Análisis y cuantificación de la degradación tribo-electroquímica a través de la medida de metales disueltos y partículas sólidas de nuevas aleaciones de titanio para uso biomédico

Abstract

[ES] El estudio de aleaciones de titanio beta es de suma importancia para el desarrollo de nuevos biomateriales para implantes protésicos. La adición de hierro a estas aleaciones aumenta la porosidad de las mismas, favoreciendo la osteointegración, pero empobreciendo sus propiedades mecánicas. Por ello, un análisis tribo-electroquímico de la aleación Ti-35Nb-10Ta-3Fe se hace necesario para evaluar su viabilidad en aplicaciones biomédicas. A través del enfoque de la tribocorrosión, en el que se tienen en cuenta los efectos interrelacionados de la corrosión y el desgaste mecánico cuando ocurren de forma simultánea, se han cuantificado los volúmenes de desgaste que tienen lugar bajo condiciones similares a las de operación (condiciones de desgaste y corrosión). Para la realización de los ensayos de tribocorrosión se han combinado ensayos tribológicos del tipo bola sobre disco (ball-on-disk) y ensayos potenciostáticos utilizando una disolución salina como electrolito. También se ha analizado el coeficiente de fricción, así como la rugosidad, la microdureza y la superficie de las muestras por medio de microscopía electrónica de barrido al final de cada ensayo. El tamaño y la concentración de las partículas liberadas en el electrolito tras los ensayos se han intentado cuantificar por medio de la técnica de la dispersión dinámica de la luz y por espectrometría de emisión óptica por plasma de acoplamiento inductivo (ICPOES), respectivamente. Sin embargo, la heterogeneidad de las partículas de desgaste recogidas y la imposibilidad de disolver el titanio ha impedido un análisis cuantitativo de dichas partículas, habiéndose hecho un análisis cualitativo. Se observa una influencia del potencial (espesor y composición química de la capa pasiva) sobre el comportamiento frente a la tribocorrosión y en la morfología de las partículas de desgaste, que tienden a aglomerarse y aumentar en tamaño con el potencial. La influencia de la corrosión en la zona no afectada mecánicamente también aumenta con el potencial electrodo.

[CA] L'estudi d'aliatges de titani beta és de la màxima importància per al desenvolupament de nous biomaterials per a implants prostètics. L'addició de ferro a estos aliatges augmenta la seua porositat, afavorint l'osteointegració, però s'empobrixen les seues propietats mecàniques. Per això, una anàlisi tribo-electroquímic de l'aliatge Ti- 35Nb-10Ta-3Fe es fa necessari per avaluar la seua viabilitat en aplicacions biomèdiques. Mitjançant l'enfocament de la tribocorrosió, en el que es tenen en compte els efectes interrelacionats de la corrosió i el desgast mecànic quan ocorren de forma simultània, s'han quantificat els volums de desgast que tenen lloc sota condicions semblants a les d'operació (condicions de desgast i corrosió). Per a la realització dels assajos de tribocorrosión s'han combinat assajos tribològics del tipus bola sobre disc (ball-on-disk) i assajos potenciostáticos utilitzant una dissolució salina com a electròlit. També s'ha analitzat el coeficient de fricció, així com la rugositat, la microduresa i la superfície de les mostres per mitjà de microscòpia electrònica de rastreig a la fi de cada assaig. La grandària i concentració de les partícules alliberades en l'electròlit després dels assajos s'han tractat de quantificar per mitjà de la tècnica de la dispersió dinàmica de la llum i per espectrometria d'emissió òptica per plasma d’acoblament inductiu (ICP-OES), respectivament. No obstant això, l'heterogeneïtat de les partícules de desgast arreplegades i la impossibilitat de dissoldre el titani ha impedit una anàlisi quantitativa d’aquestes partícules, havent-se fet una anàlisi qualitativa. S'observa una influència del potencial (espessor i composició química de la capa passiva) sobre el comportament enfront de la tribocorrosió i en la morfologia de les partícules de desgast, que tendixen a aglomerar-se i augmentar en grandària amb el potencial. La influència de la corrosió en la zona no afectada mecànicament també augmenta amb el potencial elèctrode.

[EN] The study of beta titanium alloys is of great importance for the development of new biomaterials for prosthetic implants. The addition of iron to these alloys increases its porosity, boosting osseointegration, but its mechanical properties decrease. For this reason, a tribo-electrochemical analysis of the Ti-35Nb-10Ta-3Fe becomes necessary to assess its viability in biomedical applications. Through the tribocorrosion approach, in which the interrelated effects of corrosion and mechanical wear are taken into account when they occur simultaneously, the wear volumes that take place under conditions similar to operating conditions (those of wear and corrosion) have been quantified. Carried out tribocorrosion tests have combined ball-on-disk tribological tests with potentiostatic tests, using a saline solution as electrolyte. The coefficient of friction has been analysed too, along with rugosity, microhardness and the surface of the samples by means of scanning electron microscopy at the end of each test. An attempt to quantify size and concentration of detached particles in the electrolyte by means of Dynamic Light Dispersion and Optical Emission Spectroscopy by Inductively Coupled Plasma (ICP-OES), respectively, has been made. However, the heterogeneity of the collected wear particles and the impossibility of titanium dissolution have impeded a quantitative analysis of said particles, so a qualitative analysis has been carried out. An influence of the potential has been observed (due to width and chemical composition of the passive layer) in the behaviour in tribocorrosion and in the morphology of wear particles, which tend to agglomerate and increase its size along with the potential. The influence of corrosion in the mechanically unaffected area also increases along with the applied potential.