ES2290888T3

ES2290888T3 - Implantes metalicos.

Info

Publication number: ES2290888T3
Application number: ES05708424T
Authority: ES
Inventors: Martin Edward Lee Pickford; David Richard Lewis; Andrew Derek Turner
Original assignee: Accentus Medical PLC
Current assignee: Accentus Medical PLC
Priority date: 2004-03-13
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2008-02-16
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: EP1725701B1; KR20070018879A; KR101089053B1; WO2005087982A8; DE602005002353T2; JP4690386B2; US20070181221A1; CA2557029A1; AU2005221862A1; ATE372401T1; AU2005221862C1; GB0405680D0; CA2557029C; EP1725701A1; AU2005221862B2; WO2005087982A1; JP2007529621A; DE602005002353D1; US9011665B2

Abstract

Un método para tratar un implante metálico de titanio para el uso en un procedimiento quirúrgico, a fin de formar una capa superficial que sea integral con el sustrato metálico y que incorpore un material biocida, por medio de la anodización del implante para formar una capa superficial y luego llevar a cabo un intercambio iónico a fin de incorporar iones de un metal biocida en la capa superficial, caracterizado porque el método comprende anodizar el implante con un voltaje por encima de 50 V durante un período de al menos 30 minutos, a fin de generar la capa superficial, en donde la densidad de corriente, la concentración de electrolito, la duración de la anodización y la magnitud del voltaje de anodización son tales que la anodización genera una capa superficial densa dura y también agujeros superficiales en la capa superficial que se rellenan con un material poroso algo más blando y más poroso.

Description

Implantes metálicos.

Esta invención se relaciona con implantes metálicos para ser utilizados en procedimientos quirúrgicos, y en particular con la introducción de un material biocida en tales implantes para suprimir o controlar una infección.

Diferentes procedimientos quirúrgicos requieren del uso de implantes. Por ejemplo se puede remover hueso canceroso, en una cirugía prostética, para ser reemplazado por un implante metálico. Tal implante puede ser por ejemplo de una aleación de titanio, que es muy fuerte y relativamente liviano. Para garantizar una superficie resistente se ha sugerido la provisión de un recubrimiento de nitruro de titanio. Existe además un riesgo de introducir infección cuando se implantan dichos implantes metálicos, y se ha sugerido que se puede hacer un electrochapado de la plata metálica sobre los implantes metálicos, siendo la plata un material biocida que puede controlar la infección sin causar efectos tóxicos al paciente. Sin embargo, tales recubrimientos, ya sean de nitruro de titanio o de plata, se pueden socavar debido a la corrosión por los fluidos corporales, de modo que se puede desprender el recubrimiento del implante, lo que puede incrementar el desgaste y causar daño en el tejido.

WO 00/72777 (Nobel Biocare) describe un implante de titanio para ser utilizado en odontología en el cual se genera una gruesa capa de óxido altamente porosa con superficie rugosa por medio de un tratamiento de oxidación anódica de alto voltaje, para mejorar la unión a los huesos; la capa porosa puede incorporar también una sustancia que estimula el crecimiento del hueso. WO 03/089023 (Accentus) describe una forma para tratar previamente un implante por medio de anodizado a 10 V para formar una capa de fosfato, y luego incorporar iones biocidas de plata en esta capa por medio de intercambio iónico. Se ha encontrado ahora una forma de elaborar una capa significativamente mejorada.

De acuerdo con la presente invención, se provee un método para tratar un implante metálico de titanio para uso en un procedimiento quirúrgico, a fin de formar una capa superficial que sea integral con el sustrato metálico y que incorpore un material biocida, anodizando el implante para formar una capa superficial y luego llevar a cabo el intercambio iónico para incorporar iones de un metal biocida en la capa superficial, caracterizado por que el método comprende la anodización del implante a un voltaje por encima de 50 V durante un período de la menos 30 minutos, a fin de generar la capa superficial, en donde la densidad de corriente, la concentración de electrolito, la duración del anodizado y la magnitud del voltaje de anodizado son tales que el anodizado genera una capa superficial densa dura y también agujeros poco profundos en la capa superficial que son rellenados con un material un poco más blando y más poroso.

El material biocida preferiblemente debe ser efectivo al menos durante 6 semanas, preferiblemente hasta por 6 meses después de la cirugía, y la velocidad de liberación debe ser lenta para evitar efectos tóxicos sobre las células del organismo. Además, la cantidad total de material biocida está también preferiblemente limitado para minimizar cualquier efecto tóxico. La realización del anodizado a un voltaje por encima de 50 V tiene dos efectos: inicialmente genera una capa superficial densa dura cuyo espesor está determinado principalmente por el voltaje, y luego genera agujeros poco profundos en la superficie que se rellenan con un material un poco más blando y más poroso. La absorción de iones metálicos biocidas es principalmente en el material dentro de los agujeros poco profundos, de modo que la cantidad total de material biocida y su velocidad de liberación pueden se pueden controlar por medio del control de la magnitud del voltaje de anodización y de su duración, para controlar el número y el tamaño de los agujeros superficiales. La anodización se puede llevar a cabo a un voltaje tan alto como 500 V ó 750 V, pero más usualmente se realiza entre 50 V y 150 V. La duración puede ser hasta de 24 horas, pero preferiblemente no mayor a 12 horas, por ejemplo 2 ó 6 horas.

También es deseable si se pule muy bien la superficie antes de la producción de la capa superficial. Esto se puede lograr, por ejemplo por medio de electropulido. Un beneficio de llevar a cabo el anodizado a un voltaje en este rango significativamente superior es que el terminado de la superficie no se afecta en forma perjudicial; si se pule la superficie antes del anodizado hasta quedar brillante, permanecerá brillante después de la etapa de anodizado a alto voltaje. Esto contrasta con el efecto del anodizado a bajo voltaje, que genera una apariencia lechosa o mate en la superficie.

En principio, se puede utilizar todo un rango de materiales diferentes para el material biocida. Oro, platino y paladio serían potencialmente adecuados, aunque costosos; se prefiere la plata ya que no es particularmente soluble en los fluidos corporales debido a la presencia de iones cloruro y a la baja solubilidad del cloruro de plata. Otros elementos tales como cobre, estaño, antimonio, plomo, bismuto y zinc pueden ser utilizados como iones combinados dentro de la capa superficial. La velocidad de liberación estaría controlada, en este caso, principalmente por la fuerza de la absorción de los iones metálicos en la capa.

El término implante metálico de titanio se refiere a un implante de un metal que es predominantemente titanio, preferiblemente al menos 75% titanio en peso. La invención es aplicable a implantes prostéticos que están elaborados de titanio puro, o de una aleación de titanio. La aleación estándar para este propósito es 90% de titanio con 6% de aluminio y 4% de vanadio (estándar británico 7252).

Preferiblemente se pule inicialmente el implante para proveer una superficie muy pulida. La aleación de titanio puede ser sometida a electropulido utilizando ácido acético, o una mezcla de ácidos nítrico y fluorhídrico. Alternativamente se pueden someter los implantes a una combinación de pasivación anódica con pulido mecánico, que pude denominarse como un electropulido, donde dicho proceso remueve al óxido que protege las asperezas de la superficie, siendo pasivada nuevamente entonces electroquímicamente en ese momento, para producir un terminado pulido tipo espejo. Diferentes electrolitos son adecuados para este propósito, incluido el ácido nítrico mezclado con ácido sulfúrico, hidróxido de sodio, fosfato de sodio o hidróxido de sodio mezclado con nitrato de sodio.

Después de pulir la superficie del metal, puede tener lugar la conversión de la superficie. Se forma una capa de óxido metálico o de fosfato por medio del anodizado en un electrolito adecuado, para que se construya la capa de óxido o de fosfato en la superficie del metal, como se describió anteriormente. Se pueden absorber entonces los iones metálicos biocidas a partir de una solución acuosa de una sal dentro de la matriz de óxido o de fosfato, por ejemplo los iones Ag^{+} o Cu^{++}. Los cationes de paladio, o inclusive de rutenio se podrían absorber de forma similar. Si se desea, la plata, el platino o el paladio depositados podrían ser convertidos entonces al metal dentro del recubrimiento superficial de óxido o de fosfato, siendo realizada esta reducción en forma química o electroquímica o por medio de luz.

Se describirá ahora la invención en forma adicional y más particularmente, a manera de ejemplo únicamente, y con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales:

La Figura 1 muestra una vista diagramática de una sección a través de parte de la superficie de un implante sometido a un tratamiento de anodización a bajo voltaje;

La Figura 2 muestra una vista correspondiente de una sección de un implante sometido a un tratamiento de anodización de alto voltaje de la invención; y

La Figura 3 muestra el perfil de la composición de la superficie de un espécimen tratado como en la Figura 2, el perfil siendo determinado por espectrometría de masas neutra secundaria.

Un implante de cadera se elabora de aleación de titanio (Ti/Al/V). El implante se limpia con ultrasonido utilizando primero acetona como la fase líquida, y luego solución acuosa 1 M de hidróxido de sodio, y luego se enjuaga en agua desionizada. La superficie está inicialmente brillante, con un color gris pálido. Se sumerge luego el implante limpio en una solución agitada al 12% (en peso) de ácido fosfórico, y se anodiza durante 2 horas con un voltaje máximo de 100 V y una corriente máxima de 10 mA/cm^{2}, para formar un recubrimiento superficial de óxido de titanio y fosfato. En un par de minutos se forma una capa dieléctrica densa sobre la superficie, y la corriente adopta entonces un valor estable bajo durante el resto del período de anodizado. La superficie forma una capa superficial dura que puede tener diferentes apariencias de color debido a efectos de interferencia óptica; durante la etapa inicial de anodizado, el color de la superficie varía desde púrpura/azul, pasando por azul, verde, amarillo, anaranjado, y luego finalmente rojo. El anodizado a 100 V produce un espesor de película de aproximadamente 0-14 \mum (140 nm). Se enjuaga luego el implante anodizado nuevamente en agua desionizada.

Se sumerge luego el implante en una solución acuosa 0,1 M agitada de nitrato de plata, y se lo deja allí durante 2 horas. Como resultado del intercambio iónico existe por lo tanto algo de fosfato de plata en el recubrimiento de fosfato de titanio. El implante queda listo entonces para ser implantado. Durante la exposición a los fluidos corporales existirá una lixiviación lenta de iones de plata desde la capa de fosfato, de modo que se matará cualquier bacteria en la inmediata vecindad del implante. Se suprime por lo tanto la infección que surja del implante.

Con referencia a la figura 1, donde la anodización de un implante de titanio 30 se lleva a cabo a 10 V durante 2 horas, la corriente cae hasta un valor bajo en el primer par de minutos durante la anodización, pero la corriente se eleva nuevamente con la formación de una capa superficial porosa con macroporos de 20 \mum y microporos de
1 \mum. Esto produce una capa porosa 32 con una gran área superficial que tiene aproximadamente 2 \mum de espesor, de óxido de titanio hidratado y de fosfato. Esta es altamente efectiva en la absorción de iones plata, y puede proveer una capacidad inicial de plata de aproximadamente 70-100 \mug/cm^{2}, esto está bien por debajo del nivel tóxico, pero es más que adecuado para proveer un efecto biocida.

Con referencia a la figura 2, donde se lleva a cabo la anodización a un voltaje alto tal como 100 V durante 2 horas, como se mencionó anteriormente la corriente cae inicialmente hasta un valor bajo, y luego permanece constante. La superficie forma una capa anodizada de óxido 34 típicamente de un espesor aproximadamente de 0,14 \mum, pero en la cual existen agujeros 36 típicamente de un diámetro aproximado de 5 \mum y de una profundidad aproximada de 0,4 \mum que se rellenan con óxido de titanio como resultado de la hidrólisis de la disolución localizada de titanio. Tales agujeros 36 son aproximadamente circulares en el dibujo, e integran entre un 15 y un 20% del área superficial. Las técnicas de análisis de la superficie han confirmado que, después del tratamiento de intercambio iónico, la plata absorbida se asocia con la fase de óxido de titanio/fosfato en la superficie; esto es cierto tanto para los procedimientos de anodización de voltaje bajo como de voltaje alto. La superficie anodizada con alto voltaje absorbe plata en menor grado en la superficie exterior de la capa dura 34, y en mayor medida dentro del material más poroso en los agujeros 36; sobre todo existe una capacidad inicial algo menor para la plata, típicamente aproximadamente 9 \mug/cm^{2}. Esto es suficiente aún para suministrar el efecto biocida requerido.

Por lo tanto, los efectos de la anodización a 100 V durante 2 horas son para producir una capa de óxido dura y compacta cuyo espesor depende del voltaje (siendo la relación aproximadamente de 1,4 nm por voltio) teniendo esta película una apariencia coloreada determinada por el espesor de la película, y reteniendo la microestructura superficial (por ejemplo, un terminado pulido). Además la superficie está agujereada, con agujeros de aproximadamente 0,3 \mum de profundidad rellenos con dióxido de titanio hidratado que cubren ligeramente menos de la mitad de la superficie. Esta puede ser cargada con plata aproximadamente a razón de 9 \mug/cm^{2}.

Las mediciones de la composición superficial a diferentes profundidades por debajo de la superficie han sido medidas utilizando espectrometría de masas neutra secundaria sobre un espécimen de una aleación de titanio tratado como se describió anteriormente. Los resultados se muestran en la figura 3, a la cual se hace referencia ahora. Se observará que en la región superficial, aproximadamente por debajo de 0,14 \mum (marcada por la línea puntuada), la composición es aproximadamente 73% de oxígeno y aproximadamente 18% de titanio, con aproximadamente 6% de fósforo; esto corresponde a la capa superficial dura 34. Existe entonces una zona en la cual se incrementa la concentración de titanio y disminuye la concentración de oxígeno, aproximadamente por debajo de 0,4 \mum; esto corresponde a las profundidades en las cuales existen agujeros 36 que contienen óxido de titanio. A profundidades mayores la composición es evidentemente una aleación de titanio/aluminio.

También se han hecho mediciones de la pérdida de plata de la superficie del implante anodizado en un flujo de salmuera sobre la superficie (con una velocidad lineal de aproximadamente 0,7 ml cm^{-2} h^{-1}). La velocidad inicial de liberación de plata durante las primeras 24 horas es aproximadamente de 0,1 \mug cm^{-2} h^{-1}, cayendo gradualmente entonces la velocidad de liberación durante las próximas 24 horas hasta aproximadamente la mitad de ese valor, permaneciendo luego estable durante otras 48 horas, antes de disminuir nuevamente. Pero a lo largo de todo este período, la concentración de plata en lixiviado de salmuera fue suficiente para ser biocida.

La capacidad por plata se puede ajustar de tres maneras. Se la puede cambiar alterando el número de agujeros, y esto puede hacerse ya sea cambiando el voltaje, o cambiando la concentración de los agentes formadores de agujeros (tal como los iones cloruro o los iones fluoruro) que están presentes como impurezas en el electrolito de fosfato. Por ejemplo, la concentración de tales iones monovalentes puede ser disminuida por medio de un tratamiento selectivo de intercambio aniónico; o podrían incrementarse sus concentraciones por medio de la adición de ácidos apropiados. Por ejemplo la concentración de iones cloruro puede ser incrementada por medio de la adición de NaCl o de ácido clorhídrico al electrolito de ácido fosfórico, preferiblemente de tal manera que la concentración de ión cloruro no sea mayor a 500 ppm, más preferiblemente no mayor a 50 ppm. Alternativamente, los agujeros pueden crecer hasta profundidades y diámetros mayores; esto se puede lograr llevando a cabo la anodización durante un período de tiempo más largo.

También puede ser apropiado cambiar la densidad de corriente.

Por medio de la anodización a un voltaje más alto se puede incrementar el espesor de la capa dura de óxido, por ejemplo estando aproximadamente en 0,7 \mum a 500 V. Una vez que se ha formado esta capa, como se indica por medio de la disminución en la corriente, se puede cambiar el voltaje. Durante esta segunda etapa se forman los agujeros, y gradualmente crecen en tamaño, y esto se puede llevar a cabo a un voltaje menor.

Se apreciará que la invención es también aplicable a implantes que son elaborados al menos parcialmente con titanio poroso, para que el proceso de anodización a alto voltaje sea efectivo dentro de los poros. Esto puede conducir a una carga significativamente mayor de plata por unidad de volumen del implante, debido al área superficial mucho mayor.

La conexión eléctrica con el implante, para que se pueda llevar a cabo la anodización, puede ser por ejemplo a través de un alambre de titanio soldado por medio de soldadura autógena de punto sobre el implante. Alternativamente, se puede taladrar un agujero ciego dentro del implante y hacerse la conexión eléctrica por medio de un conector roscado en este agujero, un sellante (por ejemplo silicona) que evita que el electrolito tenga acceso al área de contacto. Las partes expuestas del conector se pueden proteger de la anodización por ejemplo por medio de una cinta de aislamiento de PTFE. Después del proceso de anodización, se removería el conector, y el agujero podría ser rellenado por medio de un tapón biocompatible, por ejemplo de titanio anodizado, o de un polímero.

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Referencias citadas en la descripción

Este listado de referencias citado por el solicitante es únicamente para conveniencia del lector. No forma parte del documento europeo de la patente. Aunque se ha tenido gran cuidado en la recopilación, no se pueden excluir los errores o las omisiones y la OEP rechaza toda responsabilidad en este sentido.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet WO 0072777 A [0003]: \bullet WO 03089023 A [0003]

Claims

1. Un método para tratar un implante metálico de titanio para el uso en un procedimiento quirúrgico, a fin de formar una capa superficial que sea integral con el sustrato metálico y que incorpore un material biocida, por medio de la anodización del implante para formar una capa superficial y luego llevar a cabo un intercambio iónico a fin de incorporar iones de un metal biocida en la capa superficial, caracterizado porque el método comprende anodizar el implante con un voltaje por encima de 50 V durante un período de al menos 30 minutos, a fin de generar la capa superficial, en donde la densidad de corriente, la concentración de electrolito, la duración de la anodización y la magnitud del voltaje de anodización son tales que la anodización genera una capa superficial densa dura y también agujeros superficiales en la capa superficial que se rellenan con un material poroso algo más blando y más poroso.

2. Un método como el reivindicado en la reivindicación 1 en donde el metal biocida es plata.

3. Un método como el reivindicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2 en donde la etapa de anodización utiliza un electrolito que contiene ácido fosfórico.

4. Un método como el reivindicado en la reivindicación 3 en donde el ácido fosfórico es de una concentración entre 5% y 20% en peso.

5. Un método como el reivindicado en la reivindicación 3 o en la reivindicación 4 en donde el electrolito contiene iones cloruro en una concentración no mayor a 500 ppm.