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Materiales basados en óxidos de titanio destinados a implantes para reparación de lesiones del Sistema Nervioso Central

 

María Canillas Pérez
Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC

 

Directoras de Tesis:
Dra. Eva Chinarro Martín
Dra. Berta Moreno Burriel


Los traumas de médula espinal crean lesiones irreversibles que provocan la incapacidad de por vida. La reparación de lesiones del Sistema Nervioso Central (SNC) tiene tres objetivos primordiales: transplante e ingeniería tisular, regeneración tisular, y la neuroprotección, implicando entre otros la reducción de la inflamación. El proceso inflamatorio agrava la lesión mediante la segunda muerte celular y los inhibidores de crecimiento liberados por los Astrocitos, así como la formación de la cicatriz de Glia, dificulta el crecimiento de los axones.

 El Titanio se ha usado con éxito en implantes dentales y ortopédicos gracias a su gran biocompatibilidad. Cuando el Ti entra en contacto con un medio acuoso tiene lugar un proceso de pasivación en el que se forma una capa de TiO2 a nivel superficial, con un espesor de nanometros. Esta capa de TiO2
es capaz de neutralizar las especies reactivas de nitrógeno y oxígeno liberadas por las células inflamatorias como señales que desencadenan el mecanismo de inflamación, que podría finalizar con la encapsulación de implante. Por tanto, puesto que es el TiO2 el responsable de amortiguar el proceso inflamatorio, en este trabajo se ha propuesto como sustrato para la adherencia supervivencia y crecimiento de células neuronales, de cara a un futuro implante para lesiones de médula espinal.

Los sustratos se obtuvieron mediante síntesis por el método sol-gel y posterior precipitación, seguido de una compactación y sinterización en atmósfera de aire de los polvos sintetizados. Se estudiaron las propiedades físicas y químicas de la superficie. Los cultivos celulares llevados a cabo mostraron supervivencia celular y morfologías celulares, con numerosos puntos de adhesión, filopodia y ramificaciones, que señalan a este material como un candidato prometedor para la aplicación propuesta.

 Aunque el mecanismo por el cual el TiO2 reduce estas especies reactivas es todavía desconocido, algunos autores proponen que tiene lugar a través de reacciones de oxidación reducción que implican cambios estructurales y de fase. No obstante dichos cambios requieren de condiciones redox muy agresivas que en ningún caso tienen lugar en el entorno fisiológico. En realidad, lo que existe es TiO2-X, donde los defectos como las vacantes de oxígeno se compensan con estados reducidos de Ti3+. Por eso, se supone que es a través de reacciones redox entre los estados de oxidación, Ti4+ y Ti3+, como tiene lugar el mecanismo de reducción de las especies reactivas. Por tanto, materiales reducidos del TiO2, como son las fases de Magnéli, que posen Ti4+ y Ti3+ podrían ser materiales activos en estas reacciones neutralizadoras de especies radicales. Esta idea sumada al hecho de que algunas fases de Magnéli, como son Ti4O7 y Ti5O9, poseen elevada conductividad eléctrica y elevada resistencia a la corrosión, hacen que estos materiales hayan sido propuestos como electrodos para electroestimulación en aplicaciones médicas. Estas fases se obtuvieron mediante tratamiento térmico de los materiales de TiO2 en atmósfera reductora de N2:H2.

El TiN como capa se encuentra en la literatura como electrodo para electroestimular con fines médicos gracias a sus propiedades eléctricas y electroquímicas. En ese trabajo se propone como cerámico compacto mejorando así las propiedades mecánicas del material. En este caso el TiN se obtuvo también por tratamiento térmico de los materiales de TiO2, pero esta vez, en atmósfera de NH3.

Tanto para las fases de Magnéli como para el TiN se estudiaron las propiedades químicas y físicas de sus superficies, así como, su comportamiento eléctrico y electroquímico. Las conductividades eléctricas obtenidas son elevadas en ambos casos, pero muy superiores en el de las fases de Magnéli, llegando a superar los valores obtenidos en la literatura. Los mecanismos de inyección de carga en medios que simulan al fisiológico son de tipo capacitivo lo que evita reacciones de oxidación reducción entre el medio y la superficie de los materiales, que cambiarían la naturaleza de los mismos. Además, las capacidades de almacenamiento de carga son también muy elevadas, lo que significa una mayor eficacia de los materiales como electrodos, obteniéndose valores muy superiores a los recopilados en la bibliografía.

 Para estudiar la capacidad que tenían los materiales de amortiguar el proceso inflamatorio se evaluó su capacidad de reducir especies reactivas de nitrógeno y oxígeno. Para ello, se usaron dos especies reactivas diferentes SIN-1 (precursor del ONOO·) y DPPH·, basándose en la bibliografía y adaptándolos a la naturaleza del material. Estos métodos demostraron que todos los óxidos de titanio reducen estas especies. Además, el aumento de la actividad reductora está influenciado por parámetros como la cristalinidad, el porcentaje de fase rutilo y de Ti en estado de oxidación reducido (Ti3+), ordenados de menor a mayor según el aumento que promueven en dicha actividad. Todas estas propiedades, además, están asociadas un una disminución en el valor de band gap. Dentro del parámetro del porcentaje de rutilo, los porcentajes más elevados, asociados a valores de band gap más bajos, poseen actividades mucho mayores según el método de DPPH·.

Por último, la aplicación de campo eléctrico evaluada en sustratos de TiO2 mostró una ligera orientación de los axones en sentido catódico a pesar de la topografía y el gran número de puntos de adhesión de las células sobre este material.

Miembros del Tribunal:

Presidente, Prof. Dr. Vicente Fernández Herrero. Catedrático del Dpto. Química Inorgánica de la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

Secretario, Dr. Antonio de Aza Moya. Investigador Científico en el Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

1er Vocal, Prof. Dr. Colin McCaig, Regius Porfesor en la Universidad de Aberdeen y director del Institute of Medial Sciences (IMS).

2º Vocal, Prof. Dr. José Ramón Jurado Egea. Profesor de Investigación en el Institutode Productos Naturales y Agrobiología (IPNA) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

3er Vocal, Dra. Mónica Carballo Vila. Responsable del Departamento de Cultivos Celulares en el Hospital Nacional de Paraplégicos de Toledo (HNPT).

1er Suplente, Dra. Mercedes Vila Juárez. Investigador Ramón y Cajal en el Dpto. Química Inorgánica y Bioinorgánica de la Facultad de Farmacia de la Universidad Complutense de Madrid (UCM).

2º Suplente, Dr. Juan Carlos Pérez Flores. Contratadoen el Dpto. Química del Estado Sólido y Ciencia de Materiales de la Facultadde Farmacia en la Universidad SanPablo CEU.

Calificación: Sobresaliente Cum Laude