Efecto del anodizado electroquímico en la obtención de nanotubos en la superficie de aleaciones beta de titanio

Abstract

[ES] La estrategia de la Unión Europea es promover la salud en una población con una elevada esperanza de vida y junto a la necesidad de reducir el gasto sanitario, obligan al desarrollo de aleaciones de titanio y tratamientos superficiales que incrementen el ciclo de vida de los implantes y reduzcan los tiempos de hospitalización.

En esta tesis doctoral se propone el desarrollo del proceso de anodizado electroquímico para la obtención de un recubrimiento nanotubular en las aleaciones de titanio beta. Su objetivo principal es la caracterización del recubrimiento superficial con topografía nanotubular en las aleaciones titanio ß para aplicaciones biomédicas.

Los resultados obtenidos muestran que la reducción del tamaño de partícula de los polvos refractarios y el incremento de la temperatura máxima de sinterizado, reduce la porosidad residual e incrementa las propiedades mecánicas de la aleación pulvimetalúrgica de Ti35Nb10Ta. El proceso de anodizado electroquímico, empleando el electrolito compuesto por 1M H3PO4 y 0,8% en peso de NaF, ha permitido obtener una topografía nanotubular en la aleación de Ti35Nb10Ta. La aplicación de un tratamiento térmico, posterior al anodizado, reduce el contenido de flúor presente en el óxido con topografía nanotubular y estabiliza la estructura cristalina del óxido de titanio en las aleaciones ß pulvimetalúrgicas. El proceso de anodizado electroquímico, para la obtención de un recubrimiento nanotubular en las aleaciones de Ti35Nb10Ta, incrementa la rugosidad superficial. La topografía nanotubular incrementa el ángulo de contacto y la energía superficial de las aleaciones de titanio. La irradiación con luz ultravioleta modifica a hidrofílico el comportamiento hidrofóbico de las superficies nanotubulares de titanio. La resistencia a la corrosión del acabado superficial de nanotubos, sin tratamiento térmico, es menor que el resto de los acabados superficiales estudiados por su incremento del área superficial relativa. El tratamiento térmico realizado a las superficies nanotubulares estabiliza las fases cristalinas (anatasa y rutilo) del óxido de titanio e incrementa la resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio.

Por último, para poder introducir la pulvimetalurgia y el acabado superficial nanotubular en el campo de los biomateriales se necesita seguir investigando en subprocesos que mejoren la homogeneidad química/microestructural, sus propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión, así como cuantificación del grado mejora de la biocompatibilidad de estos nuevos acabados superficiales.

[CA] L'estratègia de la Unió Europea és promoure la salut en una població amb una elevada esperança de vida, al costat de la necessitat de reduir la despesa sanitària, obliguen al desenvolupament d'aliatges de titani i tractaments superficials que incrementen el cicle de vida dels implants i reduïsquen els temps d'hospitalització.

En aquesta tesi doctoral es proposa el desenvolupament del procés de anoditzat electroquímic per a l'obtenció d'un recobriment nanotubular en els aliatges de titani beta. El seu objectiu principal és la caracterització del recobriment superficial amb topografia nanotubular en els aliatges ß titani per a aplicacions biomèdiques.

Els resultats obtinguts mostren que la reducció de la grandaria de partícula de les pols refractaris i l'increment de la temperatura màxima de sinterització, redueixen la porositat residual i incrementen les propietats mecàniques de l'aliatge pulvimetal·lúrgic de Ti35Nb10Ta. El procés de anoditzat electroquímic, emprant l'electròlit compost per 1 M H3PO4 i 0,8% en pes de NaF, ha permès obtenir una topografia nanotubular en l'aliatge de Ti35Nb10Ta. L'aplicació d'un tractament tèrmic, posterior a l'anoditzat, redueix el contingut de fluor present en l'òxid amb topografia nanotubular i estabilitza l'estructura cristal·lina de l'òxid de titani en els aliatges ß pulvimetal·lurgics. El procés de anoditzat electroquímic, per a l'obtenció d'un recobriment nanotubular en els aliatges de Ti35Nb10Ta, incrementa la rugositat superficial. La topografia nanotubular incrementa l'angle de contacte i l'energia superficial dels aliatges de titani. La irradiació amb llum ultraviolada modifica a hidrofílic el comportament hidrofòbic de les superfícies nanotubulares de titani. La resistència a la corrosió de l'acabat superficial de nanotubs, sense tractament tèrmic, és menor que la resta dels acabats superficials estudiats pel seu increment de l'àrea superficial relativa. El tractament tèrmic realitzat a les superficies nanotubulares estabilitza les fases cristal·lines (anatasa i rútil) de l'òxid de titani i incrementa la resistència a la corrosió dels aliatges de titani.

Finalment, per poder introduir la pulverimetal·lúrgia i l'acabat superficial nanotubular en el camp dels biomaterials es necessita continuar investigant en subprocessos que milloren l'homogeneïtat química/microestructural, les seves propietats mecàniques i la resistència a la corrosió, així com la quantificar del grau millora de la biocompatibilitat d'aquests nous acabats superficials.

[EN] The European Union's strategy is to promote health in a population with an elevated lifemexpectancy, together with the necessity of reducing healthcare costs, forces the development of titanium alloys and surface treatments that increase the implants life cycle and reduce hospitalization times.

In this Doctoral Thesis, the development of the electrochemical anodizing process is proposed to obtain a nanotubular coating in beta titanium alloys. The main objective is the characterization of the surface treatment, which presents a nanotubular topography, in ß titanium alloys for biomedical applications.

The results show that the particle size reduction on refractory powders and higher maximum sintering temperature reduce the residual porosity and increase the mechanical properties of Ti35Nb10Ta powder metallurgical alloy. The electrochemical anodizing process, using the electrolyte composed of 1M H3PO4 and 0.8% w.t NaF, is capable of obtaining a nanotubular topography in the Ti35Nb10Ta alloy. Heat treatment cycle, after the anodizing process, reduces the fluorine content present in the nanotubular oxide layer and stabilizes the titanium oxide crystalline structure on the powder metallurgy ß titanium alloys. The electrochemical anodization process, to obtain a nanotubular layer in Ti35Nb10Ta alloys, increases the surface roughness. Nanotubular topography increases the contact angle and surface free energy of titanium alloys. The ultraviolet light irradiation modifies the nanotubular titanium surfaces behavior from hydrophobic to hydrophilic. The corrosion resistance for nanotubular surfaces, without heat treatment, is lower than the rest of the surface treatments studied due to its increase in relative surface area. The heat treatment carried out on the nanotubular surfaces stabilizes the titanium oxide crystalline phases (anatase and rutile) and increases titanium alloys corrosion resistance.

Finally, in order to introduce the powder metallurgy and the nanotubular surface treatment in biomedical applications, it is necessary to continue researching in subprocesses that will improve the chemical/microstructural homogeneity, the mechanical properties, and corrosion resistance, as well as quantify the degree of biocompatibility improvement on this new surface treatments.