Desarrollo de titanio con porosidad gradiente radial y longitudinal para aplicaciones biomédicas

Abstract

La diferencia de rigidez entre el tejido óseo y los implantes de Titanio (Ti) implica un apantallamiento de tensiones que promueve la reabsorción ósea y un incremento de la probabilidad de fractura. Los objetivos principales de este trabajo son el diseño, la fabricación y la caracterización de sólidos cilíndricos de Ti comercialmente puro, Ti cp, con porosidad gradiente (longitudinal y radial); su propósito es “replicar” la estructura altamente jerarquizada del tejido óseo y mejorar la biofuncionalidad del futuro implante. Se implementan dos rutas de procesamiento: pulvimetalúrgia (PM) convencional y la técnica de espaciadores (cloruro de sodio, NaCl). Las muestras obtenidas con porosidad gradiente longitudinal son: i) 6 capas, 0-90 MPa, y ii) 30/40/50 %vol. de NaCl y 800 MPa. Las muestras obtenidas con porosidad gradiente radial (núcleo, centro y exterior) son: i) 500, 250 y 125 MPa, y (ii) 20/40/60 %vol. de NaCl y 800 MPa. Las temperaturas de sinterización fueron de 1100ºC (PM) y de 1250ºC (espaciadores), ambas durante 2 h y en alto vacío. La caracterización incluye: la densidad, el tamaño y distribución de la porosidad gradiente, el Módulo de Young (convencional y dinámico) y el límite de fluencia. Los diseños de porosidad gradiente evaluados permiten alcanzar un equilibrio biomecánico (resistencia y rigidez acorde a los requisitos de reemplazo del hueso cortical) y biofuncional (facilitar el crecimiento del tejido óseo hacia el interior del implante). A pesar que la técnica de espaciadores es más costosa, esta permite una mayor variación y control de la porosidad. El novedoso dispositivo de compactación secuencial diseñado, optimizado e implementado en esta tesis, resulta adecuado para fabricar cilindros con porosidad gradiente radial y una excelente integridad estructural en verde. El mismo permite controlar la porosidad radial, variando la presión de compactación y/o el contenido de espaciador, así como combinar polvos de familia de materiales distintos. El desarrollo tiene una aplicación potencial elevada, destacando los implantes óseos, las piezas auto lubricadas, los disipadores de calor de alta eficiencia y la simulación de combustibles nuclear gastado.