Materiales porosos Osteogénicos y Antibacteriales a base de PEEK/Nanohíbridos de Hidroxiapatita-Óxido de Zinc por Impresion 3D con uso de Potencial en Implantes Dentales

Susana Alejandro Rodríguez Alvarado (2022)

En este estudio se reporta el desarrollo de materiales porosos a base de poli (éter-éter-cetona) (PEEK) con nanohíbridos (NH) de hidroxiapatita-ZnO (HAp-ZnO), fabricados mediante impresión 3D, direccionados a su uso potencial como implantes dentales.

Primero se llevaron a cabo experimentos exploratorios para la síntesis de los NH de HAp- ZnO, en donde se evaluó el efecto de la concentración de los precursores, el método de adición (en agitación mecánica o asistida por ultrasonido) y el método de síntesis (sonoquímica o asistida por microondas). Los nanohíbridos se caracterizaron por microscopía electrónica de transmisión (TEM) y difracción de rayos X (DRX), para seleccionar aquel que exhibiera las señales características de los planos cristalográficos de la HAp y el ZnO, así como una distribución uniforme del ZnO en la superficie de la HAp. El nanohíbrido seleccionado se caracterizó por espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS) para identificar las interacciones entre el ZnO e HAp.

Posteriormente se obtuvieron tres nanocompuestos a base de PEEK: i) PEEK cargado con 1 % (m/m) de HAp, al que se le denominó PEEK/HAp, ii) PEEK cargado con 1 % (m/m) del nanohíbrido de HAp-ZnO (PEEK/nanohíbrido) y iii) PEEK cargado con 1 % (m/m) de una mezcla física de HAp y ZnO, con una proporción de HAp:ZnO igual al del nanohíbrido, al que se identificó como PEEK/Mezcla. Los nanocompuestos obtenidos se caracterizaron térmicamente por calorimetría diferencial de barrido (DSC) y análisis termogravimétrico (TGA). Con los nanocompuestos se manufacturaron filamentos de 1.75 mm de diámetro para su uso en impresión de 3D de los prototipos porosos. La caracterización de estos prototipos consistió en análisis fisicoquímico, termomecánico, antibacterial y de bioactividad.

De los experimentos exploratorios para la síntesis de ZnO sobre HAp, se seleccionó el nanohíbrido que se obtuvo mediante la adición de los precursores del ZnO asistido por ultrasonido, seguido de la síntesis por microondas, al ser el único que exhibió una distribución uniforme del ZnO en la superficie de la HAp. En este nanohíbrido la HAp era de ~70 nm de diámetro con nanopartículas de ZnO de ~4.4 nm. Los resultados de la caracterización por DRX indicaron que el ZnO sintetizado sobre la HAp está en la fase wurtzita, y su síntesis no indujo cambios evidentes en la estructura cristalina de la HAp. Sin embargo, los cambios en las energías de enlace en las orbitales Ca 2p, P 2p y O 1s de la HAp- ZnO con respecto a la HAp, sugieren que existen interacciones entre la HAp y el ZnO.

Los nanocompuestos de PEEK/HAp y PEEK/nanohíbrido no presentaron cambios significativos en su cristalinidad con respecto al del PEEK prístino, mientras que el nanocompuesto PEEK/Mezcla física de HAp-ZnO, exhibió un aumento en la cristalinidad.

El análisis mecánico dinámico (DMA) indicó que todos los nanocompuestos no exhibieron cambios significativos en la Tg con respecto al PEEK prístino. En lo que respecta al módulo de almacenamiento (E’), se encontró que la adición d la HAp y de la mezcla física de HAp- ZnO incrementaron ligeramente E’, ~9% y 13% respectivamente. Por su parte el nanocompuesto PEEK/nanohíbrido exhibió un E’=1.13 GPa, similar al del hueso esponjoso (0.75-3 GPa) y ~60% mayor que el del PEEK prístino. Los ensayos de actividad antibacteriana indicaron que los prototipos porosos de PEEK/nanohíbrido exhibieron un mayor porcentaje de inhibición (93% a las 2 h y 100% a las 24 h) que el PEEK/mezcla (50% a las 2h y 97% a las 24 h). Mientras que la prueba de bioactividad sugiere que el uso del nanohíbrido provoca un buen crecimiento de apatita en la superficie de los prototipos porosos.

Con estos resultados se concluye que los prototipos obtenidos por impresión 3D del nanocompuesto PEEK/nanohíbrido presentó las mejores propiedades mecánicas, antibacterianas y bioactivas, y por consiguiente lo posicionan con un buen candidato para su uso en implantes dentales.

Tesis de maestría

Maestría en tecnología de polímeros BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA