Mejoras en cerámicas médicas para frenar el deterioro de prótesis ortopédicas

Las cerámicas avanzadas de circona son un material biocompatible y de gran dureza, utilizado principalmente en implantes dentales y coronas. Sin embargo, este material se ve afectado por el envejecimiento hidrotérmico —producido por la combinación de humedad y temperatura—, que favorece la aparición de rugosidades y microgrietas, lo que reduce la resistencia y la duración de la pieza.

Unos científicos han demostrado ahora que la incorporación de nanoláminas de nitruro de boro bidimensional, conocido como “grafeno blanco”, en las cerámicas de circona da como resultado un material más resistente. El nitruro actúa como barrera frente a la humedad al bloquear la penetración de agua hacia el interior de la cerámica, retrasando así la degradación. El material resultante cumple ampliamente con el estándar ISO13356, que regula los implantes quirúrgicos de circona.

Este logro es obra de un equipo encabezado por Carmen Muñoz Ferreiro, del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Sevilla (US), en España todas estas instituciones. La investigación también ha contado con la participación destacada del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon (Universidad Claude Bernard Lyon), en Francia.

“En los últimos años se está investigando en composites y mezclas que mejoren el desempeño de estas cerámicas frente a la humedad. Nuestro trabajo, aunque aún sin aplicación comercial directa, es un paso más en esta dirección”, explica Rosalía Poyato, investigadora del CSIC en el ICMS y coautora del estudio.

Para simular el desgaste que suponen décadas de permanencia en el cuerpo humano, las muestras fueron sometidas a ensayos de envejecimiento acelerado en autoclave, un instrumento que somete el material a vapor de agua saturado a alta presión y a una temperatura constante de 134 grados centígrados.

El estudio demuestra que, al añadir grafeno blanco, la cerámica de circona mejora notablemente su resistencia al envejecimiento, ya que tras cinco horas en autoclave (que equivalen a casi 20 años en el interior de la boca), su degradación es menor al 10%, muy por debajo de lo requerido por la norma ISO13356.

Esto es debido a las propiedades impermeabilizantes del grafeno blanco, cuyo nombre se debe a su similitud en estructura con el grafeno, aunque con color blanco y propiedades aislantes. Al añadir este material en forma de nanoláminas, este se distribuye de manera homogénea entre los granos que conforman la cerámica, actuando como una barrera que bloquea la penetración de las moléculas de agua y oxígeno hacia el interior.

Prueba de resistencia del nuevo material realizada en laboratorio. (Foto: equipo de investigación / CSIC)

Además, el equipo constató que la adición de nitruro de boro bidimensional aumenta en un 18% la resistencia del material a la aparición de grietas en ambientes húmedos. Para ello, compararon la resistencia que las cerámicas oponían a la propagación de grietas en muestras al aire (con una humedad de entre el 40% y el 60%) con otras sumergidas en aceite de oliva (un entorno completamente seco y sin humedad ambiental).

Para obtener las nanoláminas de grafeno blanco, los investigadores utilizaron un método conocido como exfoliación por cizalla. Este proceso consiste en aplicar fuerzas mecánicas para separar las capas microscópicas del polvo de nitruro de boro hasta convertirlas en láminas nanométricas, de apenas unos pocos átomos de grosor. Lo innovador de este trabajo es que este proceso se ha logrado utilizando una batidora doméstica, un enfoque sencillo, sostenible y de bajo coste que reduce al mínimo el uso de productos químicos y facilita la fabricación del material a gran escala.

Carmen Muñoz, Rosalía Poyato y sus colegas exponen los detalles técnicos de su innovación en la revista académica Open Ceramics, bajo el título “Boron nitride nanosheets as an effective strategy against the slow crack growth and hydrothermal ageing in zirconia composites”. (Fuente: CSIC)