Aleaciones metaestables Fe-Mg para aplicaciones de biomateriales

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GRADO EN INGENIERIA DE MATERIALES

Curso académico 2018/19 Trabajo Fin de Grado

Aleaciones metaestables Fe-Mg para aplicaciones biomédicas

Autor: Jorge Colchero Vázquez

Directoras: Marta María Multigner y Marcela Lieblich

Matemática Aplicada, Ciencia e Ingeniería de los Materiales y Tecnología Electrónica

Julio 2019

Í'ndice[pic 2]

1. Resumen        1
2. Introducción        3

1. Biomateriales y clasificación        3

1. Fe y Mg como materiales biodegradables        5

1. El hierro        5
2. El magnesio        9
3. Biodegradación        11

1. Técnicas de obtención Fe-Mg metaestable        13

1. Implantación de iones        13
2. Sputtering        14
3. Pulvimetalurgia        15

1. Aleado mecánico        16

1. Etapas del proceso        18

2.2.3.1.1 Variables del proceso        19

1. Objetivos        25
2. Procedimiento experimental        27

1. Preparación de las muestras        27
2. Aleado mecánico        31

1. Proceso        31
2. Principales variables del proceso        32

1. Caracterización microestructural        35

1. Difracción de rayos X        35
2. Microscopía óptica        37
3. Microscopía electrónica de barrido (SEM)        37

1. Caracterización magnética        41

1. Resultados y discusión        43

1. Análisis morfológico        43

1. Microscopía electrónica de barrido (SEM)        43
2. Caracterización difracción de rayos X (DRX)        53

1. Parámetro de red        57

5.1.2.1 Tamaño de grano        60

1. Caracterización magnética        63

1. Conclusiones        71
2. Bibliografía        73

1. Resumen[pic 3]

La producción de nuevos biomateriales en los últimos años ha cobrado gran importancia en el campo de la ciencia. Para algunas aplicaciones, lo idóneo es utilizar implantes que se degraden una vez hayan cumplido su función reparadora. Además, si las aplicaciones requieren prestaciones mecánicas, en general, se prefiere el uso de materiales metálicos y sus aleaciones.

Dentro de los materiales metálicos biodegradables hay dos que destacan debido a sus propiedades mecánicas y a que están presentes en nuestro organismo, y son el hierro y el magnesio. Sin embargo, la velocidad de degradación del Fe resulta demasiado lenta para la gran mayoría de aplicaciones y la del magnesio demasiado rápida.

En este trabajo se propone alear ambos materiales con el fin de que la inclusión del magnesio en la estructura del hierro acelere su cinética de degradación. Sin embargo, el hierro y el magnesio son dos materiales inmiscibles en condiciones de equilibrio, por lo tanto es necesario emplear técnicas de no equilibrio para conseguir la solución sólida entre ambos. En nuestro caso la técnica empleada ha sido el aleado mecánico.

Se han preparado cuatro aleaciones de Fe con 1, 3, 5 y 7 % de Mg y se han analizado hasta 16 horas de molienda, donde se ha alcanzado a obtener una única fase según el análisis de los datos de Difracción de Rayos X. Además se han caracterizado los materiales con Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y magnetometría SQUID. Llegando a la conclusión de que es posible obtener una única fase con 16 horas de molienda en las condiciones empleadas.

1. Introduccio´n[pic 4]

1. Biomateriales y clasificación

Existen varias definiciones de biomaterial, pero la que bajo mi opinión engloba mejor este ámbito es la propuesta por el Instituto de la Salud de los Estados Unidos: “Biomaterial es cualquier sustancia o combinación de sustancias de origen natural o artificial, que puede ser usada durante cierto tiempo como un todo o como parte de un sistema y que permite tratar, aumentar o reemplazar algún tejido, órgano o función del cuerpo”. [1]

El uso de biomateriales en seres humanos se remonta a culturas tan antiguas como la egipcia, donde está demostrado que ya utilizaban este tipo de implantes sobre todo para las reparaciones dentales [2].

Pero no fue hasta finales de los años 60 cuando Branemak [3] demostró que era posible el contacto directo entre prótesis y hueso sin la necesidad de un tejido blando intermedio y denominó la osteointegración como la unión tanto estructural como funcional entre el hueso y la superficie del implante.

Los primeros materiales utilizados, que aparecieron en 1930, eran denominados tolerables, puesto que producían reacciones mínimas como cuerpo extraño. Eran materiales metálicos como las aleaciones CoCr y aceros inoxidables.

Entre 1950 y 1980 aparecieron los llamados bioinertes, que producían respuesta casi nula por parte del organismo, por ejemplo la alúmina (Al2O3).

Entre 1980 y 2000 surgieron los materiales bioactivos, que reaccionaban con el organismo de manera controlada buscando algún fin, como la estimulación celular para acelerar el proceso de cicatrización.

Por último, a partir de los años 2000 nos encontramos en la tercera generación de biomateriales, que es conocida como ingeniería de tejidos. En ella se busca la creación de materiales combinando las propiedades de bioabsorción y bioactividad, adoptando una función temporal y una vez finalizada dicha función poder ser reabsorbido.

Por lo tanto, dependiendo del tiempo que el implante vaya a permanecer en el cuerpo humano nos encontramos que pueden ser clasificados en permanentes y temporales. Los permanentes son aquellos que cuya función implica que deban permanecer teóricamente dentro del organismo, pero la realidad es que tienen una vida útil de unos 15 o 20 años. Mientras que los temporales son aquellos que una vez acabada su función puedan ser retirados mediante cirugía o, lo que estamos buscando con este estudio, que sean reabsorbidos y poder evitar el paso por quirófano.

Existen gran cantidad de materiales metálicos usados como biomateriales, como el acero 316L, desarrollado en 1920, que tenía una buena biocompatibilidad en comparación con los metales utilizados anteriormente debido a que se formaba una fina película de hidróxido de cromo. Pero se descubrió que podía llegar a corroerse generando productos altamente peligrosos para el organismo.

Más tarde, en 1930, se descubrió que la aleación CoCr destinada en un principio para aeronáutica tenía un mejor resultado en contacto con el cuerpo humano que el acero 316L. Esta aleación tiene mejores propiedades mecánicas y mejor comportamiento a la corrosión que el acero 316L [4].

Fue en 1950 cuando destacaron las aleaciones de titanio debido a su ligereza y a su buen comportamiento frente a la corrosión, además de su buena biocompatibilidad, producido por la formación de óxido de titanio en su superficie [5]. De entre todas las aleaciones de titanio destaca el Ti6Al4V, que manteniendo la biocompatibilidad del titanio mejoraba mucho las propiedades mecánicas de este.

Más adelante se descubrieron las enormes posibilidades del magnesio en aplicaciones de prótesis temporales.

A continuación se muestran las principales características de los biomateriales metálicos (Tabla 2.1).

Tabla 2.1 Resumen de biomateriales metálicos usados en la actualidad.

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