizó el tratamiento térmico, usando un rango de temperaturas en el que se estabilizara el hidrogel de titanato de sodio sin producir un deterioro del sustrato polimérico ni el desprendimiento de la capa metálica.

La homogeneidad y espesor del recubrimiento se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido ("scanning electrón microscope", SEM) y haz de iones focalizado ("focused ion beam", FIB). La predicción del carácter bioactivo del recubrimiento tratado efectuó mediante la inmersión de las muestras en fluido de cuerpo simulado ("simulated body fluid", SBF), tal y como se indica en las especificaciones de la norma ISO 23317. Las muestras tratadas mediante el uso de las condiciones óptimas resultantes de este estudio presentan compuestos de composición apatítica después de su inmersión en SBF. La homogeneidad y la composición química superficial del recubrimiento metálico se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido ("scanning electrón microscope", SEM) y espectroscopia de dispersión de energía ("energy disperse spectroscopy", EDS).

El análisis mediante microscopía FIB de la sección transversal del recubrimiento permitió observar el efecto del tratamiento de bioactivación sobre la integridad estructural del conjunto capa/sustrato. Las micrografías SEM permiten observar la profundidad de penetración del tratamiento bioactivo, que se traduce en el espesor final de la capa de titanato sódico formada sobre la capa superficial de titanio, que se mostró comprendida entre los 300 y los 800 nm. La realización de esta etapa del estudio permitió determinar el espesor mínimo óptimo para asegurar la integridad estructural del recubrimiento, que se fijó en un valor aproximado de 500 nm. Como ejemplo del recubrimiento desarrollado, se realizó la deposición PVD del recubrimiento con una capa de anclaje de 50 nm de espesor, seguida de una capa con gradiente de composición Cr-Ti de 50nm de espesor, para finalmente crear una capa superficial de titanio de 800 nm de espesor. La realización del tratamiento de bioactivación consistió en una primera etapa de ataque alcalino por inmersión en solución de NaOH 2.5M a 80°C durante un tiempo de 48 horas, tras la cual se realizó un aclarado con agua seguido de un secado a 100°C durante 12 horas. Tras el secado se realizó un tratamiento térmico a 120°C durante 300 minutos. La profundidad del ataque alcalino alcanzó los 500 nm de espesor, asegurando la estabilidad estructural del sistema capa-sustrato.

La biocompatibilidad de las muestras fue evaluada mediante la realización de ensayos de citotoxicidad in-vitro, siguiendo las especificaciones marcadas por la normativa internacional UNE-EN ISO 10993 (Evaluación biológica de dispositivos médicos), utilizando la exposición indirecta como método de evaluación de la citotoxicidad.

El análisis de los resultados no mostró efectos citotóxicos relevantes de las muestras analizadas por exposición indirecta sobre las células SAOS-2, lo que asegura el buen comportamiento del material dentro del cuerpo humano una vez implantado a la vez que garantiza la biocompatibilidad del mismo.

El nivel de proliferación celular experimentado sobre las muestras fue analizado a diferentes periodos de tiempo, midiendo la proliferación a los 7 días, 14 días y 21 días de cultivo celular. El análisis de resultados permitió observar un aumento de proliferación entre los días estudiados, presentando los mayores valores de proliferación entre los 14 y los 21 días de cultivo.

El análisis de resultados permitió observar un claro aumento progresivo en la expresión de la actividad del gen de la Fosfatasa Alcalina (ALP) desde los 7 días hasta los 21 días, que sería un claro indicativo del proceso de diferenciación celular.

La actividad y la expresión del gen de Fosfatasa Alcalina se relacionan directamente con la mineralización de la matriz ósea, que es utilizado como un marcador de diferenciación del fenotipo osteoblástico y un indicador de formación y recambio óseo. La evidencia recolectada y publicada a nivel científico hasta la fecha permite establecer una relación directa entre la presencia de ALP y el normal desarrollo del tejido óseo en el cuerpo humano.

En definitiva, los resultados obtenidos no sólo muestran un claro aumento de la proliferación celular en contacto con la superficie de las muestras, sino que también permiten observar una diferenciación (especialización) celular hacia la formación de células óseas, que son aquel tipo de células de mayor interés desde el punto de vista de asegurar un buen anclaje y una buena transmisión de esfuerzos entre la prótesis y el hueso circundante a la misma.

A pesar de que se ha hecho referencia a una realización concreta de la invención, es evidente para un experto en la materia que el componente acetabular y su procedimiento de fabricación descritos son susceptibles de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser sustituidos por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.