ES2222778B2 - PROCEDURE TO INCREASE THE MECHANICAL PROPERTIES OF BIOCERAMIC CALCIUM PHOSPHATES THROUGH THE ADDITION OF GELS WITH CONTROLLED CA / P RELATIONSHIP TO RAW MATERIAL POWDER. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para incrementar las propiedades mecánicas de biocerámicas de fosfatos cálcicos mediante la adición de geles con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas de fosfatos cálcicos para la fabricación de piezas para su uso en cirugía ortopédico-restauradora, neurocirugía y odontología. Mediante la adición de geles de composición controlada y tamaño de partícula inferior a 0,1 {mi}m, a los polvos de fosfato cálcico de partida, este uso conjunto de los geles con los polvos de materias primas de fosfatos cálcicos hace que las piezas preparadas presenten mejores propiedades mecánicas que las obtenidas por un procesamiento cerámico convencional llegando a obtenerse resistencias a compresión de hasta 150MPa.Procedure to increase the mechanical properties of calcium phosphate bioceramics by adding gels with controlled Ca / P ratio to powders of calcium phosphate raw materials for the manufacture of parts for use in orthopedic-restorative surgery, neurosurgery and dentistry. By adding gels of controlled composition and particle size of less than 0.1 µm, to the starting calcium phosphate powders, this joint use of the gels with the powders of calcium phosphate raw materials makes the pieces prepared have better mechanical properties than those obtained by a conventional ceramic processing, obtaining compressive strengths of up to 150MPa.

Description

Procedimiento para incrementar las propiedades mecánicas de biocerámicas de fosfatos cálcicos mediante la adición de geles con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas.Procedure to increase the properties mechanical bioceramics of calcium phosphates by adding of gels with controlled Ca / P ratio to materials powders cousins.

Las biocerámicas de fosfatos cálcicos se han venido empleando a lo largo de los últimos 20 años en la cirugía ortopédico-restauradora, neurocirugía y odontología, de entre los cuales podemos destacar el fosfato tricálcico, el hidroxiapatito y sus mezclas.(S. F Hulbert, J. C. Boleros, L. L. Hench, J. Wilson and G. Heimke, "Ceramics in Clinical Applications: Past, Present and Future"; pp 189-213 in High Tech Ceramics. Edited by P. Vincenzini. Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 1987). Son de gran interés debido a su gran similitud con la fase mineral del hueso, por lo que no provocan reacciones de rechazo y permiten la integración del tejido vivo en el implante. Las biocerámicas de fosfato cálcico comprenden un grupo de compuestos que se diferencian entre sí en la relación Ca/P y en la presencia o ausencia de agua en su constitución (ver tabla 1). Una variación en dicha relación produce desde diferencias en la solubilidad del compuesto en agua o en suero fisiológico, hasta comportamientos muy diferentes de los distintos fosfatos en contacto con el tejido vivo y distintas respuestas de estos tejidos (H. Oonishi, L. L. Hench, J. Wilson, F. Sugihara, E. Tsuji, S. Kushitani, H. Iwaki, J., Biomed Matter Res, 1999 (44), 31-43),. El diseño de materiales con la relación Ca/P controlada permite fabricar a medida piezas con propiedades adecuadas para aplicaciones concretas ("taylor-made").The bioceramics of calcium phosphates have been used over the past 20 years in orthopedic-restorative surgery, neurosurgery and dentistry, among which we can highlight tricalcium phosphate, hydroxyapatite and mixtures thereof (S. F Hulbert, JC Boleros, LL Hench, J. Wilson and G. Heimke, "Ceramics in Clinical Applications: Past, Present and Future"; pp 189-213 in High Tech Ceramics . Edited by P. Vincenzini. Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 1987 ). They are of great interest due to their great similarity with the mineral phase of the bone, so they do not cause rejection reactions and allow the integration of living tissue into the implant. Calcium phosphate bioceramics comprise a group of compounds that differ from each other in the Ca / P ratio and in the presence or absence of water in their constitution (see table 1). A variation in this relation produces from differences in the solubility of the compound in water or in physiological serum, to very different behaviors of the different phosphates in contact with living tissue and different responses of these tissues (H. Oonishi, LL Hench, J. Wilson, F. Sugihara, E. Tsuji, S. Kushitani, H. Iwaki, J., Biomed Matter Res , 1999 (44), 31-43) ,. The design of materials with the controlled Ca / P ratio allows custom parts to be manufactured with properties suitable for specific applications ("taylor-made").

TABLA 1TABLE 1

1one

Se utilizan habitualmente fosfatos cálcicos con relación Ca/P= 1,67 (Hidroxiapatitos), con características bioactivas; fosfatos cálcicos con relación Ca/P= 1,50 (Fosfatos tricálcicos), que son materiales reabsorbibles; y composiciones con estequiometrías intermedias (1,50<Ca/P<1,67), que se conocen como "materiales bifásicos" (BCP, biphasic calcium phosphates, en sus siglas inglesas).Calcium phosphates are usually used with Ca / P ratio = 1.67 (Hydroxyapatites), with characteristics bioactive; calcium phosphates with Ca / P ratio = 1.50 (Phosphates tricalcium), which are resorbable materials; and compositions with intermediate stoichiometry (1.50 <Ca / P <1.67), which are known as "biphasic materials" (BCP, biphasic calcium phosphates, in its English acronym).

Las piezas utilizadas hoy en día se fabrican por métodos de procesamiento convencionales de la industria cerámica tales como extrusión, colado (normal, centrífugo y a presión), inyección de pastas cerámicas (de baja y alta presión), prensado (uniaxial, isostático en frío y en caliente), gelcasting, etc. Una vez conformadas, estas piezas se procesan térmicamente. Este procesamiento incluye: a) una etapa de secado, a temperaturas entre 60ºC y 150ºC, que tiene por objeto la eliminación del agua presente en la pieza. Esta etapa puede no ser necesaria en algunos casos; y b) la cocción, característica de las cerámicas, que se realiza a temperaturas superiores a los 100ºC, y con ciclos de tiempo muy variables, dependiendo de la composición y características dimensionales y de forma de las piezas.The parts used today are manufactured by conventional processing methods of the ceramic industry such as extrusion, casting (normal, centrifugal and pressure), ceramic paste injection (low and high pressure), pressed (uniaxial, hot and cold isostatic), gelcasting, etc. A Once formed, these pieces are thermally processed. This Processing includes: a) a drying stage, at temperatures between 60ºC and 150ºC, which aims to eliminate the water present in the room. This stage may not be necessary in some cases; Y b) cooking, characteristic of ceramics, which is carried out at temperatures above 100 ° C, and with very long time cycles variables, depending on the composition and characteristics Dimensional and shape of the pieces.

Las formas mas utilizadas como implantes son esponjas porosas, cuñas, tornillos, granulados de distintos tamaños de partícula, etc.The most commonly used forms as implants are porous sponges, wedges, screws, granules of different sizes of particle, etc.

Las piezas de fosfatos cálcicos se caracterizan por su débil resistencia mecánica, que las hace inadecuadas para su uso en zonas de implantación con este tipo de solicitaciones (Feenster, L. and K. de Groot, in "Bioceramics of calcium phosphates", p. 131, edited by K. de Groot, CRC Pres, Boca Raton, Florida, 1983). Estas resistencias se encuentran normalmente entre 5 y 30 Mpa en compresión, y de 2 a 20 Mpa en flexión, claramente insuficientes para la mayoría de las aplicaciones en zonas de alta solicitación mecánica.The pieces of calcium phosphates are characterized due to its weak mechanical resistance, which makes them unsuitable for use in areas of implementation with this type of solicitations (Feenster, L. and K. de Groot, in "Bioceramics of calcium phosphates ", p. 131, edited by K. de Groot, CRC Pres, Boca Mouse, Florida, 1983). These resistances are normally found between 5 and 30 Mpa in compression, and 2 to 20 Mpa in flexion, clearly insufficient for most applications in areas of high mechanical solicitation.

Por ello, comúnmente, las cerámicas de fosfato se utilizan en rellenos, como carga de otros materiales más resistentes, o en recubrimientos de metales. En los últimos años se ha dedicado un considerable esfuerzo para conseguir reforzar estas cerámicas de fosfato cálcico, utilizando las técnicas de uso general en la ciencia cerámica y de materiales.Therefore, commonly, phosphate ceramics are used in fillers, as a load for other materials resistant, or in metal coatings. In recent years it has devoted considerable effort to strengthen these calcium phosphate ceramics, using general use techniques in ceramic and materials science.

En el campo de los materiales cerámicos se utilizan una serie de procedimientos para el reforzamiento mecánico y la consiguiente mejora de propiedades tales como la resistencia a compresión, la resistencia a flexión, la tenacidad, etc., algunos de los cuales se citan a continuación ("Engineered Materials Handbook", Vol. 4, Ceramics and Glasses, Edited by ASM International, 1991).In the field of ceramic materials use a series of procedures for mechanical reinforcement and the consequent improvement of properties such as resistance to compression, flexural strength, toughness, etc., some of which are cited below ("Engineered Materials Handbook ", Vol. 4, Ceramics and Glasses, Edited by ASM International, 1991).

\bullet?

Introducción de una fase secundaria que incremente la tenacidad de la pieza.Introduction of a phase secondary that increases the tenacity of the piece.

\bullet?

Transformaciones de fases meta estables que refuercen la matriz, como el reforzamiento por transformación martensítica de la circona.Meta phase transformations stable that reinforce the matrix, such as reinforcement by martensitic transformation of zirconia.

\bullet?

Reforzamiento con whiskers (fibras monocristalinas de alta relación de aspecto).Reinforcement with whiskers (monocrystalline fibers of high aspect ratio).

\bullet?

Incorporación de fibras continuas en la matriz cerámica.Fiber incorporation continuous in the ceramic matrix.

\bullet?

Adición de una fase vítrea.Adding a phase vitreous

\bullet?

Utilización de nanopartículas.Use of nanoparticles.

La aplicación de este tipo de procedimientos de reforzamiento en el campo de las biocerámicas de fosfatos cálcicos está bastante limitada, bien sea porque la segunda fase a añadir sea perjudicial para el cuerpo (toxicidad del material, liberación de fibras y/o partículas no deseadas) o por el elevado coste y dificultad del proceso (fabricación de whiskers de biocerámicas o uso de nanopartículas).The application of these types of procedures reinforcement in the field of calcium phosphate bioceramics It is quite limited, either because the second phase to be added is harmful to the body (toxicity of the material, release of unwanted fibers and / or particles) or because of the high cost and difficulty of the process (manufacture of bioceramic whiskers or use of nanoparticles).

Formalmente, cuando se habla de nanopartículas se hace referencia a un material en polvo cuyo tamaño de partícula es inferior a 0,1 \mum. Obtener nanopartículas en polvo supone seguir un proceso complejo y largo (H. Schmidf et col. "Sol-Gel derived nanoparticles and processing routes to ceramics and composites" in "Sol-Gel Synthesis and Processing", edited by S. Komarmeni, S. Saka, P. P. Phulé & R. M. Laine, Am. Cer. Soc., Ohio, 1998) que, inevitablemente, hace que se incrementen la dificultad y los costes del mismo. Una manera de evitar la obtención de nanopartículas en polvo es trabajar con suspensiones coloidales. En las suspensiones coloidales las nanopartículas se encuentran dispersas en un disolvente.Formally, when talking about nanoparticles, refers to a powder material whose particle size is less than 0.1 µm. Obtaining powdered nanoparticles means follow a complex and long process (H. Schmidf et al. "Sol-Gel derived nanoparticles and processing routes to ceramics and composites "in" Sol-Gel Synthesis and Processing ", edited by S. Komarmeni, S. Saka, P. P. Phulé & R. M. Laine, Am. Cer. Soc., Ohio, 1998) that, inevitably, it increases the difficulty and costs of the same. One way to avoid obtaining nanoparticles in Powder is to work with colloidal suspensions. In the suspensions colloidal nanoparticles are dispersed in a solvent

Tal como ya se ha dicho, para obtener piezas de biocerámicas de fosfatos cálcicos es necesario partir de polvos que se procesan para conseguir formas con las dimensiones requeridas. Una vez conformadas las piezas se calcinan para conseguir materiales consolidados a temperaturas inferiores a la de fusión total del compacto, en un proceso de sinterización. La sinterización implica fenómenos de transporte de materia basados en la difusión. Su fuerza conductora es la disminución de energía libre del compacto, y en particular de su energía libre superficial. Por ello altas superficies específicas en el material de partida favorecen la sinterización. Para los fosfatos cálcicos el rango de temperaturas de sinterización se encuentra entre 900ºC y 1500ºC (Elliott, J. C.; "Structure and Cemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates", Studies in Inorganic Chemistry 18, Elsevier, Amsterdam, London, New York, Tokio (1994)).As already said, to obtain pieces of bioceramics of calcium phosphates is necessary from powders that They are processed to get shapes with the required dimensions. Once shaped the pieces are calcined to get materials  consolidated at temperatures below the total melting of the compact, in a sintering process. Sintering implies Matter transport phenomena based on diffusion. His strenght conductive is the decrease of free energy of the compact, and in particular of its surface free energy. Why high specific surfaces in the starting material favor the sintering For calcium phosphates the temperature range Sintering is between 900ºC and 1500ºC (Elliott, J. C .; "Structure and Cemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates ", Studies in Inorganic Chemistry 18, Elsevier, Amsterdam, London, New York, Tokyo (1994)).

En el procesado de materiales cerámicos se tiende a utilizar materiales cada vez más finos, para favorecer la sinterización y disminuir los defectos de la pieza. En la actualidad son bastante comunes los procesos en los que se emplean, únicamente o en parte, nanopartículas, es decir partículas cuyo tamaño es inferior a 0,1 \mum.In the processing of ceramic materials it tends to use increasingly thin materials, to favor the sintering and reduce the defects of the piece. In the Nowadays the processes in which they are used are quite common, only or in part, nanoparticles, that is particles whose size is less than 0.1 µm.

Por otra parte, es bien sabido que los geles de hidróxidos, fosfatos y otras sales de metales de alta relación carga/radio están formados por sistemas coloidales compuestos por partículas de tamaño inferior a 0,1 \mum (M. Jarcho, C. H. Bolen, M. B. Thomas, J. Bobick, J. K. Kay and R. H. Dhoremus, J. Mater Sci 1976 (11)., 2027). Así pues, añadiendo a los polvos cerámicos utilizados en la fabricación de una determinada pieza, una cantidad adecuada de geles de fosfatos cálcicos de composición controlada, se puede mejorar la sinterización de dicha pieza en la posterior cocción de la misma y consecuentemente se mejorarán también sus propiedades mecánicas.On the other hand, it is well known that gels of hydroxides, phosphates and other salts of metals of high charge / radius ratio are formed by colloidal systems composed of particles smaller than 0.1 µm (M. Jarcho, CH Bolen, MB Thomas, J. Bobick, JK Kay and RH Dhoremus, J. Mater Sci 1976 (11)., 2027). Thus, by adding to the ceramic powders used in the manufacture of a certain piece, an adequate amount of calcium phosphate gels of controlled composition, the sintering of said piece can be improved in the subsequent firing of the same and consequently its improvements will also be improved. mechanical properties.

Se puede hacer una clasificación de la naturaleza de los fosfatos de calcio en función de la relación Ca/P de los mismos (ver tabla 1).You can make a classification of nature of calcium phosphates as a function of the Ca / P ratio of themselves (see table 1).

En función de esta relación van a presentar diferentes propiedades, tanto físico-químicas como bioactivas, por lo que es interesante al diseñar las piezas, no sólo controlar sus propiedades-mecánicas, sino también la respuesta que va a tener el cuerpo frente al implante. De ahí que sea primordial controlar dicha relación Ca/P.Depending on this relationship they will present different properties, both physicochemical and bioactive, so it’s interesting when designing the pieces, not only control its mechanical-properties, but also the response that the body will have against the implant. Hence it is essential to control said Ca / P relationship.

En la presente invención proponemos un procedimiento que consiste en la obtención de geles, de relación Ca/P controlada, y su adición a los polvos de materias primas de biocerámicas de fosfato cálcico. Este método permite reforzar las piezas con geles de relación Ca/P igual o diferente a la de la matriz cerámica. Este método es compatible con las rutas conocidas de procesamiento cerámico. Las piezas obtenidas, con resistencias mecánicas más altas que las tradicionales, podrían ser utilizadas en zonas de elevadas solicitaciones mecánicas, en las que hasta ahora no se emplean, añadiendo como ventaja el que la fase que se emplea para reforzar el material es igualmente compatible que el propio material. Dependiendo de la granulometría del polvo de partida se pueden llegar a alcanzar cotas de resistencia mecánica a compresión de 600 MPa.In the present invention we propose a procedure that consists of obtaining gels, of relation Ca / P controlled, and its addition to the raw materials powders of Bioceramics of calcium phosphate. This method allows to reinforce the pieces with gels of Ca / P ratio equal to or different from that of the ceramic matrix This method is compatible with known routes Ceramic processing The pieces obtained, with resistance mechanics higher than traditional, could be used in areas of high mechanical stresses, in which until now they are not used, adding as an advantage that the phase used to reinforce the material is equally compatible that the own material. Depending on the granulometry of the starting powder, they can reach levels of mechanical resistance to compression 600 MPa

Procedimiento Process

Para la obtención de geles con la relación Ca/P controlada se mezclan simultáneamente una disolución acuosa que contenga [Ca^{2+}] con otra disolución acuosa que contenga [PO_{4}^{-3}], ambas estabilizadas a un pH adecuado y con las concentraciones adecuadas de calcio y fósforo, para obtener una precipitación masiva de partículas coloidales de fosfato cálcico amorfo inferiores a 0,1 \mum de diámetro. Asimismo, es posible obtener geles de relación Ca/P controlada estabilizando a pH ácidos una disolución que contenga calcio y fósforo en las concentraciones adecuadas para posteriormente incrementar bruscamente el pH y obtener una precipitación masiva fosfato cálcico amorfo de relación Ca/P igualmente controlada. En ambos casos, las suspensiones se centrifugan o filtran para obtener un gel de relación Ca/P controlada y contenido en agua moderado.To obtain gels with the Ca / P ratio controlled are mixed simultaneously an aqueous solution that contain [Ca 2+] with another aqueous solution containing [PO4 <3>], both stabilized at a suitable pH and with the adequate concentrations of calcium and phosphorus, to obtain a massive precipitation of colloidal particles of calcium phosphate amorphous less than 0.1 µm in diameter. It is also possible obtain controlled Ca / P ratio gels stabilizing at acidic pH a solution containing calcium and phosphorus in concentrations suitable to subsequently sharply increase the pH and get a massive precipitation amorphous calcium phosphate ratio Ca / P equally controlled. In both cases, the suspensions are centrifuge or filter to obtain a Ca / P ratio gel controlled and moderate water content.

Una vez que se obtiene el gel de relación Ca/P controlada se pueden conformar las piezas de fosfatos cálcicos por vía húmeda en procesos tales como extrusión, colado (normal, centrifugo y a presión), inyección de pastas cerámicas (de alta y baja presión), gelcasting..., o bien por vía seca, utilizando técnicas de procesamientos tales como prensado uniaxial y prensado isostático en frío o en caliente.Once the Ca / P ratio gel is obtained controlled calcium phosphate parts can be formed by wet path in processes such as extrusion, casting (normal, centrifugal and pressure), ceramic paste injection (high and low pressure), gelcasting ..., or dry, using processing techniques such as uniaxial pressing and pressing Isostatic cold or hot.

Para trabajar por vía húmeda, los polvos cerámicos de fosfato, convenientemente molidos, se dispersan en agua, conjuntamente con el gel, con la ayuda de dispersantes tales como, Dolapix, Reotán, hexametafosfato sódico,
Sedisperse, Darwan..., de tal manera que se consigue que haya un contacto muy íntimo entre las partículas de materia prima y las partículas coloidales del gel. Las cantidades de partículas coloidales que se pueden añadir a los polvos de materia prima oscilan entre el 1% y el 50%. Una ver realizada esta dispersión conjunta y eliminados los agregados, se conforman las piezas por cualquiera de los procedimientos habituales, para secarlos posteriormente y procesar térmicamente en un horno.To work wet, ceramic phosphate powders, conveniently ground, are dispersed in water, together with the gel, with the help of dispersants such as, Dolapix, Reotán, sodium hexametaphosphate,
Sedisperse, Darwan ..., in such a way that there is a very intimate contact between the particles of raw material and the colloidal particles of the gel. The amounts of colloidal particles that can be added to the raw material powders range between 1% and 50%. Once this joint dispersion is carried out and the aggregates removed, the pieces are formed by any of the usual procedures, to be subsequently dried and thermally processed in an oven.

Para trabajar con el material en vía seca se centrifuga o filtra el gel de relación Ca/P controlada para separarlo del agua en exceso. Una vez centrifugado o filtrado se diluye con un disolvente orgánico volátil (cetonas, alcoholes, éteres...). Se mezcla y agita para conseguir una mezcla perfectamente homogénea y se vuelve a centrifugar o filtrar. Se repite esta operación tantas veces como sea necesaria para desplazar el agua contenida originalmente en el gel por la cantidad suficiente de disolvente volátil elegido. La razón de emplear un disolvente orgánico volátil es porque al desplazar el agua se consigue minimizar en gran medida la formación de hidratos durante el secado. Estos hidratos promueven la formación de agregados hecho que, a su vez, supone que aumente el tamaño de las partículas, lo cual haría que se perdiese la fuerza impulsora de las nanopartículas. Una vez que el contenido en agua esté minimizado, se mezclan los polvos de fosfato cálcico finamente molidos con este nuevo gel hasta obtener una mezcla homogénea (con o sin ayuda de dispersantes). Se elimina el disolvente volátil, con o sin agitación simultánea, para obtener un polvo seco perfectamente recubierto de agregados de nanopartículas con una relación Ca/P controlada, dispuesto para seguir cualquiera de los procesos de conformación usuales, ya sean siguiendo una vía seca o bien una vía húmeda según las técnicas descritas anteriormente. Se pueden mezclar polvos de materias primas con partículas coloidales contenidas en el gel desde un 1% hasta un 70%, aumentando el espesor del recubrimiento conforme se incremente la cantidad de gel a mezclar con las materias primas.To work with the material in a dry way centrifuge or filter the controlled Ca / P ratio gel to separate it from excess water. Once centrifuged or filtered it dilute with a volatile organic solvent (ketones, alcohols, ethers ...). Mix and stir to get a mixture perfectly homogeneous and re-centrifuged or filtered. Be repeat this operation as many times as necessary to move water originally contained in the gel for sufficient quantity of volatile solvent chosen. The reason for using a solvent volatile organic is because moving water achieves greatly minimize the formation of hydrates during drying. These hydrates promote the formation of aggregates, which instead, it assumes that the particle size increases, which would that the driving force of the nanoparticles be lost. One time that the water content is minimized, the powders are mixed finely ground calcium phosphate with this new gel until obtaining a homogeneous mixture (with or without the help of dispersants). It is eliminated volatile solvent, with or without simultaneous agitation, to obtain a dry powder perfectly coated with aggregates of nanoparticles with a controlled Ca / P ratio, arranged to follow any of the usual conformation processes, whether following a dry route or a wet route according to the techniques described above. Raw materials powders can be mixed with colloidal particles contained in the gel from 1% up to 70%, increasing the thickness of the coating as it increases the amount of gel to mix with the raw materials.

Ejemplo 1Example 1

Una disolución acuosa de Ca(NO_{3})_{2}\cdot4H_{2}O 0,5M se mezcla con una disolución de H_{3}PO_{4} 0,33M, ambas estabilizadas a pH 10 con NH_{3(aq)} para obtener una precipitación masiva. El resultado de la mezcla se centrifuga para obtener un gel acuoso de fosfatos cálcicos con un 12% en peso de partículas coloidales precursoras de TCP [Ca_{3}(PO_{4})_{2}]. Se mezcla dicho gel con polvo de TCP con un tamaño medio de partícula de 5 pm. Se prepara una suspensión acuosa de esta mezcla con un 80% en sólidos, de modo que el porcentaje final de nanopartículas, contenidas en la mezcla dispersa es del orden del 5%. Se prepara por colado una pieza cilíndrica, que se seca a 110ºC y se calcina a 1100ºC durante 3 horas. Los ensayos mecánicos sobre piezas así preparadas dan un resultado de resistencia a compresión de 72 MPa, frente a los 19 MPa que se obtienen tras el procesado convencional, sin la adición de gel de fosfato
cálcico.An aqueous solution of Ca (NO 3) 2 · 0.5 M 0.5 O is mixed with a solution of 0.33 M H 3 PO 4, both stabilized at pH 10 with NH_ { 3 (aq)} to obtain a massive precipitation. The result of the mixture is centrifuged to obtain an aqueous calcium phosphate gel with 12% by weight of TCP precursor colloidal particles [Ca 3 (PO 4) 2]. Said gel is mixed with TCP powder with an average particle size of 5 pm. An aqueous suspension of this mixture is prepared with 80% solids, so that the final percentage of nanoparticles contained in the dispersed mixture is of the order of 5%. A cylindrical piece is prepared by casting, which is dried at 110 ° C and calcined at 1100 ° C for 3 hours. Mechanical tests on parts so prepared give a compressive strength result of 72 MPa, compared to 19 MPa obtained after conventional processing, without the addition of phosphate gel
calcic.

En la figura 1 se pueden ver foto micrografías de microscopía electrónica de barrido (SEM). En las fotografías se muestra el aspecto de la superficie de fractura de dos probetas preparadas por colado, A sin adición de Gel, B con la adición de un 5% de gel según ejemplo 1. El grado de sinterización de la probeta con adición de gel (B) es mayor que el de la que no tiene adición de gel (A). Se ha empleado un gel de la misma relación Ca/P que los polvos con los que se ha mezclado.In Figure 1 you can see photo micrographs of scanning electron microscopy (SEM). The photographs show the appearance of the fracture surface of two specimens prepared by casting, A without the addition of Gel, B with the addition of 5% gel according to example 1. The degree of sintering of the specimen with the addition of gel (B) is greater than that which has no gel addition (A) . A gel of the same Ca / P ratio has been used as the powders with which it has been mixed.

Ejemplo 2Example 2

Una disolución acuosa de Ca(NO_{3})_{2}\cdot4H_{2}O 0,5M se mezcla con una disolución acuosa de H_{3}PO_{4} 0,33M, ambas estabilizadas a pH 10 con NH_{3(aq)} para obtener una precipitación masiva. El resultado de la mezcla se centrífuga para obtener un gel acuoso gel de fosfato cálcico con un 12% en peso de nanopartículas precursoras de TCP. Dicho gel se diluye con acetona en exceso y se mezcla mediante agitación mecánica para su posterior centrifugado. Se repite esta operación cuatro veces para reducir al máximo el contenido en agua del gel. Finalizada esta operación se obtiene un gel (con un contenido final de un 11% en peso de nanopartículas) con un contenido en agua inferior al 0,5%. Se mezcla polvo de TCP, con un tamaño medio de partícula de 5 \mum y una superficie específica de 6,34 m^{2}/g, con el gel con acetona como vehículo, de modo que el porcentaje final en peso de nanopartículas es del 6%. Se evapora la acetona y con el polvo obtenido, que presenta una con una superficie específica de 48 m^{2}/g, se prensa uniaxialmente un cilindro que se calcina durante 3 horas a 1100ºC. La pieza obtenida se ensaya a compresión dando como resultado una resistencia de 150 Mpa. Se preparó, igualmente, una pieza de TCP procesada por el procedimiento tradicional, obteniéndose un resultado de resistencia a compresión de 40 MPa.An aqueous solution of Ca (NO 3) 2 • 0.5 M 0.5 O is mixed with an aqueous solution of H3 PO4 0.33M, both stabilized at pH 10 with NH3 (aq)} to obtain a precipitation massive. The result of the mixture is centrifuged to obtain a gel aqueous calcium phosphate gel with 12% by weight nanoparticles TCP precursors. Said gel is diluted with excess acetone and is mixing by mechanical stirring for subsequent centrifugation. This operation is repeated four times to minimize the water content of the gel. Once this operation is finished, you get a gel (with a final content of 11% by weight of nanoparticles) with a water content of less than 0.5%. TCP powder is mixed, with an average particle size of 5 µm and a specific surface 6.34 m2 / g, with the gel with acetone as a vehicle, so that The final percentage by weight of nanoparticles is 6%. Evaporates acetone and with the powder obtained, which presents one with a specific surface area of 48 m2 / g, uniaxially press a cylinder that is calcined for 3 hours at 1100 ° C. The piece obtained it is tested under compression resulting in a resistance of 150 Mpa A piece of TCP processed by the traditional procedure, obtaining a resistance result at compression of 40 MPa.

En la figura 2 se pueden ver foto micrografías de microscopía electrónica de barrido de alta resolución (SEM). En la foto A se muestra cómo es el fosfato cálcico original. En la foto B se puede ver cómo es el aspecto de un polvo preparado según ejemplo 2. Las partículas de fosfato tricálcico de la fotografía B, similares a las de la fotografía A, se ven recubiertas de nanopartículas de gel seco. Este gel seco tiene la misma relación Ca/P que los polvos de partida.Figure 2 shows micrographs of high-resolution scanning electron microscopy (SEM). Photo A shows what the original calcium phosphate is like. In photo B it can be seen how the appearance of a powder prepared according to example 2 looks like. The tricalcium phosphate particles in photograph B , similar to those in photograph A , are coated with dry gel nanoparticles. This dry gel has the same Ca / P ratio as the starting powders.

Claims (6)

1. Procedimiento para incrementar las propiedades mecánicas de biocerámicas de fosfatos cálcicos mediante la adición de geles con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas, de modo que se consiga la obtención de piezas implantables de fosfato cálcico de alta resistencia mecánica de hasta 150 MPa a compresión, para su uso en traumatología, cirugía ortopédica, neurocirugía y cirugía maxilofacial, caracterizado por: a) la adición de geles de fosfatos cálcicos sin alterar y con relación Ca/P controlada a los polvos de materias primas (hidroxiapatito, fosfato tricálcico o sus mezclas); b) la conformación posterior de la pieza por cualquiera de los procedimientos utilizados en la industria cerámica, y c) su posterior procesamiento térmico.1. Procedure to increase the mechanical properties of calcium phosphate bioceramics by adding gels with controlled Ca / P ratio to the powders of raw materials, so as to obtain implantable parts of calcium phosphate of high mechanical resistance of up to 150 MPa to compression, for use in traumatology, orthopedic surgery, neurosurgery and maxillofacial surgery, characterized by: a) the addition of unaltered calcium phosphate gels and with controlled Ca / P ratio to powders of raw materials (hydroxyapatite, phosphate tricalcium or mixtures thereof); b) the subsequent conformation of the piece by any of the procedures used in the ceramic industry, and c) its subsequent thermal processing. 2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque la estequiometría o relación calcio/fósforo de los geles puede ser la misma o diferente que la que tienen los polvos de materia prima; las relaciones Ca/P están comprendidas entre 1 y 1,67 puesto que son las relaciones correspondientes a los fosfatos cálcicos con mayor interés biológico para su uso en materiales implantables.2. Method according to claim 1, characterized in that the stoichiometry or calcium / phosphorus ratio of the gels can be the same or different than that of the raw material powders; The Ca / P ratios are between 1 and 1.67 since they are the ratios corresponding to calcium phosphates with greater biological interest for use in implantable materials. 3. Procedimiento, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se realiza la adición de las partículas coloidales contenidas en el gel acuoso a los polvos de fosfato cálcico, en cantidades que oscilan entre el 1% y el 50%; posteriormente la mezcla obtenida se conforma por vía húmeda.3. Method according to the preceding claims, characterized in that the colloidal particles contained in the aqueous gel are added to the calcium phosphate powders, in amounts ranging from 1% to 50%; subsequently the obtained mixture is formed by wet way. 4. Procedimiento, según la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque se realiza un cambio de disolvente en el gel precipitado, desplazando el agua y sustituyéndola por un disolvente orgánico de bajo punto de ebullición; la mezcla de dicho gel con los polvos de materia prima, donde las partículas coloidales pueden añadirse desde un 1% hasta un 70%, se seca y se procesa posteriormente por vía seca.4. Method according to claim 1 and 2, characterized in that a solvent change is made in the precipitated gel, displacing the water and replacing it with a low boiling organic solvent; the mixture of said gel with the raw material powders, where the colloidal particles can be added from 1% to 70%, is dried and subsequently processed dry. 5. Procedimiento, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se conforman las piezas biocerámicas de fosfatos cálcicos siguiendo rutas de procesado tales como extrusión; colado normal, centrífugo y a presión; inyección de pastas cerámicas de baja y alta presión; prensado uniaxial, isostático en frío o en caliente; gelcasting, u otros métodos industriales.5. Method according to the preceding claims, characterized in that the bioceramics pieces of calcium phosphates are formed following processing routes such as extrusion; normal, centrifugal and pressure casting; injection of low and high pressure ceramic pastes; uniaxial pressing, cold or hot isostatic; gelcasting, or other industrial methods. 6. Procedimiento, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las piezas conformadas se procesan térmicamente, con o sin una etapa de secado previo, a temperaturas suficientes para la sinterización del material, comprendidas entre los 900ºC y los 1500ºC.Method according to the preceding claims, characterized in that the shaped parts are thermally processed, with or without a pre-drying stage, at temperatures sufficient for sintering the material, between 900 ° C and 1500 ° C.