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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
Título: “Síntesis y caracterización de recubrimientos biocompatibles nanoestructurados para su uso potencial en
implantes médicos”
TESIS COMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN MATERIALES AVANZADOS
Presenta: Ing. Luis Alfredo Rochín Leyva
DIRECTOR DE TESIS: Dr. Ana Arizmendi Morquecho
CO-DIRECTOR:
Dr. David Torres Torres
APODACA, NUEVO LEÓN MARZO, 2014
II
Resumen
Una de las principales problemáticas que existen en la actualidad con los implantes es
su biocompatibilidad con el cuerpo humano, es por ello que la presente tesis se enfoca
en el aumento de las propiedades de biocompatibilidad mediante el desarrollo de un
recubrimiento compuesto, el cual se depositará sobre un sustrato metálico para dicha
aplicación.
La técnica mediante la cual se está desarrollando el recubrimiento es por electroforesis
(EPD por sus siglas en inglés), la cual nos brinda ventajas como ser un proceso muy
rápido con la posibilidad de recubrir piezas de alta complejidad, además de ser un
proceso simple y de un costo relativamente bajo. En la presente investigación se varió
la manera de aplicación de la corriente en el proceso de electroforésis, la cual tiene un
efecto significativo en la atracción de las partículas suspendidas hacia el sustrato que
será recubierto, es decir, se manipuló la aplicación de la corriente a través de pulsos de
diferente duración lo que resultó en la obtención de topografías diferentes las cuales
tuvieron efecto en los resultados de biocompatibilidad obtenidos.
III
Tabla de contenido
LISTA DE FIGURAS .................................. ..................................................................... V
LISTA DE TABLAS ................................... .................................................................... IX
AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................... X
RECONOCIMIENTOS ..................................................................................................... X
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
ESTADO DEL ARTE ...................................................................................................................................3
IMPLANTES ....................................................................................................................................................... 3
BIOMATERIALES ................................................................................................................................................ 4
HIDROXIAPATITA ............................................................................................................................................... 7
NANOPARTÍCULAS DE PLATA ................................................................................................................................ 7
TITANIO COMO SUSTRATO ................................................................................................................................... 8
RECUBRIMIENTOS .............................................................................................................................................. 9
DEPOSITACIÓN ELECTROFORÉTICA ...................................................................................................................... 11
DEPOSITACIÓN ELECTROFORÉTICA PULSADA ......................................................................................................... 14
JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................................... 14
HIPÓTESIS .......................................................................................................................................... 16
OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................................. 16
OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................................................... 16
MATERIALES Y MÉTODOS .............................. .......................................................... 18
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ................................................................................................................ 23
CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA. ................................................................................................. 24
PREPARACIÓN DE SUSTRATOS. ................................................................................................................. 25
SUSPENSIONES. ................................................................................................................................... 26
DEPOSITACIÓN POR ELECTROFORÉSIS. ....................................................................................................... 26
SINTERIZADO. ..................................................................................................................................... 28
CARACTERIZACIÓN DE RECUBRIMIENTOS. ................................................................................................... 29
SIMULACIÓN. ...................................................................................................................................... 36
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................................... 41
CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA. ................................................................................................. 41
IV
CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPIA ÓPTICA ............................................................................................. 41
CARACTERIZACIÓN POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X ................................................................................................... 42
CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA .................................................................................... 43
CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO Y ANÁLISIS ELEMENTAL POR EDS (ELECTROSCOPÍA POR
DISPERSIÓN DE ENERGÍA) .................................................................................................................................. 44
CARACTERIZACIÓN POR MEDIO DE DTA ............................................................................................................... 46
CARACTERIZACIÓN DE LOS RECUBRIMIENTOS ............................................................................................... 48
CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA. ................................................................................... 48
CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO Y ANÁLISIS ELEMENTAL POR EDS (ESPECTROSCOPIA POR
DISPERSIÓN DE ENERGÍA DE RAYOS-X) ................................................................................................................. 59
RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN PROPIEDADES MECÁNICAS. ................................................................................... 73
RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DE ADHESIÓN BACTERIANA EN LOS RECUBRIMIENTOS. ............................................... 81
SIMULACIÓN ....................................................................................................................................... 87
CONCLUSIONES ......................................................................................................... 90
BIBLIOGRAFÍA ...................................... ...................................................................... 91
V
Lista de figuras
FIGURA 1. REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL PROCESO DE DEPOSITACIÓN
ELECTROFORÉTICA. (A) EPD CATÓDICO, (B) EPD ANÓDICO. ....................................... 13
FIGURA 2. FUENTE “MICROSTAR PULSE INTERFACE” DUPR10-3-6 ...................................... 19
FIGURA 3. A) DIAGRAMA DE CIRCUITO IMPLEMENTADO EN LA FUENTE MICROSTAR, B)
CIRCUITO IMPLEMENTADO EN LA FUENTE. .................................................................... 20
FIGURA 4. A) TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS USB-6009, B) INTERFACE CON EL
COMPUTADOR. ......................................................................................................... 21
FIGURA 5. PANEL FRONTAL DE LA APLICACIÓN “STUDENT SCOPE”. ....................................... 21
FIGURA 6. SISTEMA PRELIMINAR DE ELECTRODEPOSITACIÓN. .............................................. 22
FIGURA 7. “MICROMETER GRADE PROGRAMMABLE DIP COATER WITH DRYING OVEN
PTL-NMB” DE “MTI CORPORATION”. ......................................................................... 23
FIGURA 8. ESQUEMA DE LA METODOLOGÍA EXPERIMENTAL. ................................................. 23
FIGURA 9. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL PROCEDIMIENTO PARA EL ESTRIADO DE LA
BACTERIA. ................................................................................................................ 34
FIGURA 10. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL PROCEDIMIENTO SEGUIDO PARA EL
SEMBRADO DE BACTERIAS ......................................................................................... 36
FIGURA 11. GEOMETRÍAS DE LOS SISTEMAS DE SIMULACIÓN A) GEOMETRÍA INDENTADOR-
TI, B) GEOMETRÍA INDENTADOR-HAP-TI, C) GEOMETRÍA INDENTADOR-AGNPHAP-
HAP-TI. ................................................................................................................... 38
FIGURA 12. ESQUEMA DE LA SIMETRÍA AXIAL AGREGADA AL SISTEMA. ................................... 38
FIGURA 13. MALLADO DE LOS SISTEMAS DE SIMULACIÓN, (A) INDENTADOR-TI, (B)
INDENTADOR-HAP-TI, (C) INDENTADOR-AGNP/AGNP-HAP-TI. ..................................... 40
FIGURA 14. MICROESTRUCTURA DEL TI GRADO 2 USADO COMO SUSTRATO. ......................... 41
FIGURA 15. DIFRACCIÓN DE RAYOS X DE LA HAP. .............................................................. 42
FIGURA 16. DIFRACCIÓN DE RAYOS X DE LAS AGNP. .......................................................... 43
FIGURA 17. MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA DEL SUSTRATO DE TI 5X5 µM. ...................... 44
FIGURA 18. EDS DE AGNP ADQUIRIDAS COMERCIALMENTE. ................................................ 45
FIGURA 19. EDS DE HAP ADQUIRIDA COMERCIALMENTE. .................................................... 45
VI
FIGURA 20. EDS DE NANO HAP ADQUIRIDA COMERCIALMENTE. ........................................... 45
FIGURA 21. ANÁLISIS POR MEDIO DE DTA DE LA HAP. ........................................................ 46
FIGURA 22. ANÁLISIS POR MEDIO DE DTA DE LA HAP DE TAMAÑO NANO. ............................. 47
FIGURA 23. MICROGRAFÍAS DE LOS DIFERENTES RECUBRIMIENTOS A 5X5 µM A EXCEPCIÓN
DE LA MICROGRAFÍA (C) LA CUAL ES DE 3X3 µM. (A) MICRO HAP POR EPD DIRECTO,
(B) MICRO HAP POR EPD PULSADO, (C) NANO HAP POR EPD DIRECTO, (D) NANO
HAP POR EPD PULSADO, (E) NANO HAP POR EPD DIRECTO Y RECUBRIMIENTO DE
AGNP, (F) NANO HAP POR EPD PULSADO Y RECUBRIMIENTO DE AGNP. ....................... 51
FIGURA 24. COMPARACIÓN ENTRE EL RECUBRIMIENTO DE MICRO HAP DEPOSITADO POR
EPD DIRECTO (A) Y PULSADA (B) A 3X3 µM. ................................................................ 54
FIGURA 25. MICROGRAFÍAS DE LOS RECUBRIMIENTOS DE NANO HAP POR EPD DIRECTO
(A) 2X2 µM Y (C) 1X1 µM, Y POR EPD PULSADO (B) 2X2 µM Y (D) 800X800 NM. .............. 55
FIGURA 26. RECUBRIMIENTOS DE NANOPARTÍCULAS DE HA DEPOSITADOS SOBRE
SUSTRATOS DE TI POR EPD DIRECTO (LADO IZQUIERDO) Y EPD PULSADO (LADO
DERECHO). ............................................................................................................... 56
FIGURA 27. RECUBRIMIENTOS DE AGNP DEPOSITADOS SOBRE NANO HAP POR EPD
DIRECTO (A) 2X2 µM, (C) 1X1 µM, Y POR EPD PULSADO (B) 2X2 µM, (D) 1X1 µM. ............ 58
FIGURA 28. MICROGRAFÍAS TOMADAS EN LA SUPERFICIE DEL RECUBRIMIENTO DE HA
SINTERIZADO Y EDS DE UNA MICROÁREA. ................................................................... 60
FIGURA 29. RECUBRIMIENTO DE NANO HAP POR EPD DIRECTO RECUBIERTO DE AGNP (A)
5,000 X, (B) 10,000 X, (C) 20,000 X, (D) SECCIÓN TRANSVERSAL A 1,000 X. ............... 62
FIGURA 30. MICROSCOPÍA UTILIZADA PARA TOMAR EL ESPECTRO Y SER ANALIZADO POR
EDS. ....................................................................................................................... 63
FIGURA 31. MAPEO ELEMENTAL SOBRE EL RECUBRIMIENTO DE AGNP. ................................. 64
FIGURA 32. ANÁLISIS EDS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL RECUBRIMIENTO DE NANO
HAP POR EPD DIRECTO RECUBIERTO CON AGNP. ...................................................... 66
FIGURA 33. MAPEO ELEMENTAL DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL RECUBRIMIENTO DE
NANO HAP POR EPD DIRECTO Y RECUBIERTO CON AGNP. ........................................... 66
FIGURA 34. RECUBRIMIENTO DE NANO HAP POR EPD PULSADO Y RECUBIERTO DE AGNP,
(A) 5,000 X, (B) 10,000 X, (C) 20,000 X, (D) VISTA TRANSVERSAL A 5,000 X. ............... 69
VII
FIGURA 35. MICROSCOPÍA UTILIZADA PARA TOMAR VARIOS ESPECTROS Y SER ANALIZADOS
POR EDS. ................................................................................................................ 70
FIGURA 36. ANÁLISIS EDS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL RECUBRIMIENTO DE NANO
HAP POR EPD PULSADO Y RECUBIERTO CON AGNP. ................................................... 71
FIGURA 37. MAPEO ELEMENTAL DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL RECUBRIMIENTO DE
NANO HAP POR EPD PULSADO Y RECUBIERTO CON AGNP. .......................................... 72
FIGURA 38. GRÁFICA DE CARGA-PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN DEL RECUBRIMIENTO DE
NANO HAP DEPOSITADA POR EPD PULSADO. .............................................................. 73
FIGURA 39. ANÁLISIS WEIBULL DE EL MODULO ELÁSTICO (E) DEL RECUBRIMIENTO DE
NANO HAP POR EPD PULSADO. ................................................................................. 74
FIGURA 40. ANÁLISIS WEIBULL DE LA DUREZA (H) DEL RECUBRIMIENTO DE NANO HAP
POR EPD PULSADO. ................................................................................................. 75
FIGURA 41. CURVAS DE CARGA-PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN DEL RECUBRIMIENTO DE
NANO HAP DEPOSITADA POR EPD PULSADO Y RECUBIERTO DE AGNP. ......................... 76
FIGURA 42. ANÁLISIS WEIBULL DE EL MODULO ELÁSTICO (E) DE NANO HAP POR EPD
PULSADO Y RECUBIERTO DE AGNP. ............................................................................ 77
FIGURA 43. ANÁLISIS WEIBULL DE LA DUREZA (H) DE NANO HAP POR EPD PULSADO Y
RECUBRIMIENTO DE AGNP. ........................................................................................ 78
FIGURA 44. CURVAS DE CARGA-PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN DEL SUSTRATO DE TI. ......... 79
FIGURA 45. ANÁLISIS WEIBULL DE EL MODULO ELÁSTICO (E) DEL SUSTRATO. ....................... 79
FIGURA 46. ANÁLISIS WEIBULL DE LA DUREZA (H) DEL SUSTRATO. ....................................... 80
FIGURA 47. RESULTADOS DE LA PRUEBA CULTIVO Y LA ADHESIÓN BACTERIANA EN 20 µL.
(1)RECUBRIMIENTO DE AGNP, (2) RECUBRIMIENTO DE MICRO HAP Y AGNP, (3)
RECUBRIMIENTO DE MICRO HAP POR EPD PULSADO, (4) RECUBRIMIENTO DE MICRO
HAP POR EPD DIRECTO............................................................................................ 83
FIGURA 48. RESULTADOS DE LA PRUEBA DE ADHESIÓN BACTERIANA EN 20 µL. (1)
SUSTRATO DE TI, (2) RECUBRIMIENTO DE NANO HAP POR EPD DIRECTO, (3)
RECUBRIMIENTO DE NANO HAP POR EPD PULSADO, (4) RECUBRIMIENTO DE NANO
HAP POR EPD DIRECTO Y AGNP, (5) RECUBRIMIENTO DE NANOPARTÍCULAS DE HAP
POR EPD PULSADO Y AGNP, (6) DISPOSITIVO MÉDICO PARA FINES COMPARATIVOS,
(7) CULTIVO DE CONTROL CON BACTERIAS. ................................................................. 86
VIII
FIGURA 49. SIMULACIÓN FEM DEL SISTEMA DE SUSTRATO Y EL SUSTRATO CON
RECUBRIMIENTO DE HAP. .......................................................................................... 88
FIGURA 50, GRÁFICA DE FUERZA-DESPLAZAMIENTO DE LOS DISTINTOS SISTEMAS
SIMULADOS. ............................................................................................................. 89
IX
Lista de tablas
TABLA 1. MATERIALES UTILIZADOS EN LA EXPERIMENTACIÓN ............................................... 18
TABLA 2. EQUIPO UTILIZADO DURANTE LA EXPERIMENTACIÓN. ............................................. 19
TABLA 3. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL SUSTRATO DE TI GRADO 2 UTILIZADO. ......................... 25
TABLA 4. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL TI GRADO 2 COMO SUSTRATO PARA
APLICACIONES EN IMPLANTES BIOMÉDICOS. ................................................................. 26
TABLA 5. RESULTADOS DE LAS SUSPENSIONES DE BACTERIAS. ............................................ 34
TABLA 6. CANTIDAD DE BACTERIAS SEMBRADAS PARA LOS DISTINTOS EXPERIMENTOS. .......... 36
TABLA 7. VALORES UTILIZADOS PARA LOS SISTEMAS DE SIMULACIÓN. ................................... 39
TABLA 8. RESULTADOS DEL ESPECTRO DEL RECUBRIMIENTO DE AGNP SOBRE EL
RECUBRIMIENTO DE NANO HAP POR EPD DIRECTO. .................................................... 63
TABLA 9. RESULTADOS DEL ESPECTRO DEL RECUBRIMIENTO DE AGNP SOBRE EL
RECUBRIMIENTO DE NANO HAP POR EPD PULSADO. .................................................... 70
X
Agradecimientos
A mis familiares, amigos y compañeros que me apoyaron a lo largo de la trayectoria de
este trabajo y etapa de vida.
Reconocimientos
A mis asesores, sinodales, cuerpo técnico del centro y compañeros que por su apoyo
hicieron posible este trabajo.
1
Introducción
En la actualidad la esperanza de vida y la edad promedio de la población mundial están
en aumento. Sin embargo debido a la edad y otros varios factores considerados
particularmente en cada caso, una de las principales partes del cuerpo que comienza a
presentar síntomas o señales de deterioro y por lo tanto posibles fallas con su función
principal son los tejidos óseos. Por ejemplo el número de personas que requieren una
prótesis de rodilla ha ido incrementando, accidentes, obesidad o enfermedades
degenerativas como la osteoartritis, provocan un desgaste en el cartílago
imposibilitando inclusivo el poder caminar, haciendo necesario la implantación de una
prótesis de rodilla. Sin embargo en nuestro país, las prótesis de rodilla son de
fabricación extranjera lo cual representa un elevado costo, además de que algunas
prótesis llegan a fallar tan solo a los tres años de haber sido implantadas, esto debido
al desgaste temprano de los materiales y al diseño general de la prótesis, la cual no
corresponde a las características fisionómicas de la población mexicana promedio. Por
otro lado, uno de los mayores problemas que se tiene actualmente en las prótesis es
relacionado con las dificultades para lograr desarrollar materiales bioactivos que
además presenten buenas propiedades mecánicas y que tengan un desempeño
satisfactorio implantadas en el cuerpo humano. Investigadores de diferentes
Universidades y Centros de investigación trabajan de manera conjunta para aplicar sus
conocimientos en el diseño, pruebas mecánicas y tribológicas, síntesis de biomateriales
aplicando la nanotecnología y estudios de bioactividad, para la fabricación de prótesis
de rodilla, se han desarrollado estudios de simulación numérica. Además de seguir
2
investigando nuevos materiales con propiedades mecánicas mejoradas, el reto
principal sigue siendo el tiempo de vida útil del implante basado en la biocompatibilidad
que tienen con el cuerpo humano y los fluídos que están presentes y la resistencia al
desgaste del componente.
El tema principal de la investigación es precisamente atacar los problemas de
biocompatibilidad, resistencia mecánica y de desgaste. Para estas aplicaciones se ha
utilizado con buenos resultados, desde el punto de vista químico, la hidroxiapatita Ca10-
x(PO4)x(HPO4)6-x(OH)2-x con 0<x<1 (HAp), sin embargo la HAp carece de propiedades
mecánicas necesarias para soportar las cargas a las que el cuerpo humano es
sometido. Actualmente se encuentran en la literatura investigaciones enfocadas con
materiales compuestos de HAp híbridos usando nanopartículas, pero la literatura es
limitada cuando se buscan este tipo de recubrimientos usando nanotecnología y
procesos de electroforesis por métodos fuera de los convencionales, representando
esto último una de las justificaciones por las cuales se desarrolló está investigación.
3
Estado del arte
Implantes
Los materiales comúnmente utilizados para implantes médicos, dependen de su uso,
por ejemplo, en el sistema esquelético, para el reemplazo de uniones (cadera, rodillas)
se utilizan materiales como titanio, aleaciones de Ti-Al-V, acero inoxidable y polietileno;
de manera similar en la implantación de placas para la fijación de una fractura se
utilizan aleaciones de cobalto-cromo, así como el acero inoxidable (Buddy D. Ratner
2004).
Mecanismos de desgaste en implantes biomédicos
Los implantes se enfrentan a un ambiente severo de corrosión que incluye sangre y
otros constituyentes del fluido corporal que abarcan varios ingredientes como los
aminoácidos agua, sodio, cloro, proteínas, plasma, junto con la mucina en el caso de la
saliva(Lawrence SK 1925). El medio acuoso en el cuerpo humano se compone de
varios aniones tales como cloruro, fosfato y iones de bicarbonato, cationes tales como
Na+, K+, Ca2+, Mg2+, etc., sustancias orgánicas de bajo peso molecular así como
especies de componentes poliméricos con un peso molecular relativamente elevado, y
el oxígeno disuelto(Scales JT 1959). Las moléculas biológicas alteran el equilibrio de
las reacciones de corrosión del implante, mediante el consumo de los productos debido
a la reacción anódica o catódica. Las proteínas pueden unirse a iones metálicos y las
transportan lejos de la superficie del implante, perturbando el equilibrio a través de la
doble capa de superficie, la cual está formada por los electrones en la superficie y el
exceso de cationes en la solución. Además, las proteínas que son absorbidas en la
4
superficie también se ha encontrado que reducen la difusión del oxígeno en
determinadas regiones, y adicionalmente causan corrosión preferencial en esas
regiones. El hidrógeno que se forma por reacción catódica actúa como un inhibidor de
la corrosión, sin embargo, la presencia de bacterias parece cambiar este
comportamiento y mejorar la corrosión mediante la absorción del hidrógeno presente
en la proximidad del implante. Los cambios en los valores de pH también influyen en la
corrosión. Sin embargo, el valor de pH del cuerpo humano, normalmente se mantiene a
7,0, este valor cambia 3 a 9 debido a varias causas tales como accidentes, el
desequilibrio en el sistema biológico debido a enfermedades, infecciones y otros
factores después de la cirugía, y el valor del pH cerca el implante varía típicamente
desde 5,3 hasta 5,6. A pesar del hecho de que la mayoría de los materiales utilizados
están protegidos por las capas superficiales de óxido del ataque del medio ambiente,
existe evidencia clínica de la liberación de iones metálicos de los implantes y ésta se ha
atribuido a un proceso de corrosión(Geetha Manivasagam 2010).
Biomateriales
El desarrollo de biomateriales para mejorar la vida humana, ya sea para el reemplazo
de una cadera disfuncional o artrítica, arterias con arterosclerosis, dientes decadentes
o la reparación de tejidos cómo cartílagos o piel es ubicuo. De manera que la población
envejece, hay una necesidad creciente de reparar tejidos blandos y duros cómo lo son
huesos, cartílagos, venas o incluso órganos completos. La industria de los
biomateriales está valuada actualmente en $28 mil millones, con una tasa de
incremento anual esperada para los próximos años del 15%, y se predice que para el
2014 el mercado tenga un valor de $58.1 mil millones (www.marketsandmarkets.com).
5
Actualmente, los implantes ortopédicos son los que se consideran tienen un mayor
auge (aproximadamente 1.5 millones de implantes al año) con un costo de $10 billones.
Los biomateriales sin duda incrementan la calidad de vida de las personas para un
número creciente de población cada año. El rango de aplicación es muy vasto
incluyendo reemplazamiento de uniones entre los huesos e incluso miembros
completos, arterias artificiales, lentes de contacto y dentaduras.
Durante las últimas décadas se ha observado el desarrollo de varios implantes y
dispositivos médicos para reparar daño en tejidos que anteriormente se pensaba
irreversible (Holzapfel, Reichert et al. 2013).
Biomateriales metálicos
Los implantes permanentes de metal a base de acero inoxidable (316L), aleaciones de
cobalto-cromo (Co-Cr) y titanio o sus aleaciones han estado a la vanguardia de la
investigación de biomateriales clásicos desde hace décadas. Hasta ahora, la cadera, la
rodilla, la columna vertebral y los implantes dentales de metal todavía cubren la mayor
parte de los implantes colocados en todo el mundo (S. Abramson 2004). Sin embargo,
actualmente los materiales metálicos que se utilizan están afligidos con algunas
limitaciones. Debido a la corrosión en el entorno del cuerpo, níquel, cromo y cobalto
pueden ser liberados del acero 316L o de aleaciones de Co-Cr y puede conducir a
reacciones tóxicas o de hipersensibilidad tales como las enfermedades relacionadas
con la piel o incluso puede inducir la carcinogénesis (Wapner 1991; D.B. McGregor
2000).
6
Biomateriales cerámicos
La mayoría de los tipos de cerámica son materiales inherentemente duros y frágiles
con altos módulos de elasticidad en comparación con el hueso. Las cerámicas
tradicionales son de alta resistencia a la compresión pero baja a la tracción. No
obstante, las propiedades mecánicas así como las biológicas dependen en gran
medida el proceso de fabricación aplicado. Alúmina (Al2O3) y óxido de circón (ZrO2) no
son cerámicos bioactivos y están cubiertos por una capa fibrosa no adherente en la
interface después de la implantación. En ortopedia, se utilizan principalmente como
cabezas artificiales femorales o revestimientos acetabularios debido a su excelente
resistencia mecánica y durabilidad en conjunto con baja fricción y bajos coeficientes de
desgaste (M. Kamitakahara 2008).
Biomateriales poliméricos
Ejemplos de polímeros sintéticos bioestables incluyen polimetilmetacrilato (PMMA),
caucho de silicona, polietileno (PE), resinas acrílicas, poliuretanos o polipropileno.
Cementos acrílicos óseos se han utilizado en la cirugía ortopédica y dental durante
muchas décadas para anclar componentes de metal o de plástico. Sin embargo, el uso
de cemento óseo no proporciona ninguna fijación biológica. Los efectos secundarios
comunes son la reacción exotérmica y la considerable toxicidad de los monómeros
residuales. Polietileno, polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) y
recientemente introducido polietileno altamente reticulado (HXLPE) representan
materiales adecuados para revestimientos acetabulares o insertos de rodilla debido a
su bajo coeficiente de fricción y alta resistencia al impacto (K. Fukui 2011). Ácido
poliglicólico (PGA), polilactida (PLA) y la polidioxanona (PDS) se han utilizado
7
ampliamente como dispositivos de fijación de huesos reabsorbibles o materiales de
sutura. Las propiedades mecánicas de estos materiales se pueden mejorar mediante
procesos auto-reforzantes, cuando se refuerza la matriz polimérica por fibras
orientadas del mismo material (Tormala 1992).
Hidroxiapatita
La hidroxiapatita Ca10-x(PO4)x(HPO4)6-x(OH)2-x con 0<x<1 (HAp) es el principal
componente inorgánico del hueso de los vertebrados; también la encontramos en la
dentina y el esmalte dental (L. 1997). Este fosfato de calcio, que se puede obtener de
forma sintética, presenta características de biocompatibilidad, no toxicidad, estabilidad
química, osteoconducción y bioactividad; tales propiedades hacen al material muy
práctico para usos médicos. La HAp se puede usar como reemplazo de partes
pequeñas de hueso, relleno de cavidades en odontología, recubrimiento de superficies
de metales para implantes, refuerzo en materiales compuestos y como liberador de
medicamentos, entre otros. Para una aplicación determinada se requieren diferentes
características de la HAp, como pueden ser su capacidad de reabsorción o bioactividad
(RATNER 1996).
Nanopartículas de plata
Las nanopartículas de plata (AgNp) son materiales importantes que se han estudiado
ampliamente para una amplia variedad de aplicaciones. Tales materiales nanoescala-
poseen propiedades únicas como eléctricas, ópticas, así como las propiedades
biológicas y por lo tanto se aplican en la catálisis, biosensores, de formación de
imágenes, la administración de fármacos, la fabricación de nanodispositivos y la
8
medicina (M. Ahamed 2010; T.M. Tolaymat and Suidan 2010). Debido a la fuerte
actividad antimicrobiana, las AgNP también se utilizan en prendas de vestir, la industria
alimentaria, protectores solares y cosméticos (N. Vigneshwaran and Balasubramanya
2007; F. Martinez-Gutierrez 2010; S. Kokura 2010). Por otra parte, se ha demostrado
que las AgNP cuando se someten a interacciones dependientes del tamaño con el virus
VIH-1 inhiben su unión a la célula huésped in vitro (J.L. Elechiguerra 2005).
Titanio como sustrato
La alta resistencia, baja relación de peso y resistencia a la corrosión inherente del
titanio (Ti) y sus aleaciones a conducido a la investigación de una amplia y diversificada
variedad de aplicaciones exitosas las cuales demandan altos niveles confiables de
desempeño en aplicaciones de implantes, cirugía y medicina, industria aeroespacial,
automotriz, plantas químicas, generación de energía, extracción de gas y petróleo,
deportes y otros sectores industriales.
En la mayoría de estas y otras aplicaciones de ingeniería, el Ti ha reemplazado varios
materiales más pesados que presentaban menores propiedades mecánicas y menor
relación de costo-beneficio. El diseño de materiales con Ti tomando en cuenta todos los
factores ha resultado en sistemas y componentes más confiables, económicos y
duraderos, los cuales en muchas situaciones han superado sustancialmente el
rendimiento y las expectativas de vida útil. Actualmente el Ti se encuentra disponible en
varios grados con diferencias mínimas en su composición química, además de que se
puede disponer estando de manera aleada o sin alear. El Ti grado 2 es más fuerte que
el grado 1 y con igual resistencia a la corrosión lo cual lo hace mayormente
competente. Este tipo de material tiene numerosas aplicaciones de las cuales destaca
9
la industria médica debido a las buenas propiedades de biocompatibilidad que
presenta. Esta propiedad es excelente para el Ti grado 2, especialmente cuando se
trata de estar en contacto con tejidos o huesos.
Recubrimientos
Los recubrimientos bioactivos son muy importantes para los implantes metálicos, como
implantes de prótesis de cadera y periodontales porque los metales por sí solos son
bioinertes, lo que significa que no se unen al tejido orgánico, por lo contrario se
encapsulan con tejido fibroso después de la implantación. Los recubrimientos
bioactivos tienen el potencial de mejorar la estabilidad de los implantes mediante la
unión a hueso del hospedador, sin embargo, la capa de HCA se forma sobre vidrio
bioactivo como resultado de la disolución(Jones 2012).
Recubrimientos para implantes biomédicos
En aplicaciones clínicas, los cerámicos bioactivos de fosfato de calcio, tales como
hidroxiapatita (HAp) y fosfato tricálcico (TCP, Ca3(PO4)2), se utilizan principalmente
como materiales que sustituyen a los huesos (G.M. Calori 2011). En condiciones
neutras la HA es casi insoluble y el lento proceso de degradación in vivo está mediada
principalmente por los mecanismos celulares de resorción. En condiciones neutras la
HA es casi insoluble y el lento proceso de degradación in vivo está mediada
principalmente por los mecanismos celulares de resorción (J.E. Fleming Jr. 2000).
Debido a su baja resistencia mecánica el TCP es insuficiente para el aumento óseo en
aplicaciones altamente soportando carga. Los soportes de fosfato de calcio bifásico
(BCP) están compuestos de cantidades variables de HA y β-TCP con el objetivo de
10
compensar las propiedades no deseadas de cada material individualmente. Las
características mecánicas de tales compuestos cerámicos pueden ser mejoradas
incrementando el porcentaje de HA. Un aumento del contenido de β-TCP por otro lado
conduce a una mayor tasa de degradación y liberación de iones (H.R. Ramay 2004).
Recubrimientos de vidrios bioactivos
Los vidrios bioactivos son por naturaleza biodegradables, y por lo tanto un
recubrimiento altamente bioactivo puede degradarse con el tiempo, causando
inestabilidad del implante metálico en el largo plazo. Por lo tanto las aplicaciones de
recubrimientos de vidrio bioactivo pueden ser limitadas. Cuando se aplican
recubrimientos de vidrio, el coeficiente de expansión térmica del vidrio debe coincidir
con la del metal para evitar que el cristal se desfase del metal durante el
proceso.(Gomez-Vega JM 2000).
Recubrimientos nanoestructurados
Los nanomateriales ya han demostrado una gran promesa para la fabricación de
nuevos recubrimientos biomédicos e implantes. Particularmente, nanopelículas,
nanorecubrimientos, y superficies nanoestructuradas están siendo ampliamente
explotados en aplicaciones biomédicas (Liu H 2007).
Las nanopartículas de sílice tienen un gran potencial para diversas aplicaciones tales
como rastreo celular y transporte intracelular de moléculas, que van de agentes
terapéuticos a las proteínas y el ADN(Ashley CE 2011). Tanto por fundición y sol-gel de
se puede hacer el vidrio en forma de nanopartículas. Derivados de fundición (por
ejemplo Bioglass 45S5) se puede producir nanopartículas (20-80 nm) por síntesis de
11
flama, donde los reactivos, por ejemplo, sílice, carbonato de sodio, carbonato de calcio
y fosfato, se introducen en un reactor de flama(Brunner TJ 2006).
Las nanofibras son de interés en la medicina regenerativa, ya que tienen el potencial
para imitar la morfología natural de la matriz extracelular colagenosa, que puede
proporcionar una respuesta beneficiosa celular en ciertas aplicaciones(Stevens MM
2005).
Depositación electroforética
La depositación electroforética (EPD por sus siglas en inglés) es una técnica con un
amplio rango de novedosas aplicaciones en el procesamiento de materiales cerámicos
avanzados y recubrimientos, recientemente ha ganado interés tanto en la academia
cómo en el sector industrial no sólo por su gran versatilidad en el uso de diferentes
materiales y sus combinaciones, sino también por su costo-efectividad y requerimiento
de equipo de poca complejidad. La técnica de EPD ha sido conocida desde 1808
cuando el científico Ruso Ruess observó el movimiento de partículas de arcilla en agua
inducido por un campo eléctrico. Pero el primer uso práctico de la técnica ocurrió en
1933 cuando la depositación de partículas de thoria en un cátodo de platino cómo
emisor para aplicaciones de tubo de electrones fue patentada en los Estados Unidos.
Aunque el fenómeno básico involucrado en EPD es bastante conocido y ha sido sujeto
a una extensa investigación tanto teórica cómo experimental, la técnica de EPD en
cerámicos fue primeramente estudiada por Hamaker (HC 1940), y solamente en los
ochentas el proceso recibió atención en el campo de los cerámicos avanzados.
12
Definición
La depositación Electroforética (EPD) es un proceso en la producción de cerámicos
que tiene ventajas como poco tiempo de formación, equipo de baja complejidad, baja
restricción de formas para el sustrato, el recubrimiento en verde muestra pocos o
ningún material orgánico. Comparado con otras técnicas avanzadas para
recubrimientos con formas complejas, el proceso de EPD es muy versátil ya que se
puede modificar para una aplicación específica. Por ejemplo, la depositación puede
llevarse a cabo en formas planas, cilíndricas o cualquier otra forma que tenga el
sustrato con únicamente un cambio menor el diseño del electrodo y de su posición.
Particularmente, a pesar de ser un proceso en húmedo la EPD ofrece un fácil control
sobre la morfología y el espesor de una película depositada a partir de un ajuste en el
tiempo de depósito y el potencial aplicado. En EPD, partículas cargadas, dispersas o
suspendidas en un medio líquido son atraídas y depositadas al aplicar un campo
eléctrico de corriente directa sobre un sustrato conductor de carga opuesta. El término
“electro depositación” es usualmente usado aunque ambiguo debido a que puede
usarse tanto como para “electroplating” como para EPD.
La diferencia básica entre el proceso de depositación electroforética (EPD) y el proceso
de depositación electrolítica (ELD) es que el primero está basado en la suspensión de
partículas en solventes mientras el segundo está basado en soluciones salinas, i.e.,
especies iónicas (Zhitomirsky 2002). Puede haber 2 diferentes tipos de depositación
electroforética dependiendo en cual electrodo ocurra la depositación. Cuando las
partículas están cargadas positivamente, la depositación se lleva a cabo en el cátodo y
el proceso es llamado depositación electroforética catódica. La depositación de
13
partículas cargadas negativamente en un electrodo positivo (ánodo) se conoce cómo
depositación electroforética anódica. Mediante la modificación de la carga que se
encuentra en la superficie de las partículas, cualquiera de los dos modos es posible.
La Figura 1 es una ilustración esquemática de los modos de depositación
electroforética.
Figura 1. Representación esquemática del proceso de depositación electroforética. (A) EPD
catódico, (B) EPD anódico.
En cuanto a aplicaciones tecnológicas el potencial de la depositación electroforética
(EPD) cómo técnica de procesamiento de material ha aumentado su reconocimiento
tanto por la comunidad científica cómo por la industria. Además de sus aplicaciones
convencionales en la fabricación de recubrimientos cerámicos resistentes a la fatiga y
antioxidantes, fabricación de películas funcionales para dispositivos microelectrónicos
así como en el desarrollo de recubrimientos bioactivos para implantes médicos, ha
habido un incremento en el interés para su aplicación en ensamblado a nanoescala
para su aplicación en materiales funcionales avanzados (Sato, Kawachi et al. 2001).
14
Depositación electroforética pulsada
La depositación electroforética por EPD pulsada ha ganado un gran interés en los
últimos años, aplicando este método es posible reducir la formación de burbujas
cuando se utiliza una solución acuosa (Besra, Uchikoshi et al. 2009). La literatura dice
que este método puede ser separado en dos categorías: EPD pulsado de voltaje
constante y EPD pulsado de corriente constante (Chávez-Valdez and Boccaccini 2012).
Justificación
El hueso es una de las partes del cuerpo humano más comunes que necesita
reparación. El injerto de hueso es un procedimiento común para la reparación de
defectos óseos, los cuales pueden ser agujeros en el tejido óseo. En la actualidad, los
cirujanos utilizan el autoinjerto, que es la recolección de hueso del propio paciente de
otra parte del cuerpo y el trasplante de la zona dañada. Sin embargo, la cantidad de
hueso es limitada y la curación de la zona donante (normalmente la pelvis), tiende a
tomar más tiempo y ser más doloroso que la curación del defecto original. Existen
bancos de hueso que pueden ser utilizados, donde irradian huesos de cadáveres, pero
el proceso de irradiación causa que sus propiedades mecánicas sean pobres. Por lo
tanto es necesario el uso de materiales en injertos artificiales de hueso, y la extensión
del injerto óseo. Existen muchos materiales disponibles en el mercado y los más
exitosos tienden a ser cerámicos bioactivos macroporosos. Las biocerámicas más
comunes utilizados son sulfato de calcio y fosfatos de calcio, tales como fosfato
tricálcico (TCP) y la HAp sintética.
15
La esperanza de vida y la edad promedio de la población del mundo están en aumento.
Nuestro esqueleto es una de las primeras partes del cuerpo que se desgastan debido a
las enfermedades que son comunes con el envejecimiento, como la osteoporosis y la
osteoartritis. La osteoporosis reduce la densidad ósea y afecta a todos en cierto grado
a medida que envejecemos. La densidad y la fuerza de los huesos disminuyen porque
la producción de hueso es más lenta que la reabsorción, dando lugar a huesos frágiles.
Por lo tanto, sería benéfico que el injerto de hueso artificial ayude a revertir los efectos
de la enfermedad cuando los injertos son necesarios en pacientes con osteoporosis.
Por otra parte, aunque el sulfato de calcio se utiliza ampliamente, se disuelve muy
rápidamente in vivo, lo que puede llevar a un nuevo defecto. TCP también se disuelve
rápidamente, mientras que HA se degrada muy lentamente. Se necesita un cambio
para estos materiales en injertos artificiales que pueden estimular los mecanismos de
regeneración natural del cuerpo, de manera que el hueso dañado puede ser restaurado
a su función y estado original(Lee 2010).
Los recubrimientos se aplican a los componentes ortopédicos y otros dispositivos
médicos por una variedad de razones. Recubrimientos de metales porosos y cerámicos
son depositados sobre los implantes para facilitar la fijación del implante y el
crecimiento óseo. Cabe señalar que esta es una de las áreas de más rápido
crecimiento en el campo de los biomateriales y que muchos desarrollos se prevén en la
próxima década(Davis 2003).
Finalmente y de manera particular en nuestro país es indispensable el desarrollo de
ciencia básica aplicada en este tipo de recubrimientos biocompatibles para prótesis de
tipo permanente, debido al incremento de personas adultas y con sobre peso las cuales
16
son propensas a caídas y otros factores que pueden requerir de un implante
permanente, generalmente los implantes son importados y tienen costo elevado. El uso
de la nanotecnología para el desarrollo de nuevos materiales mejorados que sean
competentes con los ya disponibles en el mercado es un reto del presente trabajo de
investigación.
Hipótesis
Los recubrimientos obtenidos a partir del compuesto HA/Ag presentarán una
biocompatibilidad superior comparado con los recubrimientos desarrollados solamente
a partir de HA.
Con el uso del método de EPD pulsado se podrá dar un mejor control sobre la
morfología del recubrimiento lo cual afectará de manera positiva la biocompatibilidad.
Objetivo General
Síntesis y evaluación de las propiedades mecánicas y de biocompatibilidad de un
sistema de recubrimiento compuesto de HAp/Ag nanoestructurado sobre sustratos
metálicos por el proceso de EPD para aplicaciones en implantes médicos.
Objetivos específicos
� Caracterización química y microestructural de la matriz de HAp.
17
� Caracterizar la morfología de las nanopartículas reforzantes de Ag.
� Evaluar composición química y propiedades mecánicas del sustrato (placas de
Ti).
� Llevar a cabo una experimentación preliminar para determinar las mejores
relaciones de incorporación de los materiales.
� Determinar los parámetros óptimos del proceso de depositación electroforética
(EPD) mediante una serie de pruebas preliminares.
� Llevar a cabo la síntesis de nanoestructuras de los sistemas de recubrimientos
por EPD de voltaje constante por el método pulsado o directo.
� Caracterizar los recubrimientos desarrollados.
� Determinar la respuesta mecánica de los sistemas de recubrimientos
compuestos nanoestructurados mediante la prueba de nanoidentación.
� Realizar las pruebas de biocompatibilidad del sistema de recubrimiento
compuesto nanoestructurado.
� Llevar a cabo una simulación mecánica por elementos finitos de las muestras
sometidas a la prueba nanoidentación, con el fin de determinar los esfuerzos
máximos que soportará el sistema de recubrimiento.
18
Materiales y métodos
A continuación se presentan los materiales y equipos utilizados en la experimentación a
lo largo del desarrollo de este trabajo de tesis. En la Tabla 1 se enlistan los materiales
utilizados para el desarrollo de los experimentos que comprenden este trabajo de tesis,
mientras que en la Tabla 2 se muestra el equipo necesario para realizar la
experimentación.
Nombre Identificación Proveedor Pureza Comentarios
Hidroxiapatita HAp [Ca5(OH)(PO4)3]
Sigma-Aldrich® Grado
reactivo
Tamaño de partícula 20-60
µm
Nano Hidroxiapatita nHAp Sigma-Aldrich® 97%
Tamaño de partícula
< 200 nm. BET ≥ 97%,
Nanopartículas de Plata AgNp
SkySpring Nanomaterials,
Inc 99.9%
Tamaño de partícula de 50-
60 nm.
Etanol EtOH CH3CH2OH Sigma-Aldrich® 99.5% Peso molecular
46.07
Yodo I Alfa Aesar 99.8% Cristales
resublimados Sustrato de
Titanio Sustrato Ti Online Metals Ti Grado
2 Placas de 10 × 15 × 0.6 mm
Tabla 1. Materiales utilizados en la experimentació n
19
Nombre Especificaciones
Baño sonicador Baño sonicador marca BRANSON modelo 5510
Desmembrador sónico Sonic Dismembrator marca Fisher Scientific modelo FB-705
Fuente de poder de corriente
pulsada
DµP(R) Series W/Microstar Pulse Power Supply de ©Dinatronyx, Inc
Fuente de poder de corriente
directa
PowerPacTM HV Power Supply de BIO-RAD modelo
164-5056
Elevador de dipcoater Dip-coater marca -MTI Corporation modelo PTL – MMBO2
Horno tubular con atmósfera semicontrolada
Horno Tubular marca Barnstead Thermolyne modelo 21100
Tabla 2. Equipo utilizado durante la experimentació n.
En la Figura 2 se muestra una fotografía de la fuente “Microstar Pulse Interface”
DuPR10-3-6 proporcionada por la compañía Dynatronix que es capaz de entregar una
corriente pulsada a distintos voltajes y valores de corriente, esta fuente fue utilizada
para realizar los recubrimientos.
Figura 2. Fuente “Microstar Pulse Interface” DuPR10 -3-6
20
Para el uso de la fuente se fabricó un circuito previo sugerido por el fabricante en caso
de que se requiera realizar el control a través de un controlador lógico programable
(PLC) o algún otro tipo de control programable, dicho circuito se conecta en la parte
posterior del dispositivo con el motivo, además de la adición de dos indicadores LED’s
como guías de funcionamiento y señal de alarma, este aditamento extra que se le
agregó a la fuente se muestra en la Figura 3, la cual también muestra de manera
esquemática el circuito implementado.
Figura 3. a) Diagrama de circuito implementado en l a fuente Microstar, b) circuito implementado en la fuente.
Para poder observar la forma de onda que la fuente “Microstar” proporcionaba con la
aplicación de la corriente, se necesitó hacer uso de una tarjeta de adquisición de datos
(DAQ) USB-6009 de National Instruments (Figura 4), la cual se utilizó como interface
entre la computadora y la fuente de poder, además del software LabVIEW de la misma
compañía.
b) a)
21
Figura 4. a) Tarjeta de adquisición de datos USB-6 009, b) Interface con el computador.
Adicionalmente fue necesario utilizar una aplicación conocida como “Student Scope” de
la página “conexions” (http://cnx.org/), la aplicación fue creada en el entorno LabVIEW,
con el motivo de hacer la simulación de un osciloscopio en el computador portátil y
consecuentemente lograr ver la forma de onda enviada por la fuente. En la Figura 5 se
muestra el panel frontal de la aplicación una vez instalada en la computadora y lista
para ser utilizada.
Figura 5. Panel frontal de la aplicación “Student S cope”.
22
Para la manufactura de los recubrimientos por depositación electroforética (EPD), la
celda que se utilizó fue implementada en el laboratorio, y consta de un contenedor en el
cual se tiene la suspensión colocado en una base con altura ajustable, dentro de la cual
se colocan los electrodos metálicos en forma de placas los cuales se encuentran
separados por una distancia aproximada de 0.5 cm con la ayuda de un soporte
universal y pinzas. En la Figura 6 se muestra el sistema preliminar para realizar los
recubrimientos.
Figura 6. Sistema preliminar de electrodepositación .
Cabe destacar que para la optimización de los recubrimientos, adicionalmente se utilizó
el equipo de “Micrometer Grade Programmable Dip Coater with Drying Oven PTL-NMB”
de “MTI Corporation” el cual se observa en la Figura 7. Con el objetivo de lograr una
velocidad y temperatura controladas al momento de sumergir y retirar los
recubrimientos de la suspensión, este equipo requirió su instalación, además de la
adaptación de los cables para la aplicación del voltaje requerido en la parte interna de
la cámara.
23
Figura 7. “Micrometer Grade Programmable Dip Coater with Drying Oven PTL-NMB” de “MTI corporation”.
Metodología experimental
A continuación en la Figura 8 se muestra un esquema de la metodología utilizada, y
posteriormente se explica más a detalle cada uno de los pasos de la preparación de los
materiales y los experimentos llevados a cabo durante este trabajo de tesis.
Figura 8. Esquema de la metodología experimental.
Caracterización de la materia
prima
Preparación de sustratos Suspensiones Depositación por
electroforésis
SinterizadoCaracterización de recubrimientos
Determinación y Simulación de propiedades mecánicas
Caracterización de propiedades
de biocompatibilidad
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Caracterización de la materia prima.
Los materiales iniciales como las partículas de HA, nHAp y AgNp fueron caracterizados
a través de Microscopía electrónica de barrido (SEM). El equipo utilizado fue un
Microscopio Electrónico de Barrido de Emisión de Campo Modelo Nova NanoSEM
200 Marca FEI, el cual cuenta con un sistema de microanálisis de energía dispersiva
de Rayos X (EDS o EDX) Marca Oxford Modelo INCA X-Sight. También se utilizó la
técnica de difracción de rayos X, usando un equipo Panalytical Empyream con los
programas Match y el X'Pert High Score Plus, y con las bases de datos cristalográficas
ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) y la PDF-2 de la ICDD (International
Centre for Diffraction Data). También se realizó la caracterización de la materia prima
por medio de DTA-TGA-DSC en el equipo de análisis termogravimétrico (TGA) con un
DSC simultáneo (SDT Q 600 TA Instruments). Los parámetros de operación fueron de
0 a 1500 ºC con una velocidad de 15 ºC/s en atmósfera controlada de nitrógeno sobre
un crisol de alúmina. Las micrografías de los sustratos de Ti fueron obtenidas mediante
el microscopio de fuerza atómica AFM MFP 3D SA marca Asylum, haciendo uso del
modo de No-Contacto AC utilizando una sonda de silicio (cantiléver) con una geometría
rectangular AC160TS-35. Teniendo acceso con las micrografías obtenidas a
información con la retroalimentación de la amplitud. Las señales incluyen altura,
amplitud/fase, deflexión.
25
Preparación de sustratos.
Se utilizaron placas de Ti puro grado 2 con composición química la cual se presenta en
la Tabla 3 de 10 mm × 15 mm y espesor de 0.6 mm, como sustratos tanto para el
electrodo cómo el contraelectrodo. Los sustratos fueron preparados mediante un pulido
mecánico desde 120 hasta 1200 con papel de lija de SiC, para posteriormente ser
limpiadas en un baño de acetona durante 15 min y a continuación se limpiaron en un
baño de etanol durante 15 min y ser utilizadas inmediatamente después de secar al
aire a temperatura ambiente (Javidi, Javadpour et al. 2008; Abdeltawab, Shoeib et al.
2011; Maleki-Ghaleh, Khalili et al. 2012).
Composición Química (% e.p.)
C Fe H N O Ti
0.1 max. 0.3 max. 0.015 max. 0.03 max. 0.25 max. 99.3 min.
Tabla 3. Composición química del sustrato de Ti gra do 2 utilizado.
La Tabla 4 presenta las propiedades mecánicas de sustrato de Ti grado 2.
Propiedad Ti Grado 2, propiedades requeridas*
Resistencia a la cedencia (Rp 0,2) 275 MPa mínimo
Última resistencia a la Tensión (Rm) 345 MPa mínimo
Elongación >20%
Reducción de área >30%
26
* De acuerdo a la norma ASTM F67 ( Ti para aplicaciones en implantes médicos)
Tabla 4. Propiedades mecánicas del Ti grado 2 como sustrato para aplicaciones en implantes biomédicos.
Suspensiones.
Las suspensiones para llevar a cabo los recubrimientos por el proceso por EPD fueron
optimizadas para cada material de interés. En cada caso fue necesario realizar varias
experimentaciones previas con la finalidad de encontrar las relaciones de mezclado
que resultara en una mayor estabilidad de la suspensión.
Las suspensiones que se utilizaron fueron preparadas de la siguiente manera:
Suspensión de nanopartículas de HAp. La suspensión fue preparada en 15 ml de
etanol (pureza de 99.5%) al cual se le agregaron 2% en peso de nanopartículas de
HAp con respecto a la cantidad de etanol, posteriormente se le agregó 15% de yodo
con respecto al peso de las nanopartículas de HAp. Se sonicó la suspensión durante
15 min con el desmembrador ultrasónico utilizando una amplitud de 50 para ser
utilizada inmediatamente terminado el proceso.
Suspensión de nanopartículas de plata. La suspensión se preparó en 15 ml de
etanol (pureza 99.5%) al cual se le agregó 1% en peso de AgNp con respecto al etanol.
Se sonicó la suspensión durante 15 min con el desmembrador ultrasónico utilizando
una amplitud de 50 para ser utilizada inmediatamente terminado el proceso.
Depositación por electroforésis.
27
En el caso de la suspensión de nanopartículas de HAp utilizamos dos tipos métodos
distintos para la depositación. Se utilizó depositación electroforética por voltaje
constante directo y voltaje constante pulsado.
Depositación por EPD directo. Se usó una diferencia de potencial igual a 10 V en
modo de EPD directa, el tiempo de depósito fue de 1.8 min para las nanopartículas de
HAp, posteriormente terminado el tiempo de depósito se prosiguió a subir los
electrodos con una velocidad controlada de 5 mm/min, la depositación que ocurre es de
carácter catódico, es decir se deposita sobre el cátodo (conexión negativa), obteniendo
como resultado un recubrimiento de una capa en verde.
Depositación por EPD pulsado. Se usó una diferencia de potencial de 10 V en modo
de EPD pulsado, el tiempo de depósito fue de 2 min para las nanopartículas de HAp,
los pulsos se configuraron de la siguiente manera, para el estado activo se estableció
un tiempo de 10 ms mientras que el estado inactivo se establecieron 5 ms,
posteriormente terminado el tiempo de depósito se prosiguió a subir los electrodos con
una velocidad controlada de 5 mm/min, la depositación que ocurre es de carácter
catódico, es decir se deposita sobre el cátodo (conexión negativa), obteniendo como
resultado un recubrimiento de una capa en verde.
Los recubrimientos en verde se dejaron secar a temperatura ambiente en el interior de
la cámara durante 12 horas, posteriormente fueron sometidos a un tratamiento térmico
para ser sinterizados.
Depositación de nanopartículas de plata. La depositación de las AgNp se realizó
sobre los sustratos previamente recubiertos y sinterizados de HAp, y cómo
28
contraelectrodo se usó el mismo sustrato de Ti al igual que en el caso de las
nanopartículas de HAp, para este depósito no se varió el método de depósito, se utilizó
corriente directa con una diferencia de potencial de 100 V durante 2 min,
posteriormente terminado el tiempo de depósito se prosiguió a subir los electrodos con
una velocidad controlada de 5 mm/min, la depositación que ocurre es de carácter
anódico, es decir se deposita sobre el ánodo (conexión positiva).
Los recubrimientos en verde se dejaron secar a temperatura ambiente durante 12
horas, posteriormente fueron sometidos a un tratamiento térmico para ser sinterizados.
Es importante mencionar que los parámetros de operación utilizados en la depositación
electroforética fueron optimizados con experimentaciones preliminares con la finalidad
de obtener capas de manera separada que fueran completamente homogéneas y que
cubrieron por completo el sustrato.
Sinterizado.
El proceso de sinterizado se llevó a cabo en un horno tubular con un tubo de cuarzo,
usando un flujo de gas nitrógeno durante todo el proceso, tanto en el calentamiento
como en el enfriamiento. Debido a la diferencia de los recubrimientos, se necesitaron
dos tratamientos térmicos distintos para lograr el sinterizado de cada uno de los
recubrimientos como a continuación se describe. Para optimizar las temperaturas
utilizadas para el sinterizado se realizaron termogramas de DTA tanto para la HAp
como para las AgNp.
29
Recubrimiento de HAp. Para los recubrimientos realizados a partir de nanopartículas
de HAp tanto para el método de EPD pulsado como para los de EPD directo se utilizó
una temperatura final de 900 ºC, la cual se mantuvo durante 2 horas, con una velocidad
de calentamiento aproximada de 15 ºC/min (el reporte de la velocidad es aproximado
debido a que el equipo no cuenta con la capacidad de controlar la velocidad de
calentamiento), para posteriormente enfriar las muestras dentro del horno hasta
temperatura ambiente y finalmente ser retiradas una vez alcanzada esta temperatura.
Recubrimiento de plata . Los recubrimientos obtenidos a partir de AgNp sobre los
sustratos previamente recubiertos y sinterizados de HAp, fueron sinterizados a una
temperatura final de 700 ºC, la cual se mantuvo durante 1 hora, con una velocidad de
calentamiento aproximada de 15 ºC/min, para posteriormente enfriar las muestras
dentro del horno hasta temperatura ambiente y ser retiradas una vez alcanzada esta
temperatura.
Caracterización de recubrimientos.
La microestructura de los recubrimientos fue caracterizados en la superficie como en la
sección transversal por Microscopía electrónica de barrido, el equipo utilizado fue
Microscopio Electrónico de Barrido de Emisión de Campo Modelo Nova NanoSEM
200 Marca FEI y el Sistema de Microanálisis de energía dispersiva de Rayos X (EDS o
EDX) Marca Oxford Modelo INCA X-Sight. Por otra parte la topografía de los
recubrimientos fue analizada a través de Microscopía de fuerza atómica AFM MFP 3D
SA marca Asylum, haciendo uso del modo de No-Contacto AC utilizando una sonda de
silicio (cantiléver) con una geometría rectangular AC160TS-35. Teniendo acceso con
30
las micrografías obtenidas a información con la retroalimentación de la amplitud. Las
señales incluyen altura, amplitud/fase, deflexión.
Evaluación de Propiedades mecánicas.
Para evaluar la respuesta mecánica del producto del aleado mecánico se utilizó la
técnica de nanoindentación. Las muestras fueron medidas con un equipo Agilent Nano
Indenter G200, utilizando el módulo de nanoindentador que emplea una punta de
diamante tipo Berkovich, aplicando una deformación con control de desplazamientos, y
un tiempo máximo de la prueba de 25s. Los ensayos de nanoindentación se llevaron a
cabo sobre muestras en sección transversal las cuales fueron preparadas por las
técnicas convencionales de metalografía. Las nanoindentaciones se realizaron sobre la
superficie con acabado espejo utilizando una carga de 3 µN y una separación entre
huellas de alrededor de dos veces el tamaño de la huella residual vecina, las
propiedades mecánicas de dureza y el módulo de elasticidad fueron evaluadas
haciendo uso del método de Oliver y Pharr (O&P), en cada una de las muestras.
De acuerdo al método de O&P, se utilizó la ecuación de una esfera:
Ac=2πRhc-hc2 (1)
donde ℎ� es la profundidad de contacto, Ac el área de contacto y R el radio de la punta.
Debido a que la HAp exhibe un comportamiento isotrópico, el modulo elástico reducido
y los valores de la dureza determinados en este estudio deben ser considerados como
valores representativos. Estos valores fueron utilizados para comparar los
componentes de la HAp en la sección transversal.
31
Analizando las curvas de carga-desplazamiento se calculó la profundidad de contacto
(ℎ�)mediante la siguiente ecuación (O&P):
hc=hmax-εPmax
S (2)
donde � es una constante geométrica del indentador (� = 0.75). El valor estimado de ℎ�
fue utilizado para calcular el área de contacto � usando la ecuación (1). El módulo
elástico reducido (�� ) y la dureza (�) fueron calculadas por la relación que existe
entre la información de carga-desplazamiento, la medición experimental de la rigidez
(�) y �, usando las ecuaciones:
H=Pmax
Ac (3)
Ered=1
β
√π2
S
�Ac (4)
donde � es una constante dependiente de la geometría de la punta (� = 1) para la
punta esférica) (Oliver 2004). Un coeficiente de Poisson de 0.25 basado en el valor
típico usado para la quitina (Kesel 1998; Morin 2002; Sachs 2008), se utilizó para
determinar el módulo elástico de acuerdo con la siguiente ecuación:
Es=(1-vs
2)
(1
Ered-(1-νi
2)
Ei) (5)
donde � = 1.14 GPa y �� = 0.07 son las constantes elásticas para el indentador de
diamante, mientras que � y �� son módulos de elasticidad de las muestras analizadas.
Una muestra de referencia de sílice fundida (ASMEC, Alemania), de la cual, las
32
propiedades mecánicas son conocidas, se utiliza para calibrar la función de área del
penetrador. Para el caso de la fluencia del material conocido como efecto “Creep”, la
carga máxima de mantiene constante y la profundidad se controla. Tal comportamiento
se atribuye a la cedencia (Chudoba 2001; Fischer-Cripps 2004) y por lo general es visto
como un comportamiento que debe ser considerado con el fin de corregir efectos no
deseables de las propiedades mecánicas tales como dureza y módulo de Young
(Chudoba 2001).
Para evaluar los valores representativos del módulo elástico reducido, y de dureza, se
utilizó un análisis estadístico de Weibull. Los modelos basados en las estadísticas de
Weibull son ampliamente utilizados como modelos de falla en cerámicos, en ingeniería
confiable (Ugur 2003; Ersoy 2008). La teoría de Weibull proporciona la probabilidad, p,
para un parámetro dado, �, como:
� = 1 − exp �� !"#$ (7)
donde % es el módulo de Weibull, una cantidad sin dimensiones, y �& se conoce como
el parámetro de escala (dureza (�) o módulo de elasticidad ()). La magnitud de %
aumenta a medida que la dispersión de los valores experimentales disminuye. Es decir,
si el módulo de Weibull es mayor que 10, de dispersión de datos es baja. La
probabilidad de mantener la reproducibilidad en la prueba i-ésima, analizando los datos
ordenados de forma ascendente puede expresarse como:
� = �'&.() (8)
33
donde * es el número total de observaciones. Para el estudio actual, se modificó la
ecuación para estimado de probabilidad �, aplicando ln de ambos lados dos veces y
simplificando, la ecuación. (7) puede ser escrita como:
ln �ln - ..'/0$ = %1ln� − ln�&2 (9)
ajustando los datos experimentales utilizando la ecuación. (9), se obtienen los valores
de % y �&. La pendiente de la recta proporciona el valor del módulo de Weibull %,
mientras que de la intersección de los datos con Y se obtiene el valor de �&. En nuestro
trabajo, � es la dureza y módulo de Young, � , respectivamente.
Evaluación de adhesión bacteriana en los recubrimientos
Todo el proceso se llevó a cabo con guantes, en ambiente y material estéril con
mechero encendido. El asa bacteriológica se esterilizó en la flama y se dejó enfriar al
aire antes de usarse. El asa en forma de “L” se sumergió en etanol y posteriormente se
colocó a la flama, se tomó un tiempo de espera para que el etanol se evaporara y
finalmente se dejó enfriar.
A continuación se describe el protocolo seguido para realizar estas pruebas:
1. Utilizando un asa bacteriológica, se estrió una placa de agar Mueller-Hinton con
Staphylococcus epidermidis cepa ATCC 14990 en tres campos y se dejó incubar
a 36 ˚C durante 12 horas, la Figura 9 muestra una descripción gráfica acerca de
este paso.
34
Figura 9. Representación gráfica del procedimiento para el estriado de la bacteria.
2. Se preparó una suspensión de bacterias tomando varias colonias de bacterias
con el asa bacteriológica y re-suspendiendo en 5 ml de caldo de Soya Tripticasa.
A continuación se evaluó la densidad óptica a 600 nm utilizando un
espectrofotómetro (Eppendorf® BioPhotometer) y se ajustó la suspensión a
1X106 Unidades formadoras de colonia por ml (UFC/ml), teniendo en cuenta
que:
DO600 nm=0.1 (Tubo 0.5 del nefelómetro de McFarland) equivale a 1X108
Unidades formadoras de colonia por ml (UFC/ml), ésta requeriría una dilución
1:100.
A continuación en la Tabla 5 se muestran los resultados de las suspensiones.
Experimento DO600nm Dilución
1 0.393 1:400
2 0.142 1:140
Tabla 5. Resultados de las suspensiones de bacteria s.
35
3. A continuación se colocaron los recubrimientos previamente desarrollados por
electroforésis en cajas de petri estériles de 5 cm.
4. A cada recubrimiento por separado se le añadió 7 ml de la suspensión de
bacterias UFC/ml.
5. Posteriormente las muestras se colocaron en una plataforma de agitación orbital
a 100 RPM (Labline 3508 Dual Action Shaker) durante 3 días a temperatura
ambiente.
6. A continuación se retiró de cada recubrimiento el medio de cultivo.
7. Con la pipeta automática de 1 ml (Labnet BioPette™) se lavó cada recubrimiento
agregando 2 ml de caldo soya tripticasa, agitando levemente de forma circular y
retirando el lavado. Dicho lavado se realizó por 3 veces de manera similar.
8. Se añadió 2 ml de caldo soya tripticasa, se selló la placa con parafilm y colocó
en un baño ultrasónico
9. Se efectuaron 5 ciclos de ultrasonido (Ultrasonic cleaner AS 2060B Sd
Autoscience) durante 10 segundos cada uno.
10. Finalmente y después de secarse los recubrimientos se retiró el parafilm y
sembraron diferentes cantidades del medio en placa de agar Mueller-Hinton
empleando pipetas automáticas. El líquido fue sembrado utilizando la varilla de
vidrio estéril en forma de “L” cubriendo toda la superficie de cada placa como se
muestra gráficamente en la Figura 10. Finalmente las muestras se dejaron
incubar durante 12 horas continuas.
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Figura 10. Representación gráfica del procedimiento seguido para el sembrado de bacterias
Experimento Cantidades que se sembraron
1 100 y 20 µl
2 100, 20 y 10 µl
Tabla 6. Cantidad de bacterias sembradas para los d istintos experimentos.
Simulación.
Con la finalidad de estudiar la respuesta de los recubrimientos desarrollados a
diferentes condiciones de su potencial aplicación, se realizaron simulaciones evaluando
sus diferentes distribuciones de esfuerzo y deformación. Dicha simulación fue realizada
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por el método de elemento finito (FEM por sus siglas en inglés) en el software
COMSOL, los sistemas simulados fueron el sustrato de Ti, el sustrato con
recubrimiento de HAp y el sustrato recubierto con HAp/AgNp. Para la simulación de la
punta del indentador utilizamos una punta esférica con un radio de 50 µm. En la Figura
11 se muestran las geometrías utilizadas para los distintos sistemas de simulación. Los
valores utilizados para el espesor del recubrimiento de HAp fueron de 50 µm y se
basan en el trabajo de De Groot y colaboradores (Geesink RGT 1987; Groot 1987). El
valor del espesor del sustrato de la simulación se triplicó respecto el que se utilizó en el
recubrimiento en el mismo modelo. Debido a que el sustrato es mucho mayor, se utilizó
el valor de 150 micrómetros ya que nos permite realizar la simulación de manera
correcta, con la finalidad de evitar interacción de las deformaciones con las fronteras de
la muestra.
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En el modelo se definió una simetría axial respecto al eje Y, como se observa en la
Figura 12. Dicha asunción nos permitió disminuir los cálculos requeridos, por lo que el
proceso de solución del software fue optimizado.
Figura 12. Esquema de la simetría axial agregada al sistema.
Figura 11. Geometrías de los sistemas de simulación a) geome tría indentador -Ti, b) geometría Indentador-HAp-Ti, c) geometría indentador-AgNpHAp- HAp-Ti.
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En la Tabla 7 se muestran los valores introducidos a los materiales en los distintos
modelos. Donde los valores para el módulo de Young del sustrato, HAp, e HAp/AgNP
fueron tomados de los valores experimentales de la caracterización de nanoindentación
realizada a los diferentes muestras. Mientras que el valor del módulo de Young del
indentador de zafiro, así como las relaciones de Poisson, fueron tomadas de la
literatura (Gercek 2007; Ren, Case et al. 2009).
Material Módulo de Young (GPa) Relación de Poisson
Indentador (zafiro) 400 0.234
Sustrato Ti 181.45 0.361
HAp 31.19 0.25
HAp+AgNp 47.58 0.3
Tabla 7. Valores utilizados para los sistemas de si mulación.
Para la realización del mallado se muestra en la Figura 13 se muestran los diferentes
mallados realizados a cada sistema, se aplicó un mallado triangular para cada uno de
los modelos. De igual forma, se utilizó un mallado más fino en las zonas de interés, los
parámetros del tamaño de elemento fueron de 2 µm para el elemento mayor y 0.09 µm
como mínimo para los elementos menores. Se encontró que tales dimensiones del
mallado fueron adecuados, ya que al disminuir los tamaños no se encontraron cambios
importantes en los resultados de las simulaciones corresponcientes.
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Figura 13. Mallado d e los sistemas de simulación, (a) indentador -Ti, (b) indentador -HAp-Ti, (c) indentador-AgNp/AgNp-HAp-Ti.
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3. Resultados y Discusión
A continuación se muestran los resultados obtenidos a través de las diferentes
caracterizaciones que se realizaron en el presente trabajo, así como las discusiones
relacionadas y que han sido mencionadas anteriormente.
3.1 Caracterización de la materia prima.
Cómo ya se mencionó, se realizaron las caracterizaciones necesarias sobre la materia
prima, para determinar las condiciones de los materiales que fueron adquiridos
comercialmente.
3.1.1 Caracterización por microscopia óptica
Se utilizó microscopia óptica para validar la microestructura de los sustratos de Ti grado
2. La Figura 14 presenta micrografías tomadas a 500X y 100X en condición de atacado
mecanoquímico, donde se puede apreciar que la microestructura consiste totalmente
de granos finos de fase α(Ti), lo cual es indicativo de una alta velocidad de enfriamiento
usada en la fabricación.[ref]
Figura 14. Microestructura del Ti grado 2 usado com o sustrato.
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3.1.2 Caracterización por difracción de rayos X
De igual forma, se caracterizaron los polvos de HAp a través de difracción de rayos X.
A continuación se muestra en la Figura 15 el difractograma obtenido. Como se puede
observar los polvos están formados en su mayoría por HAp, con una pequeña cantidad
de fosfato de calcio. Así mismo, en el difractograma se puede apreciar que los polvos
también contiene una pequeña cantidad de fase amorfa.
Figura 15. Difracción de rayos X de la HAp.
Con el propósito de verificar la pureza de las AgNp, de manera similar se le realizó la
difracción de rayos X a las nanopartículas adquiridas comercialmente. Los resultados
correspondientes se presentan en la Figura 16. Como se puede apreciar, el
difractograma indica que las nanopartículas contienen solamente plata. Los resultados
obtenidos nos permitieron corroborar la alta pureza de las materias primas adquiridas.
