Materiales Compuestos de Matriz Termoplástica: Estructura Química y Propiedades

Los termoplásticos, son materiales poliméricos orgánicos formados por grandes moléculas lineales que se pueden deformar hasta conseguir la forma deseada y poseen facilidad para fluir en un molde con gran cantidad de obstáculos, en concreto las resinas termoplásticas. Se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y gran resistencia a los ácidos, disolventes y álcalis. Su estructura final se caracteriza por tener grandes moléculas lineales ramificadas que le dan la característica de la cristalinidad.

En todas las descripciones iniciales de los polímeros termoplásticos se incluyen dos lineas principales de descripción: la linealidad del polímero y  la capacidad para el reprocesado. Estas dos características tienen una gran importanca a la hora de determinar la capacidad de utilización de las resinas termoplásticas como matriz en un composite. La linealidad influye en su comportamiento reológico y de solubilidad y deben tenerse en cuenta a la hora de utilizar estas resinas junto con un refuerzo de fibras tanto de carbono como de vidrio. También, para aplicaciones aeroespaciales, son necesarias diversas modificaciones estructurales y de fabricación para que la resina resista los distintos solventes como el fluido hidraúlico, combustible y el cloruro de metileno utilizado en la imprimación. Para poder definir el polímero vamos a fijarnos en las propiedades de cristalinidad y capacidad de mezcla.

• Cristalinidad

La forma más efectiva de obtener una resistencia mecánica y a los solventes es la de establecer una cristalinidad, un orden estructural, en la estructura molecular del polímero. Las fuerzas moleculares que se derivan de la cristalinidad del polímero compensan  la resistencia de los líquidos al difundirse en la matriz. Establecer el control de la cristalinidad también es importante ya que esta afecta profundamente al módulo de la matriz. Consecuentemente, los tiempos de solidificación afectan al grado de cristalinidad, la cual es función del tiempo de organización del polímero en la repitividad de la estructura cristalina.

Si un polímero es enfriado rápidamente, la viscosidad de la mezcla aumenta rápidamente y la movilidad de las cadenas decrece de tal forma que no se obtiene una gran organización interna de estas dentro del polímero no obteniéndose una gran cristalinidad. Sin embargo, realizando un enfriamiento lento, ocurre lo contrario, consiguiendose una alta cristalinidad ya que a las cadenas le ha dado tiempo a organizarse obteniendo una estructura ordenada. La importancia de esta propiedad en la resina termoplástica es clara: el rango de enfriamiento es crítico y todos los factores que afecten al rango de enfriamiento son importantes, como el espesor del composite.

Si la molécula de termoplástico es lineal se produce un incremento de la alongación después de la rotura. Las moléculas tienden a desenmarañarse, orientarse y cristalinizar. Además, existe una gran área debajo de la curva tensión-deformación la cual es función del trabajo necesario para el fallo. En otras palabras: las moléculas de termoplásticos son más resistentes que las rígidas de los termoestables. La elongación de las resinas termoplásticas que aquí se analizan, ver figura, son consideradas para matrices de composites con un rango de elongación entre un 30 y 100%, comparados con el 1 al 2% de las resinas termoestables.

La elongación y la resistencia se modifican según el grado de cristalnidad del polímero. Con un alto grado de cristalinidad, se consigue un módulo alto y una mayor resistencia a la difusión de líquidos dentro de la matriz.

Gracias a las propiedades de los termoplásticos, existen campos de gran interés relacionados con la linealidad de las moléculas de estos. Por ejemplo; estas moléculas lineales poseen memoria de la configuración de las cadenas en el estado de mezcla. Esto reduce el enredo de las cadenas de moléculas cuando se produzca el proceso de laminación. También muchos termoplásticos se fragilizan cuando son expuestos a la temperatura de transición vítrea, provocando zonas amorfas en la matriz, creando fronteras entre zonas cristralinas y amorfas. Este proceso tienen dos consecuencias: posible aparición del creep en las zonas amorfas bajo carga y comienzo de microgrietas en las fronteras. Por lo tanto hay que tener un contro adecuado a la hora de determinar la temperatura de servicio e dichas resinas. Estas temperaturas límites son muy altas para la temperaturas de servicio de los composites, entre 150 y 250ºC.

• Capacidad de mezcla

La integridad de la molécula lineal en el estado de mezcla esta sujeta a factores mecánicos y termales durante su fabricación. La cortadura, por ejemplo, puede romper las cadenas y reducir las propiedades de la resina. Similarmente, la exposición térmica degrada las propiedades del polímero. Materiales termoplásticos como el ABS, acrinonitrilo-butaieno-estireno y el policarbonato pierden sus buenas propiedades ante el impacto si son extruidos en la máquina de inyección cuando la barra está demasiado caliente o el tiempo de residencia en la cámara es demasiado largo.

Por lo tanto podemos resumir las capacidades de las resinas termoplásticas en los siguientes puntos:

• Alta resistencia debido a la capacidad de cristalización
• Alta temperatura de servicio para composites
• Procesos de fabricación cortos
• Reprocesado para poder reparar defectos
• Reciclado de resinas

Manual del Aluminio y sus Aleaciones

Este bloq pretende ayudar a resolver algunas dudas que siempre se presentan. Son dudas tan básicas que inquietan y que, normalmente, te ponen a prueba en los momentos más inoportunos.

Aquí les dejamos un resumen de las aleaciones de aluminio y sus designaciones. Le damos de antemano las gracias a nuestro Profesor Francisco Arango, Ingeniero Industrial, por su aportación en cada uno de los días de clases en el segundo cuatrimestre del año 2015.

Un saludo.

El aluminio y sus aleaciones

A pesar de que el aluminio puro es un material poco usado se da la paradoja de que  las  aleaciones  de  este  material  son ampliamente  usadas  en  una grandisima variedad de aplicaciones tanto a nivel industrial como a otros niveles. Por ello pasamos a ver su clasificación, estados y designaciones más comunes:

Clasificación por su proceso

• Aluminios forjados
• Aluminios fundidos

Clasificación por su estado

F: Estado bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricación.

O: Recocido. Se aplica a materiales ya sea de forja como de fundición que han sufrido un recocido completo.

O1: Recocido  a  elevada  temperatura  y  enfriamiento  lento.

O2: Sometido  a  tratamiento  termomecánico.

O3: Homogeneizado. Esta designación se aplica a los alambrones y a las bandas de colada contínua, que son sometidos a un tratamiento de difisión a alta temperatura.

W: Solución tratada térmicamente. Se aplica a materiales que después de recibir un tratamiento térmico quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural.

H: Estado de Acritud. Viene con materiales a los que se ha realizado un endurecimiento por deformación.

H1. Endurecido por deformación hasta otener el nivel deseado y sin tratamiento prosterior.

H2.  Endurecido en exceso por  deformación  y  recocido  parcialpar recuperar suavidad sin perder dutilidad.

H3.  Acritud  y  estabilizado.

H4. Acritud y lacado o pintado. Son aleaciones endurecidas en frio y que pueden sufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura o laca dada.      7En ésta clasificación se usa un segundo dígito (en ocasiones es necesario un tercer dígito) que indica el grado de endurecimiento por deformación.

T: Denomina a materiales que has sido endurecidos por tratamiento térmico con o sin endurecimiento por deformación posterior. Las designaciones de W y T solo se aplican a aleaciones de aluminio ya de forja o de fundición que sea termotratables.  

T1: Enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   realizado   a   una   elevada temperatura    y    envejecido    de    forma    natural.

T2: Enfriado  desde  un  proceso  de  fabricadión  realizado  a  una  alta  temperatura, tragajado   en   frío   y   envejecido   de   forma   natural.

T3: Solución  tratada  térmicamente,  trabajada  en  frío  y  envejecida  a  Tamb  hasta alcanzar una condición estable.

T4: Solución  tratada  térmicamente  y  envejecida  a  Tamb  hasta  alcanzar  una condición estable. Es un tratamiento similar a T3 pero sin el trabajo en frío.

T5: Enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   a   alta   temperatura   y   envejecida artificialmente.

T6: Solución  tratada  térmicamente  y  envejecida  artificialmente.  Son  designados de  esta  forma  los  productos  que  después  de  un  proceso  de  conformado  a  alta temperatura (moldeo o extrusión) no son endurecidos en frío sino que sufren un envejecimiento artificial.

T7: Solución   tratada   térmicamente   y   sobreenvejecida   para   su   completa estabilización.

T8: Térmicamente   tratada   por   disolución,   trabajada   en   frío   y   envejecida artificialmente.

T9: Solución tratada térmicamente, envejecida artificialmente y trabajada en frío.

T10: Enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   realizado   a   una   elevada temperatura,  trabajado  en  frío  y  envejecido  artificialmente  hasta  una  condición sustancialmente estable.

Existen variantes del estado T, a estas variantes se les añaden a la T dos dígitos. Estos  dos  dígitos  son  específicos  para  cada  producto  y  se  usan  para  estado  de alivio de tensiones en productos fabricados mediante el proceso de forja.

Series de aluminios según sus aleantes

Las aleaciones de aluminio (tanto las forjadas como las moldeadas) se clasifican en  función  del  elemento  aleante  usado  (al  menos  el  que  esté  en  mayor proporción).  Los  elementos  aleantes  más  usados  son: 

Serie 2xxx. En  estas  aleaciones  el  principal  elemento  aleante  es  el  Cu,  pero  a  veces tambien  se  le  añade  Mg.  Las  características  de  esta  serie  son: buena relación dureza-peso y mala resistencia a la corrosión. En lo referente a la primera característica decir que algunas de las aleaciones de esta serie tienen que ser sometidas a TT de solubilidad y a veces de envejecimiento para mejorar sus  propiedades  mecánicas.  Una  vez  hecho  esto  la  serie  2xxx  tiene  unas propiedades  mecánicas  que  son  del  orden  y,  a  veces  superiores,  que  las  de  los aceros bajos en carbono. El efecto de los TT es el aumento de la dureza con una bajada de la elongación. En  lo  referente  a  la  segunda  característica  estas  aleaciones  generalmente  son galvanizadas con aluminio de alta pureza o con aleaciones de la serie 6xxx para protegerlas de la corrosión y que no se produzca corrosión intergranular. Los usos más frecuentes que se le dan a estos aluminios son (generalmente son usados  en  lugares  donde  sea  necesario  una  alta  relación  dureza-peso)  en  las ruedas de los camiones y de los aviones, en la suspensión de los camiones, en el fuselage   de   los   aviones,   en   estructuras   que   requieran   buena   dureza   a temperaturas superiores a 150 ºc. Para finalizar decir que salvo la aleción 2219 estas  aleaciones  tienen  una  mala  soldabilidad  pero  una  maquinabilidad  muy buena.

Serie 3xxx. En  estas  aleaciones  el  principal  elemento  aleante  es  el  Mn.  Estas aleaciones  tan  solo  tienen  un  20%  más  de  dureza  que  el  aluminio  puro.  Eso  es porque  el  Mn  solo  puede  añadirse  de  forma  efectivan  en  solo  un  1.5%. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3×04 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas,  utensilios  de  cocina,  intecambiadores  de  calor,  mobiliario,  señales  de tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas.

Serie 4xxx. En  esta  serie  el  principal  elemento  aleante  es  el  Si  que  suele  añadirese  en cantidades  medianamente  elevadas  (por  encima  del  12%)  para  conseguir  una bajada del rango de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que  funda  a  una  temperatura  más  baja  que  el  resto  de  aleaciones  de  aluminio para  usarlo  como  elemento  de  soldadura.  Estas  aleaciones  en  principio  no  son tratables  termicamente  pero  si  son  usadas  en  soldadura  para  soldar  otra aleaciones  que  son  tratables  termicamente  parte  de  los  elementos  aleantes  de las  aleaciones  tratables  termicamente  pasan  a  la  serie  4xxx  y  convierten  una parte de la aleación en tratable termicamente.  Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde  el  gris  oscuro  al  color  carbon  y  por  ello  estan  siendo  demandadas  en aplicaciones  arquitectónicas.  La  4032  tiene  un  bajo  coeficiente  de  expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la frabricación de pistones de motores.

Serie 5xxx.  Esta serie usa como principal elemento aleante el Mg y a veces tambien se añaden pequeñas cantidades de Mn cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio.  El  Mg  es  un  elemento  que  endurece  más  el  aluminio  que  el Mn (un 0.8 de Mg produce el mismo efecto que un 1.25 de Mn) y además se puede añadir más cantidad de Mg que de Mn.  Las principales características de estas aleaciones son una media a alta dureza por endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en ambiento marino y una baja capacidad de trabajo en frío.  Estas   características   hacen   que   estas   aleaciones   se   usen   para   adornos decorativos,  hornamentales  y  arquitectónicos,  en  el  hogar,  iluminación  de  las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes de puentes grua y estructuras de automóviles.

Serie 6xxx.  En estas aleaciones se usan como elementos aleantes el Mg y el Si en proporciones  adecuadas  para  que    se  forme  el  Mg2Si.    Esto  hace  que  esta aleación sea tratable termicamente.  Estas aleciones son menos resitentes que el resto de aleaciones, a cambio tiene tambien  formabilidad,  soldabilidad,  maquinabilidad  y  resistencia  a  la  corrosión. Estas  aleaciones  pueden  modearse  por  un  TT  T4  y  endurecido  por  una  serie  de acciones que completen el TT T6. Su  uso  suele  ser  el  de  aplicaciones  arquitectónicas,  cuadros  de  bicicletas, pasamanos de los puentes, equipo de transporte y estructuras soldadas.

Serie 7xxx.  El Zn añadido en proporciones que van desde el 1 al 8 % es el elemeto aleante en   mayor   proporción   en   estas   aleaciones.   A   veces   se   añaden   pequeñas cantidades de Mg para hacer la aleación tratable termicamente. Tambien es  normal  añadir  otros elementos  aleantes como  Cu  o  Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones, equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido  a  que  esta  serie  muestra  una  muy  baja  resistencia  a la corrosión  bajo  tensión  se  le  suele  aplicar  levemente  un  TT  para  conseguir  una mejor mezcla de propiedades.

Introducción a las aleaciones de aluminio

Para explicar mejor el Manual del Aluminio y sus Aleaciones les dejo este artículo y a la vez espero que sirva de introducción en la normalización de este metal, les dejo a continuación un pequeño escrito que  ayudará a comprender mejor la clasificación del aluminio y de sus aleaciones.

Introducción

Las propiedades del aluminio dependen de un conjunto de factores, de estos, el más importante es la existencia de aleantes. Con la excepción del aluminio purísimo ( 99,99% de pureza ), técnicamente se utilizan sólo materiales de aluminio que contienen otros elementos. Aún en el aluminio purísimo, las impurezas ( Fe y Si ) determinan, en gran medida, sus propiedades mecánicas. Los elementos aleantes principales del aluminio son: cobre (Cu), silicio (si), magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn).

La clasificación del aluminio y sus aleaciones se divide en dos grandes grupos bien diferenciados, estos dos grupos son: forja y fundición. Esta división se debe a los diferentes procesos de conformado que puede sufrir el aluminio y sus aleaciones.

Aleaciones para forja

Dentro del grupo de aleaciones de aluminio forjado encontramos otra división clara, que es la del grupo de las tratables térmicamente y las no tratables térmicamente. Las no tratables térmicamente solo pueden ser trabajadas en frío con el fin de aumentar su resistencia.

Dentro de las aleaciones para forja, los grupos principales de las no tratables térmicamente son: 1xxx, 3xxx y 5xxx. Dentro de las tratables térmicamente los grupos principales son: 2xxx, 6xxx y 7xxx. En esta ultima división, se encuentran las aleaciones de aluminio con mayores resistencias mecánicas, los grupos 2xxx y 7xxx.

Las reglas para nombrar los materiales de aleaciones forjados se encuentran en la norma EN 573. El nombre está compuesto por lo siguiente:

EN – Norma Europea

A – para Aluminio

W – para declarar que es un “Producto Semi-terminado”.

Y cuatro números para la composición química:

El primer número da el elemento aleado principal.

El segundo número indica sí es una aleación básica (designación  “O”) o una modificación (1 – 9).

Los últimos números indican la posición de la aleación en su grupo.  Por ejemplo, el EN AW-6061. Además, se pueden añadir los elementos aleados, seguidos por números que indican el contenido del elemento: EN AW-6061 [AlMg1SiCu].

Aleaciones para fundición

Desde 1996, la norma EN 1780 arregla los nombres de aleaciones de aluminio para la fundición.  Se utiliza un sistema numérico de cinco cifras. Primero, se pone „EN“ para la norma europea, seguido por „A“ para Aluminio. Sigue una letra que indica la forma de producción ( B para lingotes, C para fundiciones). Después cinco números para la composición química. Por ejemplo EN AB-44000.

El primer número es para el elemento aleado principal, igual que en los nombres de las aleaciones para la forja, el segundo para el grupo de la aleación. El tercer número es arbitrario, el cuarto en general 0.  El quinto es siempre 0, menos cuando se trata de aleaciones para la industria aeronaútica.

También es posible poner la composición química detrás del nombre:  EN AB-45400 [Al Si5Cu3].

Otras normas que tratan el aluminio y sus aleaciones

Materiales con memoria de forma (II): magnéticos

siguiendo con el hilo de las aleaciones con memoria de forma, aquí les dejamos el segundo artículo sobre este comportamiento: Materiales con Memoria de Forma Magnética.

El fenómeno de la magnetoestricción, por medio del cual un campo magnético externo puede cambiar las dimensiones de la muestra, fue observado en 1842 por Joule. En los materiales ferromagnéticos usuales como el Fe y el Ni, las deformaciones asociadas con la magnetoestricción son del orden de 10^-4 % mientras que en materiales con una magnetoestricción excepcionalmente grande, por ejemplo las aleaciones de Tb-Dy-Fe (Terfenol-D), muestran deformaciones del orden del 0.1%. Por el contrario, los materiales con memoria de forma magnética pueden mostrar deformaciones inducidas a través de un campo magnético del orden del 10%.

No sólo es que las deformaciones en los materiales MSM sean dos órdenes de magnitud superiores, sino que también el mecanismo es diferente al de la magnetoestricción. Mientras que la magnetoestricción ordinaria es observada en muestras estructuralmente homogéneas, el efecto MSM requiere una estructura especial. La estructura viene proporcionada una trasformación martensítica.

Como hemos visto, la forma usual de crear esta clase de microestructura es el maclado, debido a que existen distintas formas de deformar la estructura de alta simetría, la deformación puede tener lugar en diferentes direcciones y en diferentes regiones de la muestra: el resultado es la división de la fase cristalina inicial en muchos dominios martensíticos o “variantes” relacionados a través del maclado (ver figura 4)

Figura 4: Ilustración esquemática de la transformación martensítica y el maclado en dos dimensiones.

Los materiales magnéticos, tal como los ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos están caracterizados por momentos magnéticos locales en su estructura. Además, en ausencia de un campo magnético externo su magnetización tiene una cierta orientación preferente con respecto a la red cristalina, la llamada dirección de eje fácil. Si la dirección fácil es paralela a la dirección de maclado, entonces en una estructura maclada, los diferentes dominios de macla tendrán direcciones de magnetización distintas (ver figura 5). Cuando un campo externo es aplicado, los momentos magnéticos tratan de alinearse en la dirección del campo. Si la energía requerida para rotar la magnetización hasta la dirección fácil (energía de anisotropía magnética) es mayor que la energía requerida para mover la macla, es energéticamente más favorable mover los contornos de macla en lugar de rotar la magnetización. La fracción de maclas donde el eje fácil está en la dirección del campo  crecerá a expensas de otros dominios de macla. Este proceso culmina con grandes cambios en la forma del material (ver figura 5)

Figura 5: (a) momentos magnéticos sin campo externo. (b) redistribución de los dominios de macla ante un campo aplicado.

Las aleaciones con memoria de forma más usadas son las de Ni-Mn Ga. Lo que hace especial a las aleaciones con memoria de forma magnética de las aleaciones con memoria de forma ordinarias y, a la postre, las convierten en un material único, es que la microestructura martensítica puede manipularse a través de la aplicación de un campo magnético.

Efecto de Memoria de forma magnética (MSME)

Ahora veremos muy someramente en qué consiste el efecto de memoria de forma magnética desde un punto de vista de las propiedades magnéticas del material: Si tenemos la muestra de martensita teniendo la dirección [100] a lo largo de la dirección de la aplicación de la tensión, la dirección [001] (eje corto o fácil) se situará a lo largo de dicho eje tras una compresión. Este proceso de reorientación [100]à[001] a lo largo del eje de tensión va acompañado por una deformación de -5.4% (ver figura 6). A la vez, el proceso de reorientación inverso [001]à[100] se produce en el eje paralelo al campo magnético.

paralela al eje de carga es reorientada por una tensión externa de tal forma que adopta la dirección del eje corto [001] paralela a dicho eje con la consiguiente contracción de la muestra en esa dirección. b) usando un campo magnético cuasiestático y una tensión externa casi 0 – la muestra de un único dominio con la dirección [100] a lo largo del campo magnético es reorientada por éste de tal forma que adopta la dirección [001]. Este es el efecto de memoria de forma magnética o MSME. Notar que la deformación se mide en la dirección de la carga aplicada, perpendicularmente al campo aplicado.”]”]

Observando la figura 6b, un campo magnético relativamente pequeño de aproximadamente 0.5 T restaura la forma original de la muestra a través de la transformación [100]à[001] en el eje paralelo al campo magnético y la contraria [001]à[100] en el eje de la carga. Se observa, de esta forma una deformación de aproximadamente un 5.7% en la dirección de la carga, perpendicularmente al campo. Este cambio relativamente grande en la forma de la muestra es lo que se conoce como efecto de memoria de forma magnética o MSME.

La deformación teórica máxima para el caso de reorientación completa de la martensita es (c_M – a_M)/a_M= –5.63% para la reorientación [100]à[001] y de (a_M – c_M)/c_M = 5.97% para la reorientación [001]à[100]. Las deformaciones están correlacionadas, lo que se alarga la muestra en una dirección se acorta en una de las otras dos direcciones mientras su volumen permanece constante.

Figura 7: Esquema de la deformación inducida por campo magnético. Si la anisotropía magnetocristalina es grande, rotar el campo H causará un crecimiento gradual de una variante (azul) con el eje c a lo largo de la dirección del campo a expensas de la variante original (gris). Esto puede conducir a un aumento (∆l) considerable en las dimensiones externas del material. Si aplicamos una carga podemos volver a cambiar la orientación del eje c y así tendríamos el MSME.

El desarrollo de las aleaciones con memoria de forma magnética se ha dado en los últimos diez años. No obstantes, aún son bastantens las dificultades existentes para su correcto funcionamiento. En fechas recientes se están desarrollando espumas que solventan muchos de estos problemas. La espuma metálica consiste en una aleación Ni–Mn–Ga cuya estructura recuerda a un queso suizo con muchos huecos entre estructuras de material sólido. Estas estructuras tienen una organización granular similar a la del  bambú y pueden deformarse cuando se aplica un campo magnético.

Figura 8.- Micrografía de la espuma magnética

Materiales con memoria de forma (I): Térmicos.

Ahora quiero compartir con ustedes una información muy interesante: Materiales con memoria de forma. Este tema será tratado en dos artículos: (I) Memoria de forma térmica y (II) Memoria de forma magnética. Ambos han sido escritos por uno de nuestros colaboradores,Antonio José Contreras Sánchez, quien ya escribió el artículo sobre el comportamiento tribológico y los materiales nanoestructurados. Desde aqui le volvemos a agradecer su trabajo y  les dejamos este artículo.

Aleaciones con memoria de forma térmica

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) tienen la capacidad de recobrar una forma previamente definida cuando se les somete al procedimiento de tratamiento térmico apropiado. Al volver a su forma original, estos materiales también pueden aplicar fuerzas. La mayoría de de las aplicaciones prácticas corresponden a las SMA que tienen la capacidad de recuperarse tras una cantidad significativa de deformación (superelasticidad) o las que pueden aplicar grandes fuerzas al adoptar de nuevo su forma original.

El efecto por el cual las SMA recuperan su forma es resultado de la transformación martensítica. Originalmente el término “transformación martensítica” estaba reservado a los aceros, pero ahora se aplica de forma general a toda transformación de fase que ocurre por maclado sin cambio alguno en la composición.

En este tipo de transformación tenemos una fase de alta temperatura llamada austenita, también conocida como fase generatriz y de estructura cúbica. Si enfriamos el material, su estructura cambia y pasa a una estructura de laminillas, sumamente entretejidas y dispuestas en cortes alternados, llamada martensita. La estructura cortada en forma alternativa, es decir, en cortes opuestos consecutivos, conserva la forma general del cristal.

El estado por el cual las SMA recuperan su forma es resultado de la transformación de fase sólida-sólida entre dos estructuras materiales, es decir, la austenita y la martensita. En el estado  de martensita, una SMA es muy fácil de deformar mediante la aplicación de tensiones, en virtud de la propagación del contorno de la macla. Si en esta etapa se elimina la carga, la deformación de la martensita persiste, lo cual le da la apariencia de una deformación plástica. Sin embargo, después de ser deformada en el estado martensítico, el calentamiento provoca una transformación de la martensita en austenita, con lo cual el componente recupera su forma original (ver figura 1).

Figura 1: (a) conforme se enfría el material éste sufre una transformación martensítica. Los granos se acomodan de forma tal que se forman imágenes especulares (maclado), manteniendo la forma macroscópica. (b) deformación ocurre por propagación de contorno de maclas, de tal forma que las más favorablemente orientadas crecen a expensas de las demás.

Cuando se quiere aprovechar la memoria de forma del material, se hace un enfriamiento rápido, de tal manera que se esté por debajo de la temperatura crítica, y una vez que se tiene esa martensita en frío, se deforma (ver figura 2).

Al recorrer  el camino desde (a) hasta (b) procedemos a someter a una carga al material, éste se deformará en la fase martensítica. Después de un calentamiento, se puede recuperar la forma de partida volviendo a la fase inicial o primitiva austenítica. Este efecto se conoce como Efecto de memoria de forma Tipo I, ya que sólo nos permite recuperar la fase austenítica sin poder volver de a la forma martensítica

Por el contrario si después de después del calentamiento se puede recuperar la fase martensítica a temperatura ambiente, estaremos en un caso de Efecto de memoria de forma tipo II (ver figura 3)

Figura 2: Efecto de memoria de forma y superelasticidad

Si lo que se busca es aprovechar la propiedad de la superelasticidad es necesario deformar el material por encima de la temperatura de inicio de la transformación austenítica (A_f). Al cesar la carga el material volverá naturalmente a su estado inicial austenítico después de un breve paso por la fase martensítica. Por lo tanto es necesario que dicha temperatura A_f sea lo más baja posible para que no se dé una transformación indeseable durante la deformación.

El cambio de estructura no se produce con pequeñas variaciones de temperatura, sino sobre un rango de temperaturas que depende del sistema de aleación.

Figura 3: Efecto de memoria de forma tipo II

Además, la fase martensítica tiene excelente capacidad de absorción de energía y gran resistencia a la fatiga, debido a su estructura maclada. Así, la fase martensítica se usa como amortiguador de vibraciones y en instrumentos quirúrgicos flexibles para cirugía de corazón con tórax abierto. Al seleccionar esos materiales para aplicaciones específicas hay que tener presente cuáles son las temperaturas en que van a operar, en comparación con las temperaturas de su transformación. Las aleaciones más conocidas son las de NiTi, conocido coloquialmente como Nitinol.

No obstante, para muchas aplicaciones la transformación martensítica por efecto de la temperatura no es lo suficientemente rápida o un cambio en la temperatura / presión puede dar al traste con el fenómeno. Por ello, se están haciendo esfuerzos considerables para encontrar un sistema ferromagnético en el cual, el efecto pueda ser controlado por la aplicación de un campo magnético.

Existen numerosas aplicaciones, como aquellas que se sitúan en el interior del cuerpo humano, en las que un cambio indeseado (inevitable en el cuerpo) puede provocar un cambio indeseado de la estructura con perjudiciales consecuencias. Por ello, se buscan sistemas de aleaciones en las cuales la memoria de forma pueda ser controlada exclusivamente por un campo magnético externo.

Sobre este tipo de comportamiento versará el próximo artículo: Materiales con memoria de forma magnética

Manual del Titanio y sus Aleaciones

Sobre el titanio se habla mucho pero por desgracia es uno de los ampliamente difamados y mal conocidos. Así pues hoy trataremos de arrojar luz sobre este amigo de la aeronáutica y de las prótesis biomedicinales.

El Titanio “Puro”

La elevada reactividad del titanio dificulta la obtención del metal puro por lo que en aplicaciones comerciales se trabaja con titanio denominado comercialmente puro, con diferentes niveles de impurezas en su composición. De este modo, el titanio comercialmente puro contiene entre 98.635 y 99.5% en peso de titanio.

En la siguiente tabla se definen los diversos grados de titanio comercialmente puro en función del contenido de elementos intersticiales, los cuales influyen sobre la resistencia mecánica y la tenacidad del metal. Es destacable que el aumento del contenido en hierro empeora la resistencia del metal a la corrosión.

 
TABLA 1: Grados de Ti comercialmente puro. Valores medios de productos forjados y recocidos.

Aleaciones de Titanio.

El titanio sin alear tiene una estructura hexagonal compacta (fase α), que a los 885 ºC cambia a una estructura cúbica (fase β) centrada en el cuerpo, que se mantiene hasta la temperatura de fusión.

Efectos de los elementos de aleación:

El principal efecto de los elementos de aleación en las aleaciones de titanio, es la modificación de la temperatura de transformación. De esta manera, los elementos de aleación se clasifican en:

α –estabilizadores, que elevan la temperatura de transformación, y

β –estabiliz adores que hacen que descienda.

A continuación se muestra una tabla resumen de algunos de los elementos de aleación del titanio en porcentaje y el efecto que provocan en el metal.

TABLA 2: Estabilizadores en las aleaciones de titanio.

– α –estabilizadores:

Son los elementos de aleación que elevan la temperatu ra de transformación de fases. El aluminio es el principal α –estabilizador. El aluminio tiene una gran solubilidad en el titanio y provoca el aumento de la resistencia de la fase α. El resultado de esto es un ligero aumento de la resistencia a temperatura ambiente, pero que se mantiene a temperatura elevada.

Estas aleaciones no son endurecibles mediante tratamientos térmicos y son utilizadas normalmente en estado de recocido, con el fin de eliminar las tensiones residuales originadas por su uso. De este modo, la principal variable de estas aleaciones es el tamaño de grano.

Entre las propiedades más destacables de las aleaciones α se debe señalar una resistencia a tracción a temperatura ambiente entre 540 y 930 MPa, una resistencia mecánica aceptable a altas temperaturas, buen comportamiento frente a fluencia, buena estabilidad térmica hasta temperaturas de alrededor los 550 ºC y una facilidad para la soldadura satisfactorias.

Otros elementos α –estabilizadores son el oxígeno, el estaño, el galio ó el germanio. El nitrógeno o el carbono son también α -estabilizadores pero no suelen ser añadidos intencionadamente.

– β –estabilizadores:

El manganeso, cromo, hierro, molibdeno o niobio hacen que descienda la temperatura de transformación de α a β, y dependiendo de la cantidad añadida pueden ocasionar la retención de algo de fase β a temperatura ambiente.

Las propiedades óptimas de las aleaciones β no se consiguen cuando su estructura esta formada por  fase β exclusivamente, sino que éstas se alcanzan al realizar un tratamiento de envejecimiento que provoca la precipitación de finas partículas de α dentro de los granos β.

También se caracterizan por una elevada ductilidad en el trabajo en frío, lo que las hace susceptibles de ser conformadas en frío en estado de recocido. Además se pueden tratar termicamente tras el conformado para elevar su resitencia.

Otros elementos como el circonio no tienen ningún efecto en la temperatura de transformación pero tienen otros efectos en el metal. El circonio incrementa la resistencia a temperaturas bajas y moderadas. Su uso en proporciones del 5 o 6 % pueden reducir la ductilidad y la resistencia a fluencia.

Las fases comentadas anteriormente además proporcionan una forma conveniente para la clasificación de los productos. De esta forma, basándonos en la presencia de estas fases, hablamos de las aleaciones de titanio como aleaciones α , β , ó α + β .

Se muestra a continuación un resumen de las propiedades de las aleaciones dependiendo del tipo de éstas:

TABLA 3: Diagrama cualitativo de las aleaciones de titanio en función de sus estabilizadores.

Normativa de clasificación de las aleaciones de titanio.

Una vez conocidas los principales aleantes (estabilizadores), pasamos a describir cómo organizan las diferentes normativas a estas aleaciones.

Norma UNE 38-700-81: Titanio y aleaciones de titanio para forja.

Esta norma tiene por objeto establecer los criterios generales que afectan al titanio y sus aleaciones para forja, así como las formas que se ocupan de los mismos. De acuerdo con la norma más general UNE 38-001, dichas aleaciones constituyen la Serie L-7XXX, que se clasifica en grupos atendiendo al tipo de estructura de las aleaciones. De esta forma se tienen 5 grupos:

TABLA 4: Principales grupos de aleaciones de titanio en la norma UNE.

La designación de las aleaciones consideradas dentro de cada grupo son las siguientes, acompañadas por el número de norma UNE específica correspondiente a cada una. Tanto la designación numérica como la simbólica deber ser complementada añadiéndole la norma que define la aleación correspondiente.

TABLA 5: Desglose de las aleaciones de titanio en la norma UNE.

Norma ASTM

Dentro de la normativ a ASTM hay dos normas que recogen lo referente al titanio y sus aleaciones. Dichas normas son la: B 381-05 y la B 367-05.

– B 381-05. Standard specification for Titanium and Titanium Alloy Forgings. (Titanio y aleaciones de Titanio para forja)

Esta norma recoge las especificaciones para los siguientes grados de titanio y aleaciones parar forja:

TABLA 6: Grados en que se dividen las aleaciones de titanio para forja en la norma ASTM.

– B 367-05. Standard specification for Titanium and Titanium Alloy Casting. (Titanio y aleaciones de Titanio para colada)

Esta norma incluye la información correspondiente al titanio y sus aleaciones para colada, diseñadas para aplicaciones industriales, designadas según los siguientes grados:

TABLA 7: Grados en que se dividen las aleaciones de titanio para colada en la norma ASTM.

Así, con este pequeño resumen, esperamos haber despejado algunas dudas básicas sobre aleaciones de titanio y su normativa de clasificación y registro.

Gracias al profesor, Ingeniero Francisco Arango, por sembrar la semilla de los materiales altamente necesarios pero que se piensan en sus limitaciones en la utilización. 

Sustituto del hueso: El carburo de silicio biomórfico como biomaterial

Participantes y lectores de este bloq... 

en clase desarrollada con el profesor Ing. Francisco Arango, aprendimos que los materiales no solo sirven para funciones estructurales, sino que su aplicación se extiende a todos los campos de la vida. 

a continuación un documento que nos habla sobre los biomateriales y como estos colaboran ampliamente en el mundo de la medicina. 

en esta ocasión hablaremos sobre el silicio bioformico  

1. Introducción sobre los biomateriales

Fines estéticos y necesidades terapéuticas han impulsado el desarrollo de materiales sintéticos, y naturales tratados, susceptibles de reemplazar, o incluso aumentar, la función de tejidos y órganos humanos.

En razón de la aplicación que vayan a tener, los materiales para fabricar cada pieza pueden ser elegidos por su resistencia y propiedades mecánicas, por su biocompatibilidad o por sus propiedades de reabsorción orgánica. Podemos encontrar cerámicas bioinertes (ZrO2, Al2O3), cerámicas bioactivas y biodegradables (hidroxiapatita, fosfato tricálcico) y polímeros (UHMWPE, silicona, látex, polisulfona). No obstante, en sustituciones óseas, las estrellas hasta día de hoy han sido los materiales metálicos. Los biomateriales metálicos pueden suportar mucha carga y realizar grandes esfuerzos mecánicas o complicados movimientos, a veces incluso varios movimientos combinados.

Sin embargo, el uso de metales en contacto con tejidos corporales siempre conlleva el peligro de la corrosión y, con ello, en muchas ocasiones, el rechazo clínico. Para solventar este problema, se tiende hoy a modificar el material metálico de suerte que haya en su superficie, la región de contacto con el medio biológico, algún tipo de recubrimiento biocompatible y protector, bioinerte o bioactivo.

Alguno de los materiales metálicos más usados hasta la fecha como biomaterial son:

Acero AISI 316 L: buena resistencia a la corrosión, maleabilidad, módulo elástico, límite de tracción.
Aleación de cobalto F75 (Co-28Cr-6Mo): resistencia a la corrosión mediante formación de capa pasivada.

Aleación de titanio Ti-6Al-4V: resistencia a la corrosión muy superior a las dos anteriores mediante la formación de rutilo.

En especial, las aleaciones de titanio son las que más se han desarrollado para su uso como biomaterial: se ha creado el titanio poroso y se han empezado a utilizar aleaciones exentas de vanadio para una mayor biocompatibilidad.

Paradójicamente, la buena resistencia y rigidez de los metales son las causantes de que su uso se esté empezando a cuestionar debido al efecto conocido como “apantallamiento del esfuerzo”: debido a que el metal tiene un módulo de elasticidad considerablemente más alto que el hueso (ver tabla), el implante de metal soporta una parte desproporcionada de la carga, en otras palabras, el implante metálico protegerá al hueso para que no esté sometido a la carga que tendrá que soportar en condiciones normales. Aunque desde un punto de vista de la ingeniería esto parece deseable y lógico, desde el punto de vista biológico es indeseable. El material óseo responde a la tensión remodelándose (reconstruyéndose) según el nivel de esfuerzo aplicado. Debido al apantallamiento de esfuerzos, el hueso se remodela a un nivel de carga más bajo y su calidad se deteriora.

En la práctica esto se traduce en la necesidad de reemplazar el implante en un plazo de 10-15 años debido a que el metal, literalmente, se descuelga con el tiempo.

2. El hueso

El hueso es un material estructural que se encuentra en muchos organismos y constituye otro ejemplo de un material compuesto natural complejo, formado por una mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos.

La macroestructura del hueso del hueso afecta de manera vital a las propiedades mecánicas del mismo. La estructura de todos los huesos a nivel macroscópico se puede dividir en dos tipos distintivos de tejidos óseos: 1) cortical o compacto y 2) reticulado o trabecular (ver figura 1).

Los huesos corticales y reticulados tienen propiedades mecánicas totalmente diferentes. El hueso cortical tiene mayor densidad y es más fuerte y rígido que el hueso reticular, sin embargo, también es más frágil. Cede y se fractura cuando el esfuerzo supera el 2%. En cambio, el hueso reticulado (trabecular) es menos denso y puede soportar un nivel de esfuerzo sostenido de 50% antes de fracturarse y, en virtud de su estructura porosa, absorbe grandes cantidades de energía antes de fracturarse.

A todo ello hay que añadir que el hueso presenta un fuerte comportamiento anisotrópico.
En general, se puede decir que ciertos huesos son más resistentes y rígidos en la dirección en que soportan comúnmente carga durante las actividades normales diarias.

Es muy importante señalar que los huesos suelen ser mucho más resistentes a la compresión que a la tensión; por ejemplo, el hueso cortical tiene una resistencia a la tensión de 130 MPa y una resistencia a la compresión de 190 MPa.

La nueva generación de materiales para implantes médicos deben mimetizar las inteligentes estructuras jerárquicas presentadas por la naturaleza y optimizadas tras millones de años de evolución.

                                                                 Figura 1: Hueso trabecular y cortical humano

3. Cerámicas Biomórficas

3.1 La madera

En primer lugar hay que encontrar una estructura a la que mimetizar que presenten buenas propiedades de resistencia, rigidez, ligereza y fiabilidad.
La madrea es un material compuesto que presenta se presenta en forma natural y consiste principalmente en un complejo arreglo de células de celulosa reforzadas con una sustancia polimérica llamada lignina y otros compuestos orgánicos.

Se cumple que la resistencia a la compresión de la madera en la dirección paralela al grano es considerablemente más alta que la de la madera perpendicular al grano, por un factor de 10 aproximadamente. La causa de esta diferencia es que la resistencia de la madera en dirección longitudinal se debe en primer término a los enlaces covalentes fuertes de las microfibrillas de celulosa cuya orientación principal es longitudinal. La resistencia de la madera en dirección perpendicular al grano es mucho más baja porque depende de la resistencia de los puentes de hidrógeno más débiles que unen lateralmente a las moléculas de celulosa.

Todas estas propiedades, unidas a su abundancia en la naturaleza, bajo coste, variedad, versatilidad y fácil mecanizado hacen de la madera el material ideal a mimetizar como implante.

4. Carburo de silicio biomórfico a partir de la madera.

El carburo de silicio biomórfico se fabrica mediante pirolisis e infiltración de silicio fundido en preformas de madera. El resultado final es SiC con la misma microestructura que la madera precursora. Como hemos visto, la madera es un material compuesto que presenta una morfología porosa anisotrópica con una excelente elasticidad, resistencia y tolerancia al daño; algunas de estas propiedades se trasladarán y amplificarán al pasar a la cerámica que se elabora a partir de la misma.

Los diversos métodos de fabricación tradicionales del SiC han sido el sinterizado en caliente sin presión, el sinterizado en caliente con presión, la deposición química en fase vapor y el compactado por reacción.
Frente a estos, el proceso de fabricación mediante infiltración de silicio en madera, presenta potencialmente las siguientes ventajas:
• Bajo coste de fabricación, ya que las temperaturas de procesado son inferiores y

no es necesario partir de polvo de SiC de alta pureza.

• No es necesario el uso de aditivos
• Aumento significativo en las velocidades de síntesis al usar una estructura conporosidad abierta
• Gran diversidad de microestructuras y propiedades en función de la maderaprecursora.
• Obtención de forma natural de una estructura similar a la de los materiales defibra continua, en contraposición a otros procesados mucho más costosos
• Posibilidad de fabricar piezas con formas complejas, ya que sólo requerirá elmodelado de la madera carbonizada
• Alta resistencia y tenacidad introducida por la estructura fibrosa de la madera.El proceso de fabricación de las cerámicas biomórficas (ver figura 2) involucra diversos pasos:
  1. 1)  Secado de la madera a 60oC durante 24 horas
  2. 2)  Pirolización en ausencia de oxígeno a temperaturas próximas a 1000oC
  3. 3)  La preforma de carbón así obtenida es infiltrada con silicio fundido en vacío auna temperatura de 1550oC en vacío durante 30 minutos
  
  Figura 2: proceso completo de preparación del carburo de silicio biomórfico y sus correspondientes micrografías.
  Se han utilizado como precursores maderas de distinta especie y distinta densidad. No obstante, la elección de la madera como precursor para implantes médicos fue la madera sapelli (ver figura 3). Este tipo de madera presenta porosidad abierta (en torno al 11%) y porosidad cerrada de un 55% en volumen. Su densidad es de 0.61 g·cm-3. Los poros forman canales cilíndricos de unos 100 μm de diámetro. Dichos poros constituyen el gran entramado de vasos comunicantes de los que consta el árbol.

En general, la topología vegetal se mantiene a lo largo del proceso para obtener el carburo de silicio biomórfico final.

     Figura 3: micrografía axial y transversal de la madera Sapelly.

El siguiente paso es un mecanizado de la preforma de carbono. Éste puede hacerse por un simple cortado o desbastado. El proceso de infiltración no cambia significativamente el tamaño y forma de las piezas (por debajo de un 0.1%), así que este paso nos dará un producto con una forma muy próxima a la final requerida.

La infiltración de Si líquido se hace en vacío. La temperatura necesaria debe estar por encima del punto de fusión del Si (1410oC). Cuanto mayor sea la temperatura, más se reducirá la viscosidad del Si fundido, aumentado la tasa de infiltración.

La subsiguiente formación de SiC es espontánea y exotérmica. El calor generado durante la reacción aumenta la cantidad de Si líquido y favorece la solubilización de C. los grupos de Si-C se disuelven en el silicio fundido y precipitan como carburo de silicio cerca de las paredes de carbón cuando la solución se sobresatura. Todo ello se ve apoyado por la morfología facetada de los granos de SiC (ver figura 4).

Figura 4: (a) imagen SEM de la microestructura del SiC. (b) micrografía TEM de un grano de carburo de silicio donde el análisis por difracción de electrones muestra una estructura β-FCC (se incluye el diagrama de difracción en la esquina superior derecha. (C) micrografía TEM de una región de nanogranos de SiC. El diagrama de difracción de electrones se muestra en la parte superior derecha.

En un proceso posterior, el exceso de Si puede eliminarse de la superficie de la cerámica sometiéndola a un proceso de alta temperatura sobre un tejido de fibra de carbono que se empapa del exceso de Si.

Figura 5. (a) micrografía óptica del precursor vegetal Sapelly. (b) micrografía SEM obtenida después de la pirólisis. (c) SiC producido después de la infiltración (el contraste blanco corresponde al Si y el gris al SiC). (d) SiC biomórfico después de la retirado de Si sobrante.

La resistencia a la compresión a temperatura ambiente en la dirección longitudinal de la muestra de SiC obtenida a partir de Sapelly tiene un valor entre 160 hasta 210 MPa. Mientras que en la dirección radial los valores fluctúan entre 430 y 120 MPa. Esto depende de la cantidad de Si que haya sido eliminado de la superficie, que puede ser controlado mediante deposición química o térmica. Estos resultados comparados con los de los huesos del cuerpo humano arrojan unas conclusiones satisfactorias: La resistencia a la compresión de un hueso cortical humano es de 193 MPa en la dirección longitudinal y 133 MPa en la dirección radial. Los valores absolutos de resistencia están en el mismo rango que los valores más vamos del bioSiC, siendo su densidad muy similar (la densidad del hueso cortical está entre 1.6 y 2.0 g·cm- 3). No sólo eso, sino que con comparación con el titanio, los resultados también son favorables: los implantes de titanio tiene una resistencia a la tracción entre 280-345 MPa. Los implantes de mayor calidad como las aleaciones de titanio alfa-beta Ti-6Al- 4V fluctúan entre 830-924 MPa.

La resistencia a la flexión a la temperatura ambiente del bioSiC varía entre 430 y 150 MPa. Por otra parte, el módulo elástico está comprendido entre 25 y 230 GPa dependiendo de la cantidad de Si eliminado, así que esta propiedad puede ser modelada hasta un valor próximo al del hueso humano (15 GPa).
La tenacidad a la fractura alcanza valores entre 2 y 3 MPa·m1/2. Las propiedades mecánicas indican que las cerámicas de bioSiC son materiales adecuados como dispositivos médicos en términos de requerimientos estructurales ya que presentan mejores valores de resistencias que le hueso cortical común y una tenacidad razonable. Además, teniendo en cuenta los requerimientos biomecánicos (densidad, módulo elástico, deformación en la fractura, porosidad, etc.) de un tipo particular de hueso que deba ser reparado en el cuerpo, el SiC biomórfico puede ser adaptado mediante una apropiada selección del precursor vegetal.

5. Biocompatibilidad

Tan importante como las propiedades mecánicas, es la respuesta que tiene el organismo frente al material del que está compuesto el implante. Existen 2 tipo de pruebas de biocompatibilidad fundamentales: pruebas in vitro (ensayos llevados a cabo en probetas) y pruebas in vivo (en organismos vivos).

Las pruebas in vitro se han demostrado determinando la respuesta biológica de las células osteoblásticas tipo MG-63. El bioSiC no afecto significativamente la actividad celular en ninguna de las concentraciones a las que se tomaron en contraste con una aleación de uso típico en implantes como es la Ti6Al4V. Los resultados sugieren que el bioSiC está libre de sustancias dañinas o que tiene, al menos, una cantidad insuficiente para producir daños considerables en cultivos in vitro.

La capacidad del bioSiC de mantener la unión celular y promover el crecimiento se ha evaluado mediante la implantación de células humanas del tipo MG-63 osteoblásticas en el material. La figura 6 muestra micrografía SEM de las piezas de bioSiC cargadas de células a diferentes tiempos. Tres horas después, células redondeadas responsables de la división celular pueden verse unidas a la superficie de la cerámica bioSiC. Se observa como las células empezaron a colonizar la superficie interior de los poros existentes. La interacción célula a célula y la unión en forma de filópodos se puede observar a grandes aumentos. Después de 6 horas, las células se han extendido y desplazado a una configuración plana y morfología normal. Las células vecinas mantienen el contacto físico con una y otra a través de las extensiones del citoplasma.

Después de 24 horas, la superficie de bioSiC has sido casi completamente cubierta por las células MG-63. Los poros comienzan a llenarse por las células, y no hay evidencia de grandes deterioros o respuestas citotóxicas. El bioSiC promueve la unión de las células, la formación celular monocapa, y la completa colonización de su superficie.

Figura 6: Muestra de biocompatibilidad in vitro, las células osteoblásticas MG-63 creciendo en el bioSiC obtenido a partir de Sapelli.

Pruebas in vivo
Para comprobar el potencial del bioSiC como material biocompatible, se hicieron experiencias in vivo de implantación en conejos. El crecimiento interno del hueso en el bioSiC fue evaluado y comparado con piezas de titano implantadas como control. Después de 12 semanas de implantación, una exanimación histológica (figura 7) de los especímenes mostró formación de nuevo hueso alrededor del implante y dentro del SiC, sin la aparición de tejido fibroso en la frontera hueso-implante y sin ninguna reacción inflamatoria importante. No hubo diferencias significativas en la densidad del hueso formado alrededor del SiC y el control de Ti. Análisis adicionales con SEM han demostrado la presencia de hueso trabecular en los poros centrales de la cerámica, que alcanzan un promedio de 700 micras dentro del implante.

Figura 7: biocompatibilidad in vivo. Sección histológica de un implante recuperado a las 12 semanas. En la periferia del implante se puede observar (I), el nuevo hueso formado está en contacto directo con el bioSiC (flechas) y la continuidad con el tejido trabecular huésped. (B) nuevo hueso creciendo dentro del SiC. No se encontró inflamación de tejidos alrededor del implante.

Como es tendencia habitual en los últimos tiempos, la mejora de las propiedades de los materiales se está llevando a cabo mediante tratamiento que sólo afectan a su superficie. Es por ello que las propiedades de biocompatibilidad del BioSic no iban a ser menos. En la actualidad, se recubre en carburo de silicio con un “vidrio bioactivo” : una suerte de recubrimiento depositado mediante técnica de ablación láser. Dicho recubrimiento está formado principalmente por Si, Na, Mg, O, Ca, K. Estos elementos con los componentes principales del hueso y del plasma sanguíneo.

Con ello se busca mejorar aún más la fijación y oseointegración. La unión interficial previene el movimiento relativo entre el implante y el tejido del huésped, mimetizando el tipo de interficie que se forman naturalmente cuando los tejidos se auto- reparan (ver figura 8).

Figura 8: Comparación de las estructuras del hueso y del BioSiC poroso recubierto con vidrio bioactivo, observar el alto grado de mimetización conseguido.

La presencia de silicio en los implantes ha suscitado desde hace tiempo la controversia entre distintos estamentos médicos: se teme que el silicio presenten en algunos empastes dentales provoca silicosis (enfermedad pulmonar) a largo plazo. Es importante matizar que los biomateriales con alto contenido de silicio no presentan efectos fisiológicos adversos en el cuerpo. Recientes estudios de vidrios bioactivos implantados en huesos de ratones concluyen que el silicio residual se excreta a través de la orina y no existe acumulación en los órganos principales.

6. Perspectivas actuales

Hemos visto como las propiedades mecánicas del BioSiC, próximas a las del hueso lo hacen recomendable para su uso como sustituto del mismo. Este hecho, junto con su alta biocompatibilidad, facilidad de preparación y disponibilidad de materia prima, convierten al carburo de silicio en un firme candidato como sustituto de las aleaciones metálicas.

Figura 9: Comparación de las estructuras del hueso y del bioSiC poroso recubierto con vidrio bioactivo, observar el alto grado de mimetización conseguido.

Y hasta aquí el primer artículo sobre materiales biomiméticos, espero que haya sido de nuestro agrado. Quizá cualquier día, dentro de muchos años, agradeceremos que se haya profundizado en el estudio de este tipo de materiales.

Para saber más

[1] P. González et al. New biomorphic SiC ceramics coated with bioactive glass for biomedical applications. 2003

[2] F.M Varela Feria, A. R. de Arellano López, J. Martínez Fernández. Fabricación y propiedades del carburo de silicio biomórfico: maderas cerámicas

[3] M. Presas, J. LLorca, A. R. de Arellano López, J. Martínez Fernández, R. Sepúlveda. Microestructura y propiedades mecánicas del SiC biomórfico obtenido a partir de eucalipto.

[4] P González et al. A new generatioin of bio-derived ceramic materials for medical applications. 2007

[5] William F. Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales.