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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
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EFECTO DE LA IMPLANTACIÓN DE NITRÓGENO EN EL DESGASTE POR
DESLIZAMIENTO LUBRICADO DE UHMWPE CONTRA ACERO INOXIDABLE.
M.F.del Grossod, E. Forlerera, c, M.E. Bonus c , M. Alurraldea , A. Fileviche , G. García Bermúdezb.
a. Comisión Nacional de Energía Atómica, CAC, U. A. Materiales.
b. Comisión Nacional de Energía Atómica, CAC, U. A. Física, CONICET.
c. Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires, Laboratorio de Tribología.
d. Comisión Nacional de Energía Atómica, CAC, U. A. Materiales Becaria CNEA-CONICET
e.Comisión Nacional de Energía Atómica, CAC, U. A. Física.
[email protected]; [email protected]; [email protected]
La presencia de partículas de desgaste de tamaño micrométrico es uno de los problemas principales en los
reemplazos quirúrgicos de la articulación femoral por ser inductoras de osteolisis y aflojamiento aséptico. Esta
articulación consta de un vástago femoral metálico y una taza de material polimérico (UHMWPE).
El incremento de la resistencia al desgaste por entrecruzamiento de cadenas poliméricas debería ser una
respuesta efectiva. Uno de los métodos más utilizados para este fin es la irradiación γ pero, también contribuye
al envejecimiento oxidativo del UHMWPE.
La implantación de iones de Nitrógeno produce también entrelazado y modifica la rugosidad superficial y la
mojabilidad. En este trabajo se estudió la influencia de la implantación de inoes de N2, en el desgaste del
UHMWPE. Se encontró una mayor resistencia al desgaste en las probetas implantadas lubricadas con agua
deionizada
Palabras claves: UHMWPE, Implantación iónica, biomateriales, cross-linking,
1. INTRODUCCIÓN
El objeto de estudio del presente trabajo es realizar
modificaciones en las superficies de los polímeros de
alto peso molecular con el fin de disminuir su desgaste
a la fricción. Estos polímeros son utilizados en las
prótesis que reemplazan las articulaciones dañadas
entre el fémur y la cadera. La reducción del desgaste
permite aumentar la vida útil de estas prótesis y por lo
tanto evitar las intervenciones quirúrgicas necesarias
para su reemplazo. Luego de más de 30 años de
desarrollo continuado se ha llegado al diseño actual
que consiste en una pieza metálica formada por un
tallo que se introduce en el canal medular del fémur
fijándolo, generalmente, con un cemento especial y
una cabeza esférica que se aloja en una pieza
denominada acetábulo que generalmente, se fabrica en
polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE)
fijada a la cadera. Estas dos piezas lubricadas
naturalmente por el líquido sinovial sufren desgaste y
degradación con una vida útil de unos 10 a 15 años.
Con el objeto de incrementar su dureza se han tratado
las superficies en contacto con distintos procesos de
Ingeniería para endurecer las superficies o para
recubrirlos con capas delgadas de materiales duros. El
incremento de la dureza de la aleación metálica
produce una disminución de la producción de micro
partículas de metal y plástico (debris). Estas partículas
suelen provocar una reacción inmunológica en la zona
aledaña a la articulación. Por lo tanto se trata de
mejorar el desgaste de ambas piezas con el objeto de
disminuir los debris y reducir el peligro de
inflamación. Se propone mejorar este comportamiento
aplicando la implantación de iones en el UHMWPE,
ya que la misma produce entrelazado de cadenas
poliméricas que modifica la dureza y la rugosidad
superficial. Se evaluó el desgaste utilizando como
líquido lubricante agua desionizada y una solución de
albúmina bovina que tiene propiedades degradativas y
viscosidad similares [1] al líquido sinovial que lubrica
las articulaciones en el cuerpo humano.
Los ensayos se realizaron con UHMWPE industrial,
ya que es un sustituto económico con propiedades
muy similares al de uso médico.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Preparación de las muestras
El UHMWPE se cortó, a baja velocidad, con disco de
metal recubierto con diamante, y se fresó en forma de
paralelepípedo con un tamaño de (10 x 15 x 6.35) mm,
según norma (G77/99). Una de las caras laterales de la
probeta fue desbastada a carga constante y baja
velocidad (125 r.p.m.) con una pulidora automática
adaptada especialmente para evitar la deformación de
las muestras. Los papeles abrasivos de CSi utilizados
para el desbaste fueron de malla #600, #1000 y #1500.
Posteriormente fue pulida a baja velocidad con pasta
de diamante de 6 y 3 micrones, de acuerdo al
protocolo de pulido del laboratorio ORNL [2]. Las
muestras fueron lavadas en ultrasonido con agua
desionizada durante 15 minutos.
Antes del ensayo de desgaste las muestras fueron
sometidas a una inmersión durante 24 hs en el líquido
utilizado como lubricante a 37 °C.
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La implantación de los iones de N2+ en el UHMWPE
con energías de 130 y 360 keV y una fluencia de 2
x1014 iones/cm2 se realizó con el implantador de
200KV VARIAN del laboratorio TANDAR
de la
Comisión Nacional de Energía Atómica, Centro
Atómico Constituyentes.
2.2 Ensayo de desgaste.
La máquina de desgaste por fricción, block-on-ring
(ASTMG77/99) del Laboratorio de Tribología de la
FRBA-UTN consta de un bloque (B) que desliza sobre
un anillo (A). La probeta es sostenida por una
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3. RESULTADOS
3.1 Ensayos de desgaste
Los resultados obtenidos en los ensayos de desgaste se
resumen en la tabla I, los datos de la fila 3
corresponden a probetas implantadas. La variación de
masa se calculó haciendo la corrección por absorción
del lubricante según la norma de desgaste ASTM F
1714-96 para ensayos de UHMWPE en simuladores
articulares.
A partir del ancho de la escara se calculó el volumen
de material perdido por desgaste (ASTMG77/99).
Lubri
cante
Carga
Ancho
escara
(cm)
Variación
de masa
(g)
Coef. de
fricción
Agua
816 N
0.80625
8.6 E-4
------
Albúmi
na
130
0.249
1.95E-4
0.120.099
Agua**
130
0.2205
-0.02
0.290.16
Agua
130
0.251
2.6E-4
0.08
P
PC
C
B
A
Figura 1. Esquema de la celda de carga
celda de carga (C), que mide la fuerza de fricción y
cuya señal es adquirida con un sistema especialmente
diseñado adaptado a una PC.
El anillo utilizado fue un acero inoxidable AISI 420
de 3,5 cm de diámetro, con una rugosidad de Ra=
0.03µm y una dureza de 200 Hv(0,5).
Se utilizaron 2 tipos de lubricación circulante: una
solución 2,91% m/m de albúmina en agua desionizada
(marca Roth, de sangre bovina), y agua desionizada.
La probeta se sometió a distintas cargas (816 y 130)N,
con una velocidad lineal de 0.11 m/s durante 60
minutos y un recorrido total de 396m. La temperatura
del lubricante se mantuvo en (37±3)°C.
2.3 Diferencia de masa o de volumen vs. Ancho de
escara
Las diferencias de masa se midieron con una balanza
electrónica METTLER-AE240, con precisión en la
centésima de miligramo. La diferencia de masa se
traduce en diferencia de volumen teniendo en cuenta
el peso específico, el radio del anillo y el ancho de
escara. Esta última se midió con el objetivo graduado
de un microdurómetro Leitz Durimet.
2.5 Observación de la escara y debris por SEM
Se utilizó un microscopio electrónico de barrido marca
Philips,
modelo PSEM -500, con un analizador de
energías de RX, marca EDAX DX-4 para
determinación semicuantitativa de los elementos de
número atómico mayores a 10. Como el polímero no
es conductor se recubrió por una capa micrométrica de
Au por evaporación en vacío. Para observar con SEM
las partículas producidas en el desgaste (debris), se
centrifugaron los fluídos recogidos en el ensayo de
desgaste a 3x10 4 r.p.m. y con el producto resultante se
realizó un extendido sobre un vidrio portaobjetos, se
dejó secar y se recubrió con Au.
** Datos correspondientes a muestras implantadas con N2+.
Tabla I: Resultados de ensayos de deslizamiento
Las muestras después de ser desgastadas fueron
observadas con lupa y microscopio óptico. Todas las
muestras que se ensayaron con 130 N tienen a simple
vista escaras similares sin importar el lubricante y en
todas se observa una adherencia del material del
anillo. Aquellas en las cuales el ensayo se hizo con
más carga, presentaron una escara de mayor ancho,
(figura 1) y era observable una deformación plástica
con respecto a las dimensiones iniciales de la probeta,
en la subsuperficie de la escara.
Figura 1: Escara de desgaste con agua desionizada a
816 N. Se observa material acumulado en los bordes
Magnificación=30X
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3.2 Análisis por microscopía electrónica de barrido
y EDAX
El material adherido en los bordes, que fue arrastrado
y acumulado en el borde de salida de la escara, puede
verse a mayor aumento en la figura 2.
Figura 4: Espectro EDAX correspondiente a la Figura
3. Se observa la presencia de Fe y Cr.
Figura 2: Imagen SEM de la escara
implantada. Magnificación=20X
en la muestra
En las probetas ensayadas con albúmina como
lubricante
encontramos
gran
degradación
del
polímero, no sólo en la parte desgastada sino en toda
la cara expuesta a esta solución.
La implantación produce en el polímero un cambio de
color en la superficie entre amarillento y tostado.
Después del desgaste se pudo apreciar una diferencia
de color en la escara que es blanca.
Los debris tienen formas filiformes o redondeadas de
superficies rugosas como se observa en la figura 3. Su
composición es compleja, incluyendo micropartículas
de la contraparte, identificadas por EDAX (figura 4).
Figura 5: Fisuras longitudinales y transversales a los
surcos de abrasión. Magnificación = 640 X
Las fisuras son longitudinales o transversales a los
surcos de abrasión (figura 5). En esta última se
observan unas ondulaciones a baja escala que fueron
obtenidas en todas las condiciones de ensayo.
4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Figura 3: Imagen SEM de un debris polimérico.
Magnificación= 2560X
El colocar una carga muy grande en el ensayo de
desgaste no solo provocó una pérdida considerable de
material polimérico, sino que también produjo la
deformación plástica de la superficie y la
subsuperficie de la probeta.
Con ambas cargas se observó transferencia de
partículas metálicas sobre la zona desgastada, por esta
razón la tasa de desgaste se evaluó en base al ancho de
la escara generada sobre la muestra. No se encontraron
diferencias en el desgaste entre ensayos con distinto
lubricante manteniendo las otras variables inalteradas.
No puede discernirse si esto es un efecto de la fricción
o si en el caso de la albúmina se suman los efectos de
un menor desgaste y la degradación. Además al
utilizar la solución de albúmina como lubricante,
observamos que la misma en la zona de contacto entre
el polímero y el anillo, se coagulaba por efecto de la
temperatura generada en la fricción, a los pocos
minutos de empezado el ensayo. Este nuevo sólido en
contacto con las superficies disminuía el coeficiente
de fricción. Esta coagulación y la degradación podrían
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tratar de evitarse consiguiendo una solución aun más
parecida al liquido sinovial, con PH neutro y un
anticoagulante apropiado.
La superficie de la escara muestra las ondulaciones
analizadas por
T. Bell y col[3], y atribuídas a
microcreep.
En la muestra implantada al ser la única con
disminución de masa presenta no sólo una mayor
resistencia al desgaste deslizante sino también
ausencia de transferencia de material de la contraparte.
El coeficiente de fricción es levemente superior a las
no implantadas evidenciando la presencia de mayor
número de partículas pero más pequeñas que en las
otras muestras.
5. CONCLUSIONES
La implantación se muestra promisoria en cuanto a la
disminución de la tasa de desgaste pero debe
profundizarse su estudio en materiales de uso médico,
como así también el efecto del número y tamaño de
partículas de desgaste (debris).
También sería conveniente trabajar con un lubricante
de igual viscosidad que el líquido sinovial que no
deteriore al UHMWPE.
REFERENCIAS
[1] M. Chandrasekaran, N. L. Loh,Wear 250, 2001,
pp. 2377-241.
[2] L. Riester, H. Woodard, T. Eberhardt, Internal
Report, Oak Ridge National Laboratory, 2001, USA.
[3] W. Shi, H. Dong, T. Bell , Materials Science and
Engineering, A291, 2000, pp.27-36.
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