Disminución del desgaste del PEUAPM en prótesis articulares: recubrimientos de DLC y nanotubos de carbono

Espuelas Izquierdo, Eva
Martínez Nogués, Vanesa (dir.)

Mariscal Masot, María Dolores (ponente)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2012
Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, Área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica

Ingeniero Técnico Industrial (Esp. Química Industrial)

Resumen: En el presente proyecto se plantean los siguientes objetivos: 1.- Tras diferentes estudios del desgaste del PEUAPM utilizando ensayos tribológicos y posterior tratamiento térmico a 120 grados para eliminar la deformación plástica producida en el ensayo tribológico , ya que este material presenta memoria de forma, se plantea la posibilidad de que no se elimine totalmente esta última y en la determinación posterior mediante microscopia confocal aparezca un factor de desgaste más elevado debido a esta causa. Por tanto, se estudiará la desaparición de la deformación plástica a diferentes temperaturas y con distintas formas de enfriamiento. CONCLUSIONES: En los tratamientos térmicos a temperaturas superiores a la temperatura de fusión del PEUAPM (135 grados centígrados) parece que se recupera completamente la deformación plástica producida en los ensayos tribológicos que se realizan en este proyecto. Al realizar el recocido a temperaturas superiores a 120ºC la rugosidad del sustrato se incrementa considerablemente, tanto más al aumentar la temperatura, lo que impide su posterior caracterización mediante microscopía confocal. El medio en que se desarrolla el tratamiento térmico dentro del horno, ya sea aire o vacío, no parece que influya ni en la recuperación de la deformación ni en la rugosidad de la muestra. Al comparar los distintos tipos de enfriamiento tras el recocido, se observa que el enfriamiento lento favorece el aumento de la rugosidad del polímero. 2.- Evaluar el comportamiento frente al desgaste de los recubrimientos de carbono diamantizado (DLC- diamond-like carbon) sobre el polietileno de ultra alto peso molecular como método de disminución del desgaste en regiones no articulantes. Este material presenta buenas propiedades en cuanto a dureza, bajo coeficiente de fricción, estabilidad química y buena biocompatibilidad, que hacen de él una de las mejores opciones para su integración como componente de biomateriales. El recubrimiento, con distintos espesores, se realizará mediante la técnica de deposición química en fase vapor asistida mediante plasma (PECVD) como propuesta para disminuir el desgaste en regiones no articulantes. CONCLUSIONES: Los recubrimientos de DLC de 500nm depositados sobre el PEUAPM mediante ECR-PECVD (deposición química en fase vapor activada por plasma con generador de microondas) han mostrado un coeficiente de desgaste superior al propio sustrato en ensayos de 24horas frente alúmina. Este empeoramiento se produce también cuando al DLC se le añade también, con fines antisépticos, cromo. La difícil adherencia del DLC sobre la matriz polimérica se interpreta como la causa de un desprendimiento durante el ensayo de desgaste de pequeñas porciones del recubrimiento, que por efecto del tercer cuerpo origina todavía un mayor desgaste. El intento de añadir antes de la capa del DLC definitivo, una intercapa de 70 y 140 nm de DLC con un mayor contenido de enlaces C-H, por su mayor similitud a la composición del PE, con el fin de mejorar la adhesión, tampoco condujo a mejores resultados de coeficiente de desgaste. 3.- Los distintos tipos de recubrimientos de DLC sobre PEUAPM estudiados en los últimos años por el Grupo de Biomateriales, han demostrado problemas de adherencia al realizar ensayos tribológicos. Como esta deposición es menos compleja sobre metal, se depositó DLC sobre bolas de CoCrMo y se estudiará el comportamiento del desgaste de los pares: DLC depositado sobre CoCrMo frente PEUAPM, CoCrMo frente a PEUAPM, DLC depositado sobre CoCrMo frente a DLC depositado sobre PEUAPM. El recubrimiento se ha realizado mediante la técnica de deposición física en fase vapor (PVD) por pulverización catódica (Magnettron Sputtering). CONCLUSIONES: Los ensayos tribológicos que enfrentaron durante tres días a una bola de CoCrMo recubierta de 800nm de DLC, por deposición física en fase vapor mediante sputtering, frente al PEUAPM, mostraron durante el primer día un coeficiente de fricción inferior al correspondiente al par CoCrMo-PEUAPM. Sin embargo pasado ese primer día, el coeficiente de fricción creció a los mismos valores que el par CoCrMo-PE. Este incremento del coeficiente de fricción es debido a que el DLC salto al cabo de ese día y se produjo a partir de entonces fricción CoCrMo- PEUAPM. Por otra parte el DLC que se desprendió de la bola produjo efecto de tercer cuerpo y la deterioró tal como se aprecia en las fotos tomadas con el microscopio confocal. Al enfrentar PEUAPM recubierto de DLC frente a la bola de CoCrMo también recubierta de DLC, al cabo de seis horas de ensayo se produjo un brusco cambio de coeficiente de fricción, al interrumpir el ensayo y fotografiar la bola con el microscopio Confocal se observa el desprendimiento del recubrimiento. 4.- Comprobar el efecto frente al desgaste de los nanotubos de carbono (NTC) en polietileno de ultra alto peso molecular de diferentes fabricantes. Desde finales de los 90 se comprobó que las prótesis que contenían PEUAPM con cadenas reticuladas presentaban implantadas un mejor comportamiento frente al desgaste. La reticulación se produce habitualmente con irradiación con rayos gamma , que además esteriliza, sin embargo se producen radicales libres que originan posteriormente problemas de oxidación del PEUAPM. En estudios anteriores realizados por el Grupo de Biomateriales, se observó el efecto antioxidante de los NTC así como su respeto por la reticulación previa producida por la radiación, por lo que se decidió comprobar su comportamiento frente al desgaste. CONCLUSIONES: Estudios de desgaste en muestras de PEUAPM, obtenidas en nuestro laboratorio por termoconformado, muestran un mejor comportamiento al desgaste frente alumina del PEUAPM al adicionarle nanotubos de carbono. Esta situación se produce tanto con nanotubos comerciales (Nanocyl 700), obtenidos mediante deposición catalítica, como con los fabricados por el Instituto de Carboquímica del Campus Río Ebro, mediante el método de arco de descarga. La conformación de muestras de mayor tamaño mediante moldeo por compresión del PEUAPM y del composite con un 3% de nanotubos proporciona una mejor homogenización y consolidación de las muestras como muestran los menores coeficientes de desgaste en todos los casos comparando con las muestras obtenidas por termoconformado. Se manifiesta un menor coeficiente de fricción frente a alumina, en suero bovino, en las muestras que incluyen nanotubos en la matriz de PE. Ensayos tribológicos realizados durante 24 horas frente alúmina muestran en todos los casos un menor coeficiente de desgaste en las muestras que incluyen un 3% de nanotubos de carbono Nanocyl 700.

Tipo de Trabajo Académico: Proyecto Fin de Carrera