Biocompatibilidad de nitinol - Nitinol biocompatibility

La biocompatibilidad del nitinol es un factor importante en las aplicaciones biomédicas. El nitinol (NiTi), que se forma aleando níquel y titanio (~ 50% de Ni), es una aleación con memoria de forma con propiedades superelásticas más similares a las del hueso, en comparación con el acero inoxidable , otro biomaterial de uso común . Las aplicaciones biomédicas que utilizan Nitinol incluyen stents , herramientas para válvulas cardíacas, anclajes óseos, grapas, dispositivos e implantes para defectos del tabique . Es un biomaterial de uso común, especialmente en el desarrollo de tecnología de stents.

Los implantes metálicos que contienen una combinación de metales biocompatibles o que se utilizan junto con otros biomateriales a menudo se consideran el estándar para muchos tipos de implantes. La pasivación es un proceso que elimina los elementos corrosivos del implante de la interfaz implante-cuerpo y crea una capa de óxido en la superficie del implante. El proceso es importante para hacer que los biomateriales sean más biocompatibles.

Descripción general de los métodos de pasivación comunes

Cuando se introducen materiales en el cuerpo, es importante no solo que el material no dañe el cuerpo, sino también que el entorno del cuerpo no dañe el implante. Un método que previene los efectos negativos resultantes de esta interacción se llama pasivación .

En general, se considera que la pasivación es un proceso que crea una capa no reactiva en la superficie de los materiales, de modo que el material puede protegerse de los daños causados ​​por el medio ambiente. La pasivación se puede lograr a través de muchos mecanismos. Las capas pasivas se pueden realizar mediante el ensamblaje de monocapas mediante injerto de polímero. A menudo, para la protección contra la corrosión, se crean capas pasivas mediante la formación de capas de óxido o nitruro en la superficie.

Estructura de la celda unitaria de TiO 2

Películas de óxido

La pasivación a menudo ocurre naturalmente en algunos metales como el titanio, un metal que a menudo forma una capa de óxido compuesta principalmente de TiO 2 . Este proceso ocurre espontáneamente ya que la entalpía de formación de TiO 2 es negativa. En las aleaciones, como el nitinol, la formación de una capa de óxido no solo protege contra la corrosión, sino que también elimina los átomos de Ni de la superficie del material. Eliminar ciertos elementos de la superficie de los materiales es otra forma de pasivación. En el nitinol, la eliminación de Ni es importante, porque el Ni es tóxico si se lixivia en el cuerpo. El acero inoxidable se pasiva comúnmente mediante la eliminación del hierro de la superficie mediante el uso de ácidos y calor. El ácido nítrico se usa comúnmente como oxidante suave para crear una película delgada de óxido en la superficie de los materiales que protege contra la corrosión. ]]

Pulido electrolítico

Otro modo de pasivación implica el pulido. El pulido mecánico elimina muchas impurezas de la superficie y las roturas de la estructura cristalina que pueden promover la corrosión. El electropulido es aún más efectivo, porque no deja los rasguños que dejará el pulido mecánico. El electropulido se logra mediante la creación de celdas electroquímicas donde el material de interés se utiliza como ánodo . La superficie tendrá cualidades irregulares donde ciertos puntos son más altos que otros. En esta celda, la densidad de corriente será mayor en los puntos más altos y hará que esos puntos se disuelvan a una velocidad mayor que los puntos más bajos, suavizando así la superficie. Las impurezas del punto de la red cristalina también se eliminarán ya que la corriente obligará a estas impurezas de alta energía a disolverse de la superficie.

Revestimientos

Otro método de pasivación comúnmente utilizado se logra mediante el recubrimiento del material con capas de polímero. Se han utilizado capas compuestas de poliuretano para mejorar la biocompatibilidad, pero han tenido un éxito limitado. Los materiales de revestimiento con moléculas biológicamente similares han tenido mucho más éxito. Por ejemplo, los stents de superficie modificada con fosforilcolina han mostrado una actividad trombogénica reducida. La pasivación es un área de investigación extremadamente importante para aplicaciones biomédicas, ya que el cuerpo es un entorno hostil para los materiales y los materiales pueden dañar el cuerpo por lixiviación y corrosión. Todos los métodos de pasivación anteriores se han utilizado en el desarrollo de biomateriales de nitinol para producir los implantes más biocompatibles.

Influencia de la pasivación superficial en la biocompatibilidad

Las técnicas de pasivación de superficies pueden aumentar en gran medida la resistencia a la corrosión del nitinol. Para que el nitinol tenga las propiedades superelásticas y de memoria de forma deseadas, se requiere un tratamiento térmico. Después del tratamiento térmico, la capa de óxido superficial contiene una mayor concentración de níquel en forma de NiO 2 y NiO. Este aumento de níquel se ha atribuido a la difusión de níquel fuera del material a granel y hacia la capa superficial durante los tratamientos a temperatura elevada. Los métodos de caracterización de la superficie han demostrado que algunos tratamientos de pasivación de la superficie disminuyen la concentración de NiO 2 y NiO dentro de la capa superficial, dejando una concentración más alta del TiO 2 más estable que en el Nitinol crudo tratado térmicamente.

La disminución de la concentración de níquel en la capa superficial de nitinol se correlaciona con una mayor resistencia a la corrosión. Una prueba potenciodinámica se emplea comúnmente para medir la resistencia de un material a la corrosión. Esta prueba determina el potencial eléctrico al que un material comienza a corroerse. La medida se llama potencial de picaduras o ruptura. Después de la pasivación en una solución de ácido nítrico, los componentes del stent de Nitinol mostraron potenciales de degradación significativamente más altos que los que no estaban pasivados. De hecho, existen muchos tratamientos superficiales que pueden mejorar enormemente los potenciales de degradación del Nitinol. Estos tratamientos incluyen pulido mecánico, electropulido y tratamientos químicos como, inmersión de óxido nítrico, grabado de la capa de óxido de la superficie en bruto y decapado para descomponer el material a granel cerca de la superficie.

La trombogenicidad , la tendencia de un material a inducir la formación de coágulos, es un factor importante que determina la biocompatibilidad de cualquier biomaterial que entre en contacto con el torrente sanguíneo. Hay dos proteínas, fibrinógeno y albúmina , que primero se adsorben a la superficie de un objeto extraño en contacto con la sangre. Se ha sugerido que el fibrinógeno puede causar la activación de las plaquetas debido a una ruptura de la estructura de la proteína al interactuar con los límites de granos de alta energía en ciertas superficies. La albúmina, por otro lado, inhibe la activación plaquetaria. Esto implica que existen dos mecanismos que pueden ayudar a reducir la trombogenicidad, una capa superficial amorfa en la que no habrá interacciones de los límites de los granos con el fibrinógeno y una superficie con una mayor afinidad por la albúmina que por el fibrinógeno.


Así como la trombogenicidad es importante para determinar la idoneidad de otros biomateriales, es igualmente importante con Nitinol como material de stent. Actualmente, cuando se implantan stents, el paciente recibe terapia antiagregante durante un año o más para prevenir la formación de un coágulo cerca del stent. En el momento en que la terapia con medicamentos haya cesado, idealmente, una capa de células endoteliales , que recubre el interior de los vasos sanguíneos, cubriría el exterior del stent. El stent se integra de forma eficaz en el tejido circundante y ya no está en contacto directo con la sangre. Se han realizado muchos intentos utilizando tratamientos de superficie para crear stents que sean más biocompatibles y menos trombogénicos, en un intento de reducir la necesidad de una terapia antiplaquetaria extensa. Las capas superficiales que tienen una mayor concentración de níquel causan menos coagulación debido a la afinidad de la albúmina por el níquel. Esto es opuesto a las características de la capa superficial que aumentan la resistencia a la corrosión. Las pruebas in vitro utilizan indicadores de trombosis, como niveles de plaquetas, tirosina aminotransferasa y β-TG. Los tratamientos superficiales que, hasta cierto punto, han reducido la trombogenicidad in vitro son:

  • Pulido electrolítico
  • Arenado
  • Recubrimientos de poliuretano
  • Recubrimientos de aluminio

Otra área de investigación implica la unión de varios agentes farmacéuticos como la heparina a la superficie del stent. Estos stents liberadores de fármacos son prometedores para reducir aún más la trombogenicidad sin comprometer la resistencia a la corrosión.

Soldadura

Los nuevos avances en la soldadura por micro láser han mejorado enormemente la calidad de los dispositivos médicos fabricados con nitinol.

Observaciones

El nitinol es una aleación importante para su uso en dispositivos médicos, debido a su excepcional biocompatibilidad, especialmente en las áreas de resistencia a la corrosión y trombogenicidad. La resistencia a la corrosión se mejora mediante métodos que producen una capa uniforme de dióxido de titanio en la superficie con muy pocos defectos e impurezas. La trombogenicidad se reduce en las superficies de nitinol que contienen níquel, por lo que los procesos que retienen óxidos de níquel en la capa superficial son beneficiosos. También se ha demostrado que el uso de revestimientos mejora enormemente la biocompatibilidad.

Debido a que los dispositivos implantados entran en contacto con la superficie del material, la ciencia de la superficie juega un papel integral en la investigación dirigida a mejorar la biocompatibilidad y en el desarrollo de nuevos biomateriales. El desarrollo y mejora del nitinol como material de implante, desde la caracterización y mejora de la capa de óxido hasta el desarrollo de recubrimientos, se ha basado en gran medida en la ciencia de superficies.

Se están realizando investigaciones para producir recubrimientos mejores y más biocompatibles. Esta investigación implica la producción de un recubrimiento que se parece mucho a un material biológico para disminuir aún más la reacción de cuerpo extraño. Se están explorando recubrimientos biocompuestos que contienen células o recubrimientos proteicos para su uso con nitinol, así como con muchos otros biomateriales.

Investigación actual / lectura adicional

Referencias