Dióxido de zirconio: alternativas de síntesis y aplicaciones biomédicas

Zirconium dioxide: synthesis alternatives and biomedical applications

Marlene Lariza Andrade-Guel¹, Christian Javier Cabello-Alvarado^2*, Carlos Alberto Ávila-Orta²

*Correspondencia: christian.cabello28@gmail.com

Fecha de recepción: 27 de abril de 2018/Fecha de aceptación: 7 de marzo de 2019/ Fecha de publicación: 29 de julio de 2019.

¹Centro de Investigación en Química Aplicada, Departamento de Materiales Avanzados, Saltillo, Coahuila, México.

²CONACYT, Consorcio de Investigación Científica, Tecnológica y de Innovación del estado de Tlaxcala, (CITLAX), Departamento de Materiales Avanzados, calle 1 de mayo núm. 22, colonia centro, Tlaxcala de Xicoténcatl, Tlaxcala, México, C. P. 90000.

Resumen

Entre los diferentes materiales cerámicos, el dióxido de zirconio (ZrO₂) se destaca, debido a sus aplicaciones en el área médica, química y farmacéutica. Esto es posible al ser un material de carácter anfótero, con tres fases cristalinas: monoclínica, tetragonal y cúbica, las cuales presentan distintas propiedades. El objetivo de este trabajo fue analizar los fundamentos de los diferentes métodos utilizados para la síntesis del ZrO₂ y sus aplicaciones biomédicas. Las principales metodologías empleadas son los procesos hidrotérmico, precipitación, solvotérmica y sol-gel. La energía de ultrasonido y la radiación de microondas permiten reducir los tiempos de reacción y proporcionar mayor eficiencia energética a los procesos. El método de síntesis modifica las propiedades del ZrO₂, lo cual es aprovechado para desarrollar diferentes aplicaciones, entre ellas destacan reemplazos óseos, prótesis dentales y liberación de fármacos.

Palabras clave: dióxido de zirconio; síntesis; aplicaciones.

Abstract

Among the different ceramic materials, zirconium dioxide (ZrO₂) stands out, due to its applications in the medical, chemical and pharmaceutical areas. This is possible, since it is an amphoteric material with three crystalline phases: monoclinic, tetragonal and cubic, which have different properties. The objective of this work was to analyze the fundamentals of the different methods used for the synthesis of ZrO₂, and its main biomedical applications. The main methodologies used include the hydrothermal, precipitation, solvothermal and sol-gel processes. The use of ultrasound energy and microwave radiation allows the reduction in reaction times, and provides greater energy efficiency to the process and a lower environmental impact. The synthesis method modifies the properties of ZrO₂, which is used to develop different applications, including bone replacements, dental prostheses and drug release.

Keywords: zirconium dioxide; synthesis; applications.

Introducción

Los materiales cerámicos poseen características interesantes, que permiten su aplicación en diferentes áreas. Estas particularidades se desprenden de su morfología porosa, su posible biocompatibilidad y su elevada dureza, aspectos que surgen como consecuencia de su composición química y su estructura cristalina (Wu y col., 2017; Zhang y col., 2018). Existen diferentes tipos de materiales cerámicos a base de óxidos metálicos, como dióxido de titanio (TiO₂), dióxido de zinc (ZnO₂), dióxido de silicio (SiO₂), dióxido de zirconio(ZrO₂), entre otros (Amuthasurabi y col., 2017; Li y col., 2017). El ZrO₂, es considerado un material cerámico con importantes propiedades físicas (dureza elevada), químicas (capacidad de promover sitios ácidos en sus poros) y térmicas (elevada resistencia a la conducción de calor). Este material se ha utilizado en implantes ortopédicos, piezas dentales, como liberador de fármacos y como catalizador (Wang y col., 2016, Nikiforov y col., 2017). El ZrO₂ puede estar presente en tres fases cristalinas, las cuales dependen de la temperatura de obtención. La fase monoclínica es estable termodinámicamente, desde temperatura ambiente hasta 1 170 °C. Esta fase se usa para producir recubrimientos abrasivos, pigmentos inorgánicos y componentes eléctricos. La fase tetragonal obtenida de 1 170 °C hasta 2 370 °C, se emplea como un material biocompatible, por lo que se emplea en la fabricación de piezas dentales y prótesis de cadera, debido a su elevada dureza y resistencia al desgaste. La fase cúbica se consideraestable hasta su punto de fusión (2 650 °C). Esta fase posee una excelente conductividad iónica, es por tal motivo que, el material en esta fase, se puede utilizar como sensor de oxígeno y adsorbente de gases en cámaras de vacío (Campo-Ceballos y Rodríguez-Paez, 2010). En la Figura 1 se muestran las estructuras cristalinas de las diferentes fases del ZrO₂.

El ZrO₂ se puede sintetizar mediante el método hidrotérmico, sin embargo, este método se caracteriza por su alto costo, además de ser tóxico y requerir alto consumo de energía. Una alternativa es utilizar la técnica sol-gel, la cual, es considerada un método sencillo, económico, que requiere baja temperatura de procesamiento y permite lograr una pureza homogénea, minimizando la contaminación del aire. El ultrasonido y las microondas son dos técnicas importantes en la síntesis de compuestos químicos, por la energía que aportan a los procesos; la primera se basa en el fenómeno de la cavitación, y la segunda se fundamenta en que la radiación emitida incide sobre los átomos o moléculas de los materiales.

El objetivo del presente trabajo fue indagar los fundamentos de diferentes metodologías empleadas para la síntesis de ZrO₂ y sus principales aplicaciones biomédicas.

Métodos de síntesis para ZrO₂

Sol-gel

El método sol-gel es un proceso versátil, que se utiliza en la fabricación de materiales cerámicos. En un proceso de sol-gel, una suspensión coloidal, o un sol, se forma a partir de la hidrólisis y reacciones de polimerización de precursores, que son sales de metales, generalmente inorgánicas o compuestos organo-metálicos, tales como alcóxidos de metales (Brinker y Scherer, 2013). Los beneficios que presenta este método son el control de la estructura, composición homogénea y tamaño uniforme de cristales. Otra ventaja, es el bajo costo total del producto, empleando como precursor un acetato de zirconio, sustituyendo al alcóxido de zirconio; entre las desventajas de este proceso están el tiempo de reacción y que requiere cuidado en el control del secado (Mohammadi y Fray, 2011). Estudios de síntesis de nanopartículas de ZrO₂, mediante la técnica de sol-gel, han utilizado oxicloruro de zirconio como materia prima, añadiendo un agente estabilizante de solución buffer de acetato de sodio a pH 6, lo que permite obtener un sol estable de ZrO₂, para su posterior aplicación en anticorrosivos, catálisis y adsorción (Chepurna y col., 2011, Adraider y col., 2013, Balaji y Sethuraman, 2016). El ZrO₂ ha sido sintetizado por la técnica sol-gel, usando como precursor el n-propóxido de zirconio, altamente reactivo, en el proceso de hidrólisis. Dicho compuesto se emplea como inhibidor del ácido nítrico, para evitar la hidrólisis rápida. La adición de un inhibidor a un precursor alcóxido forma un ligando complejo, que es más difícil de hidrolizar, lo que conlleva a una disminución de velocidad de hidrólisis (Zhao y col., 2000).

Con el fin de mejorar el área superficial del ZrO₂ y mantener una red porosa, se ha reportado la modificación de la superficie con grupos organosilanos, dando lugar a una expansión de poros. Lo anterior se llevó a cabo mediante la sustitución de grupos polares por grupos alquilo no polares, en la superficie del gel (Ward y Ko, 1993, Bangi y col., 2013). Estudios previos han reportado que, la síntesis de nanopartículas de ZrO₂ está asociada con la incorporación de un surfactante, como el polisorbato 20, el cual actúa como agente directo de la estructura del sol de zirconia, que contiene un precursor de alcóxido estabilizado con acetilacetona, donde se forma un compuesto base de zirconio. La temperatura de calcinación elimina las micelas formadas y otros compuestos orgánicos, como el etanol, esto conduce a la formación de ZrO₂ cristalino y mesoporoso. Las ventajas de emplear este tipo de surfactante es la buena mezcla de materiales precursores a nivel molecular, excelente estabilidad y una adecuada viscosidad relativa, que puede contribuir a la formación de películas o recubrimientos (Panova y col., 2011). Un parámetro importante en la síntesis de ZrO₂ es el tiempo de calcinación, el cual tiene un efecto sobre las propiedades morfológicas, estructurales y ácidas del ZrO₂. El empleo de polímeros, surfactantes y compuestos orgánicos, también interviene en la morfología, como agentes direccionales para la formación de poros. Se han realizado estudios acerca de la síntesis de ZrO₂ por el método sol-gel, donde los mejores resultados se observaron en un intervalo de temperaturas de calcinación de 400 ºC a 600 ºC, obteniendo un material mesoporoso nanocristalino (Chen y col., 2011). Otras investigaciones han reportado la síntesis de nanopartículas de ZrO₂, llevando a cabo la hidrólisis y condensación del n-propóxido de zirconio IV, en una solución de alcohol, utilizando hidroxilpropil celulosa, como estabilizador estérico; para prevenir la aglomeración de las nanopartículas, la calcinación se llevó a cabo en un intervalo de 200 ºC a 400 ºC por 2 h, siendo la temperatura de 400 ºC donde se observó la fase tetragonal de ZrO₂, con un tamaño de alrededor de 65 nm (Hernández-Enríquez y col., 2009).

Las partículas nanocristalinas de ZrO₂ han atraído especial atención por sus propiedades físicas y químicas, las cuales pueden sintetizarse por medio de una reacción entre el isopropóxido de zirconio y cloruro de zirconio a 350 ºC, mediante la técnica de sol-gel, lo que ayuda a que se formen nanopartículas cristalinas de ZrO₂ con un tamaño de 4 nm, obteniendo una fase tetragonal. La metodología descrita asiste a la formación de nanopartículas sin aglomeración, por lo que pueden utilizarse en diversas aplicaciones (Shukla y col., 2002). Otra variante de la síntesis de sol-gel, se basa en la capacidad de los ácidos carboxílicos, por ejemplo, el ácido cítrico, de formar complejos de quelatos estables con cationes. Este procedimiento facilita el mezclado de la solución y la obtención de un producto final homogéneo a bajas temperaturas, lo que suprime las etapas como la sinterización (Joo y col., 2003).

Precipitación

Consiste en la formación de una o más fases sólidas en la solución, a partir de un sistema original, constituido por una fase homogénea, comúnmente líquida. Los precursores que normalmente se utilizan en el proceso de precipitación, son hidróxidos, carbonatos, cloruros, sulfatos, oxalatos, entre otros. Los diferentes precipitados que se obtienen, al adicionar una base al sistema, se modifican o transforman mediante tratamientos térmicos, de dispersión ó envejecimiento, produciendo polvos cerámicos con tamaño de partícula micrométrico (Cabrera-López y col., 2009). En el proceso de precipitación química, el zirconio es disuelto termodinámicamente. Se ha investigado la precipitación, utilizando como precursor el oxicloruro de zirconio, el cual, se mezcló con hidróxido de amonio a temperatura ambiente, ocasionando la precipitación del zirconio. La mezcla obtenida se dejó envejecer por 24 h, posteriormente, se dispersó en una solución de dietilamina; la suspensión se dejó envejecer unos días más, el proceso se repitió tres veces. El polvo cerámico obtenido se calcinó a 700 ºC durante 60 min, el material obtenido mostró una fase cúbica y un tamaño de nanopartícula entre 50 nm y 80 nm (Narváez y col., 2007). Un procedimiento similar se estudió para la síntesis de nanopartículas de ZrO₂ fase tetragonal, esta fase es de interés en el manejo de metales fundidos, en la fabricación de troqueles de extrusión, así como en la fabricación de prótesis de cadera, rodilla y piezas dentales. Debido a la importancia de dicho compuesto, se empleó la técnica de precipitación controlada, para sintetizar polvos de ZrO₂, con tamaños de partículas menores de 100 nm, utilizando un tratamiento térmico a una temperatura de 600 ºC (Campo y Rodríguez, 2011). Por otra parte, la aglomeración se considera un problema, debido a que complica la síntesis de materiales cerámicos con una estructura uniforme y una morfología definida, por lo cual, se ha tratado de resolver esta dificultad con la síntesis vía precipitación química, así como el empleo de dopantes, que ayuden a estabilizar una fase (Lyubushkin y col., 2011). Se han realizado investigaciones relacionadas con la microestructura de vidrios porosos de ZrO₂, en las cuales se empleó agua como agente hidrolizante, a diferentes cantidades y temperatura, y como precursor propóxido de zirconio. Se observó que la concentración de agua afecta la estructura y características del material (Gubanova y col., 2014). Las ventajas que presenta dicha técnica es la pureza del material, estructura uniforme y una morfología definida. En cuanto a las desventajas se tiene alto contenido de sólidos disueltos en agua, que se deben tratar y el contenido de compuestos tóxicos que se pueden formar.

Síntesis solvotérmica

La síntesis solvotérmica se basa en la descomposición térmica de un compuesto organometálico en un disolvente orgánico. Se ha aplicado con éxito en obtención de óxidos metálicos de tamaño nanométrico, con gran área específica, alta cristalinidad y elevada estabilidad térmica. Algunos trabajos referentes a esta técnica reportan el uso de solventes, como el etanol, isopropanol o mezclas de ambos, para la preparación de nanocristales de ZrO₂. Este tipo de soluciones se estabilizan con cloruro de itrio y utilizan como precursor ZrOCl₂8H₂O. La mezcla se calienta en un reactor a una temperatura de 150 ºC a 250 ºC (Wang y col., 2005; Tonto y col., 2008). Otros estudios mencionan que han usado el mismo precursor y estabilizador, cambiando el disolvente por metanol y propanol, con una relación de volúmenes de 40/60, 20/80, 10/90, para después agitar por 12 h a 24 h a temperatura ambiente y se calentó en autoclave de 160 ºC a 200 ºC durante 72 h, logrando sintetizar nanopartículas de ZrO₂, con una fase cúbica; la morfología de las nanopartículas depende directamente de la composición del solvente (Hua y col., 2006).

Este tipo de síntesis, bajo condiciones supercríticas de temperatura (400 ºC) y presión (40 MPa), se ha llevado a cabo para la preparación de polvos nanocristalinos, como CeZrO₂, obteniendo nanopartículas con una morfología esférica de 3 nm a 10 nm de diámetro. Comparando esta técnica con otros métodos convencionales, se presenta una marcada reducción en el tiempo de obtención; algunas desventajas serían la utilización de equipos costosos y las altas temperaturas empleadas (Devaraju y col., 2009).

Síntesis hidrotérmica

El procesamiento hidrotérmico es una reacción heterogénea, en presencia de disolventes acuosos, con alta presión y temperatura, para disolver y recristalizar los materiales (Hang y col., 2011). La técnica facilita el ahorro de energía, el uso de equipos de mayor volumen, control de nucleación, dispersión de los materiales y se puede cuidar la morfología. Tiene la ventaja de producir partículas de alta pureza, elevada cristalinidad, con características físicas y químicas específicas (Shevchenko y col., 2016). Se ha investigado el proceso hidrotérmico para la preparación de polvo nanocristalino de ZrO_2, en las fases cúbicas y tetragonales, debido a que estas fases son importantes en aplicaciones médicas, químicas y de ingeniería. Para estos procesos, se utilizan reactores de alta presión, temperaturas de 150 ºC y tiempos de 85 h; como resultados se han obtenido porcentajes de 75 % de fase cúbica y tetragonal, el resto de fase monocíclica (Behbahani y col., 2012).

En la Tabla 1 se muestran algunos trabajos recientes de la síntesis de ZrO₂, mediante el método hidrotérmico, los cuales se caracterizan por obtener nanopartículas de ZrO₂ a diferentes temperaturas. Un inconveniente de este tipo de procesos es que los tiempos de reacción son largos (Pei y col., 2013; Teymourian y col., 2014; Wan y col., 2014; Carević y col., 2016; Jafari y col., 2018).

Uso del ultrasonido en la síntesis de ZrO₂

En los últimos años, la energía ultrasónica ha resultado una herramienta útil en la síntesis de materiales micrométricos y nanométricos. Uno de los fenómenos físicos asociado con la síntesis de materiales es la técnica de ultrasonido, la cual se lleva a cabo cuando un medio líquido es irradiado con ondas acústicas que se expanden en el sistema, creando burbujas que colapsan y aumentan la presión. El ultrasonido se encuentra en frecuencias que van desde los 20 kHz hasta 100 MHz. Los efectos químicos más importantes de esta tecnología son la dispersión de las moléculas y la activación de enlaces, para promover la creación de materiales a partir de precursores. Esta técnica se utiliza para asistir al método sol-gel, hidrotérmico y precipitación, porque ayuda a una agitación homogénea, dispersando partículas, calentamiento, reducción de tiempos y eficiencia energética (Gedanken, 2003; Bang y col., 2010; Guel y col., 2017).

Entre las ventajas del uso del ultrasonido, en la síntesis de materiales con ZrO₂, destacan:

la aceleración del enfriamiento para obtener tamaños nanométricos en la preparación de óxidos metálicos amorfos; incorporación de nanoestruturas a materiales porosos; inserción de catalizadores amorfos, de tamaño nanométrico, en materiales mesoporosos; depositor de nanopartículas sobre superficies cerámicas y polímeros; adhesión de nanopartículas, como metales y óxidos, semiconductores en la superficie cerámica y polimérica (Gedanken, 2004).

Existen reportes de la síntesis de ZrO₂ mediante la técnica de precipitación, modificada con la incorporación del ultrasonido. La energía total requerida, por unidad de peso, del material obtenido, es 0.049 kJ/g para el ultrasonido y 0.068 kJ/g para el método de síntesis convencional. Por lo tanto, el ultrasonido, permitió un ahorro de 28 % de energía y reducir los tiempos de reacción (Prasad y col., 2011).

La combinación de técnicas convencionales y el uso del ultrasonido es una opción para la

síntesis de materiales nanocristalinos. Ejemplo de esto es una técnica basada en el tratamiento hidrotérmico asistido por ultrasonido, donde bajo este procedimiento se logra la síntesis de polvos nanocristalinos de ZrO₂ en tiempos de reacción de 1 h a 3 h, con temperaturas de calcinación de 250 ºC (Meskin y col., 2006).

Investigaciones recientes, empleando como precursor el nitrato de zirconio, han preparado ZrO₂ a condiciones de pH bajo, obteniendo materiales con menor grado de impurezas y mayor área específica (Zinatloo-Ajabshir y col., 2016).

Síntesis de ZrO₂ asistida por microondas

La síntesis por microondas representa una gran alternativa en la producción de materiales, ya que la alta intensidad de energía utilizada en este procedimiento reduce los tiempos de reacción al orden de minutos, en comparación con los métodos de síntesis convencionales (Bethune y col., 1993; Liang y col., 2002; Sahoo y col., 2008).

La síntesis utilizando energía de las microondas se basa, principalmente, en el calentamiento mediante la polarización dipolar generada por la rotación de las moléculas, inducida por un campo eléctrico. Es esta su principal función en la síntesis, acelerar el calentamiento para reducir los tiempos de reacción. Diferentes estudios han llevado a cabo la síntesis de ZrO₂ utilizando la técnica solvotérmica asistida por microondas, en la cual, se obtienen fases más puras y cristalinas, a menor tiempo de reacción, comparada con algún método convencional; así mismo, se ha estudiado la síntesis de nanopartículas de ZrO₂, recubiertas con sílice, en tiempos de reacción de 2 min, a una temperatura de 70 ºC (Siddiquey y col., 2011; Liang y D’Alessandro, 2013). Sin embargo, existen otras técnicas que se combinan con las microondas para la síntesis de polvos nanométricos de ZrO₂, preparando una solución acuosa de NaOH y cloruro de zirconio en condiciones hidrotérmicas y microondas, en las que se obtuvo una fase tetragonal, al aumentar la concentración de NaOH. La síntesis hidrotérmica, asistida por microondas, de ZrO₂, favorece al ahorro energético, debido al rápido calentamiento, que beneficia al aumento en la cinética de cristalización, por lo que se considera un método simple, con el cual se puede llevar a cabo la obtención de polvos finos, con una distribución de tamaño de partícula uniforme y una buena homogeneidad química (Zhu y Hang, 2013; Meng y col., 2016). Para obtener nanopartículas de óxidos metálicos, con una morfología esférica, es necesario el uso de soluciones concentradas. Esto se ha investigado utilizando radiación de microondas en soluciones salinas, llevando a cabo un proceso de hidrólisis, donde alcoholes y agua son mezcladas con sales de zirconio. La mezcla es sometida a la radiación de las microondas de 3 min a 5 min. Entre los diversos métodos de preparación de nanopartículas de óxidos metálicos, los líquidos iónicos son una alternativa que, junto con el calentamiento por microondas, permiten obtener nanopartículas cristalinas sin presencia de agregados, aunque el mecanismo de formación de estas nanoestructuras aún no se encuentra claramente definido (Vanetsev y col., 2002; Zhang y col., 2013). La información analizada permite observar que el calentamiento por microondas se ha convertido en un método funcional en la síntesis de nanopartículas de ZrO₂, debido a la reducción de tiempos de reacción, en comparación con el calentamiento convencional y su efecto de convertir los hidróxidos de zirconio en dióxidos. Este método es adecuado para asistir otros métodos convencionales, los cuales utilicen calentamiento y agitación. Estos materiales, junto con otros compuestos, como óxido de itrio (Y₂O₃), son utilizados en la fabricación de electrolitos sólidos para celdas de combustible, ya que presentan alta conductividad iónica (Danilenko, 2008; Strizhak y col., 2008; Kartashov y col., 2010).

Aplicaciones biomédicas del ZrO₂

Reemplazos óseos

El ZrO₂ es considerado un excelente biomaterial cerámico, debido a que presenta buena estabilidad química, excelente estabilidad dimensional a diferentes temperaturas, resistencia a la tensión y módulo de Young, similar a las aleaciones de acero inoxidable. Los materiales cerámicos de zirconio son compuestos químicamente inertes, por lo cual, no tienen reacciones adversas en el organismo humano. A partir del 2006, se han implantado más de 600 000 femorales, con este tipo de material, alrededor del mundo, en especial en Europa y Estados Unidos (Liu y col., 2006; Volpato y col., 2011). Algunos estudios han demostrado que el ZrO₂ no presenta citotoxicidad en células osteoblásticas, ya que presentan una excelente viabilidad celular y una buena adhesión en la superficie de las células, lo que es factor importante en un material biocompatible (Garzón y col., 2013).

Los factores importantes en un material implantado son la afinidad con el medio y la interacción con las células involucradas, como osteoblastos, fibroblastos o células epiteliales. Se ha investigado la biocompatibilidad en estudios in vivo mediante la implantación de huesos y tejidos blandos de ZrO₂, estabilizado con Y₂O₃, en el fémur de un simio (Piconi y Maccauro, 1999; Neunzehn y col., 2012). El material implantado fue evaluado después de 9 meses, los resultados no revelaron signos de toxicidad, problemas inmunológicos, ni efectos carcinogénicos.

En implantes dentales, el ZrO₂ es un buen candidato, que proporciona ventajas estéticas, como el color (Catauro y col., 2007). Se ha estudiado la incorporación o modificación de la

superficie del ZrO₂, proporcionando varias funciones favorables para aplicaciones biomédicas, que permiten obtener materiales como hidrogeles (ácido hialurónico) con ZrO₂ modificado. Este material se desarrolló para su aplicación en la regeneración ósea (Bae y col., 2013). Las pruebas in vitro demostraron que la modificación con este tipo de hidrogel promueve la proliferación de células, por lo que representan una alternativa eficaz para la formación de hueso. Se ha estudiado mediante la simulación de las condiciones de plasma humano, para observar la reactividad de un recubrimiento vidrio-cerámico (ZrO₂), para ello, el material se sumergió en una solución de plasma, y mediante un examen de morfología, se observó la existencia de formación de una capa superficial en el material durante su inmersión, lo cual se considera benéfico para funciones de implantes (Ferraris y col., 2000). Algunas investigaciones revelaron que la modificación de la superficie del ZrO₂ puede mejorar la estabilidad de un implante óseo. En una prueba in vivo, realizada por Manicone y col. (2007), se realizó el reemplazó de un fémur a base de ZrO₂, mostrando una buena integración ósea. Estos implantes mostraron buenas propiedades mecánicas de tensión, desgaste, y en particular tienen una mayor resistencia a la fractura, comparados con implantes de TiO₂ (Manicone y col., 2007).

Otra opción para utilizar el ZrO₂ es combinarlo con hidroxiapatita, generando un sistema binario bioactivo, bioinerte, con buenas propiedades mecánicas y alta resistencia al desgaste (Bhowmick y col., 2017). La técnica de co-precipitación es ideal para sintetizar este compuesto, ya que se tiene una dispersión homogénea y permite el control de la descomposición de la hidroxiapatita. Por lo que resulta un material interesante para aplicaciones de implantes, como prótesis de hueso, principalmente.

Prótesis dentales

Los implantes en dientes a base de ZrO₂, tienen un efecto favorable sobre los tejidos blandos, específicamente en la sustitución de molares y premolares (Nakonieczny y col., 2017); estudios in vitro revelaron que el implante en diente tiene buena resistencia a la fractura, debido a que la fase tetragonal del ZrO₂ se encuentra parcialmente estabilizada con itrio, que le otorga resistencia a los cambios de fases (Cervantes y col., 2016; Podzorova y col., 2017; Wang y col., 2017; Penkina, 2017). La capacidad de transmitir luz y su color marfil, similar al de los dientes, hacen al ZrO₂ un excelente material para restauraciones estéticas de cavidades orales, dado que muestran una alta biocompatibilidad, elevados valores de flexión y resistencia al desgaste. En estudios in vivo, la proliferación celular y síntesis total de proteínas en osteoblastos, fueron similares a los observados con ZrO₂, lo que revela una buena biocompatibilidad. Debido a esto, también se puede preparar como una suspensión coloidal para recubrir superficies de implantes de TiO₂. Estudios recientes han demostrado que al recubrir los implantes con ZrO₂, dopados con cobre (Cu) y plata (Ag), se disminuyen las probabilidades de una adhesión bacteriana, que conduzca a un proceso inflamatorio del tejido y rechazo del implante (Sollazzo y col., 2008; Huang y col., 2013). En implantes dentales, la saliva juega un papel importante en las propiedades del material, ya que contiene proteínas que al estar en contacto con el material puede afectar las características físicoquímicas de la superficie. Se ha probado que la adhesión bacteriana se reduce al recubrir el material de TiO₂ con ZrO₂, en este caso, los ensayos bacterianos se realizaron con dos tipos de bacterias Streptococcus mitis y Prevotella nigrescens (Al-Radha y col., 2012).

Liberación de fármacos

Los sistemas de liberación de fármacos surgen como consecuencia de la imposibilidad de trasladar, de forma directa, principios activos al organismo. Estos están formados por un principio activo y un sistema transportador, que puede dirigir la liberación de un fármaco al sitio adecuado y en la cantidad conveniente. Nanopartículas de ZrO₂, con una estructura mesoporosa, han demostrado ser vehículos eficaces para medicamentos contra el cáncer, por ejemplo, la doxorrubicina, que transita en los espacios vacíos del interior de los poros, quedando las nanopartículas ZrO₂ totalmente cargadas con el fármaco (Feng y col., 2017). La liberación del principio activo depende a su vez del pH, que puede ser ajustado por el ZrO₂, cuando se trata de un sistema de óxidos mixtos, como el sistema SiO₂-ZrO₂. Este sistema se ha probado para la liberación de fosfonatos, que tiene un uso en la medicina para tratar desórdenes asociados a la formación de huesos y metabolismo del calcio (Colilla y col., 2009). Además de sistemas cerámicos, se ha tratado de añadir un compuesto orgánico a un cerámico, tal es el caso del ZrO₂ y el polímero policaprolactona, mediante la técnica de sol-gel, que permite preparar nanocompuestos, donde las interacciones entre los ácidos carboxílicos del polímero y los grupos hidroxilo de la matriz inorgánica se dan mediante puentes de hidrógeno (Catauro y col., 2010; Catauro y col., 2014).

Existen diferentes patentes sobre técnicas de fabricación de materiales cerámicos a base de ZrO_2,, que pueden ser utilizados para la liberación de fármacos (Tabla 2).

CONCLUSIONES

El proceso de síntesis sol-gel del dióxido de zirconio (ZrO₂) ofrece importantes beneficios industriales, como el control de la estructura, composición y tamaño de partícula homogénea, además de bajo costo. El empleo de microondas y ultrasonido hacen más eficiente dicho proceso, al reducir tiempos de producción y modificar, de forma controlada, las características finales del producto, el cual presenta propiedades físicas, químicas, fisicoquímicas, térmicas y mecánicas, junto con su naturaleza inerte, que lo hacen adecuado en aplicaciones biomédicas, que incluyen reemplazos óseos, prótesis dentales y liberación de fármacos.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Conacyt por la beca postdoctoral 387368, y a los proyectos: Cátedras Conacyt Innovación y Desarrollo de Textiles Técnicos Funcionales a Base de Materiales Avanzados No. 562, FOMIX, para el Fortalecimiento de las capacidades científicas y tecnológicas en el estado de Tlaxcala TLAX-2018-01-43129 Consolidación del Consorcio de Investigación y de Innovación del estado de Tlaxcala (CITLAX) Convocatoria: Fondo institucional del Fomento Regional para el Desarrollo Científico y Tecnológico y de Innovación FORDECYT 2018.

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