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FABRICACIÓN MEDIANTE FUSIÓN ZONAL CON LÁSER, CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL Y ESTUDIO DE LA BIOACTIVIDAD DE BIOCERÁMICAS BASADAS EN EL SISTEMA SILICATO DE CALCIO-FOSFATO TRICÁLCICO Alberto Olmo Gracia Área de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos Centro Politécnico Superior Universidad de Zaragoza Septiembre 2010 Director: José Ignacio Peña Torre Área de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica Universidad de Zaragoza Proyecto Fin de Carrera Centro Politécnico Superior Universidad de Zaragoza 1 FABRICACIÓN MEDIANTE FUSIÓN ZONAL CON LÁSER, CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL Y ESTUDIO DE LA BIOACTIVIDAD DE BIOCERÁMICAS BASADAS EN EL SISTEMA SILICATO DE CALCIO-FOSFATO TRICÁLCICO RESUMEN El proyecto “Fabricación mediante fusión zonal con láser, caracterización microestructural y estudio de la bioactividad de biocerámicas basadas en el sistema Silicato de Calcio – Fosfato tricálcico”, se ha realizado en el área de “Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica” del Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza y ha sido dirigido por el profesor José Ignacio Peña Torre. El objetivo del trabajo ha sido la fabricación de probetas de un material biocerámico compuesto de wollastonita (CaSiO3) y fosfato tricálcico (Ca3(PO4)2) en composiciones alejadas del eutéctico. De esta forma se pretende determinar, tras la realización de ensayos in vitro, la reactividad de las muestras y analizar las diferencias con las de composición eutéctica reportadas en la bibliografía. Se han fabricado muestras con dos composiciones diferentes y, de cada una, se han obtenido dos probetas que han sido realizadas con distintas condiciones de fabricación en una cámara de crecimiento que incorpora un láser de CO2 para realizar la técnica de fusión zonal. Los materiales obtenidos han sido caracterizados mecánicamente mediante ensayos de microdureza Vickers y la estimación de la tenacidad a la fractura mediante el método de las indentaciones. Para estudiar la reactividad se sometió a las probetas a un ensayo in vitro estático, preparando el suero fisiológico artificial conforme a los protocolos existentes. Los cambios producidos y el estudio de la microestructura han sido observados mediante Microscopía Electrónica de Barrido además de realizar análisis EDX para determinar las fases presentes antes y después del ensayo. 2 3 TABLA DE CONTENIDOS RESUMEN ............................................................................................................................. 1 TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................... 3 MEMORIA ............................................................................................................................. 7 1.- INTRODUCCIÓN: ............................................................................................................ 8 1.1.- Definición y alcance del proyecto ................................................................................ 8 1.2.- Biomateriales .............................................................................................................. 9 1.3.- Antecedentes inmediatos del proyecto ....................................................................... 10 1.4.- Descripción de las secciones de la memoria y anexos ................................................ 10 2.- PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS .......................................................................... 12 2.1.- Etapas de la preparación ............................................................................................ 12 2.2.- Materiales de partida y composiciones estudiadas ...................................................... 12 2.3.- Molienda ................................................................................................................... 13 2.4.- Obtención de los precursores: Compactación y extrusión ........................................... 14 2.4.1.- Compactación ..................................................................................................... 14 2.4.2.- Extrusión ............................................................................................................ 14 2.5.- Sinterización ............................................................................................................. 14 2.6.- Crecimiento cristalino por fusión zonal con láser ....................................................... 15 3.- TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN .......................................................................... 16 3.1.- Microscopía electrónica de barrido (M.E.B.) ............................................................. 16 3.2.- Ensayos de dureza Vickers. Determinación de la tenacidad a fractura KIC.................. 16 4.- ESTUDIO DE LA REACTIVIDAD DE LAS MUESTRAS............................................. 17 4.1.- Ensayos de bioactividad ............................................................................................ 17 4.1.1.- Ensayos in vitro ................................................................................................. 17 4.2.- Preparación del SBF .................................................................................................. 17 4.3.- Realización del ensayo .............................................................................................. 18 5.- RESULTADOS ............................................................................................................... 21 5.1.- Estudio de la composición ......................................................................................... 21 4 5.2.- Caracterización microestructural ............................................................................... 21 5.2.1.- W-TCP de composición eutéctica........................................................................ 22 5.2.2.- W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 20 mm/h. ....................................... 22 5.2.3.- W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ..................................... 23 5.2.4.- W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 20 mm/h. ....................................... 24 5.2.5.- W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ..................................... 25 5.3.- Caracterización mecánica .......................................................................................... 27 5.4.- Estudio de la reactividad ............................................................................................ 28 5.4.1.- Alúmina .............................................................................................................. 28 5.4.2.- W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 20 mm/h. ....................................... 28 5.4.3.- W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ..................................... 30 5.4.4.- W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 20 mm/h. ....................................... 31 5.4.5.- W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ..................................... 32 6.-CONCLUSIONES ............................................................................................................ 34 6.1.- Revisión .................................................................................................................... 34 6.2.- Lecciones aprendidas................................................................................................. 35 REFERENCIAS ................................................................................................................... 37 ANEXOS .............................................................................................................................. 41 ANEXO 1.- BIOCERÁMICAS ............................................................................................. 42 ANEXO 2.- CÁLCULOS PARA LA OBTENCIÓN DE LA CANTIDAD INICIAL DE CADA PRODUCTO ............................................................................................................. 44 ANEXO 3.- PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS ......................................................... 466 Molienda ........................................................................................................................... 46 Geometría de las muestras ................................................................................................. 46 Compactación isostática en frío ......................................................................................... 47 Extrusión ........................................................................................................................... 48 Sinterizado ........................................................................................................................ 50 Fusión zonal ...................................................................................................................... 52 5 ANEXO 4.-ENSAYOS DE BIOACTIVIDAD ...................................................................... 57 Descripción ....................................................................................................................... 57 Cálculos ............................................................................................................................ 58 Modo de preparación ......................................................................................................... 62 ANEXO 5.- TÉCNICAS DE CARATERIZACIÓN .............................................................. 64 Microscopía electrónica de barrido .................................................................................... 64 Técnicas de preparación de las muestras para la observación microscópica ........................ 64 Microdureza Vickers y tenacidad a la fractura ................................................................... 66 ANEXO 6.- CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL ............................................ 68 Análisis de las estructuras. Cálculos .................................................................................. 68 Análisis microestructural ................................................................................................... 71 W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 20 mm/h................................................... 71 W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ................................................ 73 W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 20 mm/h................................................... 75 W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ................................................ 78 ANEXO 7.- ESTUDIO DE LA REACTIVIDAD .................................................................. 80 Cambios químicos producidos ........................................................................................... 80 W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 20 mm/h................................................... 81 W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ................................................ 86 W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 20 mm/h................................................... 90 W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 150 mm/h. ................................................ 94 ANEXO 8.- CARACTERIZACIÓN MECÁNICA ................................................................ 98 AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... 105 6 7 Primera parte: MEMORIA 1.-Introducción 8 1.- INTRODUCCIÓN: 1.1.- Definición y alcance del proyecto El presente proyecto, “Fabricación mediante fusión zonal con láser, caracterización microestructural y estudio de la bioactividad de biocerámicas basadas en el sistema Silicato de Calcio – Fosfato tricálcico”, se ha realizado en el área de “Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica”, que pertenece al departamento de “Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos” del Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza. En el proyecto se estudian los biomateriales cerámicos basados en el sistema Silicato de Calcio (CaSiO3), también conocido como Wollastonita (o W), y el Fosfato Tricálcico (o TCP, Ca3(PO4)2). Hasta la fecha dichos materiales han sido estudiados únicamente en su composición eutéctica mediante su análisis estructural y se ha comprobado su bioactividad mediante ensayos in vitro y recientes ensayos in vivo. En ellos se ha comprobado lo adecuado del material para ser utilizado como sustituto óseo, dada su buena biocompatibilidad y osteoinductividad. Sin embargo, dado lo fina que es la estructura eutéctica, con láminas alternadas de W y TCP de un tamaño de 1.5 micras, los poros resultantes tras la disolución de la wollastonita son demasiado pequeños para permitir la vascularización y crecimiento del hueso en la parte interior del implante, pues el tamaño de los osteoblastos es superior a 50 micras. Por lo tanto, dentro del alcance del proyecto se encuentra la fabricación de probetas de este material con dos composiciones distintas, alejadas del punto eutéctico para aumentar la cantidad de wollastonita y favorecer la formación de fase primaria de la misma, pues es el componente que se disuelve y así permitir la aparición de poros de mayor tamaño. Los precursores necesarios para la fusión en el láser se han realizado mediante las técnicas de presión isostática en frío (CIP) y extrusión. El uso de la técnica de fusión zonal con láser permite controlar la microestructura del material, por lo que las muestras de cada composición se han formado a dos velocidades distintas para observar los cambios estructurales, pues es sabido que éstos (y no sólo la composición química) afectan a las propiedades del material [1]. Se efectuaron medidas de dureza Vickers según la norma ASTM C1327-99 y se estimó la tenacidad a fractura de los materiales para analizar cómo la microestructura se relaciona con estas propiedades. 2.-Preparación de las muestras 15 2.6.- Crecimiento cristalino por fusión zonal con láser Tras la obtención de las barras sinterizadas, la siguiente etapa es la solidificación direccional por láser. A partir de la focalización de un haz láser sobre un precursor se establece una pequeña zona fundida que se hace desplazar a lo largo de la muestra dando lugar a un cilindro solidificado direccionalmente. La fusión de las barras sinterizadas se realiza en un sistema de crecimiento equipado con un láser de CO2 ubicado en el área de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Mediante esta técnica se pueden alcanzar temperaturas superiores a 2700ºC [7], suficiente para producir la fusión de los materiales cerámicos que se estudian. La potencia con la que se trabajó para la fusión del material fue de alrededor de 40 W (el equipo es capaz de suministrar 600 W). La ventaja de esta técnica es la posibilidad de controlar el diámetro de las muestras y su microestructura. Para ello se puede actuar sobre la velocidad de desplazamiento de la zona fundida, la velocidad de rotación de las mordazas de las muestras y la potencia del láser. En el presente proyecto, los materiales se obtuvieron, para ambas composiciones, a 20mm/h y a 150 mm/h, con una contrarrotación del cristal y el precursor de ± 50 rpm. La velocidad de 20 mm/h se ha elegido para tener las mismas condiciones de crecimiento que las muestras empleadas en el ensayo in vivo, mientras que la de 150 mm/h se ha elegido teniendo en cuenta que a velocidades de crecimiento elevadas el tamaño de las fases tiende a disminuir, incluso llegándose a formar vitrocerámicas y vidrios [8], por lo que se quería observar cómo este punto afectaba a muestras con gran cantidad de fase primaria. 3.-Técnicas de caracterización 16 3.- TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN 3.1.- Microscopía electrónica de barrido (M.E.B.) Para poder observar y estudiar la microestructura de las muestras así como la reacción que han sufrido tras ser sometidas a los ensayos de bioactividad se recurrió al servicio de microscopía electrónica de los Servicios de Apoyo a la Investigación de la Universidad de Zaragoza. En concreto se utilizó un microscopio electrónico de barrido JEOL JSM 6400. Mediante esta técnica [9] es posible obtener las imágenes (en escala de grises) de la microestructura de las muestras (tipo de fases, morfología y tamaño), además de su composición química mediante el sistema EDX. Otra posibilidad del software de control del microscopio es la posibilidad de realizar mapas de rayos X en los que se ve la distribución de elementos en las distintas zonas de la muestra. Esta utilidad se aprovechó para ver los cambios en la composición de las muestras tras el ensayo in vitro. En las sesiones de microscopía se trabajó a 15 KV Y A 8 mm de la muestra, pues eran los ajustes que proporcionaban un mayor contraste. Para poder realizar la observación fue necesario realizar la preparación metalográfica de las muestras y un posterior recubrimiento con carbono para hacerlas conductoras. Las técnicas de preparación se amplían en el Anexo 5. 3.2.- Ensayos de dureza Vickers. Determinación de la tenacidad a fractura KIC. Sobre las muestras de cada composición y velocidad de crecimiento se realizaron ensayos de dureza Vickers, para lo cual se empleó el microdurómetro Matsuzawa MX 70 disponible en los laboratorios del área. Se realizaron un mínimo de 10 indentaciones sobre cada muestra, pues es lo que indica la norma [10] para el caso de cerámicas multifase, no homogéneas o no completamente densas. Con los distintos valores de dureza obtenidos y mediante el uso de las fórmulas que aparecen en la bibliografía correspondientes al método de las indentaciones se pudo estimar la tenacidad a fractura, kIc, de las muestras. El método y las fórmulas necesarias se incluyen en el Anexo 5. Las tablas con los resultados finales aparecen en el punto 5.3 de la memoria, mientras que todos los datos y tablas restantes aparecen en el Anexo 8, junto con la documentación gráfica del método. 4.-Estudio de la reactividad de las muestras 17 4.- ESTUDIO DE LA REACTIVIDAD DE LAS MUESTRAS 4.1.- Ensayos de bioactividad Si un material quiere usarse en un implante es necesario que presente una alta biocompatibilidad. A pesar de que en España no hay una normativa que regule los ensayos para comprobar dicha biocompatibilidad, sí existe una serie de protocolos en los que se indican los tipos de ensayos que pueden realizarse para comprobarla. Pueden ser relativos a materiales y dispositivos, para un tipo determinado de material o a un método de ensayo. Dentro de este tipo de ensayos se encuentran los ensayos in vivo e in vitro. Estos últimos se comentan a continuación por haber sido realizados en el proyecto. 4.1.1.- Ensayos in vitro Cuando en un ser vivo se implanta un material bioactivo, éste interactúa con los tejidos y fluidos biológicos dando diferentes respuestas (degradación, formación de hueso…). Dada la dificultad de todo tipo que entraña la colocación de implantes en animales, previamente a esta etapa se estudian las propiedades de los materiales mediante técnicas in vitro (ensayos en laboratorio en medios fisiológicos y de cultivos celulares y/o de tejidos). En este PFC se ha procedido a realizar los ensayos in vitro mediante el estudio de la reactividad de los materiales en suero fisiológico artificial (SBF, del inglés, Simulated Body Fluid). Ésta técnica, además de ser la más documentada, es útil para predecir la bioactividad en ensayos in vivo no sólo cualitativamente sino también cuantitativamente, como se expone en [11]. Los ensayos in vitro pueden ser dinámicos (el SBF está en movimiento y es repuesto durante todo el ensayo para evitar la variación de su concentración) o estático (en el que la muestra permanece en SBF sin movimiento). En el proyecto se ha realizado el ensayo estático. Para conocer más acerca de la metodología de ambos tipos de ensayo, se remite al Anexo 4. 4.2.- Preparación del SBF Existen varios tipos de SBF en función de las distintas concentraciones de los iones presentes. Se muestran en la tabla 2 [11], donde las concentraciones iónicas que aparecen están en milimoles por litro. 4.-Estudio de la reactividad de las muestras 18 IONES Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- HPO42- SO42- Suero Humano (mM) 142 5 1.5 2.5 103 27 1 0.5 SBF original (mM) 142 5 1.5 2.5 148.8 4.2 1 0 c-SBF (mM) 142 5 1.5 2.5 147.8 4.2 1 0.5 r-SBF (mM) 142 5 1.5 2.5 103 27 1 0.5 n-SBF (mM) 142 5 1.5 2.5 103 4.2 1 0.5 Para los ensayos realizados en este proyecto se preparó el c-SBF, que fue propuesto en 2003 por el Comité Técnico ISO/TC150 de la Organización Internacional de Estandarización como medio para ensayos in vitro en la determinación de la bioactividad de los materiales sintéticos ensayados [12]. 4.3.- Realización del ensayo Tras preparar el suero a partir de los productos de partida (los cálculos y procedimiento se explican en el Anexo 4) y comprobar que no aparecían precipitados en la disolución (lo que habría invalidado el SBF) se llenaron 5 botes de polipropileno con 200 ml de SBF en cada uno, y además se introdujeron respectivamente las siguientes muestras (los porcentajes son en %mol): W (85%) – TCP (15%) solidificada a 20 mm/hora. W (85%) – TCP (15%) solidificada a 150 mm/hora. W (90%) – TCP (10%) solidificada a 20 mm/hora. W (90%) – TCP (10%) solidificada a 150 mm/hora. Una muestra de alúmina policristalina (Al2O3), cerámica inerte en el cuerpo. Previamente se limpiaron todas las muestras con acetona y se manipularon con guantes (para evitar impregnar grasa en las muestras, lo que podría alterar los resultados) y se pesaron para comprobar si, al cabo del tiempo de inmersión en SBF, había habido algún cambio en la masa, lo que permitiría detectar si se había producido algún tipo de reacción (disolución de la fase W o formación de la capa de HA) de forma cualitativa, pues de esta Tabla 2. Concentraciones del suero humano y distintos tipos de SBF 4.-Estudio de la reactividad de las muestras 19 forma no se puede determinar la cantidad disuelta o formada de los compuestos mencionados. Durante el ensayo el recipiente con el SBF y la muestra deben estar a 37ºC para simular las condiciones del cuerpo humano, por lo que deben mantenerse en una estufa. Las muestras se dejaron en reposo a 37ºC durante 20 días en las estufas ubicadas en los laboratorios del departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Facultad de Ciencias. El tiempo de ensayo estuvo condicionado por la fecha que disponible para la observación en el microscopio electrónico, pues tras la inmersión era necesaria la preparación metalográfica de las mismas. Sin embargo, este tiempo es suficiente para conseguir la formación de la capa de HA, pues se encuentra entre los tiempos de ensayo de otros estudios similares, que oscilan desde los 7 días [13] hasta las 4 semanas [1]. Tras finalizar el ensayo y realizar el secado de las muestras a temperatura ambiente, se procedió a una observación tanto visual, que reveló la presencia de alguna zona de aspecto más blanquinoso en la superficie, como mediante un microscopio óptico, que permitió detectar una alteración en la superficie de las muestras. Además se pesaron de nuevo para comprobar el cambio producido. Los valores obtenidos antes y después del ensayo se muestran en la tabla 3. Como se puede observar, la alúmina (muestra inerte) no ha reaccionado en el suero, ya que el peso es igual antes y después del ensayo. El resto de las muestras, sin embargo, han sufrido todas una disminución de masa. A priori este resultado es extraño, pues si se espera la formación de una capa de HA es de suponer que el peso de la muestra aumentará (como ha sucedido en experimentos similares). Sin embargo en experimentos anteriores se ha trabajado con la composición eutéctica W(80%) – TCP (20%) en mol, mientras que en este PFC se ha aumentado el porcentaje de wollastonita (componente bioactivo que se disuelve) por lo que el resultado parece indicar que se ha disuelto una cantidad de wollastonita que supera la hidroxiapatita formada. 4.-Estudio de la reactividad de las muestras 20 Muestra Peso Inicial (g) Peso final (g) Variación (%) W (85%) -TCP (15%). 20 mm/h 0.069 0.0656 4.93↓ W (85%) -TCP (10%). 150 mm/h 0.1218 0.1205 1.07 ↓ W (90%) -TCP (10%). 20 mm/h 0.139 0.1328 4.46 ↓ W (90%) -TCP (10%). 150 mm/h 0.1538 0.1509 1.89 ↓ Alúmina 0.2157 0.2157 0.00 = Cabe destacar también cómo las dos muestras crecidas lentamente tienen una variación de peso similar y cercana al 5%, mientras que las muestras crecidas más rápidamente, a pesar de haber sufrido una variación parecida entre ellas, ésta es mucho menor que en el caso anterior, con diferencias inferiores al 2%. Como se verá en el apartado 5 de la memoria estos resultados están influidos por la estructura del material. Tabla 3. Variación del peso de las muestras tras el ensayo in vitro 5.-Resultados 21 5.- RESULTADOS Los resultados obtenidos se dividirán en cuatro secciones: estudio de la composición, caracterización microestructural, estudio de la reactividad y caracterización mecánica. 5.1.- Estudio de la composición Para comprobar que las muestras obtenidas tienen la composición esperada se compararán las relaciones molares estequiométricas entre elementos de la composición teórica con los resultados obtenidos del servicio de microscopía (tabla 4). Los cálculos correspondientes se encuentran en el Anexo 6. Las diferencias presentes pueden deberse a pequeños errores en la medida o pérdida de material durante la preparación cerámica (molienda, preparación de la pasta…) si bien estas diferencias son poco significativas, ya que comprobando los cálculos del anexo 6, éstas relaciones llevan a porcentajes en peso prácticamente idénticos a los de las composiciones deseadas (errores inferiores al 2%). 5.2.- Caracterización microestructural Tras la fabricación y crecimiento de las muestras se realizó un estudio microestructural mediante el uso del microscopio electrónico de barrido (M.E.B.) JEOL JSM 6400 del Servicio de Microscopía Electrónica de la Universidad de Zaragoza. Ca / P Ca / Si Si / P Fracciones teóricas W (85%) -TCP (15%) 4.33 1.53 2.83 Fracciones experimentales W (85%) -TCP (15%) 4.82 1.69 2.85 Fracciones teóricas W (90%) -TCP (10%) 6 1.33 4.5 Fracciones experimentales W (90%) -TCP (10%) 6.87 1.46 4.69 Tabla 4. Relaciones teóricas y experimentales 5.-Resultados 22 Además del estudio microscópico se efectuó un análisis EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) para determinar las fases presentes y comprobar las proporciones de los elementos constituyentes. A continuación se muestran las imágenes más representativas de cada material y se describe la estructura resultante en cada caso. En primer lugar se añade una imagen de la estructura eutéctica del material para poder compararla con las obtenidas en este proyecto. 5.2.1.- W-TCP de composición eutéctica En la foto 1 [14] se observa la microestructura correspondiente a una probeta de la composición eutéctica (80%mol – 20%mol) de wollastonita y TCP, respectivamente. Se puede comprobar que toda la muestra tiene una composición eutéctica irregular, con láminas alternadas de wollastonita (color blanco) y TCP, agrupadas en colonias esféricas. En este caso la muestra ha sido atacada con ácido acético, que disuelve el TCP. La anchura de las láminas es de 1 μm. 5.2.2.- W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 20 mm/h. Esta es la muestra que fue fabricada en las mismas condiciones que las utilizadas en los ensayos in vivo, pero desplazada en composición hacia la wollastonita. Se muestran las imágenes correspondientes a los cortes longitudinales (foto 2) y transversales (foto 3) de la muestra, realizadas ambas a 500 aumentos. Se puede observar que la estructura es bastante parecida al caso eutéctico, salvo que las colonias de wollastonita (fase oscura) son más numerosas en este caso. En la foto 2 se advierte la presencia de fase primaria de wollastonita distribuida longitudinalmente en la muestra, y en la 3 se aprecia que esta fase no sólo está presente en la estructura eutéctica y el centro de las colonias (zonas circulares de la derecha de la imagen) sino que la fase de Foto 1. Estructura eutéctica 5.-Resultados 23 W comienza a aumentar de tamaño y a extenderse por la muestra (zona izquierda de la foto 3). Los análisis químicos determinan que la fase oscura es wollastonita y la clara el TCP. Los resultados de los análisis se presentan en el Anexo 6. 5.2.3.- W-TCP (85%mol – 15%mol). Crecimiento a 150 mm/h. La composición de esta probeta es la misma que la anterior, pero la solidificación en el láser se realizó a una velocidad muy superior (150 mm/h). La rotación de los ejes fue la misma, pues giraban a contrarrotación a ±50 rpm. Las siguientes imágenes (4 y 5) corresponden de nuevo a cortes longitudinales y transversales. Se realizaron a 2000 aumentos, pues a 500, como el caso anterior, era más difícil distinguir la microestructura, por ser ésta más fina. Foto 2. Corte longitudinal (x500) Foto 3. Corte transversal (x500) Foto 4. Corte longitudinal (x2000) Foto 5. Corte transversal (x2000) 5.-Resultados 24 Se puede apreciar la diferencia respecto al caso anterior. En esta muestra desaparecen las colonias eutécticas circulares (foto 5) y aparecen fases blancas sobre una matriz gris. El análisis químico (Anexo 6) reveló que esta fase blanca no corresponde ni a la W ni al TCP, concluyendo en que el crecimiento a alta velocidad no sigue el diagrama de fases y tiende a formarse un vidrio o vitrocerámico. En la bibliografía se han obtenido muestras vitrocerámicas a velocidades inferiores a 200 mm/h. En la foto 4 se aprecia también el cambio microestructural, estando en este caso formada por láminas muy finas y alternadas de dos fases distintas, orientadas en dirección al eje longitudinal de la probeta. Esta estructura se mantiene tanto en el centro como en los bordes del cilindro. Posiblemente se trate de un vidrio de fosfato de calcio en una matriz de wollastonita cristalina. Se comprueba también la presencia de una mayor cantidad de porosidad (zonas más oscuras de la imagen) a pesar de la sinterización. Esta es una de las muestras obtenidas por extrusión, por lo que debido a la falta de presión se consigue una densificación menor en el precursor, lo que puede dar lugar a la presencia de poros si la velocidad de solidificación es elevada ya que las burbujas quedan atrapadas en la intercara de solidificación. 5.2.4.- W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 20 mm/h. En las fotos 6 y 7 podemos observar dos imágenes del material. En esta muestra el contenido en wollastonita es muy elevado (77% en peso), por lo que, como se puede comprobar, la aparición de fase primaria es importante. Foto 6. Corte longitudinal (x500) Foto 7. Corte transversal (x500) 5.-Resultados 31 relación elevada entre el calcio y el fósforo. Por tanto, en estas condiciones no se producen los intercambios iónicos necesarios para la formación de la capa de HA ni la formación de una porosidad adecuada para un implante, por lo que una muestra de esta composición crecida a gran velocidad, con tendencia a vitrificar, no resultaría adecuada para los objetivos del presente proyecto. 5.4.4.- W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 20 mm/h. Este caso es similar a la probeta lenta de la composición 85-15. La estructura era parecida pero con mayor cantidad de wollastonita presente. Por tanto, dado que en esta muestra las fases corresponden a W y TCP, se ha producido la disolución de la W, la transformación del TCP a HA sobre una capa intermedia de sílice así como la deposición superficial de una capa de HA. Como se ve en las imágenes anteriores (fotos 19 y 20) la reacción ha dejado en algunas zonas grandes huecos en el material si bien debido a la gran cantidad de wollastonita distribuida no se pueden considerar como poros interconectados -que sería lo deseablesino como agujeros. En otras zonas, sin embargo, sí que se ha conseguido esto último, pero como en los ensayos anteriores, el tamaño de los huecos sería insuficiente para permitir el paso de los osteoblastos. En este caso la superficie reaccionada ha vuelto a ser importante, pues ha penetrado hasta 60-70 micras dentro del material. Foto 19. Superficie (x500) Foto 20. Porosidad formada (x5000) 5.-Resultados 32 5.4.5.- W-TCP (90%mol – 10%mol). Crecimiento a 150 mm/h. Los resultados de esta probeta han resultado interesantes debido a que éstos han sido diferentes en función de las estructuras y fases presentes en ella. Como se ha visto, ha Fotos 21, 22, 23. Zona laminar (x1000), base cilindro (x500) y colonias (2000) En las imágenes de la izquierda se presentan tres imágenes de la muestra. En la foto 21 la estructura laminar deja una superficie muy parecida a la vista en la foto 17, con poca acción del suero y sin formación de la capa de HA. Se puede ver cómo la fase gris (no wollastonita) se disuelve en algunas zonas, dejando restos de Silicio (gris oscuro). En la foto 22 se observa la zona de la base del cilindro, donde la disolución de la fase así como la penetración de la reacción es mayor, quedando zonas huecas con solo una fase, de forma parecida a la foto 18. En este caso la zona hueca interior está rellena de sílice, mientras que la exterior no corresponde ni a la HA ni al TCP. Sin embargo en otras zonas (Anexo 7) sí ocurre así. En la imagen 23 se observa lo que pretende el proyecto, con los centros de las colonias siendo vaciados por el suero y conectando estos huecos con los de la zona eutéctica (zona superior de la imagen). Además se puede ver cómo comienza a rellenarse el hueco resultante con una capa de HA (zona blanquecina). 5.-Resultados 33 habido zonas en las que la reacción ha sido similar a las rápidas de la composición 85-15 (laminar y con fases no esperadas) y otras en las que se ha conseguido aproximar al objetivo del proyecto: obtener colonias similares a las de la composición eutéctica en las que el centro de las mismas sea de wollastonita, de tal forma que al disolverse el centro de las colonias, los poros resultantes conecten con las láminas de la zona eutéctica. Sin embargo, aunque el tamaño de estas fases (hasta 8 micras) es superior al conseguido hasta ahora en la bibliografía (1-2 micras), sigue resultando insuficiente. Conclusiones 34 6.-CONCLUSIONES 6.1.- Revisión En el presente proyecto, realizado en el área del CMIM del CPS de la Universidad de Zaragoza se han fabricado probetas de un biomaterial cerámico conocido en la literatura, pero con dos composiciones distintas, alejadas del punto eutéctico, lo que hasta ahora no se había realizado. Para la fabricación se ha empleado la técnica de fusión zonal por láser, para lo que ha sido necesaria la alineación de los ejes del mismo y la calibración de la curva de potencia para garantizar las mejores condiciones de fabricación. En base a los ensayos se han obtenido los datos de potencia que proporcionaban la mayor estabilidad de la zona fundida. Se ha estudiado la microestructura del material mediante Microscopía Electrónica de Barrido y se ha constatado cómo las condiciones de fabricación (velocidad de solidificación) y no sólo la composición química condicionan la distribución de las fases que componen la muestra, así como su composición y morfología, obteniendo en los distintos ensayos tanto zonas eutécticas como regiones altamente texturadas o de zonas con gran presencia de fase primaria de W. La caracterización mecánica también ha revelado que la microestructura fina de las muestras crecidas a mayor velocidad endurece la probeta, dando valores de dureza superiores (85%W-15%TCP; 150 mm/h) a la muestra 90%W-10%TCP; 20 mm/h, que tiene mayor contenido de wollastonita, a pesar de que ésta es más dura que el TCP. Para el estudio de la reactividad de las muestras se han realizado por primera vez en el Centro Politécnico Superior estudios de bioactividad in vitro, pues hasta ahora los ensayos sobre las muestras aquí fabricadas se realizaban en la Universidad Miguel Hernández de Elche. Para realizarlos ha sido necesaria la búsqueda de información de protocolos para la obtención del suero fisiológico artificial y la fabricación del mismo. Queda pendiente para otra etapa el diseño y fabricación de un equipo para realizar un ensayo in vitro dinámico y comparar así las diferencias en la reactividad tras cada tipo de ensayo. De la observación microscópica de las muestras tras el ensayo de bioactividad se comprueba también cómo ésta viene condicionada por la estructura del material, pues mientras en algunas zonas la reacción es similar a la reportada en la bibliografía (disolución de la wollastonita, transformación del TCP en HA y deposición superficial de Conclusiones 35 una capa de HA) en otras zonas esto no sucede, debido a una microestructura que no favorece el avance de la reacción o a la presencia de fases que no corresponden con las que predice el diagrama de equilibrio. La identificación de las fases presentes se habría podido determinar con mayor precisión mediante el uso de microscopía Raman, para distinguir con más claridad entre la HA y el TCP. Se puede deducir que para que se produzcan las respuestas deseadas el material debe estar compuesto por W y TCP. Si no es así, ni la disolución de la fase que se disuelve es completa ni el fosfato de calcio transforma en HA, que tampoco precipita. También se ha comprobado que la estructura buscada al inicio del proyecto se ha conseguido en algunas zonas (foto 23), obteniendo colonias con fase primaria de wollastonita en el centro de las mismas y el vaciado del centro por la acción del suero, dejando huecos de tamaño superior a los obtenidos hasta la fecha por la disolución de la estructura eutéctica, si bien siguen resultando de tamaño inferior al de las células. Sin embargo, dada la variabilidad de la estructura con las condiciones de crecimiento, tal vez la exploración de otras lleve a la consecución de los resultados buscados con mayor éxito. 6.2.- Lecciones aprendidas El desarrollo de este proyecto ha sido de gran interés para mí. En primer lugar he podido comprobar de primera mano la labor investigadora de algunos de los profesores del departamento -muchas veces oculta tras la labor docente- y he podido colaborar en ella. He aprendido el manejo de numerosa instrumentación de laboratorio, así como la metodología de trabajo durante la preparación, fabricación, manejo y caracterización de muestras, trabajo importante para un ingeniero de la mención de materiales, a pesar de que el tema del proyecto no sea típico de un Ingeniero Industrial. Pero precisamente la labor de un ingeniero es solventar problemas a la sociedad y, puesto que la ciencia de materiales es una rama multidisciplinar, el trabajar para el desarrollo de materiales (para medicina en este caso) ha supuesto una satisfacción personal por el hecho de intentar mejorar la calidad de vida de las persona 36 Referencias 37 REFERENCIAS [1] Velasquez P., De la Casa-Lillo M.A., Peña J.I. et Al. "Influencia de la microestructura en la bioactividad de materiales bioeutécticos”. X Congreso Nacional de Materiales, San Sebastián, Junio 2008. Vol 2. p. 579-582. [2] De Aza P. 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