Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
CONTROL EN LA BIODEGRADACIÓN DE IMPLANTES MÉDICOS FABRICADOS MEDIANTE LPBF
Autor
LIMÓN VELO, IRENE
Director
TORRES BARREIRO, BELÉN
Codirector
MULTIGNER DOMÍNGUEZ, MARTA MARÍA
Fecha de depósito
27-05-2025
Periodo de exposición pública
28 de mayo a 10 de junio de 2025
Fecha de defensa
Sin especificar
Modalidad
Presencial
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
Solicitada
Resumen
Las enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de muerte en todo el mundo. Un procedimiento quirúrgico común es la angioplastia, que consiste en la inserción de un stent que proporciona soporte mecánico como un andamio vascular para restaurar y mantener el flujo sanguíneo en los vasos. Sin embargo, la implantación de un stent permanente tiene algunas limitaciones como disfunción endotelial a largo plazo, irritación física permanente y, en algunos casos, se requiere una segunda intervención clínica, lo que supone una dificultad añadida. Debido a estas limitaciones, los implantes temporales han ganado interés en aplicaciones cardiovasculares en los últimos años.
La mayoría de los avances e investigaciones se han centrado en los materiales poliméricos debido a su excelente capacidad de degradación en entornos biológicos. Sin embargo, estos materiales pueden carecer de propiedades mecánicas adecuadas, lo que puede conllevar que el diseño del stent requiera secciones más gruesas o incluso hacer que no cumplan adecuadamente su función. Los materiales metálicos, por otro lado, tienen un mayor módulo de elasticidad y resistencia, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieran resistir cargas. Los metales que pueden utilizarse para fabricar implantes biodegradables son aquellos que se encuentran en el organismo en forma de oligoelementos, como son el Mg, el Zn y el Fe. En particular, el magnesio (Mg) es el más estudiado y actualmente se utiliza en varios implantes en la práctica clínica. Aunque el Mg tiene muchas ventajas, presenta una velocidad de degradación demasiado alta para la aplicación de stent. Para reducir su velocidad de degradación y mejorar sus propiedades mecánicas, es necesario alearlo con otros elementos, como tierras raras, que no son componentes naturales del organismo. El zinc (Zn) muestra una buena biocompatibilidad y una tasa de corrosión adecuada, pero sus propiedades mecánicas son demasiado débiles. El hierro (Fe) es uno de los elementos metálicos más abundantes en el cuerpo humano y los productos de degradación del Fe y sus aleaciones son biocompatibles, además de poseer buenas propiedades mecánicas. Por estas razones, el Fe y sus aleaciones se han convertido en candidatos interesantes para la aplicación de stents. Sin embargo, la tasa de degradación del Fe es considerablemente lenta para la aplicación mencionada. Por esta razón, se están investigando diferentes técnicas para aumentar la velocidad de degradación.
El proceso de degradación de los metales ocurre a través de un proceso electroquímico, y es ampliamente conocido que las corrientes eléctricas son significativamente influenciadas por la presencia de campos magnéticos, ya sean continuos o alternos, por lo tanto, cuando un material se expone a un entorno agresivo dentro de un campo magnético, es razonable esperar un efecto en el comportamiento de las cargas presentes en dicho entorno, y, en consecuencia, en la tasa de corrosión.
Para comprobar el efecto del uso de campos magnéticos en el comportamiento a degradación de metales en medio fisiológico, en esta tesis se han llevado a cabo ensayos de degradación a corto (14 días) y largo (60 días) plazo, en Fe y Fe12Mn1.2C, en ausencia de campo magnético, bajo campo magnético alterno y bajo campo magnético continuo. Tras los ensayos, se ha evaluado la superficie de los materiales ensayados, los productos de corrosión generados y la velocidad de degradación.
Por otro lado, la fabricación aditiva (FA) es un proceso de producción que está ganando cada vez más relevancia, especialmente en el ámbito de la salud, para la fabricación de implantes. Su capacidad para producir piezas con geometrías complejas y personalizadas según las necesidades de cada paciente representa un valor añadido significativo y constituye una ventaja competitiva frente a los métodos convencionales, como la fundición o la forja. Sin embargo, como proceso de fabricación, aún requiere diversas optimizaciones para lograr la fabricación de piezas que puedan integrarse en la práctica clínica.
Se ha llevado a cabo la optimización y caracterización de piezas fabricadas aditivamente de Fe y de Fe20Mn0.5C mediante la técnica LPBF. Se ha realizado un estudio de defectología de las piezas impresas, y se han caracterizado a corrosión y se han estudiado sus propiedades mecánicas, para, posteriormente, determinar los parámetros óptimos de fabricación. A pesar de las ventajas que se obtienen de la FA, uno de los mayores inconvenientes es la falta de calidad en el acabado superficial. En este trabajo se ha examinado el electropulido (EP) para mejorar la calidad superficial de las mismas. Se exploraron varios parámetros del proceso, como la concentración de la solución electrolítica y el tiempo, en distintos tipos de geometría.
Con los parámetros de fabricación y electropulido óptimos, se fabricaron placas densas y piezas con geometría de stent, para realizar ensayos de degradación a corto plazo (14 días)
bajo distintas condiciones magnéticas de ensayo: en ausencia de campo magnético, bajo campo magnético alterno y bajo campo magnético continuo. Después de llevar a cabo los ensayos, se procedió a evaluar la superficie de los materiales ensayados, así como los productos de corrosión generados y la velocidad de degradación.
En definitiva, en esta tesis se pretende explorar el uso de campos magnéticos como sistema para regular la velocidad de degradación de implantes no permanentes, específicamente stents. Además, se investiga la fabricación aditiva como método para la fabricación de estos dispositivos, considerando sus numerosas ventajas potenciales en términos de diseño personalizado, rápida iteración de prototipos y capacidad para producir estructuras complejas de manera eficiente.
