OXIDACIÓN ANÓDICA DE LA ALEACIÓN TI10NB35ZR PARA

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 71-74
OXIDACIÓN ANÓDICA DE LA ALEACIÓN TI10NB35ZR PARA SUUTILIZACIÓN EN
IMPLANTES
Juan C. Amaya 1*, Luis Emilio Forero G 1
9
Este artículo forma parte del “Volumen Suplemento” S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
(RLMM). Los suplementos de la RLMM son números especiales de la revista dedicados a publicar memorias de
congresos.
9
Este suplemento constituye las memorias del congreso “X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (X
IBEROMET)” celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008.
9
La selección y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité
Organizador del X IBEROMET, quien nombró una comisión ad-hoc para este fin (véase editorial de este
suplemento).
9
La RLMM no sometió estos artículos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los números regulares
de la misma.
9
Se recomendó el uso de las “Instrucciones para Autores” establecidas por la RLMM para la elaboración de los
artículos. No obstante, la revisión principal del formato de los artículos que aparecen en este suplemento fue
responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET.
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)
69
Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 71-74
OXIDACIÓN ANÓDICA DE LA ALEACIÓN TI10NB35ZR PARA SUUTILIZACIÓN EN
IMPLANTES
Juan C. Amaya 1*, Luis Emilio Forero G 1
1: Grupo de Investigación en Biomateriales, Universidad Industrial de Santander, Colombia
* E-mail: [email protected]
Trabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMET
Cartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008
Selección de trabajos a cargo de los organizadores del evento
Publicado On-Line el 20-Jul-2009
Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html
Resumen
El este trabajo se estudio el efecto de la oxidación anódica en la resistencia a la corrosión, de una aleación Ti10Nb35Zr,
creando una capa estable sobre su superficie. Los resultados se presentaron para las variaciones de voltajes dados entre 15
y 96 voltios.
Se realizaron pruebas de EIS en dos soluciones SBF para medir la resistencia a la corrosión de las capas de oxido
obtenidas y así identificar el posible comportamiento del recubrimiento de la aleación a la exposición a el fluido sanguíneo
y a la saliva en el cuerpo humano.
Palabras Claves: Oxidación anódica, Biocompatibilidad, TiNbZr, Citotoxicidad
Abstract
This work was study the effect of anodic oxidation in the resistance to corrosion of an alloy Ti10Nb35Zr, creating a stable
layer on its surface. The results were presented for changing voltages given between 15 and 96 volts.
EIS tests were conducted in two SBF solutions to measure the corrosion resistance of the layers of oxides obtained to
identify the possible behavior of the alloy coating to exposure to the fluid blood and saliva in the human body.
Keywords: Anodic oxidation, biocompatibility, TiNbZr, cytotoxicity
1. INTRODUCCION
Las aleaciones de titanio por su biocompatibilidad,
resistencia a la corrosión, y sus excelentes
propiedades mecánicas, se emplean como
biomateriales. La aleación Ti6Al4V ha sido la de
mayor uso, sin embargo se ha demostrado que
presenta
problemas
de
citotoxicidad
y
biocompatibilidad.
Actualmente, se están diseñando y caracterizando
nuevos materiales que no contengan elementos
nocivos para el cuerpo humano, que presenten una
mejor biocompatiblidad y una excelente resistencia
a la corrosión durante largo tiempo. Los elementos
de mayor biocompatibilidad son en orden
descendente Ta, Nb, Zr y Ti, por lo que se están
realizando estudios, análisis y modificaciones de
aleaciones fabricadas con combinaciones de estos
elementos.
Los estudios desarrollados en el mundo por
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)
diferentes investigadores para mejorar el
comportamiento de las aleaciones de titanio tienen
como principal objetivo mejorar sus propiedades
mecánicas y su resistencia a la corrosión en largos
periodos de tiempo. Además, su empleo en la
fabricación de implantes quirúrgicos exige que la
misma tenga unas buenas características de
biocompatibilidad.
La corrosión de un material implantado provoca la
liberación de iones al entorno pudiendo provocar
inflamaciones y un posible rechazo por parte del
paciente.
El titanio y sus aleaciones forman espontáneamente
una capa de oxido sobre su superficie que protege al
material, esta capa puede formarse controladamente,
aumentando su espesor y por tanto la
biocompatibilidad de la aleación, mediante un
proceso de oxidación anódica.
El proceso de oxidación anódica consiste en obtener
71
Amaya y Forero.
de manera artificial películas de oxido de titanio de
mayor espesor y con mejores características de
protección, que las capas formadas naturalmente.
Esta capa se obtiene mediante procesos químicos y
electrolíticos, donde el oxigeno precedente de la
disociación electrolítica del agua se utiliza para
oxidar el ánodo, en este caso la aleación Ti10Nb35Zr.
La variedad de colores que produce la oxidación
anódica del titanio y sus aleaciones, depende del
espesor de capa según el voltaje aplicado tal como
se muestra en la figura.
Fig. 1 Diagrama esquemático donde se muestra la
variación del color obtenido de acuerdo al voltaje
aplicado. [9]
2. PARTE EXPERIMENTAL
En este trabajo se utilizaron probetas cilíndricas de
2.8 cm. de diámetro con un espesor de 3 mm.,
fabricadas en la aleación Tiadyne ®; esta aleación
presenta la característica de ser endurecible
superficialmente lo cual la hace apta para ser
utilizada en implantes articulados. Los elementos
que lo componen como Titanio, Niobio Circonio
(ver Tabla 1) no son tóxicos ni carcinógenos,
condiciones que permiten ser apto para la
fabricación de implantes.
Tabla 1. Composición Química de la aleación
Composición Química del Tiadyne™ 3510
Elemento
Peso %
Circonio
34.0–36.0
Niobio
10.7–11.7
Oxigeno
0.07–0.13
Titanio
Balance
Carbono
≤ 0.0120
Hidrogeno
≤ 0.0025
Nitrógeno
≤ 0.0100
2.1 Pulido Mecánico
Las probetas de Tiadyne sometieron a un pulido
mecánico con papel abrasivo de carburo de silicio
(SiC) de numeración 180, 240, 320, 400 y 600.con
72
el fin de dar uniformidad a su superficie y borrar
todo rastro de marcas del mecanizado que se dio
durante el corte de las mismas.
2.2 Limpieza y Decapado
Para esto cada una de las piezas se sometieron a una
limpieza en un limpiador de ultrasonido durante 180
segundos sumergidas en una solución de de bórax
con trifosfato de sodio (PH = 9.11), para así
eliminar todo rastro de grasa y del abrasivo.
Para eliminar la capa de oxido la capa de oxido
formada espontáneamente, se realizo un proceso de
decapado utilizando una mezcla de acido
fluorhídrico (HF) y acido nítrico (HNO3) durante 2
minutos.
2.3 Oxidación Anódica
Este proceso se realizó en una celda con una
solución de acido oxálico (HCOO3) y acido
sulfúrico (H2SO4) a temperatura ambiente durante 3
minutos, variando para cada una de las probetas el
voltaje aplicado con una diferencia de 15V, desde
15 V hasta 90 V. Posteriormente se realizó un
lavado con agua y se sometió a un proceso de
sellado con agua deionizada a una temperatura de
82-85°C durante 1 minuto y se secaron con aire
caliente.
2.4 Pruebas de EIS
Se realizaron pruebas de resistencia a la corrosión
de la aleación utilizando dos soluciones SBF una
para simular el fluido sanguíneo que fue la solución
de Hank (8.0 g /L NaCl + 0.4 g/L KCl + 0.35 g /L
NaHCO3 +0.25 g/L NaH2PO4 _H2O+ 0.06 g/ L
Na2HPO4 _ 2H2O+0.19 g/L CaCl2 2H2O+ 0.19 g/L
MgCl2 + 0.06 g/L MgSO4 7H2O+ 1.0 g/L glucosa;
pH 6.9 [8]) y una solución artificial de saliva (pH
6.9; 0.4 g/L NaCl + 0.4 g/L KCl +0.79 g/L CaCl2
H2O+0.69 g/L NaH2PO4 H2O+ 0.005 g/L Na2S
9H2O+1.0 g/L urea [8])
Para esto se utilizó un potenciostato galvanostato de
ACM Instruments Gill AC, una amplitud sinosoidal
de 25 mV, un barrido de frecuencia de 100 mHz 100 KHz y con un área expuesta de 1 cm2.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para analizar los resultados obtenidos se aprovecho
la propiedad de reflexión, refracción y absorbancia
de la luz que presenta la capa de oxido de titanio
(ver Figura 2).
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 71-74
Oxidación anódica de la aleación TI10NB35ZR para suutilización en implantes
solución simulada de saliva.
Tabla 1. Valores de espesor de capa obtenidos según
voltaje.
Fig. 2 Diagrama esquemático del fenómeno de reflexión
y refracción de la capa de oxido de titanio, donde se
muestra el haz de radiación incidente (I0), el reflejado (Ir)
y el transmitido al material (Ia). [4]
Dado este fenómeno la capa de oxido de titanio
obtenido presenta una coloración diferente de
acuerdo a el espesor de la misma, que a su vez esta
depende del voltaje aplicado [1] pues a mayores
voltajes aplicados mayor será el espesor de la capa.
Voltaje
V
Color de capa
Espesor de Capa
nm
15.3
Azul Morado
49
31.6
Azul Pálido
81
47.7
Amarillo Verdoso
114
64
Rosado
141
80
Azul
176
96.5
Dorado
202
Los valores que se muestran se obtuvieron
teóricamente de acuerdo a la bibliografía en donde
se puede establecer un valor aproximado del espesor
del recubrimiento de acuerdo a los colores de los
recubrimientos obtenidos.
Fig. 3 Grafico de Nyquist al exponer el material a la
solución Hank.
Fig. 1 Fotografía de muestras obtenidas según el voltaje
aplicado.
Fig. 4 Grafico de Nyquist al exponer el material a la
En las dos últimas pruebas correspondientes a 80 y
96.5 V, respectivamente se dio producción de gases,
debido posiblemente al calentamiento del electrolito
en la zona de los cátodos. A pesar de la producción
de gases los recubrimientos que se obtuvieron
presentaron uniformidad en toda la superficie y de
buen aspecto.
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 71-74
73
Amaya y Forero.
En los diagramas de Nyquist obtenidos, los
recubrimientos presentaron mejor resistencia a la
polarización que el material sin recubrir, ninguno de
estos mostro corrosión puesto que no presentaron
formación de domos que representan la corrosión
del recubrimiento o que el recubrimiento fuese
poroso.
Los recubrimientos obtenidos a los voltajes de 80 y
96.6V presentaron menor resistencia ala corrosión
en los fluidos fisiológicos, posiblemente esto se
debe a la formación de gases que se dan a estos
voltajes dando como resultado un recubrimiento no
tan compacto como en los voltajes anteriores.
4. CONCLUSIONES
Se recomienda utilizar voltajes inferiores a los 80V
para evitar la formación de gases contaminantes,
ebullición del electrolito y la disminución del
volumen del mismo, dado que debe cubrir
completamente la probeta y los cátodos.
Se encontró que el recubrimiento que mejor
respuesta presentó fue el obtenido a 15V en los dos
fluidos fisiológicos utilizados posiblemente esto se
dio porque a este voltaje se da una oxidación
preferencial del Titanio presente en el material,
dando como resultado una capa mas compacta y por
lo tanto con un mejor comportamiento a el contacto
con los fluidos utilizados.
Las curvas obtenidas a mayores voltajes estos
presentaron una buena respuesta a los ensayos, pero
presentaron menor resistencia a la polarización
posiblemente dado que a mayores voltajes los otros
elementos presentes en la aleación reaccionan dando
como resultado una capa de oxido con una menor
resistencia.
5. AGRADECIMIENTOS
Al Grupo de Investigación en Biomateriales,
especialmente a su director Luis Emilio Forero
Gómez y a los ingenieros Javier Enrique Gómez y
Carlos Andrés Oviedo Paul. Por el apoyo
incondicional en todos los pasos de la investigación
y por su contante asesoría.
A la empresa ATI Wah Chang por la el material
enviado.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A.K. Sharma Anodizing itanium for space
aplications. Termal Systems Division, ISRO
Satellite Centre. Bangalore, India (1992)
[2] Espinosa R. Diana M., Jaimes G. Martha L.
Anodizado de Aleaciones de Titanio
(Ti6Al4V) ELI Utilizado en la Fabricación de
Implantes. UIS (2006)
[3] Michiardi Alexandra, Nuevo tratamiento de
oxidación en aleaciones de NiTi para
aplicaciones biomédicas. Caracterización
superficial y respuesta biológica in vitro.
Universitat Politècnica de Catalunya.(2005)
[4] Picas
Barrachina,
Josep
Anton,
Caracterización y optimización de la aleación
Ti-O,2Pd
para
aplicaciones
clínicas.
Universidad Politécnica de Catalunya.(2000)
[5] Marino Claudia, Mascaro Lucia. EIS
characterization of a Ti-dental implant in
artificial saliva media: dissolution process of
the oxide barrier. Departamento de Quimica,
Universida de Federaldo Parana. (2004).
[6] Norma ASTM G3–89 (Reapproved 2004),
Standard Practice for Conventions Applicable
to
Electrochemical
Measurements
in
Corrosion Testing.
[7] Fabregat Arnal, Gerard. Mejora de la
resistencia a la corrosión del titanio mediante
el proceso de sellado. (2005)
[8] Marino Claudia E.B. , Mascaro Lucia Helena,
Gerard. EIS characterization of a Ti-dental
implant in artificial saliva media: dissolution
process of the oxide barrier. (2004)
[9]http://www.valhallaarms.com/wyvern/titanium/a
nodizing.htm
A la Facultad de Ingenierías Físico-Químicas y la
Dirección de Investigaciones de la Universidad
Industrial de Santander.
A el Grupo de Investigación en Corrosión, su
director Custodio Vásquez Quintero y a la Ingeniera
Paola Juliana Reyes Garcia, por su asesoría y apoyo
en las pruebas de EIS.
74
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 71-74