Síntesis y caracterización de compuestos de hidroxiapatita para aplicaciones biotecnológicas

Abstract

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.