En años recientes, el desarrollo de materiales compuestos para aplicaciones biomédicas
ha fomentado una extensa área de investigación e innovación tecnológica. Un material
que se ha usado extensivamente en el área biomédica es la Hidroxiapatita (HA), cuyas
aplicaciones incluyen recubrimientos bioactivos, implantes dentales, sustitución de
hueso, cementos para hueso, biomarcadores, entrega de fármacos, entre otros.
La hidroxiapatita, y materiales compuestos en base a ella, han venido tomando cada vez
mayor relevancia tecnológica para su aplicación en diversos campos de la tecnología a lo
largo de los años, muy particularmente en el campo de la biotecnología. Existe una gran
variedad de métodos para sintetizar HA permitiendo su combinación con aglutinantes,
polímeros y proteínas estructurales, para incrementar las propiedades mecánicas de tales
biocompuestos. Algunos de estos métodos permiten también la impurificación de la HA
con tierras raras trivalentes, aprovechando las propiedades luminiscentes de estas
últimas. En ambas variantes de aplicación de la HA, se busca no comprometer las
características biocompatibles.
En particular, y considerando las posibles aplicaciones biotecnológicas, el presente
trabajo de tesis está enfocado en: 1) La síntesis y caracterización de un material
biocompuesto en base a hidroxiapatita y colágeno, para su aplicación como
recubrimiento biocompatible de prótesis cráneo y maxilofaciales; y 2) la síntesis y
caracterización de polvos luminiscentes de HA impurificados con terbio, para su posible
aplicación como bio-etiquetadores. En ambos casos, se ha empleado la ruta sol-gel para
la síntesis de los materiales, debido a las ventajas que dicho método ofrece.
Específicamente para recubrimientos bioactivos, cementos y aplicaciones como
substitución de hueso, la determinación de las propiedades térmicas es importante, con
el fin de obtener materiales capaces de imitar el intercambio de calor entre el tejido óseo
y su entorno natural, siendo la difusividad térmica y la efusividad térmica las
propiedades principales a tomar en cuenta. Para ello se ha empleado la detección
fotoacústica resuelta en frecuencia y la radiometría fototérmica infrarroja, determinándose así, la difusividad térmica y la efusividad térmica del biocompuesto. Las
técnicas fototérmicas han probado ser una excelente opción para la determinación de
propiedades térmicas, no sólo por su gran precisión y versatilidad, sino porque estas
técnicas son no invasivas y no destructivas en el estudio de la respuesta térmica de
materiales.
En cuanto a la segunda vertiente de este trabajo, esto es, la síntesis y caracterización de
HA impurificada con terbio ̶ y además de la caracterización química, morfológica y
estructural de los polvos sintetizados ̶ se han determinado, mediante diferentes técnicas
espectroscópicas, las propiedades ópticas (respuesta luminiscente, decaimiento
fluorescente, energía de ancho de banda prohibida, entre otras) relevantes en la
evaluación del material como bio-etiquetador, en función de la cantidad del
impurificante añadido, obteniéndose así; un material con gran emisión luminiscente sin
sacrificar las características que lo clasifican como material biocompatible.
ABSTRACT
In recent years, the development of composite materials for biomedical applications it
has promoted an extensive area for the investigation and technological innovation. One
of these materials is Hydroxyapatite (HA), whose applications include: bone cements,
dental implants and bone substitution, biomarkers, medical tools, and bioactive coatings,
carbon absorbance materials, catalysts, among others.
Hydroxyapatite (HA) and composites based on it, have been taking increasing
technological relevance for its application in various technological fields over the years,
particularly in biotechnology. There are several methodologies to synthetize HA
reported, enabling its combination with binders, polymers and structural proteins to
increase the mechanical properties of such bio composites. Some of these methods also
allow the doped of the HA with trivalent rare earths, taking advantage of the luminescent
properties of the latter. In both variants of HA application, it is sought not to
compromise the biocompatible characteristics.
In particular, and considering the possible biotechnological applications, this thesis is
focused on: 1) The synthesis and characterization of a biocomposite material based on
hydroxyapatite and collagen, for its application as a biocompatible coating of cranial and
maxillofacial prostheses; and 2) the synthesis and characterization of terbium-doped HA
luminescent powders for their possible application as bio-labelers. In both cases, the solgel
route has been used for the synthesis of the materials, due to the advantages that this
method offers.
Specifically, for bioactive coatings, cements and bone substitution applications, the
determination of thermal properties is quite relevant to obtain capable materials to
emulate the heat exchange between the bone tissue and the native surroundings, being
the thermal diffusivity and the thermal effusivity the main properties to keep in mind.
For these purposes, the photothermal techniques have proven to be an excellent choice
for the determination of the thermal properties, not only because its great accuracy and versatility, but also because these techniques are non-invasive, non-destructive methods
to study the thermal response of materials.
As for the second aspect of this work, that is; the synthesis and characterization of HA
doped with terbium ̶ and in addition to the chemical, morphological and structural
characterization of the synthesized powders ̶ have been determined, by different
spectroscopic techniques, the optical properties (luminescent response, fluorescent
decay, prohibited bandwidth energy, etc.) relevant to the evaluation of the material as a
bio-labeler, in function of the amount of the added dope, thus obtaining; a material with
large luminescent emission without sacrifice the characteristics that classify it as a
biocompatible material.
