Dentro de los materiales para aplicaciones biomédicas, el titanio comercialmente puro es ampliamente utilizado, en particular, en implantes dentales. Esto se debe a su capacidad de óseo-integrarse, a sus propiedades mecánicas y a la biocompatibilidad que le brinda su óxido superficial. Sin embargo, además de la técnica quirúrgica y de las condiciones del paciente, el éxito clínico de una implantación se encuentra íntimamente ligado a las características de superficie que presenten dichos implantes. Éstas poseen una fuerte influencia sobre muchos fenómenos que pueden conducir al fracaso del implante, como son la corrosión, el desgaste, la fatiga y la falta de óseo-integración, entre otros. En este sentido, se sabe que el crecimiento, adhesión y proliferación de células osteogénicas está fuertemente relacionado con características superficiales como la rugosidad, la topografía y la tensión superficial.
Con el fin de mejorar las propiedades de óseo-integración y reducir así el tiempo de cicatrización ósea de los implantes dentales, se modifican la rugosidad y topografía a través de tratamientos de superficie. Actualmente, dentro de la gran variedad de tratamientos de superficie diseñados para su uso en biomateriales -en particular para implantes dentales de titanio- los más utilizados son el blasting (proyección de partículas cerámicas por medio de un flujo de aire), el ataque ácido y una combinación de ambos (blasting + ataque ácido), comercialmente llamada SLA®.
Las únicas complicaciones y fallos en implantes que se pueden atribuir al empleo del titanio tienen su origen en aspectos biomecánicos. Los implantes están generalmente sometidos a cargas cíclicas, lo cual lleva a la rotura de los mismos al cabo de varios años de funcionamiento, como resultado de la fatiga mecánica del material. Si bien estos tratamientos introducen importantes mejoras en las propiedades mencionadas, la vida a la fatiga de los componentes tratados puede verse fuertemente modificada debido a las tensiones residuales introducidas durante el tratamiento, la rugosidad superficial, la generación de defectos y el endurecimiento superficial por deformación plástica, entre otros factores.
Con el fin de estudiar la fatiga mecánica de estos materiales, el Grupo Biomateriales del Centro INTI-Mecánica, en colaboración con la Facultad de Ingeniería de la UBA, evaluó el efecto de los tratamientos de superficie blasting, grabado ácido, y blasting + ataque ácido, en la vida a la fatiga del titanio comercialmente puro.
Este trabajo permitió comprender los mecanismos actuantes e identificar las variables fundamentales que controlan la nucleación de fisuras por fatiga bajo las distintas condiciones superficiales en estudio. Herramientas de interés que permiten modelar el comportamiento a la fatiga del titanio para cada tratamiento de superficies.
En el laboratorio
Para llevar a cabo la evaluación propuesta, el equipo técnico de INTI-Mecánica utilizó titanio comercialmente puro grado 4. El ataque ácido se realizó con una solución de H2SO4. Para el tratamiento de blasting se utilizaron partículas de alúmina. Estos procedimientos se repitieron para el tratamiento dual de blasting + ataque ácido. Además, se ensayaron probetas sin tratamiento que fueron utilizadas como referencia. Los defectos superficiales y los cambios microestructurales se caracterizaron por medio de microscopía óptica y electrónica de barrido. A su vez, se analizaron las tensiones residuales por difracción de rayos X. Los ensayos fueron realizados en una máquina de fatiga por flexión rotativa, en aire y a temperatura ambiente. Se realizaron ensayos a distintos niveles de carga y se registró el número de ciclos a falla. Los ensayos fueron interrumpidos a los 10.000.000 de ciclos en los casos que las probetas no rompieron antes. |
Máquina de fatiga por flexión rotativa usada para la evaluación. |
Las conclusiones
A partir de los resultados obtenidos de los ensayos de fatiga por flexión rotativa se trazaron las curvas de tensión aplicada vs. El número de ciclos a la falla y se obtuvieron las ecuaciones de Basquin, que modelan el comportamiento a la fatiga de las condiciones estudiadas. Los tratamientos de blasting y blasting + ataque ácido no presentaron diferencias significativas respecto del mecanizado, mientras que el ataque ácido provocó una disminución del orden de 150 MPa en términos de tensión aplicada y de 2 órdenes de magnitud en términos de número de ciclos a la falla en todo el intervalo estudiado. |
Analizando los efectos que introdujo cada tratamiento, se encontró que el ataque ácido generó un aumento de rugosidad y defectos superficiales (producto de la corrosión intergranular) que actuaron como concentradores de tensión; características de superficie que tienden a disminuir la resistencia a la fatiga de los materiales. Por otro lado, los tratamientos de blasting y blasting + ataque ácido, además de generar un aumento de rugosidad y defectos superficiales, introdujeron tensiones residuales de compresión y provocaron un endurecimiento por deformación plástica de la superficie; estas últimas características de superficie mejoran el comportamiento a la fatiga de los metales. En este sentido, la introducción de tensiones residuales de compresión y el endurecimiento superficial generado, contrarrestarían el efecto adverso que implica la generación de defectos en la superficie y explicaría porqué el ataque ácido, al no haber introducido tensiones residuales de compresión ni endurecido la superficie, fue el tratamiento que mayor efecto negativo tuvo sobre la resistencia a la fatiga del titanio.
Contacto
Leonardo Pazos, lpazos@inti.gov.ar |
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