Un equipo científico ha diseñado un nuevo tipo de cerámica médica, empleada de forma habitual en implantes dentales y en prótesis de cadera y rodilla, que ofrece una mayor resistencia frente al desgaste provocado por la humedad y la temperatura del organismo, dos factores que acortan la vida útil de las prótesis ortopédicas.
La investigación ha estado encabezada por el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Sevilla (US), en colaboración con el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon (Universidad Claude Bernard Lyon, Francia).
Los hallazgos, difundidos en “Open Ceramics”, muestran que al integrar nanoláminas de grafeno blanco (nitruro de boro bidimensional) en cerámicas avanzadas de circona se incrementa en un 18 por ciento su resistencia a la formación de microgrietas y se reduce su degradación por debajo del 10 por ciento en medios acuosos, lo que abre la vía a implantes dentales y prótesis de cadera y rodilla con una vida útil más prolongada.
Las cerámicas avanzadas de circona son un material muy duro y biocompatible, empleado sobre todo en coronas e implantes dentales. No obstante, sufren el llamado envejecimiento hidrotérmico, provocado por la acción conjunta de la humedad y la temperatura, que favorece la aparición de rugosidades y microfisuras y, en consecuencia, disminuye la resistencia y duración de la pieza.
En este trabajo, el equipo confirma que la incorporación de nanoláminas de nitruro de boro bidimensional, conocido como grafeno blanco, en la matriz de circona da lugar a una cerámica más robusta. Este compuesto actúa como escudo frente a la humedad al impedir que el agua penetre en el interior del material, retrasando así su deterioro. Además, el nuevo material supera ampliamente los requisitos de la norma ISO13356, que regula los implantes quirúrgicos de circona.
“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”, ha explicado la investigadora del CSIC en el ICMS y autora del estudio, Rosalía Poyato.
MAYOR RESISTENCIA
Para reproducir el desgaste equivalente a décadas dentro del cuerpo humano, las muestras se sometieron a ensayos de envejecimiento acelerado en autoclave, un equipo que expone el material a vapor de agua saturado a alta presión y a una temperatura constante de 134°C.
El estudio constata que, al añadir grafeno blanco, la cerámica de circona mejora de forma notable su resistencia al envejecimiento: tras cinco horas en autoclave, que equivalen a casi 20 años en la cavidad bucal, la degradación se mantiene por debajo del 10 por ciento, muy por debajo de lo exigido por la ISO13356.
Esta mejora se debe a las propiedades impermeabilizantes del grafeno blanco, denominado así por su estructura similar al grafeno, aunque con color blanco y carácter aislante. Al incorporarlo en forma de nanoláminas, estas se reparten de manera uniforme entre los granos que forman la cerámica y crean una barrera que impide el paso de las moléculas de agua y oxígeno hacia el interior.
El grupo investigador también verificó que la adición de nitruro de boro bidimensional incrementa en un 18 por ciento la resistencia del material frente a la aparición de grietas en ambientes húmedos. Para ello, compararon la resistencia a la propagación de fisuras en muestras expuestas al aire (con una humedad relativa entre el 40% y el 60%) con otras sumergidas en aceite de oliva, un entorno completamente seco y sin humedad ambiental.
INNOVACIÓN BIOMÉDICA
Para producir las nanoláminas de grafeno blanco, los científicos recurrieron a un procedimiento denominado exfoliación por cizalla. Esta técnica consiste en aplicar fuerzas mecánicas que separan las capas microscópicas del polvo de nitruro de boro hasta transformarlas en láminas de tamaño nanométrico, de apenas unos pocos átomos de grosor.
Según destaca el CSIC, lo novedoso de este trabajo es que este proceso se ha conseguido utilizando una batidora doméstica, un enfoque “sencillo, sostenible y de bajo coste” que minimiza el empleo de productos químicos y facilita la obtención del material a gran escala.
Los autores subrayan que este avance se enmarca en la línea de trabajo del grupo, centrada en el desarrollo de cerámicas reforzadas con materiales bidimensionales y en el estudio detallado de su comportamiento, un conocimiento clave para diseñar soluciones eficaces que mejoren las propiedades mecánicas y funcionales de los materiales cerámicos y, con ello, impulsen la innovación biomédica.
La investigación ha sido respaldada por financiación del IV Plan Propio de la Universidad de Sevilla, la Sociedad Europea de Cerámica, el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y la Agencia Estatal de Investigación.