Desarrollo por procesos pulvimetalúrgicos de aleaciones cuaternarias de alta entropía para aplicaciones biomédicas

Abstract

[ES] Los materiales más utilizados en el ámbito biomédico son el titanio y las aleaciones base titanio por sus propiedades mecánicas, químicas y biológicas. Actualmente, este tipo de aleaciones están en un constante desarrollo debido a las numerosas investigaciones que hay para su uso tanto en prótesis como implantes dentales. Sin embargo, no ha sido posible aún encontrar la combinación de materiales que consiga las propiedades óptimas. Por tanto, uno de los sectores que más está destacando es el de las aleaciones de alta entropía por conseguir una mejora frente a las propiedades de los materiales usados hasta ahora. En este proyecto, se realiza una caracterización completa de las aleaciones equiatómica cuaternaria TiNbZrTa (titanio, niobio, zirconio y tantalio) y equiatómica quinaria TiNbZrTaMo (titanio, niobio, zirconio, tantalio y molibdeno) obtenidas mediante técnicas de pulvimetalurgia convencional. Para conseguirlo, se han analizado y comparado las propiedades microestructurales, mecánicas, químicas y biológicas de ambas. Se han elegido estas dos combinaciones por poseer una alta entropía que consigue unos efectos positivos a la hora de utilizarlas como prótesis o implantes en el cuerpo humano. Se ha realizado la caracterización microestructural para conocer las fases existentes y su homogeneidad química. Por otro lado, se ha hecho una caracterización mecánica con el fin de comprobar si el módulo elástico es cercano al del hueso para evitar un apantallamiento de tensiones. También se ha llevado a cabo una caracterización química mediante un análisis de la liberación de iones y un ensayo de resistencia a la corrosión haciendo uso de una saliva artificial como electrolito para determinar que no presentan citotoxicidad. Finalmente, se ha realizado la caracterización biológica para conocer el comportamiento de ambas aleaciones en contacto con células de pulpa dental humana (hDPSC) y de la línea de osteosarcoma humano (MG-63) y si poseen una buena biocompatibilidad. En este caso, se ha realizado un ensayo de adhesión y otro de proliferación que muestran si los materiales favorecen o no estos procesos, comparándolos con el grupo de control. Tras este proceso, se consigue un análisis suficientemente completo de las propiedades de las aleaciones equiatómicas que permite concluir que a pesar de la falta de difusión a la hora de fabricar las probetas, los resultados de los ensayos son interesantes. Por tanto, sería útil seguir indagando en las aleaciones la alta entropía y las propiedades que se pueden conseguir.

[EN] The most widely used materials in the biomedical field are titanium and titanium-based alloys due to their mechanical, chemical, and biological properties. Currently, these types of alloys are under constant development due to the numerous research projects for their use in prostheses and dental implants. However, it has not yet been possible to find the combination of materials that achieves the optimum properties. Therefore, one of the sectors that is standing out the most is the one based on high entropy alloys, for achieving an improvement over the properties of the materials used until now. In this project, a complete characterisation of the quaternary equiatomic alloys TNZT (titanium, niobium, zirconium and tantalum) and quinary equiatomic alloys TNZTM (titanium, niobium, zirconium, tantalum and molybdenum) obtained by conventional powder metallurgy techniques is carried out. To achieve this, the microstructural, mechanical, chemical and biological properties of both have been analysed and compared. These two combinations have been chosen because they have a high entropy that achieves positive effects when used as prostheses or implants in the human body. Microstructural characterisation has been performed to determine the existing phases and their chemical homogeneity. Furthermore, a mechanical characterisation has been conducted to check if the elastic modulus is close to the bone modulus to avoid stress shielding. A chemical characterisation has also been done by means of an analysis of ion release and a corrosion resistance test using artificial saliva as an electrolyte to determine that they do not present cytotoxicity. Finally, biological characterisation has been carried out to determine the behaviour of both alloys in contact with human dental pulp cells (hDPSC) and the human osteosarcoma line (MG-63), and whether they have good biocompatibility. In this case, an adhesion test and a proliferation test have been performed to show whether the materials favour these processes, compared with the control group. After this process, a sufficiently complete analysis of the properties of the equiatomic alloys is achieved, which leads to the conclusion that, despite the lack of diffusion when manufacturing the specimens, the results of the tests are interesting. Therefore, it would be useful to further investigate the high entropy alloys and the properties that can be achieved.