Un estudio mejora las cerámicas médicas avanzadas para frenar el deterioro de prótesis ortopédicas

Un estudio liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Sevilla (US), junto con el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon (Universidad Claude Bernard Lyon), ha desarrollado un nuevo tipo de cerámica más resistente al deterioro producido por la humedad y la temperatura corporal, lo que limita la vida útil de las prótesis ortopédicas.

Los resultados, publicados en Open Ceramics, demuestran que la incorporación de nanoláminas de ‘grafeno blanco’ (nitruro de boro bidimensional) en cerámicas avanzadas de circona aumenta un 18% su resistencia frente a microgrietas  y reduce su degradación por debajo del 10% en medios acuosos, lo que abre la puerta a implantes dentales y prótesis de cadera y rodilla más duraderos.

Las cerámicas avanzadas de circona son un material biocompatible y de gran dureza, utilizado principalmente en implantes dentales y coronas. Sin embargo, este material se ve afectado por el envejecimiento hidrotérmico —producido por la combinación de humedad y temperatura—, que favorece la aparición de rugosidades y microgrietas, lo que reduce la resistencia y duración de la pieza.

En este trabajo, el equipo demuestra que la incorporación de nanoláminas de nitruro de boro bidimensional, conocido como ‘grafeno blanco’, en las cerámicas de circona da como resultado un material más resistente. El nitruro actúa como barrera frente a la humedad al bloquear la penetración de agua hacia el interior de la cerámica, retrasando así la degradación. El material resultante cumple ampliamente con el estándar ISO13356, que regula los implantes quirúrgicos de circona.

“En los últimos años se está investigando en composites y mezclas que mejoren el desempeño de estas cerámicas frente a la humedad. Nuestro trabajo, aunque aún sin aplicación comercial directa, es un paso más en esta dirección”, explica Rosalía Poyato, investigadora del CSIC en el ICMS y autora del estudio.

Mayor resistencia

Para simular el desgaste que suponen décadas de permanencia en el cuerpo humano, las muestras fueron sometidas a ensayos de envejecimiento acelerado en autoclave, un instrumento que somete el material a vapor de agua saturado a alta presión y a una temperatura constante de 134 °C.

El estudio demuestra que, al añadir grafeno banco, la cerámica de circona mejora notablemente su resistencia al envejecimiento, ya que tras cinco horas en autoclave (que equivalen a casi 20 años en el interior de la boca), su degradación es menor al 10 %, muy por debajo de lo requerido por la norma ISO13356.

Esto es debido a las propiedades impermeabilizantes del grafeno blanco, cuyo nombre se debe a su similitud en estructura con el grafeno, aunque con color blanco y propiedades aislantes. Al añadir este material en forma de nanoláminas, este se distribuye de manera homogénea entre los granos que conforman la cerámica, actuando como una barrera que bloquea la penetración de las moléculas de agua y oxígeno hacia el interior.

Además, el equipo constató que la adición de nitruro de boro bidimensional aumenta en un 18 % la resistencia del material a la aparición de grietas en ambientes húmedos.  Para ello, compararon la resistencia que las cerámicas oponían a la propagación de grietas en muestras al aire (con una humedad entre el 40% y el 60%) con otras sumergidas en aceite de oliva (un entorno completamente seco y sin humedad ambiental).

Innovación biomédica

Para obtener las nanoláminas de grafeno blanco, los investigadores utilizaron un método conocido como exfoliación por cizalla. Este proceso consiste en aplicar fuerzas mecánicas para separar las capas microscópicas del polvo de nitruro de boro hasta convertirlas en láminas nanométricas, de apenas unos pocos átomos de grosor. Lo innovador de este trabajo es que este proceso se ha logrado utilizando una batidora doméstica, un enfoque sencillo, sostenible y de bajo coste que reduce al mínimo el uso de químicos y facilita la producción del material a gran escala.

El trabajo es un paso más en la línea de investigación del equipo, especializado en el desarrollo de cerámicas con materiales bidimensionales y en la comprensión profunda de su funcionamiento, fundamental para poder desarrollar soluciones efectivas que mejoren las propiedades mecánicas y funcionales de materiales cerámicos, contribuyendo así a la innovación biomédica.

La investigación cuenta con la financiación del IV Plan Propio de la Universidad de Sevilla, la Sociedad Europea de Cerámica, el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y la Agencia Estatal de Investigación.

Referencias

C. Muñoz-Ferreiro, A. Morales-Rodríguez, H. Reveron, E. Guisado-Arenas, S. Cottrino, P. Moreno, J. Prada-Rodrigo, J. Chevalier, Á. Gallardo-López, R. Poyato (2025). Boron nitride nanosheets as an effective strategy against the slow crack growth and hydrothermal ageing in zirconia composites.  Open Ceramics (vol 23). DOI: 10.1016/j.oceram.2025.100816.