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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2005; 25 (1): 23-30
ESTUDIO COMPARATIVO DE LA BIOACTIVIDAD DE DIFERENTES MATERIALES
CERÁMICOS SUMERGIDOS EN FLUIDO SIMULADO DEL CUERPO
Irene Barrios de Arenas 1*, Maritza Vásquez 1, Ursula Spadavecchia 2,
Sonia Camero 3, Gema González 2*
1: Lab. de Microscopía Electrónica, Dpto. de Tecnología de Materiales, Instituto Universitario de Tecnología – Región
Capital, PO Box 40347, Caracas 1040. Venezuela.
2: Lab. de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Dpto. de Ingeniería, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas
(IVIC), Apartado. 21827, Caracas 1020A, Venezuela.
3: Escuela de Metalurgia y Ciencia de los Materiales, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela (UCV).
Apartado 51717, Caracas 1050, Venezuela
* E-mail: [email protected], [email protected].
Revisado: 24-Ago-2006; Aceptado: 14-Sep-2006
Publicado On-Line el 19-Sep-2006
Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html
Resumen
El estudio y desarrollo de materiales para su empleo como sustitutos óseos se ha incrementado en los últimos años.
Una de las características mas importantes que debe poseer el material para esta aplicación es la biocompatibilidad. Son
varios los materiales que caen en este grupo, entre ellos los más destacados son las cerámicas. Estos materiales pueden
reaccionar de diferentes formas, según sean sus componentes y formulaciones entre otros. La bioactividad es la capacidad
que tiene el material de interactuar químicamente con los tejidos (blandos y duros) del organismo. El propósito de esta
investigación es la comparación entre la bioactividad de cuatro materiales diferentes: vidrios, vitrocerámicas,
hidroxiapatita porosa y corales. La investigación se llevó a cabo sumergiendo muestras de materiales estudiados en Fluido
Simulado del Cuerpo (FSC), la caracterización se realizó por Microscopía Electrónica de Barrido con análisis lineal por
EDX para determinar los perfiles composicionales desde el substrato hasta la superficie. Tanto los vidrios como las
vitrocerámicas reaccionaron con el FSC, para formar una capa rica en Si y en algunos casos sobre esta, el depósito de una
capa rica en Ca y P identificada anteriormente como apatita (CaP), reacción que indica la biocompatibilidad y bioactividad
de estos materiales. La hidroxiapatita y los corales no mostraron reacción aparente con el FSC, es decir no se observó la
aparición de capas superficiales.
Palabras Claves: vitrocerámicas, hidroxiapatita, corales, biocompatibilidad, FSC
Abstract
The study and development of materials as bone replacement have increased in the last years. One of the main
characteristics that must have a material for these applications is the biocompatibility. There are several materials in this
group, among them one of the most important are ceramics. The material’s reactions are different, depending on their
components, formulations, and others. The bioactivity is the capacity of chemical interaction between the material and the
body tissues (soft and hard). The purpose of this investigation is to determine the bioactivity of four different materials:
glasses, glassceramics, porous hydroxyapatite and corals. This investigation was carried out using Simulated Body Fluid
(SBF), the characterization was performed using Scanning Electron Microscopy and EDX line scan x-ray microanalysis to
determine the compositional profiles from the substrate to the surface. The glasses as well as glass-ceramics reacted with
SBF, with the development of a SiO2 rich layer, and in some cases it was observed the presence of enriched calcium and
phosphorous layer identified as apatite layer (CaP), this reaction suggest the biocompatibility and bioactivity behavior of
these materials. The hydroxyapatite and corals did not show apparent reaction with the SBF, the formation of a superficial
layer was not observed.
Keywords: vitroceramics, hydroxyapatite, corals, biocompatibility, SBF
1. INTRODUCCIÓN
Existe una gran variedad de materiales cerámicos
que pueden ser usados como implantes en el cuerpo
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 23-30
humano, los cuales reciben el nombre de
biocerámicas [1-4]. El ensayo de bioactividad es
uno de los estudios que se realiza a las
23
Barrios de Arenas et al.
biocerámicas, el cual simula las condiciones del
cuerpo humano, esto con el fin de determinar las
posibles reacciones de la biocerámica dentro del
organismo y definir si es posible su uso. Una de las
características deseadas en este tipo de materiales es
la bioactividad, la cual consiste en la formación de
una interfaz estable con el tejido conectivo y que se
igualen el comportamiento mecánico del implante
con el tejido a reemplazar [5-9].
Las biocerámicas se clasifican en cuatro tipos:
•
Bioinertes, no promueven respuesta biológica
entre el material y el hueso, ejemplos de ello son
la alúmina y la zirconia
• Porosas, son cerámicas con arquitectura porosa
que promueven el crecimiento del tejido dentro
de los poros, en la superficie o a través del
implante, siendo una fijación interfacial, como
ejemplo se pueden mencionar Hidroxiapatita
porosa
y
corales
transformados
en
Hidroxiapatita.
• Reabsorbibles o Resorbibles: están diseñados
para degradarse gradualmente con el tiempo y
así ser reemplazados por el tejido huésped
natural, entre los más conocidos se encuentra el
trifosfato de calcio y los corales.
• Bioactivas: se definen como cerámicas que
“promueven una respuesta específica en la
interfaz del material, lo cual resulta en la
formación de un enlace químico entre los tejidos
y el material”, siendo los más destacados los
vidrios bioactivos, la Hidroxiapatita, y las
vitrocerámicas bioactivas [3,5-8].
En cuanto a los materiales vítreos, es importante
saber que pequeños cambios en la composición
afectan su comportamiento drásticamente [9] Los
vidrios pueden presentar buena bioactividad, ser
reabsorbidos o permanecer inertes, dependiendo de
su composición química [1]. Las vitrocerámicas son
obtenidas a partir de los vidrios mediante un proceso
térmico
de
desvitrificación
(cristalización),
controlando las temperaturas de nucleación y
crecimiento [10].
El comportamiento bioactivo de los materiales
vítreos consiste en una modificación superficial del
implante, mediante una reacción que permite la
formación
una
apatita
hidroxicarbonatada
biológicamente activa (HCA), la cual es química y
estructuralmente equivalente a la fase mineral del
hueso, permitiendo la unión interfacial con los
tejidos [5-8].
24
Un material para la reconstrucción o sustitución de
tejidos es considerado bioactivo si logra una
respuesta biológica específica en la interfaz del
material, dando como resultado una unión entre el
material y los tejidos. Las bases de este
comportamiento, es la reactividad química de los
vidrios o vitrocerámicas con los fluidos del cuerpo
humano [6,11-15].
Los fosfatos de calcio, en particular la
Hidroxiapatita (HA), representan un alto porcentaje
de la composición del hueso y los dientes, por lo
que es empleada como material para implantes sin
efectos
citotóxicos,
presentando
excelente
biocompatibilidad con los tejidos duros, músculos y
piel, además de tener la capacidad de ligarse
directamente al hueso [16,17].
En general, el mejor desarrollo de HA como
material para implantes se obtiene empleando piezas
porosas, ya que la porosidad favorece la adhesión
celular y por consiguiente la formación de enlaces
físicos, químicos y biológicos entre el material y el
hueso, alcanzándose un anclaje mecánico, la fijación
del implante al hueso y la formación de nuevo
hueso [17].
Otros materiales que han sido ampliamente
considerados como un material alternativo en la
búsqueda de sustitutos óseos son los corales. El
hecho que los exoesqueletos coralinos estén
compuestos por aragonita, la cual es una fase
alotrópica del CaCO3, brinda un alto grado de
compatibilidad con el tejido óseo y con sus
propiedades mecánicas [18].
El objetivo de esta investigación es la comparación
del comportamiento de la respuesta de bioactividad
de tres tipos diferentes de biomateriales: vidrios y
vitrocerámicas del sistema Na2O.K2O.MgO.CaO.
SiO2.P2O5; Hidroxiapatita porosa y dos especies
coralinas (Montrastrea Annularis y Porites
Astroide) sumergidos en Fluido Simulado del
Cuerpo (FSC) a diferentes tiempos.
2.
PARTE EXPERIMENTAL
2.1 Materiales
2.1.1 Vidrios y vitrocerámicas
Las composiciones de los vidrios del sistema de
Na2O.K2O.MgO.CaO.SiO2.P2O5 (Tabla 1), fueron
diseñadas en base a los siguientes parámetros: el
índice de bioactividad debe estar entre 8 y 10,
SiO2 < 53%, Na2O y CaO = 20% para todos los
vidrios, substitución parcial de Na2O y CaO por
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Estudio Comparativo de la Bioactividad de Diferentes Materiales Cerámicos Sumergidos en FSC
K2O y MgO respectivamente, a partir de estudios
previos [15], y una proporción CaO/P2O5 de 5:1 con
adición de B2O3 y Al2O3.
Tabla 1. Composiciones de los vidrios (% peso)
Vidrio
SiO2
K2O
MgO
P2O5
1
49
4
4
0
0
1
2
49
4,3
4,2
2
0,5
0
3
48,5
4,3
4,2
2
1
0
4
48,5
4
4
2
1,5
0
5
48
4
3,5
2
1
1,5
B2O3 Al2O3
El procedimiento experimental, preparación y fusión
de cada composición vítrea, se ha descrito en una
publicación previa [15]. Las materias primas fueron
SiO2, CHNaO3, CaCO3, P2O5, B2O3, Al2O3 todos a
una pureza mayor de 99%. Las diferentes mezclas
se fundieron en un crisol de platino por 6 hr 20 min.,
a una tasa de calentamiento de 5°C/min., con un
meseta de 30 min. a 1000°C para la eliminación de
carbonatos y 1 hr a 1450°C para el refinamiento del
vidrio. La mezcla fundida fue vaciada en moldes de
grafito precalentados a 500ºC para evitar fractura
por choque térmico, obteniéndose muestras
cilíndricas.
pureza. La solución de (NH4)2HPO4 se goteó en la
suspensión de Ca(OH)2, bajo fuerte agitación, a
temperatura ambiente. El producto se envejeció a
25ºC por 3 días a 125ºC. El material extraído del
proceso se lavó hasta alcanzar un pH neutro, luego
se secó en estufa por 24 horas entre 60 y 80ºC. Los
polvos obtenidos se trituraron en mortero de ágata
para separar los aglomerados.
En la preparación de muestras sólidas porosas se
empleó un polímero como porosificador, el cual
actúa también como aglomerante, favoreciendo el
prensado y la distribución de los polvos de HA [19].
El polímero empleado fue alcohol polivinílico
(PVA), con tamaños de partícula inferiores a 300
µm. Los polvos se mezclaron en proporciones
volumétricas de 25 y 50% de polímero en matriz de
HA en un molino de bolas, la mezcla fue tamizada
de nuevo y se tomaron los polvos bajo 300 µm. La
consolidación se llevó a cabo por prensado uniaxial
a 50 y 100 MPa, sin precarga, para obtener pastillas,
las cuales se sinterizaron a 1000 y 1200ºC por 12 y
24 hr.
Para el estudio de la bioactividad de HA se tomaron
muestras aleatorias de pastillas sinterizadas, pulidas
con alúmina de 5 µm.
De cada composición, se tomaron muestras de
vidrio para realizar 3 ciclos de cristalización
diferentes (Tabla 2) dónde se varió el tiempo de
permanencia a la temperatura de nucleación (Tn =
550ºC) y a la de crecimiento cristalino (Tc = 750ºC).
2.1.3 Corales
Los corales empleados son esqueletos de
Montrastrea Annularis y Porites Astroide, sin
procesos químicos. Los corales fueron cortados en
pequeños cubos, lavados con agua desionizada y
secados en estufa a 110ºC por 24 hr.
Tabla 2. Ciclos de cristalización
2.2 Fluido Simulado del Cuerpo (FSC)
Ciclo
Tiempo de
nucleación
(min.)
Tiempo de
crecimiento
(min.)
1
30
60
2
30
120
3
60
30
2.1.2 Hidroxiapatita
La HA empleada fue sintetizada vía precipitación
del compuesto cristalino, empleando una
suspensión de Ca(OH)2 y una solución de
(NH4)2HPO4, tal y como lo describe la ecuación:
10 Ca(OH)2 + 6 (NH4)2HPO4 → …
… → Ca10(PO4)6(OH)2 + 12 NH4 + 12 H2O
(1)
Siendo los precursores polvos comerciales de alta
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2.2.1 Preparación
La solución acuosa se preparó de acuerdo a las
proporciones especificadas por Kokubo [7] en
estudios previos, empleando los mismos reactivos
de grado químico: NaCl, NaHCO3, KCl,
K2HPO4.3H2O, MgCl2.6H2O, CaCl2 y Na2SO4. Estos
se disolvieron en agua destilada ajustando el pH a
7,25 con la adición de 50 mM de un TRISMA
(tris(hidroximetil)-aminometano (NH2C(CH2OH)3)
y 45 mM de ácido clorhídrico (HCl).
2.2.2 Inmersión en el FSC
Todas las muestras fueron inmersas en el fluido
contenido en material de vidrio esterilizado con
temperatura y sellado para evitar contaminación. La
temperatura del sistema se mantuvo a 36,5 + 5ºC,
con la utilización de una resistencia y un termostato
incorporado a la misma. Manteniendo una agitación
25
Barrios de Arenas et al.
leve, para mantener el fluido fresco sobre las
muestras. Las cuales fueron extraídas después de un
período de 2 y 4 semanas, con el fin de analizar el
proceso de reacción.
2.3 Caracterización
Para la caracterización de las muestras, éstas se
limpiaron cuidadosamente con acetona, y fueron
embutidas en una resina al frío, para luego cortarlas
transversalmente con disco diamantado. Las
secciones transversales se pulieron con pasta de
diamante de 1 µm, y se recubrieron con una película
de carbono. El estudio de la superficie de reacción
se llevó a cabo por Microscopía Electrónica de
Barrido (MEB), empleando barrido lineal por EDX
en la superficie de las muestras, para el perfil
composicional desde el substrato a la superficie.
3.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Vidrios y vitrocerámicas
Las reacciones entre el material bioactivo y el
tejido, permite el desarrollo de capas ricas en SiO2,
Ca y P. La capa rica en sílice se debe al intercambio
entre los iones alcalinos ó alcalino térreos del vidrio
o vitrocerámica, (Na+, K+ ó Ca2+, Mg2+) que se
intercambian con los iones de hidrógeno (H+ o
H3O+) provenientes del fluido simulado del cuerpo
(FSC), este intercambio es fácil ya que los iones
alcalinos ó alcalino térreos no son formadores de la
red vítrea, ellos sólo la modifican. Es importante
mencionar que durante este intercambio, el resto de
los componentes del vidrio no se ven afectados.
Luego de esta etapa hay una disolución interfacial
de la red, que provoca la ruptura de los enlaces SiO−Si, creándose enlaces del tipo silanol (Si−OH),
en la superficie del vidrio en contacto con la
solución de FSC. Ocurriendo luego rearreglos por
policondensación de los grupos silanol vecinos,
resultando en una capa rica en silicio, de gel de
sílice, característica de los materiales bioactivos.
La migración de iones Ca2+ y PO42+ del material a
través de la capa rica en silicio, se depositan en la
parte externa de la misma y originan la formación
de una capa de fosfato de calcio, que posteriormente
crece debido a la incorporación de estos mismos
iones provenientes de la solución (FSC) [9]. Esta
migración a través de la fase vítrea, se ve favorecida
por los espacios dejados por la migración de los
iones alcalinos.
Debido a lo mencionado anteriormente, como
principal efecto de la inmersión del material vítreo
26
en FSC se espera un intercambio iónico en la
superficie del material, lo que da paso a la
formación de una capa rica en silicio y una posterior
migración de iones Ca+2 y PO4+2 desde el interior del
vidrio hacia la zona más externa de la capa para
formar apatita, que posteriormente (CaP) se
convierte en HAP [7,12]. Los vidrios y
vitrocerámicas se sumergieron por 2 y 4 semanas en
FSC como se describió previamente, la formación
de gel de sílica y la deposición de apatita obtenida
se analizó por MEB-EDX.
En la Figura 1 se muestran los vidrios y
vitrocerámicas estudiados con el análisis lineal por
EDX superpuesto, luego de haber permanecido en el
FSC por 2 semanas, diferenciándose varias zonas,
de izquierda a derecha: la primera corresponde al
material inicial antes del ensayo (vidrio ó
vitrocerámica), luego una zona donde se aprecia un
aumento significativo del silicio (barrido lineal por
EDX), correspondiente a la capa de gel de sílice y
por último en algunos casos, en la zona limitante
con la resina (en negro) aparece disminución del Si
y un aumento del Ca y el P (zona clara brillante),
que corresponde a la deposición de apatita
identificada en investigaciones anteriores [7,12,15].
Así, en la columna (a) de la Figura 1, se observan
las diferentes composiciones de los vidrios, donde
las composiciones 1 y 5 no muestran deposición de
CaP, después de 2 semanas de estadía en el FSC.
Estos vidrios 1(a) y 5(a), reaccionan para formar el
gel de sílice en la superficie sin que ocurra el
siguiente paso, debido a la presencia de Al2O3 1 y
1,5% respectivamente, que como se sabe es un
estabilizador del material vítreo, aunque el efecto de
la alumina en el 5(a) debiera ser contrarrestada por
la presencia de 1% de B2O3, que actúa de forma
contraria a la alumina. Por otro lado los vidrios de
composición 2, 3 y 4 (Figura. 1, columna (a)) tienen
además del gel de sílice una deposición evidente de
apatita, (CaP) debido a la ausencia de Al2O3 en su
composición.
Los vidrios de las diferentes composiciones fueron
tratados térmicamente para transformarlos en vitrocerámicas (compuestos de vidrio y fase cristalina),
los cuales se comportan diferente en el FSC,
dependiendo del grado de nucleación y crecimiento
cristalino, producto de los tratamientos térmicos
aplicados (ver Tabla 2), como se puede observar en
la Figura 1, columna (b) primer ciclo de tratamiento,
solamente la composición 3(b) muestra la
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Estudio Comparativo de la Bioactividad de Diferentes Materiales Cerámicos Sumergidos en FSC
deposición de Ca después de 4 semanas de
inmersión en FSC, esto puede deberse a la presencia
de 1% de B2O3 que promueve la deposición de
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HCA, las otras composiciones sólo muestran la
formación del gel de sílica, y aunque la
composición 4 tiene una mayor adición de B2O3,
27
Barrios de Arenas et al.
tiene menos K2O y MgO, ambos promotores de la
formación de apatita. En las vitrocerámicas
correspondientes al ciclo 2 (Figura 1, composiciones
1-5, columna (c)), sometidas a un menor tiempo de
nucleación y un mayor tiempo de crecimiento
cristalino, se puede observar que sólo las
composiciones 2 y 4 permiten la deposición de la
apatita sobre la capa de sílice. Y en las
vitrocerámicas producto del ultimo tratamiento
térmico (ciclo 3), con mayor tiempo de nucleación y
menor tiempo de crecimiento cristalino (tabla 2), ver
(Figura 1, composiciones 1-5, columna (d)); sólo
ocurre deposición de CaP en la composición 4(c)
con mayor adición de B2O3, mientras que para las
demás composiciones sólo se muestra la formación
de gel de sílice, (Figura 1, composiciones 1-5,
columna (d)).
Los resultados entonces confirman el efecto de la
composición, así como dan una idea de cómo afecta
el grado de nucleación y cristalización, como
ejemplo en la composición 3 sin presencia de Al2O3,
se presenta deposición de CaP en el vidrio y en las
vitrocerámicas del ciclo 1 y 2 con un mismo tiempo
de nucleación, aunque en el ciclo 2 el tiempo de
crecimiento cristalino es el doble, se deposita Ca y
CaP respectivamente, mientras que para el ciclo 3
no hay deposición de CaP se infiere es por tener el
doble del tiempo de nucleación que las anteriores y
menor tiempo de crecimiento cristalino. Por lo que
se puede deducir que es más importante la
nucleación, porque al haber más núcleos se
disminuye la fase vítrea que es la que permite la
formación del gel de sílice, para el posterior
intercambio iónico superficial necesario para la
deposición de la apatita.
En general, el efecto del tratamiento térmico
depende más de la composición del material que del
ciclo de cristalización empleado, observándose
notables diferencias entre uno y otro caso. El
análisis detallado de este efecto escapa de los
objetivos de esta publicación, por lo que será
discutido con más detalle en otra oportunidad.
3.2 Hidroxiapatita
Las muestras de Hidroxiapatita presentadas en la
Figura 2 muestran la presencia de calcio y fósforo
en toda la muestra, lo que es de esperarse por la
composición
química
del
material.
La
Hidroxiapatita porosa permite un contacto mayor
entre los fluidos que rodean el implante y el
material, esto se debe a la gran cantidad de área
superficial que le confieren los poros [17]. En las
28
muestras estudiadas la posibilidad de intercambio de
iones es permanente, debido a la porosidad de las
mismas, por lo que se puede considerar a este
material bioactivo.
3.3 Corales
Las muestras coralinas, presentadas en las Figuras 3
y 4, se puede observar que aparentemente son
bioinertes, ya que su composición química no
favorecerá la unión interfacial del material con los
tejidos óseos. Es importante destacar, que no hubo
enriquecimiento superficial de iones fosfatos en
presencia del FSC, y tampoco se formó la capa de
fosfatos cálcicos en la superficie de las muestras o
entre los poros. Esto sin embargo, no descarta
completamente el uso de corales como
biomateriales, ya que una vez implantados en el
cuerpo suceden varias reacciones enzimáticas que
descomponen el carbonato de calcio y facilitan la
integración ósea.
4. CONCLUSIONES
Los vidrios y vitrocerámicas estudiados permiten la
reacción de intercambio con el FSC, que se traduce
en la aparición de la capa superficial de gel de sílice
con la posterior deposición en algunos casos de una
capa de apatita, lo que indica que en el primer caso
pueden ser considerados biocompatibles y en el
segundo caso bioactivos, en ambos existen las
mejores posibilidades para evitar encapsulamiento
del implante.
En los vidrios la composición (presencia o no de
Al2O3, así como de B2O3), afecta fuertemente la
bioactividad del material y en las vitrocerámicas
provenientes de estos vidrios, además de la
composición los tratamientos térmicos parecen tener
cierta influencia también, por lo que deberán ser
estudiados más ampliamente.
En cuanto a la Hidroxiapatita sintetizada, no se
observó la formación de una capa de fosfatos
cálcicos microestructuralmente diferente a la
muestra de partida, por lo que este estudio no brinda
conclusiones determinantes sobre la bioactividad de
la misma.
Las especies coralinas estudiadas no mostraron
diferencias en cuanto a la microestructura
superficial, ni la formación de una capa de fosfato
de calcio.
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Estudio Comparativo de la Bioactividad de Diferentes Materiales Cerámicos Sumergidos en FSC
HA
a
Ca
P
Ca
HA
P
HA
b
Si
c
Ca
R
R
P
Si
HA
d
Si
R
Ca
P
R
Si
Figura 2. Imágenes de MEB de la sección transversal con perfil composicional sobrepuesto de muestras de Hidroxiapatita,
sumergidas en FSC: (a) HA de baja porosidad, 2 semanas de inmersión, (b) HA de baja porosidad, 4 semanas de
inmersión, (c) HA de alta porosidad, 2 semanas de inmersión, (d) HA de alta porosidad, 4 semanas.
C
a
Ca
P
Si
R
b
C
Ca
P
R
Si
Figura 3. Imágenes de MEB de la sección transversal con perfil composicional sobrepuesto de muestras del coral
Montrastrea Annularis, sumergidos en FSC por (a) 2 semanas y (b) 4 semanas. La zona más clara corresponde a la
muestra y la más oscura corresponde a la resina
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Barrios de Arenas et al.
C
a
Ca
P
R
Si
b
C
Ca
P
R
Si
Figura 4. Imágenes de MEB de la sección transversal con perfil composicional sobrepuesto de muestras del coral Porites
Asteroide, sumergidos en FSC por (a) 2 semanas y (b) 4 semanas. La zona más clara corresponde a la muestra y la más
oscura corresponde a la resina.
5. REFERENCIAS
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