Bone cements reinforced with carbon based nanomaterials

Abstract

Hoy en día, los cementos óseos acrílicos son utilizados principalmente como agentes de relleno en las cirugías de reemplazo articular. El uso de estos materiales presenta muchas ventajas frente a otras técnicas de fijación (fácil preparación y aplicación, reacción de polimerización rápida y rápida recuperación del paciente), pero también presentan diversos problemas (formación de poros que debilitan las propiedades mecánicas, comportamiento frágil, necrosis térmica del hueso o necrosis química debida al monómero residual). En el caso de que alguno de estos problemas surja y de lugar al fallo de la prótesis, es necesario llevar a cabo una cirugía de revisión. Esto no solo implica un elevado riesgo para el paciente (el tratamiento es complejo, los tiempos de recuperación largos y la cirugía de revisión no es tan buena como las artroplastias primarias), sino que además conlleva unos elevados costes sanitarios. Se sabe que unas óptimas propiedades del cemento óseo son indispensables para la integridad a largo plazo de la prótesis. La mejora de las propiedades del cemento constituye un reto que ha sido el objetivo de numerosas investigaciones durante los últimos años. En esta tesis, se evalua la incorporación de grafeno (G) y oxido de grafeno (GO) en el cemento óseo acrílico cómo una posible solución para mejorar sus propiedades mecánicas y térmicas, y de esta forma tratar de mejorar el éxito a largo plazo de las cirugías de reemplazo articular. Los resultados obtenidos demuestran que la incorporación de bajas cargas de G y GO (0.1% en peso) mejoran significativamente las propiedades mecánicas de los cementos óseos, en especial las propiedades a fatiga y la fractura. Esto ocurre debido a que los nanomateriales dentro de la matriz polimérica desvían y detienen de la grieta durante su propagación. Adicionalmente, con el objetivo de mejorar la interacción de las nanopartículas con el cemento y de esta forma favorecer el retraso de la grieta, se ha desarrollado un procedimiento para la silanización del G utilizando un agente silano (MPS). Con esta silanización se han conseguido mejoras extraordinarias en las propiedades del cemento: la resistencia a flexión de aumentó en un 14.4%, la resistencia a compresión en un 13.7% y la vida a fatiga en un 948% (Índice de fatiga, I). La incorporación de este grafeno silanizado dentro del cemento óseo también ha demostrado una biocompatibilidad adecuada y unas buenas propiedades térmicas, permitiendo su aplicación clínica y pudiendo proporcionar una alternativa interesante cómo solución a la problemática.

Nowadays, acrylic bone cements are primarily used as a grouting material in joint replacement surgeries. The use of these materials presents many advantages over other fixation techniques (such as ease of preparation and application, quick polymerisation reaction and fast patient recuperation), but there are also several drawbacks (weakened mechanical properties due to pore entrapment, brittle behaviour, thermal bone necrosis and leaching of unreacted monomer). If any of aforementioned problems arises and prosthesis failure happens, it is necessary a revision surgery. This does not only entail an elevated risk for the patient (treatment is complex, recuperation times are long and revision surgery is not as good as primary arthroplasty) but also entails very high associated health costs. It is known that the optimal bone cement properties are fundamental for its long term integrity, and therefore for clinical success. The improvement of the bone cement properties is a challenge that has been the focus of much research. In this thesis the incorporation of graphene (G) and graphene oxide (GO) into the acrylic bone cement has been explored as a possible solution to improve the mechanical and thermal properties and by this way, try to improve the success of the joint replacement surgeries. The obtained results demonstrated that the incorporation of low levels of load (0.1 wt.%) of G and GO significantly improves the mechanical properties of bone cements, specially the fatigue and fracture properties. This happens because the nanomaterials within the polymeric matrix promote the deviation and detention of the crack during its propagation. Additionally, with the aim of favouring the interaction of the nanoparticle with the cement and therefore facilitate the crack retardation, it has been developed a suitable procedure for the silanisation of G with MPS. This silanisation extraordinarily improved the cement properties; bend strength was increased by 14.4%, compression strength by 13.7% and fatigue life by 948% (fatigue performance index, I). The introduction of this silanised graphene into the bone cement has showed an adequate biocompatibility and thermal properties which could allow its clinical application and could provide an interesting alternative as solution to the bone cements problems.