Biocompatible Ti-based metallic glasses and nanocomposite materials

  1. Anna Paulina Hynowska
Supervised by:
  1. M. D. Baró Director
  2. Eva M. Pellicer Vilà Director
  3. Jordi Sort Viñas Director

Defence university: Universitat Autònoma de Barcelona

Year of defence: 2014

Committee:
  1. J. Francesc Piniella Chair
  2. Amadeu Concustell Fargas Secretary
  3. Sebastiano Garroni Committee member

Type: Thesis

Teseo: 371962 DIALNET lock_openTESEO editor

Abstract

Aquesta Tesi comprèn la síntesi i caracterització d’aliatges de base Ti amorfs i nanoestructurats. Així, s’han estudiat diversos aliatges amb composició Ti-44.3Nb- 8.7Zr12.3Ta, Ti-31.0Fe-9.0Sn, Ti40Zr20Hf20Fe20, Ti45Zr15Pd35-xSi5Nbx (x = 0, 5%) com a exemples d’aliatges de base Ti nanoestructurats, i el vidre amorf massís Ti40Zr10Cu38Pd12. Aquests materials es van escollir tenint en compte les seves potencials aplicacions com a implants ortopèdics. La primera part d’aquesta Tesi va consistir en la síntesi i caracterització d’aquests aliatges bo i fent especial èmfasi en les correlacions existents en el triangle microestructura – comportament mecànic – biocompatibilitat. En la segona part es van dur a terme tractaments d’irradiació amb feixos d’ions del vidre amorf com a estratègia per modificar les seves propietats superficials i, de retruc, incrementar-ne la compatibilitat biomecànica. Totes les mostres es van sintetitzar per fusió d’arc i posterior emmotllament. Es va dur a terme una caracterització exhaustiva de tipus tèrmic i estructural de les mostres anteriorment mencionades mitjançant calorimetria diferencial d’escombrat (DSC), difracció de raigs X (XRD) i microscòpia electrònica de rastreig i transmissió (SEM, TEM). Tot seguit, els materials es van caracteritzar mecànicament (nanoindentació, mesures acústiques), electroquímicament (assaigs de polarització potenciodinàmica) i biològicament (toxicitat, morfologia, adhesió i diferenciació cel·lular). S’ha vist que l’aliatge nanoestructurat Ti-Nb-Zr-Ta és interessant pel seu baix mòdul de Young (Er = 71 GPa), mentre que el sistema Ti-Fe-Sn destaca per la seva elevada duresa (H = 8.9 GPa). Ensems, l’aliatge Ti-Zr-Pd-Si-Nb posseeix un mòdul de Young relativament baix (Er = 85 GPa) i una duresa elevada (H = 10.4 GPa). En general, quan s’alien amb el Ti elements estabilitzadors tipus ? (Nb, Ta, Fe i Pd), combinats d’una forma adient, s’aconsegueix reduir del mòdul de Young del material i, al mateix temps, incrementar-ne la duresa. La substitució parcial de Pd per Nb és una estratègia eficaç per disminuir el mòdul elàstic (es va observar una davallada de fins a un 30% en el valor de Er) del sistema Ti-Zr-Pd-Si i, simultàniament, reduir-ne el cost. D’altra banda, s’obtenen valors elevats de duresa, com és el cas dels aliatges Ti-Zr-Pd-Si-(Nb) i Ti-Zr-Hf-Fe, quan s’aconsegueix tenir una microestructura formada per una mescla de nanofases. Val a dir que tots els aliatges estudiats presenten una resistència al desgast superior a la de l’aliatge d’ús comercial Ti-6Al-4V. Així mateix, no s’ha observat un deteriorament significatiu dels materials en els estudis de corrosió electroquímica, malgrat que es va detectar atac per picadura en el vidre amorf massís Ti40Zr10Cu38Pd12. Els assajos biològics van demostrar que tant les cèl·lules preosteoblast de ratolí com humanes s’adhereixen molt bé sobre la superfícies dels aliatges i que són capaces de diferenciar-se en osteoblasts, en part com a consequ?ència de la presència d’elements no tòxics en la seva composició. En aquesta Tesi també es demostra que per a fluències d’ions i energies incidents suficientment baixes, es preserva el caràcter amorf del vidre massís Ti40Zr10Cu38Pd12 després de la irradiació a temperatura ambient. En canvi, quan aquestes condicions d’irradiació s’apliquen a una temperatura propera a Tg (620 K), s’indueix una nanocristal·lització parcial a la superfície del material. Això fa que ocorrin canvis en les propietats mecàniques que són totalment oposats dels observats a temperatura ambient (reducció de la duresa i del mòdul de Young probablement a causa de l’increment de concentració del volum lliure). En particular, després del tractament amb feixos d’ions a alta temperatura, s’observa un increment tant de la duresa com del mòdul de Young. Els resultats indiquen, per tant, que bo i modulant tant la temperatura de la mostra com les condicions d’irradació, poden controlar-se les propietats del material resultant per tal de satisfer demandes tecnològiques específiques, com ara de tipus mecànic.