Espuma de titanio

Las espumas de titanio presentan una alta resistencia específica, alta absorción de energía, excelente resistencia a la corrosión y biocompatibilidad . Estos materiales son ideales para aplicaciones dentro de laindustria aeroespacial . [1] [2] [3] Una resistencia inherente a la corrosión permite que la espuma sea un candidato deseable para varias aplicaciones de filtrado. [4] [5] Además, la inercia fisiológica del titanio hace que su forma porosa sea un candidato prometedor paradispositivos de implantación biomédica . [6] [7] [8] [9] [10] [11] La mayor ventaja en la fabricación de espumas de titanio es que las propiedades mecánicas y funcionales se pueden ajustar a través de manipulaciones de fabricación que varían la porosidad y la morfología celular. El alto atractivo de las espumas de titanio está directamente relacionado con una demanda multisectorial de avances en esta tecnología.

Caracterización

Banhart [12] describe dos perspectivas dominantes en las que se caracterizan los metales celulares, refiriéndose a ellos como atomísticos y macroscópicos. La perspectiva atomística (o molecular) sostiene que un material celular es una construcción de puntales, membranas y otros elementos que poseen propiedades mecánicas de su contraparte metálica a granel. De hecho, las propiedades físicas, mecánicas y térmicas de las espumas de titanio se miden comúnmente utilizando los mismos métodos que las de sus contrapartes sólidas. Sin embargo, se deben tomar precauciones especiales debido a la estructura celular de las espumas metálicas. [13] Desde una perspectiva macroscópica, la estructura celular se percibe como una estructura homogénea y se caracteriza considerando los parámetros efectivos (o promediados) del material. [12]

Microestructura

Las espumas de titanio se caracterizan estructuralmente por su topología de poros (porcentaje relativo de poros abiertos frente a cerrados), porosidad (el inverso multiplicativo de la densidad relativa), tamaño y forma de poro y anisotropía. [13] Las microestructuras se examinan con mayor frecuencia mediante microscopía óptica , [14] microscopía electrónica de barrido [15] y tomografía de rayos X. [16]

La forma más básica de diferenciar las espumas de titanio es clasificarlas en función de su estructura porosa (ya sea de celdas abiertas o cerradas). En las espumas de celdas cerradas, los poros están compuestos de burbujas atrapadas en el sólido metálico. Estas espumas consisten en una red continua de poros sellados en la que las interconexiones entre los poros son prácticamente inexistentes. Por el contrario, en las espumas de celdas abiertas, los poros están interconectados y los puntales sólidos permiten que el fluido pase a través de ellos. [17]

La mayoría de las espumas fabricadas contienen ambos tipos de poros, aunque en muchos casos el subtipo es mínimo. [18] Según la IUPAC , los tamaños de poro se clasifican en tres categorías: micro (menos de 2 nm), meso (entre 2 y 50 nm) y macro (más grandes que 50 nm). [18]

Propiedades mecánicas

Al igual que con otras espumas metálicas, las propiedades de las espumas de titanio dependen principalmente de las propiedades del material de partida y de la densidad relativa de la espuma resultante. Las propiedades térmicas de las espumas (como el punto de fusión, el calor específico y el coeficiente de expansión) permanecen constantes tanto para las espumas como para los metales de los que están compuestas. Sin embargo, las propiedades mecánicas de las espumas están muy influenciadas por la microestructura , que incluye las propiedades antes mencionadas, así como la anisotropía y los defectos dentro de la estructura de la espuma. [19]

Sensibilidad a las impurezas

Las propiedades mecánicas de las espumas de titanio son sensibles a la presencia de solutos intersticiales, que presentan limitaciones para las rutas de procesamiento y la utilización. El titanio tiene una alta afinidad por los gases atmosféricos . En las espumas, esto se evidencia por la tendencia del metal a atrapar óxidos dentro de los bordes de la celda. [20] [21] [22] La microdureza de las paredes celulares, el módulo elástico y la resistencia al rendimiento aumentan como resultado de los solutos intersticiales; la ductilidad , que es una función de la cantidad de impurezas intersticiales, se reduce en consecuencia. [23] De los gases atmosféricos, el nitrógeno tiene el impacto más significativo, seguido del oxígeno y el carbono. [24] Estas impurezas a menudo están presentes en la mezcla precursora y también se introducen durante el procesamiento.

Modelos teóricos para predecir propiedades mecánicas

Modelos Gibson y Ashby

Los modelos micromecánicos de Gibson y Ashby [17] para materiales porosos proporcionan ecuaciones matemáticas para la predicción de parámetros mecánicos basados ​​en constantes geométricas determinadas experimentalmente. Las constantes de proporcionalidad se determinan ajustando datos experimentales a varios modelos matemáticos para estructuras que consisten en cubos y puntales sólidos y dependen de la geometría de la celda. Una limitación del modelo de Gibson y Ashby [17] es que es más preciso para espumas que exhiben porosidades superiores al 70%, aunque las comparaciones experimentales para espumas de menor porosidad han demostrado concordancia con este modelo. Ye y Dunand encontraron una concordancia razonable con el modelo de Gibson y Ashby para espumas de titanio que exhiben una porosidad del 42%. Las mediciones ultrasónicas proporcionaron un valor de módulo de Young promedio de 39 GPa, que concuerda relativamente bien con la predicción de Gibson y Ashby de 35 GPa. [15]

Los modelos de Gibson y Ashby [17] suponen estructuras ideales; no se consideran las irregularidades microestructurales (por ejemplo, distribución no homogénea de poros; defectos). Además, los resultados experimentales a partir de los cuales se basaron las constantes de proporcionalidad predeterminadas se obtuvieron a partir de valores experimentales obtenidos a partir de pruebas de compresión simples. En consecuencia, es posible que no sean aplicables para cargas multiaxiales. [25]

Modelos de área sólida mínima (MSA)

Los modelos de área sólida mínima suponen que el área de soporte de carga (área de sección transversal normal a la tensión) es la base lógica para modelar el comportamiento mecánico. Los modelos MSA suponen que la interacción de los poros da como resultado la reducción de la tensión. Por lo tanto, las áreas sólidas mínimas son los portadores de la tensión. Como resultado, las propiedades mecánicas predichas fluctúan en función de la cuantificación del área sólida de la espuma. Para las espumas de titanio que consisten en polvos parcialmente sinterizados, el área sólida mínima consiste en el área del cuello entre los polvos a través de la sección transversal de las paredes celulares entre los macroporos. [26] Las relaciones matemáticas en los modelos MSA [27] son ​​relativamente consistentes con el modelo de Gibson y Ashby. [17] [28] Sin embargo, los modelos MSA están diseñados para predecir los parámetros de las propiedades mecánicas en un rango más amplio de niveles de porosidad. Al igual que los modelos de Gibson y Ashby, los modelos MSA se derivaron asumiendo estructuras idealizadas (libres de defectos) que contienen formas, tamaños y distribución de poros uniformes.

Propiedades de compresión

La propiedad mecánica de las espumas de titanio que se menciona con más frecuencia es la resistencia a la compresión. [29] Se aceptaba generalmente que las propiedades de compresión de las espumas metálicas dependían de las propiedades de la pared celular en lugar del tamaño de los poros. Sin embargo, investigaciones más recientes han indicado que los tamaños de poro más pequeños equivalen a una mayor resistencia a la compresión. A medida que los tamaños de poro alcanzan dimensiones nanométricas, la relación es aún más clara debido a los cambios en el mecanismo de deformación. [30]

Tuncer & Arslan fabricaron espumas de titanio mediante el método de los poros esféricos, utilizando poros esféricos de diversas formas para dilucidar el efecto de la morfología celular en las propiedades mecánicas. Descubrieron que las espumas creadas con poros esféricos de urea en forma de aguja exhibían una disminución del módulo elástico y de la resistencia a la fluencia en comparación con los poros esféricos. [31]

Métodos de procesamiento

Muchas técnicas de fabricación de espumas metálicas se llevan a cabo mediante la introducción de una fase gaseosa en una matriz precursora, que puede presentarse en forma de metal fundido o en forma de polvo. Debido al alto punto de fusión del titanio (1670 °C) y a su alta afinidad química con el oxígeno, el nitrógeno, el carbono y el hidrógeno (que se disuelven rápidamente en titanio líquido o sólido a una temperatura superior a los 400 °C [21] ), los procesos de estado sólido basados ​​en la densificación de polvos son el método de fabricación preferido. [15] [21] [26] [29] [32] [33] Los métodos de procesamiento también deben diseñarse para evitar la exposición al aire o la humedad; los procesos de sinterización al vacío o con gas inerte suelen ser suficientes para evitar la contaminación. [21] [34]

Sinterización de polvos sueltos (por gravedad)

Polvo de titanio
Cilindro de esponja de titanio producido mediante pulvimetalurgia, 120 gramos, 3×4 cm.

El uso de métodos de pulvimetalurgia [35] para la fabricación de espuma de titanio permite la producción a temperaturas más bajas que las requeridas a través de un proceso de fusión y reduce los riesgos generales de contaminación. En la sinterización de polvo suelto (también conocida como sinterización por gravedad), los poros se crean a través de la unión por difusión que surge de los huecos existentes entre las partículas de polvo compactadas. La compactación axial seguida de la sinterización sigue el mismo procedimiento que el anterior, pero se aplican presiones para compactar el material precursor. [36] Para ambos métodos de compactación, la morfología de los poros resultante depende de la morfología del polvo metálico, lo que dificulta el control del tamaño, la forma y la distribución de los poros. [35] Otra desventaja incluye la probabilidad relativamente alta de colapso de los poros y los niveles de porosidad alcanzables limitados. [37]

Expansión de burbujas presurizadas

Espuma de titanio con argón

Para producir espumas de titanio mediante la expansión de gas presurizado, la mezcla precursora de titanio se coloca dentro de una lata de metal hermética al gas, que se evacua después del llenado. La lata de metal se presuriza con gas inerte, más comúnmente argón, y se presiona isostáticamente. Los poros llenos de gas están contenidos dentro de la matriz compactada y, al exponerse a temperaturas elevadas, estas burbujas se expanden a través del deslizamiento de la matriz metálica circundante. [38] Dado que el procesamiento de espumas de titanio mediante prensado isostático en caliente (HIP) elimina la necesidad de procesos separados de compactación y sinterización, es posible una variedad más amplia de formas y tamaños personalizados que a través de técnicas de sinterización de polvo suelto. [39] Las desventajas de este proceso incluyen conectividad de poros reducida, porosidad alcanzable limitada y una configuración experimental complicada. [39] Sin embargo, un aspecto único del proceso HIP con respecto al titanio (y otros materiales polimórficos) es que la superplasticidad de transformación se puede mejorar a través del proceso HIP mediante ciclos térmicos, o mediante ciclos alrededor de los límites de temperatura alotrópica alfa/beta del metal. [32]

Expansión superplástica

El titanio sufre una transformación alotrópica desde su fase α (estructura hexagonal compacta (hcp) a temperaturas inferiores a 882,5 °C) a su fase β (estructura cúbica centrada en el cuerpo, bcc) a temperaturas superiores a 882,3 °C). Los productos de titanio de fase alfa suelen presentar una resistencia media a alta con una excelente resistencia a la fluencia, mientras que los productos de titanio de fase beta suelen presentar una resistencia muy alta y una baja ductilidad. [32] [36] Se ha demostrado que las espumas creadas en condiciones de ciclado térmico presentan una mayor porosidad debido a la diferencia de densidad entre las fases alotrópicas. Davis et al. produjeron espumas de titanio con un 41 % de porosidad (en comparación con el 27 % de porosidad a través del mecanismo de fluencia HIP normal). [32] También se observaron aumentos en la ductilidad general en las espumas creadas a través del ciclado térmico. En un experimento similar, se logró una porosidad del 44 % y se determinó como la porosidad máxima alcanzable en condiciones de ciclado térmico. [40] Un estudio posterior también utilizó la explotación de las condiciones de superplasticidad de transformación a través de HIP, pero en este caso, el polvo de titanio en la matriz precursora se reemplazó con alambres de titanio para crear poros anisotrópicos. Los poros anisotrópicos resultantes mostraron una correlación más estrecha con el hueso natural en el sentido de que las espumas exhibieron módulos elásticos, resistencia a la fluencia y deformación más altos cuando se sometieron a fuerzas cargadas longitudinalmente que cuando las cargas se aplicaron transversalmente. [41]

Técnica de retención de espacio

La técnica de retención de espacio es el método más comúnmente empleado para producir espumas de titanio. La técnica de retención de espacio permite la fabricación de espumas de mayor porosidad (35-80% [42] ) que otras técnicas, al mismo tiempo que le da al ingeniero más control sobre la fracción de poros, la forma y la conectividad. [38] Las propiedades mecánicas se pueden ajustar a través del tamaño, la forma y la cantidad de retención de espacio empleados. La técnica de retención de espacio fue demostrada por primera vez por Zhao y Sun [43] para la fabricación de espumas de aluminio en un método pulvimetalúrgico, que consistía en la incorporación de NaCl como retención de espacio. El retención de espacio se mezcló en la mezcla de polvo y se disolvió antes de la sinterización. El mismo método se utilizó para crear espumas de titanio por primera vez cuando Wen et al. utilizaron espaciadores de bicarbonato de amonio. [44]

Selección de polvos

El tamaño y la forma del polvo metálico tienen un impacto directo en la estabilidad del precursor, así como en la espuma resultante. Para este propósito, los polvos que aumentan la eficiencia de empaquetamiento son los más ventajosos. [31] El uso de partículas esféricas puede dar como resultado un menor contacto de partículas, lo que en consecuencia conduce a poros secundarios más grandes y una mayor probabilidad de colapso de poros antes de la sinterización completa. [45] Este factor se puede limitar mediante diferentes técnicas de compactación que disminuyen el grado de sitios intersticiales alrededor de las partículas de titanio. Sin embargo, este método también tiene limitaciones; por ejemplo, los polvos no se pueden compactar a tal grado que promuevan la deformación del espaciador (a menos que se desee una forma de poro anisotrópica). [15] [46]

Selección de espacio de almacenamiento

Tomografía computarizada (a) y micrografía electrónica (b) de la espuma de Ti elaborada con sacarosa como retenedor de espacio, que muestra dos tipos de poros en la espuma de titanio.

La selección del espaciador es uno de los pasos más cruciales porque define muchas de las propiedades de la espuma resultante, incluyendo la forma de las celdas, el tamaño de las celdas y la macroporosidad. El espaciador debe ser inerte y representar el tamaño y la forma de los poros deseados. La porosidad se puede ajustar en cualquier valor entre el 50 y el 85% sin que el material de relleno se convierta en parte de la espuma resultante. [10] También es importante seleccionar un espaciador que tenga una solubilidad limitada o nula en titanio, ya que esta incorporación afectará las propiedades mecánicas de la espuma resultante. [47]

Tamaño y forma del contenedor de espacio

El grado de homogeneidad en la distribución de poros del producto final depende principalmente de la adecuación de la mezcla del precursor. La diferencia en el tamaño de partícula entre los polvos de titanio y los espaciadores afecta directamente la capacidad de mezclar adecuadamente la preforma. Cuanto mayor sea la diferencia de tamaño, más difícil será controlar este proceso. [47] La ​​mezcla no homogénea resultante del uso de espaciadores considerablemente más grandes que las partículas de titanio empleadas ha mostrado efectos adversos en la estabilidad del precursor después de la eliminación del espaciador y en la distribución de la porosidad. [31] [48] Se ha investigado el tamaño del espaciador. [31] [39] [49] Se demostró que el uso de un espaciador grueso da como resultado paredes de poro más gruesas, mientras que el uso de espaciadores más finos da como resultado una compactación mejorada, lo que lleva a una mayor densificación. La mayor densificación se evidencia por una distribución de poros monomodal con el empleo de espaciadores finos y una distribución bimodal utilizando espaciadores gruesos. Además, los espaciadores más finos dan como resultado una distribución de poros más homogénea. Sharma et al. [50] utilizaron espaciadores aciculares y lograron porosidades de hasta el 60% donde los poros no estaban distorsionados. En muestras que emplearon partículas finas, se lograron porosidades de hasta el 70% antes de notar distorsión en los poros. [49] Sin embargo, la distribución de poros bimodal observada en muestras con espaciadores gruesos demostró ser beneficiosa en términos de propiedades mecánicas, ya que se observaron resistencias a la compresión más altas, más allá de las que podrían existir debido a la relación inversa de la porosidad y la resistencia a la compresión por sí solas. [49]

Compactación

La mezcla precursora de polvos y espaciadores se compacta en un molde bajo una presión específica. Esto se puede lograr mediante procesos uniaxiales o isostáticos. Los poros resultantes de este método están abiertos e interconectados a través de ventanas entre poros vecinos, y el tamaño de los poros depende parcialmente del número de coordinación y el área de contacto del compacto resultante. La presión de compactación debe ser lo suficientemente alta para garantizar una resistencia mecánica suficiente para la retención de la geometría de poro especificada por el espaciador, pero no tan alta como para causar la deformación del espaciador. [47]

Sinterización y eliminación de espaciadores

Cuando se emplean espaciadores disolubles, es posible retirar el espaciador después de la sinterización, lo que reduce el riesgo de colapso de los poros. En la mayoría de los casos, las espumas creadas utilizando espaciadores contienen distribuciones de poros bimodales con poros de tamaño macro resultantes de las partículas del espaciador y poros de tamaño micro ubicados en las paredes de los poros y resultantes de la sinterización incompleta de la matriz de polvo. Como resultado, los macroporos suelen presentar superficies internas rugosas. [51] En algunas aplicaciones, como para el uso de implantes biomédicos, esta es una propiedad ventajosa. Se ha demostrado que la porosidad interna (o microporosidad) reduce la rigidez; por lo tanto, reduce el riesgo de efectos de protección contra la tensión, al mismo tiempo que ofrece una mejor osteointegración. [14] [50] [51]

Materiales para el almacenamiento de espacios

Cloruro de sodio (NaCl)

El cloruro de sodio es el espaciador más comúnmente elegido para las espumas de titanio porque es altamente soluble en agua e inerte con respecto al titanio. Esta inercia evita la contaminación y la degradación de las propiedades mecánicas de la espuma resultante. Además, el NaCl no es tóxico; cualquier residuo es bioinerte. [50] [52]

Bansiddhi & Dunand fueron pioneros en el uso de NaCl como un espaciador permanente para la fabricación de espumas de NiTi. [53] Las espumas resultantes consistían en un 32-36% de porosidad con una densificación más completa que la observada al producir espumas de NiTi utilizando un espaciador de fluoruro de sodio (NaF). [54] Sin embargo, los parámetros de procesamiento dieron como resultado NaCl fundido y una mezcla de metal/sal en las cavidades de la espuma. Ciertos riesgos están asociados con el uso de un espaciador fundido, incluida la reacción con el metal, la disolución del espaciador en el metal y la prevención de la densificación a través de la creación de una capa delgada de líquido entre el metal y las partículas. [51] Se logró una densificación casi completa cuando se utilizó NaCl como espaciador permanente en espuma de titanio puro. [15] En este caso, se utilizó una temperatura por debajo del punto de fusión del NaCl; el titanio es menos resistente a la fluencia que el NiTi, lo que permite la densificación a temperaturas más bajas. Las espumas resultantes alcanzaron una porosidad del 50-67% con una microporosidad mínima observable. La forma anisotrópica de los poros en algunas áreas aludía a la deformación del NaCl durante la HIP, lo cual es deseable para algunas aplicaciones. [55] Además, una superficie interna rugosa observada de los poros tiene ventajas para aplicaciones de implantes biomédicos. Jha et al. [45] lograron una porosidad del 65-80% mediante el uso de NaCl como un contenedor de espacio y un proceso de compactación en frío a varias presiones con sinterización de dos etapas. En este caso, el NaCl se eliminó mediante disolución después de la segunda etapa de sinterización. Los módulos de Young resultantes (8-15 GPa) fueron considerablemente más bajos que el módulo de Young de 29 GPa logrado para espumas con una porosidad del 50%. [23] [55] Esto ilustra la relación conocida entre la porosidad y el módulo de Young, en la que el módulo de Young disminuye linealmente con el aumento de la porosidad. La porosidad alcanzable a través del método de retención de espacio está directamente relacionada con el tipo y la cantidad de retención de espacio utilizado (hasta un nivel máximo de porosidad alcanzable).

Magnesio

El magnesio se puede eliminar de forma térmica o por medidas reactivas mediante la disolución en ácido. [26] [56] [57] Esen y Bor [26] encontraron que el contenido crítico de magnesio como retenedor de espacio es del 55-60%, por encima del cual los compactos se encogen excesivamente durante la sinterización. Se demostraron espumas con una porosidad que oscilaba entre el 45 y el 70% con una distribución de poros bimodal y una resistencia a la compresión de 15 MPa (para una porosidad del 70%). Kim et al. fabricaron espumas con poros anisotrópicos mediante la deformación intencional de partículas de Mg durante la compactación en un esfuerzo por mejorar las propiedades mecánicas. Una porosidad final del 70% equivalía a una resistencia a la fluencia de 38 MPa para la orientación normal de los poros y de 59 MPa cuando los poros estaban alineados con la dirección de la compresión. [57]

Urea

Otro espaciador comúnmente empleado para espumas de titanio es la urea , que produjo porosidades de 20 a 75%. [31] [50] [58] [49] [44] Wen et al. [44] produjeron espumas que exhiben una distribución de poros bimodal con porosidades que van desde 55 a 75%, módulos de Young entre 3-6,4 GPa y una tensión de meseta de 10-35 MPa. Se observó una relación inversa entre la tensión de meseta y la porosidad, con una mayor porosidad que resulta en una menor tensión de meseta. [44] Tuncer et al. utilizaron urea en combinación con polvos de titanio de forma irregular en un esfuerzo por aumentar la resistencia verde a través de una mayor eficiencia de empaquetamiento (de partículas). Esto también eliminó la necesidad de la incorporación de un aglutinante. [58]

Almidón de tapioca

El almidón de tapioca se puede quemar fácilmente mediante el proceso de sinterización y es insoluble en titanio. Las espumas de titanio que consisten en una distribución de poros bimodal (macroporos que varían de 100 a 300 μm) y una porosidad del 64-79%, exhibieron límites elásticos de 23-41 MPa y módulos de Young de 1,6-3,7 GPa. [59]

Bicarbonato de amonio

Aunque el bicarbonato de amonio se ha utilizado en la fabricación de espumas de titanio, [44] no es un espaciador ideal, ya que tiene un punto de fusión/disociación bajo y cierta solubilidad en titanio. Esto da como resultado una contracción considerable que dificulta el control de la forma de los poros. Además, la descomposición libera gases nocivos para el medio ambiente. [60]

Congelación por congelamiento

Configuración de solidificación por fundición congelada.
Resistencia a la compresión de materiales de titanio fundidos por congelación creados mediante fundición por congelación.

La fundición por congelación es una técnica de solidificación direccional que se utiliza para fabricar materiales que presentan estructuras de poros alargados y anisotrópicos. [61] La morfología de los poros se define, en gran parte, por la morfología del fluido solidificado. Se han producido espumas de titanio que presentan estructuras de poros dendríticos [62] [63] y lamelares [64] mediante el uso de procesamiento no acuoso y acuoso respectivamente. Estos materiales presentan propiedades mecánicas anisotrópicas como resultado de sus estructuras de poros anisotrópicos. Se ha descubierto que la resistencia a la compresión para cargas aplicadas en paralelo a la dirección de la pared de las espumas de titanio es, en promedio, 2,5 veces mayor que para las aplicadas en perpendicular a la dirección de la pared. [61]

Aplicaciones

Las posibles aplicaciones estructurales de las espumas de titanio incluyen su incorporación general en estructuras ligeras y como componentes para la absorción de energía mecánica. Las consideraciones más importantes para el uso de espumas de titanio en aplicaciones estructurales incluyen su porosidad, resistencia específica, ductilidad en compresión y costo. Debido a los bajos costos de fabricación, la mayoría de las espumas metálicas comercializadas para aplicaciones estructurales son de una variedad de aluminio de celdas cerradas. [65] En comparación, la fabricación de espuma de titanio implica un costo mayor, pero este costo es defendible en aplicaciones espaciales donde el material ofrece una reducción incomparable en el peso total. La menor conductividad térmica del titanio también puede apreciarse en la construcción de cohetes. [1] La resistencia específica, la capacidad general de absorción de energía y el alto punto de fusión refuerzan la superioridad del titanio sobre el aluminio en aplicaciones aeroespaciales y militares. [3] Cuando se utiliza para aplicaciones aeroespaciales, se desean niveles de porosidad cercanos al 90%. [52] Las espumas de titanio son capaces de retener su alta resistencia a la tracción a temperaturas de hasta 400 °C; un límite impuesto por la baja resistencia del metal a la oxidación. [36]

Aplicaciones aeroespaciales

La fuerza impulsora para la sustitución de los materiales existentes por espuma de titanio en el sector aeroespacial resulta de los siguientes cinco factores: [36]

  • Reducción de peso: como sustituto de aceros y superaleaciones a base de níquel;
  • Temperatura de aplicación: como sustituto de aleaciones y aceros a base de aluminio y níquel.
  • Resistencia a la corrosión: como sustituto de aleaciones de aluminio y aceros de baja aleación.
  • Compatibilidad galvánica: con compuestos de matriz polimérica como sustitutos de aleaciones de aluminio
  • Limitaciones de espacio: como sustitutos de aleaciones de aluminio y aceros

El problema más urgente de la ingeniería y su rama avanzada, la ingeniería aeroespacial, es el uso eficiente de los materiales, así como el aumento de la vida útil. [1]

Núcleos de paneles sándwich

Modelo de un conjunto de paneles sándwich

Los núcleos de paneles sándwich se utilizan en toda la industria aeroespacial; se integran en los fuselajes, pisos y paneles internos de las aeronaves. Las construcciones sándwich constan de dos caras separadas por un núcleo grueso y liviano y, por lo general, están compuestas de madera de balsa, polímeros espumados, aluminio unido con pegamento o panales de Nomex (papel). Por lo general, los núcleos se combinan con fibras de refuerzo para aumentar su módulo de corte. [66] De hecho, los polímeros reforzados con fibra de carbono exhiben la mayor rigidez y resistencia específicas de estos materiales. [67] [68] Sin embargo, los polímeros se descomponen a bajas temperaturas; por lo tanto, el empleo de los materiales mencionados anteriormente plantea desafíos inherentes debido al rango limitado de temperatura en el que se pueden utilizar, así como a sus propiedades dependientes de la humedad. [13] La falla más grande y menos predicha dentro del núcleo resulta de la localización de la deformación. La localización de la deformación se refiere al desarrollo de bandas que exhiben una deformación intensa como resultado de la localización de deformaciones en el sólido. [69] [70] Para obtener el mejor rendimiento, la estructura debe presentar una fuerza de respuesta de pico baja y una alta absorción total de energía. [18] Las espumas de titanio son ligeras, rígidas y poseen la capacidad de resistir explosiones. Además, el uso de espumas a base de titanio que exhiban una distribución de porosidad homogénea reduciría significativamente los riesgos asociados con la localización de la deformación. La alta relación resistencia-peso de las espumas de titanio ofrece una oportunidad para proporcionar una mayor rigidez a la flexión y al cizallamiento, así como capacidades de absorción de energía durante los períodos de flexión. [66] [70] [71] Las espumas de titanio se pueden utilizar en entornos con temperaturas elevadas (hasta 400 °C). También se pueden producir estructuras compuestas; se demostró que la incorporación de monofilamentos de carburo de silicio en espumas Ti-6-Al-4V exhibe un módulo elástico de 195 GPa y una resistencia a la tracción de 800 MPa. [72]

Estructuras auxéticas

Las espumas de titanio que presentan estructuras de poros auxéticos son de interés para su incorporación en núcleos de paneles sándwich debido a su rendimiento de corte mejorado. [73] [74] Las espumas con esta estructura de poros exhiben un coeficiente de Poisson negativo en una o más dimensiones. [66] El coeficiente de Poisson se define como la relación entre la deformación contráctil lateral y la deformación de tracción longitudinal para la espuma sometida a tensión uniaxial en la dirección de carga. [75] Los materiales auxéticos suelen ser capaces de resistir hendiduras a través de su respuesta a la compresión; tras la compresión, el material auxético se contrae. [75] Además de la resistencia a la hendidura, la investigación ha demostrado que las espumas auxéticas ofrecen una mejor absorción del sonido y la vibración, una resistencia al corte mejorada y tenacidad a la fractura. Estas estructuras también exhiben flexión sinclástica, lo que las hace aptas para su integración en paneles sándwich curvos.

Implantes biomédicos

(a) Fémur superior con inserto de varilla intramedular simulado fabricado con Ti-6Al-4V. (b) Vista en corte transversal que ilustra un núcleo de espuma interno más poroso rodeado por una estructura de espuma más densa para compatibilidad de rigidez.

Las aleaciones de titanio son el material de elección para una amplia gama de implantes biomédicos. [76] Los implantes de aleación de titanio que se emplean actualmente incluyen: articulaciones de cadera, [77] tornillos para huesos, [9] [78] articulaciones de rodilla, [51] fusiones espinales, [8] articulaciones de hombro, [51] y placas óseas. [76] [79] [80] Estas aleaciones varían desde espumas de titanio comercialmente puras de alta ductilidad con alta formabilidad, hasta aleaciones tratables térmicamente con alta resistencia. El titanio es adecuado para su uso en imágenes por resonancia magnética (IRM) y tomografía computarizada (TC), [81] [82] lo que mejora aún más su aplicabilidad para aplicaciones de implantes biomédicos.

Bioimplantes: microestructura

Los implantes biomédicos deben tener una densidad baja para la comodidad del paciente y una porosidad y área de superficie altas para facilitar la vascularización y el crecimiento de hueso nuevo. [83] Idealmente, el implante permitirá un flujo de fluido suficientemente fácil para la nutrición celular y la multiplicación de osteoblastos, así como la migración para que la colonización celular del implante se vuelva uniforme. Los poros contenidos dentro de la matriz celular de la espuma imitan la matriz extracelular del hueso, lo que permite que el cuerpo se fije con el implante. La porosidad del implante también promueve la aposición y facilita la vascularización, ya que las células pueden unirse, reproducirse y realizar funciones básicas. [84] Se ha demostrado que un tamaño de macroporo de 200 a 500 μm es el preferido para el crecimiento de nuevos tejidos óseos y el transporte de fluidos corporales. El límite inferior está controlado por el tamaño de las células (~20 μm), y el límite superior está relacionado con el área de superficie específica a través de la disponibilidad de sitios de unión. [84] Los poros más finos ayudan aún más en el crecimiento del tejido y el movimiento de biofluidos. [85] Los poros alargados y anisotrópicos (como los que se pueden obtener mediante la técnica de fundición por congelación) pueden ser beneficiosos en los implantes óseos, ya que pueden imitar aún más la estructura del hueso.

La geometría de la superficie porosa de la espuma promueve el crecimiento óseo, proporciona anclaje para la fijación y garantiza que las tensiones se transfieran del implante al hueso. [86] La rugosidad de la superficie en el poro puede mejorar el crecimiento óseo, y el tamaño de célula más grueso facilita un crecimiento tisular más rápido. [55] Para optimizar la funcionalidad del implante y la capacidad de fusionarse con éxito con el hueso, puede ser necesario manipular los métodos de fabricación del material para modificar la estructura de los poros de la espuma. Los cambios en la estructura de los poros pueden influir directamente en la resistencia del implante, así como en otras propiedades clave.

Bioimplantes: propiedades mecánicas

El hueso esponjoso humano posee una rigidez que varía de 12 a 23 GPa; [87] un control y modificación cuidadosos de los parámetros de fabricación para lograr resistencias similares son imperativos para la viabilidad de la integración. [88] La predicción correcta del módulo de Young para espumas es imperativa para la integración biomédica real; un desajuste de los módulos de Young entre el implante y el hueso puede resultar en efectos de protección contra el estrés debido a un manejo desproporcionado del estrés. [89] El implante que típicamente exhibe un módulo de Young más alto que el hueso absorberá la mayor parte de la carga. Como resultado de este desequilibrio, la densidad ósea inicial se reducirá, habrá muerte de tejido y, eventualmente, falla del implante. [90]

El hueso natural muestra la capacidad de ajustar la fibra local desde las regiones de baja tensión hacia las regiones de alta tensión a través de la distribución de la porosidad, maximizando así la comodidad general. [91] Utilizando el análisis de elementos finitos, los investigadores examinaron el efecto de rellenar los poros con hueso sobre las propiedades mecánicas. [90] Llegaron a la conclusión de que el crecimiento óseo hacia el interior mejoraba significativamente las propiedades mecánicas, evidenciado por la disminución de la plasticidad localizada y las concentraciones de tensión. En efecto, la espuma de titanio en el estudio permitió que el hueso exhibiera su capacidad natural de ajustar la fibra local desde las regiones de baja tensión hacia las regiones de alta tensión.

Los experimentos demostraron que las combinaciones aleatorias de tamaño y forma de poro dan como resultado módulos de Young más bajos. Los modelos teóricos para la cuantificación de los módulos de Young no tienen en cuenta la distribución aleatoria de tamaño y forma de poro, por lo que las mediciones experimentales deben realizarse en presencia de tamaños y distribuciones de poro heterogéneos. Esta es una limitación de los modelos micromecánicos analizados anteriormente.

Osteointegración

Los implantes que se utilizan actualmente tardan mucho tiempo en integrarse en el cuerpo después del procedimiento quirúrgico inicial. Ha sido difícil lograr una verdadera adhesión entre el implante y el hueso y, desafortunadamente, las tasas de éxito de la fijación del implante son bajas debido a que el implante no logra una osteointegración a largo plazo en el hueso. [48] [51] [92] Con un número cada vez mayor de personas que requieren implantes ortopédicos, [11] el desarrollo de materiales con potencial estructural y biológico para mejorar la osteointegración es crucial. La utilización de espumas a base de titanio presenta una forma de mejorar potencialmente la bioactividad [6] [93] [94] [95] y reducir los efectos de protección contra el estrés de los materiales de bioimplantes que se emplean actualmente.

El problema de la osteointegración se entiende mejor examinando el proceso de crecimiento natural del hueso. En el cuerpo, el hueso y los tejidos experimentan una autorregeneración y las modificaciones estructurales ocurren normalmente en respuesta a los estímulos ambientales. [96] La osteointegración exitosa ocurre en tres etapas principales que siguen un procedimiento natural determinado biológicamente: 1) incorporación del implante en la formación del hueso, 2) adaptación de la nueva masa ósea para soportar peso y 3) remodelación de la nueva estructura ósea. La primera etapa de este proceso es la más crucial para el éxito general; [97] el implante y el hueso deben formar una conexión rápida, y este vínculo debe ser fuerte y duradero. Debido a su estructura porosa, un implante de espuma metálica de titanio puede lograr una fijación cercana con el hueso y reducirá considerablemente el tiempo de recuperación del paciente. Esencialmente, la espuma se convierte en una matriz extracelular en el cuerpo a medida que el tejido se integra en ella. [84] En la actualidad, los implantes que se utilizan con mayor frecuencia para el reemplazo óseo carecen de la capacidad de promover estas características, que se encuentran en el hueso natural y, como resultado, los implantes tienen una vida útil limitada. [84] Este fenómeno de osteointegración funciona de manera similar a la curación directa de una fractura. Sin embargo, en lugar de que un extremo del fragmento óseo se reconecte al hueso, el extremo del fragmento se conecta a una superficie del implante. [97] En un estudio sobre interacciones fibroblásticas con una aleación de Ti6Al4V de alta porosidad , la espuma metálica favoreció la adhesión y proliferación celular, la migración a través de la red porosa y demostró ser capaz de sostener una gran población celular. [7]

Aumento de la bioactividad mediante recubrimientos

La propensión del titanio a formar una capa de óxido en su superficie evita la corrosión de las superficies que están en contacto con los tejidos humanos porque los óxidos de la superficie minimizan la difusión de iones metálicos desde el material a granel a la superficie. [89] Cuando el titanio obtiene un recubrimiento para hacerlo más bioactivo, puede convertir la superficie de titanio ya biocompatible en una interfaz capaz de mejorar la adhesión de osteoblastos y capaz de promover la osteointegración. [90] Hoy en día, la investigación se centra en gran medida en mejorar la tasa de éxito de la integración y utiliza una comprensión del proceso natural de crecimiento y reparación ósea para crear recubrimientos que mejorarán el acabado de la superficie y las propiedades de la superficie del implante. Estos ajustes permiten que la estructura artificial imite los materiales biológicos y gane aceptación en el cuerpo con menos efectos secundarios negativos. [98] [99] Un estudio clínico y radiográfico de 3 años encontró implantes en humanos recubiertos por hidroxiapatita (HA) nanocristalina para apoyar la osteointegración. El HA nanocristalino se desarrolló con una gran superficie rugosa de poros interconectados entre 10 y 20 nm del gel de matriz de sílice, lo que dio como resultado una estructura ósea porosa. Las tasas medias de pérdida ósea marginal fueron insignificantes y los valores del periotest indicaron una osteointegración sólida. [100] En efecto, los poros están estructurados de tal manera que pueden retener las proteínas en la superficie del biomaterial. Idealmente, esto permite que el cuerpo participe en la autorreparación, ya que el HA sintético se reconoce como un nanomaterial similar en el que pueden desarrollarse tejidos vivos [10].

Las espumas de titanio se pueden recubrir con HA mediante diversos métodos, entre ellos, pulverización de plasma, sol-gel y deposición electroforética. Se ha demostrado que el titanio recubierto con HA presenta una mayor resistencia interfacial en comparación con las espumas de titanio sin el recubrimiento. En un esfuerzo por mejorar el crecimiento óseo, Spoerke et al. desarrollaron un método para el crecimiento de organoapatitas en implantes de titanio. Las organoapatitas pueden ayudar al crecimiento óseo en la interfaz del implante. Las espumas se fabricaron utilizando un proceso HIP modificado, que explota la naturaleza alotrópica del titanio para crear espumas de mayor porosidad. La experimentación in vitro previa con la espuma de organoapatita-titanio arrojó resultados prometedores, incluida la posibilidad de que el tejido encarnado dentro de estos poros recubiertos mejore la vida útil de la espuma mediante la reducción de los efectos de protección contra la tensión. [41]

Estudios en animales

En el laboratorio, el material de injerto óseo nanocristalino sintético en ratones ha mostrado un crecimiento interno de tejido fibroso vascularizado que resultó en una mejor cicatrización. Además, se observaron nuevos vasos sanguíneos el día 5 después de la implantación, y el implante mostró una alta densidad funcional de vasos. [85] En un estudio que examinó las epífisis femorales de conejos en dos a ocho semanas de cicatrización, se comparó el contacto hueso-implante con el crecimiento óseo dentro de las cámaras para cuatro superficies de implante diferentes. Los investigadores descubrieron que los materiales sustitutos óseos pueden mejorar la aposición ósea sobre el titanio. [101]

Véase también

  • Crecimiento óseo en espuma de titanio NRC en YouTube
  • Investigación experimental de una espuma de titanio a velocidades de deformación bajas y altas en YouTube
  • Una nueva espuma de titanio para soporte de cargas ortopédicas en YouTube
  • Nuevas espumas de titanio para implantes dentales más exitosos en YouTube
  • Espuma metálica – Innovation Nation en YouTube

Referencias

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Espuma de titanio .
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