Desarrollo de ti

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4349 (2023) Citar este artículo

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La prótesis de rodilla de un solo eje es un dispositivo biomecánico artificial que proporciona movimiento a los amputados sin necesidad de aparatos de asistencia. Además de estar compuesto principalmente por materiales metálicos, los materiales comerciales actuales no agrupaban propiedades adecuadas para uso a largo plazo o costo accesible. Este estudio produjo y caracterizó aleaciones de Ti-(10 −x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) para uso potencial como prótesis de rodilla de un solo eje. Las muestras exhibieron una disminución gradual en los valores de densidad, con una mezcla química adecuada de los elementos de aleación en la microescala. La composición de la fase exhibió una fase α primaria con una fase α '+ β menor para las muestras de Ti-8Al-2V y Ti-6Al-4V. Debido a su diferente radio atómico en comparación con Ti, la adición de elementos de aleación cambió los parámetros de la celda. Sus propiedades mecánicas seleccionadas (módulo de Young, microdureza de Vickers y factor de amortiguamiento) obtuvieron mejores valores que el CP-Ti grado 4. Las muestras también exhibieron buenas propiedades de corrosión frente a la solución marina simulada. La resistencia a la tribocorrosión de las muestras fue mejor que el material de referencia, con las huellas de desgaste compuestas por algunas tribocapas y surcos resultantes del desgaste adhesivo y abrasivo. La aleación Ti-10Al mostró las mejores propiedades y el bajo costo estimado para ser utilizada como prótesis de rodilla de un solo eje.

La prótesis de rodilla es un dispositivo biomecánico utilizado por pacientes con amputaciones de pierna y es una forma eficiente de recuperarse de caminar, trotar y estar de pie sin necesidad de aparatos de asistencia. La amputación de una pierna resulta de lesiones (accidentes de tránsito o laborales) o enfermedades (crónicas o relacionadas con la edad) que requieren la extirpación quirúrgica de la extremidad1. Las prótesis de rodilla pueden ser mecánicas o computarizadas, siendo la primera la opción más económica para el paciente. La prótesis mecánica de rodilla también se divide según el número de ejes de rotación, que pueden ser monoeje, multieje o policéntricos2. El de un solo eje es el tipo más simple que permite solo la flexión y extensión de la rodilla, siendo la mejor opción rentable para personas pobres y mayores2,3. Las principales desventajas derivan de la excesiva fuerza muscular necesaria para mantener una marcha y una bipedestación estables, y la dificultad para controlar la rotación de la rodilla, lo que podría impactar en el patrón de marcha y producir riesgo de caídas y lesiones4. Teniendo en cuenta que las prótesis de acero inoxidable actuales no satisfacen las necesidades clínicas, el diseño de aleaciones a base de Ti de bajo costo puede potencialmente superar estos inconvenientes sin aumentar excesivamente los costos.

El Ti y sus aleaciones se han empleado principalmente como materiales biomédicos debido a sus favorables propiedades mecánicas, de corrosión, de desgaste y biológicas. El uso consiste principalmente en implantes y dispositivos para ortopedia, cardiología y odontología5. La combinación de elementos de aleación y los tratamientos termomecánicos adecuados pueden cambiar la proporción de la fase α (estructura cristalina compacta hexagonal, hcp) y β (estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, bcc) o precipitar fases metaestables (como la martensítica α′ y α″ o ω) que pueden impactar directamente en las propiedades del Ti6. La formación de soluciones sólidas de Ti con elementos de aleación no tóxicos se ha establecido actualmente como una estrategia inteligente para superar las limitaciones con respecto al efecto de protección contra el estrés promovido por el desajuste del módulo de Young con el hueso humano, las fallas promovidas por la corrosión de los fluidos corporales y la toxicidad. resultado de iones liberados y desechos originados por mecanismos de desgaste7. Sin embargo, el desarrollo de nuevos materiales basados ​​en Ti que satisfagan todas las necesidades clínicas sigue siendo un desafío.

La aleación Ti-6Al-4V, también llamada CP-Ti grado 5, está designada por la norma ASTM F1368 y actualmente es la aleación de Ti más popular en todo el mundo. El material se desarrolló en la década de 1950 con el objetivo de utilizarlo en componentes estructurales de aeronaves y espacios aéreos debido a su peso ligero, alta resistencia, excelente tenacidad a la fractura y buena resistencia a la corrosión proporcionada por su composición de fase dual α + β. En la década de 1970, el material comenzó a utilizarse como biomaterial, concretamente en la fabricación de implantes ortopédicos. Sin embargo, algunas preocupaciones sobre la liberación de iones Al y V nocivos y tóxicos siguen advirtiendo a la Medicina9,10. En este escenario, algunas estrategias para superar este inconveniente y abrir aplicaciones novedosas se basan en agregar elementos de aleación, como las aleaciones Ti-Al-V-X (X = Fe, Zr y Mo)11,12,13. Sin embargo, los estudios actuales solo se centraron en las aplicaciones potenciales de las aleaciones de Ti en implantes biomédicos sin considerar las prótesis externas, a pesar de las amplias demandas en el campo.

A partir de estas consideraciones anteriores, el desarrollo de una aleación basada en Ti-Al de bajo costo podría ser un enfoque interesante para ser utilizado por personas con amputaciones. En este escenario, este artículo tiene como objetivo producir y caracterizar aleaciones de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) para su uso potencial como prótesis de rodilla de un solo eje por primera vez. Las muestras se caracterizaron por composición química y de fase, densidad, estructura, microestructura y propiedades mecánicas, electroquímicas y de tribocorrosión seleccionadas. Su costo de procesamiento se estimó con base en el precio de las materias primas.

Las muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) se produjeron a partir de Ti comercialmente puro (CP-Ti grado 2)14, Al puro y Ti-6Al-4V (CP -Ti grado 5)8 tras limpieza en baño ultrasónico acuoso y separación en la proporción másica correspondiente. Los lingotes se fundieron en un horno de fusión por arco de argón con un crisol de cobre enfriado por agua y un electrodo de tungsteno. La cámara se limpió previamente en un vacío de 10-3 Torr y posteriormente se purgó con gas argón hasta 102 Torr. Las muestras se volvieron a fundir cinco veces para asegurar una mezcla química adecuada. Luego, las muestras se sometieron a un tratamiento térmico de homogeneización al vacío de 10–5 Torr, una velocidad de calentamiento de 10 K min−1, una meseta de 1273 K, durante 21,6 ks y el horno se enfrió. Posteriormente, las muestras fueron laminadas en caliente a 1273 K, con una reducción de espesor del orden de 5 mm, y enfriadas al aire. Finalmente, las muestras se disolucionaron a 10–5 Torr, en 1173 K, durante 7,2 ks, y se templaron con agua para el alivio de tensiones y la recristalización microestructural.

En el modo de análisis químico semicuantitativo y mapeo elemental, la composición química se evaluó mediante espectroscopia dispersiva de rayos X (EDS; detector Inca X-Act, Oxford Inc.). Los valores de densidad se adquirieron utilizando el principio de Arquímedes y una balanza digital (0,0001 g) a temperatura ambiente y se compararon con los valores teóricos obtenidos a partir del promedio ponderado de los elementos de aleación. La composición de fases se evaluó por difracción de rayos X (XRD; difractómetro Rigaku, modelo MiniFlex 600) a 40 kV y 15 mA, radiación CuKα filtrada con Ni (λ = 0,1544 nm), modo de tiempo fijo, tamaño de paso de 0,02°, y tiempo de recogida de 1,6 s. Los parámetros estructurales se calcularon por el método de Rietveld, utilizando el software GSAS y la interfaz EXPGUI, con hojas de datos cristalográficas de la fase de Ti (ICSD: α-Ti #43,416 y β-Ti #44,391) y muestra estándar de Y2O3 para contribución instrumental. Los detalles específicos sobre la calidad del refinamiento se pueden encontrar en el Material complementario 1. Las características microestructurales se revelaron mediante microscopía óptica (OM; microscopio Olympus BX51M) y microscopía electrónica de barrido (SEM; microscopio EVO LS15, Carl Zeiss Inc.). Para esto, las muestras fueron previamente sometidas a procedimientos metalográficos estándar compuestos por papel impermeable SiC (#180 a #1500), pulido con suspensiones coloidales de alúmina (0.25 µm) y sílice (0.10 µm), y grabado en solución de Kroll.

Las propiedades mecánicas se evaluaron mediante microdureza Vickers (endurecedor HMV-2, Shimadzu Inc., 0.300 kgf por 15 s), módulo de Young y factor de amortiguamiento (método de impulso de excitación, equipo Sonelastic, ATCP Physical Engineering Inc.). Las propiedades electroquímicas se evaluaron mediante potencial de circuito abierto (OCP, 3,6 ks), polarización potenciodinámica (PDP, −1 a 2 V, velocidad de exploración de 10 mV s−1) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS, 10–1 a 106 Hz, amplitud de 10 mV, y 10 puntos por década) pruebas. La muestra se configuró como electrodo de trabajo, un electrodo de Ag/AgCl como referencia y un disco de Pt como contraelectrodo. Las pruebas se realizaron en una solución marina simulada (3,5% NaCl) a temperatura ambiente, utilizando un potenciostato (Metrohm Autolab Inc) acoplado a un módulo de impedancia. Los resultados fueron analizados por el software NOVA versión 2.1. Los detalles sobre el ajuste EIS de los datos se muestran en el Material complementario 2. El comportamiento de tribocorrosión se evaluó en las mismas condiciones que las pruebas electroquímicas, teniendo el deslizamiento de una esfera de alúmina (diámetro de 6 mm) bajo una carga de 1,55 N durante 1,8 ks y frecuencia de 1 Hz. Las imágenes de SEM y microscopía láser confocal (equipo DCM3D, Leica Inc.) analizaron posteriormente la pista de desgaste, que también se utilizó para calcular la rugosidad promedio (Ra) y la raíz cuadrada media (Rrms). Las pruebas se tomaron por triplicado para un cálculo preciso de los valores promedio. Algunos resultados se compararon con CP-Ti grado 4, un material de uso común para la fabricación de implantes médicos.

La Figura 1 muestra los resultados de EDS para las muestras después del tratamiento térmico de solución. La composición química promedio de las muestras adquiridas de tres áreas distintas (Fig. 1a) ampliadas a 1000 × se mantuvo cerca de los valores nominales (desviación por debajo del 1%). El mapeo elemental (Fig. 1b) recopilado en la misma ampliación mostró una buena distribución de los elementos de aleación sin una formación precisa de aglomerados en la escala de decenas de micrómetros. Los resultados siguieron las especificaciones químicas de la norma ASTM F1362 y aseguraron que las muestras procesadas tuvieran buena calidad para el estudio.

Análisis químico EDS: (a) Resultados semicuantitativos y (b) Mapeo elemental.

La composición de fase de las muestras verificadas por los resultados de XRD se muestra en la Fig. 2. Los patrones de XRD (Fig. 2a) del Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) ) las muestras indicaron picos difractados relacionados con la estructura compacta hexagonal (fase α-Ti). El zoom en la región de interés (Fig. 2b) muestra la formación de una cantidad menor de estructura cúbica centrada en el cuerpo (fase β-Ti) con la adición de V, evidenciada por el decaimiento de la intensidad de (002)α y (101 picos de )α y la aparición de un pico diminuto alrededor de 39,5° relacionado con el pico de (110)β en la muestra de Ti-6Al-4V. Este resultado se originó a partir de la acción estabilizadora α y β de los átomos de Al y V, respectivamente, que pueden modificar la temperatura transus β del Ti cuando se utilizan como elementos de aleación10.

Análisis de composición de fase: (a) perfiles XRD extendidos y (b) ampliados.

La proporción de fase y los parámetros de celda de las muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) obtenidas del refinamiento de Rietveld se muestran en la Fig. 3. Los resultados indican un aparente α → Transformación de fase β con la adición de V en la solución sólida, cambiando de aleación de Ti tipo α- a α + β. Por ejemplo, la muestra de Ti-10Al mostró una sola fase α, con parámetros de celda significativamente más bajos que el CP-Ti (aα = 0,2951 nm y cα = 0,4684 nm), lo que puede relacionarse con el radio metálico menor de Al (0,143 nm ) en comparación con Ti (0,147 nm)10,15. Sin embargo, la cantidad de V aumentó gradualmente los parámetros de las células α y β debido a su mayor radio metálico (0,205 nm)15,16. Así como en la fase α, los valores de aβ también fueron inferiores a los del CP-Ti (0,3311 nm)10, lo que indica que los átomos de Al y V estaban diluidos en ambas fases. Slokar, Matkovic y Matkovic17 encontraron resultados similares para algunas aleaciones de Ti-Cr-Nb, quienes notaron una variación significativa de los parámetros de celda de fase α y β con el radio atómico de los elementos de aleación.

Composición de fase y parámetros de celda.

Los aspectos microestructurales de las muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) se representan en la Fig. 4, que representa OM junto con imágenes SEM recopiladas utilizando secundaria (SE) y retrodispersada. haces de electrones (BSE). El cuadrado rojo punteado representa la región de imágenes SEM. La muestra de Ti-10Al estaba compuesta por algunos granos alargados de fase α con dimensiones de algunos cientos de micrómetros. En contraste, la muestra de Ti-8Al-2V presentó placas de fase α permeadas por algunas estructuras aciculares típicas de la fase α' martensítica. Las imágenes SE-SEM de la región martensítica revelaron la presencia de algunos precipitados irregulares de la fase β. La muestra de Ti-6Al-4V también mostró una fase α en forma de láminas y un patrón de onda de canasta resultante de las fases α '+ β. Las imágenes SE-SEM correspondientes indicaron más precipitación de la fase β a través de la fase α'. Las imágenes BSE-SEM exhibieron algunas manchas oscuras que resultan naturalmente del proceso de grabado metalográfico, con cierta tendencia a aparecer contraste Z en el límite α′/β, como resultado de la ubicación preferencial de los elementos de aleación con diferentes números atómicos (Ti = 22 , Al = 13 y V = 23)15. Es bien sabido que la combinación de elementos β-estabilizadores con un tratamiento térmico adecuado puede inducir la precipitación de fases metaestables, como la fase martensítica α', que se forma con una baja cantidad de elementos de aleación18. Como las muestras disueltas sufrieron extinción por agua a temperaturas superiores al β-transus, provocaron la transformación de fase β → α 'junto con el β → α natural durante el enfriamiento. La fase martensítica α 'tiene una estructura cristalina empaquetada hexagonal cerrada distorsionada con el mismo grupo espacial de α-Ti19. Por lo tanto, esta fase era imposible de distinguir mediante el uso de mediciones XRD convencionales.

Análisis microestructural: imágenes OM (izquierda), SE-SEM (centro) y BSE-SEM (derecha).

Los valores de densidad y propiedades mecánicas de las muestras en comparación con CP-Ti para muestras de Ti-(10-x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) se muestran en la Fig. 5. Los valores de densidad experimental ( La Fig. 5a) exhibió la misma tendencia que los valores teóricos, aumentando gradualmente con la adición de V. El incremento en los valores de densidad se produce por el mayor valor de densidad de V (6,11 g cm-3) en comparación con Ti (4,51 g cm-3) y Al (2,70 g cm-3)15, aunque todas las muestras presentaron valores por debajo del CP-Ti. Desde el punto de vista del amputado, los materiales livianos pueden ser una ventaja para la fabricación de prótesis de rodilla, ya que podría resultar en esfuerzos menores para lograr la movilidad1. Las propiedades mecánicas seleccionadas de las muestras se comparan con el CP-Ti como se muestra en la Fig. 5b. El módulo de Young se mantuvo por debajo del CP-Ti, mostrando un decaimiento escalonado con la cantidad de V, proporcionado por la precipitación de las fases α' y β metaestables10. Como se informó anteriormente, los materiales con un módulo de Young bajo, cerca de los huesos corticales humanos (~ 30 GPa), pueden proporcionar una transmisión adecuada de las cargas biomecánicas, evitando la atrofia ósea causada por el efecto de protección contra el estrés5. Por el contrario, los valores de microdureza de Vickers fueron más altos que los de CP-Ti, lo que resultó en mecanismos de endurecimiento por precipitación de fase y solución sólida provocados por los elementos de aleación y las fases metaestables18,20. La ligera disminución de la microdureza con la cantidad de V resultó en menos endurecedor que el Ti en solución sólida21. La dureza está directamente relacionada con la resistencia mecánica, por lo que los materiales metálicos duros pueden presentar propiedades mecánicas favorables para las prótesis. En cuanto al factor de amortiguamiento (Q−1), la muestra de Ti-10Al exhibió un valor más alto que las muestras, destacando su capacidad para absorber vibraciones mecánicas sin deformación significativa. Los materiales de alta amortiguación pueden brindar un mejor soporte para las cargas mecánicas sin fallar, lo que podría ser útil para los materiales biomédicos que soportan cargas22. Desde el punto de vista mecánico, la aplicabilidad potencial para su uso como prótesis de rodilla se puede enumerar como Ti-10Al > Ti-8Al-2V > Ti-6Al-4V > CP-Ti.

Propiedades seleccionadas: (a) densidad y (b) valores mecánicos.

Los resultados obtenidos de las pruebas electroquímicas realizadas en una solución marina simulada (3,5 % de NaCl) para muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4 % en peso) se muestran en la Fig. 6. Los valores de OCP (Fig. 6a) de la muestra de Ti-10Al tuvieron el comportamiento más noble, lo que indica una capa de óxido pasiva más estable en la superficie. Los resultados del PDP (Fig. 6b y Tabla 1) indican que todas las muestras poseían un potencial de corrosión (Ecorr) por debajo del CP-Ti con una corriente de corrosión ligeramente más alta (jcorr), lo que podría indicar una resistencia menor a la polarización y degradación de la superficie. Sin embargo, los valores de resistencia a la polarización (Rp) y velocidad de corrosión (CR) se mantuvieron en la misma magnitud, lo que indica un comportamiento similar frente a la solución marina simulada. Además, considerando que la muestra de Ti-6Al-4V ya se utiliza comercialmente como material metálico biomédico, las demás muestras exhibieron resultados aptos para la aplicación como prótesis de rodilla. Además, en la región catódica a potenciales más altos, CP-Ti fue más susceptible a picaduras debido a las oscilaciones típicas después de la ruptura de la capa pasiva, mientras que las otras muestras permanecieron estabilizadas. El diagrama de Nyquist de los resultados de EIS se muestra en la Fig. 6c, donde se puede ver un único semicírculo aparente en todas las muestras. El diámetro del semicírculo para la muestra de Ti-10Al fue el más grande, lo que indica una probable resistencia a la polarización más alta que las otras muestras23. El circuito eléctrico equivalente en la Fig. 6e muestra una combinación de un componente resistivo de la solución y un solo circuito eléctrico paralelo de la capa de óxido, indicado por un circuito de Randles. El circuito comprendía la resistencia de polarización de la solución (Rs) y la capa de óxido (Rp), y un elemento de fase constante (CPE). Chávez-Díaz et al.24 reportaron que la capa pasiva de la aleación Ti-6Al-4V está compuesta principalmente por TiO2 y sus subóxidos (TiO y Ti2O3), y una menor cantidad de Al2O3, lo que contribuyó positivamente a incrementar la resistencia a la corrosión en La solución de Hank. A partir de los parámetros ajustados de EIS indicados en la Tabla 2, es posible observar que las muestras poseían un mayor valor de resistencia a la polarización de sus óxidos (Rp) en comparación con el CP-Ti, lo que indica una protección significativa contra el entorno marino simulado. El diagrama de Bode (Fig. 6d) muestra que CP-Ti a baja frecuencia tiene una resistencia similar a las otras muestras, lo que significa un excelente comportamiento de la capa protectora de TiO2. Por otro lado, a alta frecuencia, CP-Ti presentó la mayor capacitancia entre las muestras, permitiendo un importante paso de electrones a través de la superficie y la ocurrencia de mecanismos de degradación. El exponente de constante de fase α denota el comportamiento eléctrico del componente CPE, siendo todos los resultados obtenidos de los óxidos más cercanos al valor 1.0 e indicaron una característica capacitiva. Aún así, las muestras de Ti-Al-V exhibieron muestras menores, lo que indica una tendencia al comportamiento resistivo. Como es sabido, un comportamiento capacitivo indica que las cargas ordenadas en la superficie están permitidas para que los electrones la atraviesen. En cambio, el comportamiento resistivo forma una capa protectora que no permite el paso de electrones25. La resistencia a la corrosión del material frente a soluciones marinas simuladas permite el uso de prótesis en ambientes marinos26, aumentando la calidad de vida y la integración del amputado en la sociedad. Desde el punto de vista electroquímico, las muestras se pueden clasificar como Ti-10Al > CP-Ti > Ti-8Al-2V > Ti-6Al-4V.

Análisis electroquímico: (a) OCP, (b) PDP, (c) y (d) resultados de EIS, y (e) circuito eléctrico equivalente.

Los valores de rugosidad de las muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) tomadas antes y después de las pruebas electroquímicas se comparan en la Fig. 7. Es posible notar que el Los mecanismos corrosivos que ocurrieron en la superficie dieron como resultado cambios significativos en los valores Ra e Rrms en todas las muestras. Las superficies rugosas pueden indicar la presencia de corrosión por picaduras y más tendencia a la corrosión27. Chi, Yi y Liu28 encontraron un efecto significativo de la rugosidad en las propiedades electroquímicas y la corrosión por picaduras en la aleación Ti-6Al-4V en una solución ácida a base de HCl una vez que la topografía irregular retrasa de alguna manera la pasivación del óxido de la superficie. En este sentido, las muestras de Ti-10Al y Ti-6Al-4V, que presentaron variaciones menores en los valores de rugosidad, presentaron los resultados más favorables.

Cambios de rugosidad con el análisis electroquímico: (a) Ra y (b) valores Rrms.

Los valores OCP de las muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) registradas durante la prueba de tribocorrosión y los valores COF correspondientes se muestran en la Fig. 8. En general, los resultados siguió las características típicas de las aleaciones de Ti biomédicas cuando se sometieron a mecanismos de desgaste y corrosión en ambientes corrosivos acuosos29. Durante la fricción por deslizamiento (Fig. 8a), los valores de OCP decayeron bruscamente para todas las muestras debido a la eliminación de la capa pasiva de óxido por parte del contracuerpo (despasivación). Con respecto a los valores de OCP inicial y final, CP-Ti mostró una brecha más significativa, lo que indica que las muestras producidas fueron más nobles debido a su OCP más positivo a CP-Ti durante el deslizamiento. Las curvas rugosas fueron más altas en CP-Ti, como resultado de la constante remoción y repasivación de la capa de óxido y la deposición de tribocapas en la superficie de los escombros. Sin embargo, como estos desechos también se pueden liberar en el cuerpo humano, tuvieron un impacto notable en la producción de citocinas, que pueden deteriorar la viabilidad celular30. La muestra de Ti-10Al exhibió los valores OCP más nobles, lo que indica una mejor estabilidad superficial durante el deslizamiento. Con la detención deslizante, todas las muestras mostraron una mejor capacidad de repasivación que el CP-Ti, como lo indican los valores más altos de OCP. Aunque el más estable después de la repasivación fue el Ti-6Al-4V debido a que la línea es casi recta, el Ti-10Al tuvo la mejor tendencia a la repasivación en el retorno en comparación con todas las aleaciones estudiadas. A pesar de esto, los valores COF de todas las muestras permanecieron casi iguales (alrededor de 0,30–0,40). Así, desde el punto de vista de la tribocorrosión, las muestras se pueden clasificar como Ti-10Al > Ti-8Al-2V > Ti-6Al-4V > CP-Ti.

Análisis de tribocorrosión: (a) resultados OCP y (b) COF.

Las imágenes láser 3D confocal para muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) se muestran en la Fig. 9. Es posible evaluar la topografía de la pista de desgaste resultante después de la prueba de tribocorrosión. El ancho de la pista de desgaste de las muestras permaneció más bajo que el CP-Ti, lo que indica una mejor resistencia a la tribocorrosión y un menor volumen de desgaste. Todas las huellas de desgaste presentaban ranuras típicas que resultaban en un desgaste abrasivo con el contracuerpo31. Las imágenes SEM (Fig. 9b y c) muestran que la pista de desgaste de la muestra de Ti-10Al parecía más plana con una cierta cantidad de placas de tribocapa depositadas que se originaron de la deposición de residuos de desgaste, que es típico del desgaste adhesivo. Las muestras mostraban una pista de desgaste con un ancho de alrededor de 300 µm mientras que el CP-Ti presentaba 500 µm. Feyzi et al.32 reportaron los mismos mecanismos de desgaste e investigaron el efecto de la fuerza normal y el potencial aplicado en el comportamiento de tribocorrosión de la aleación Ti-6Al-4V en solución PBS (Phosphate-Buffered Saline).

Topografía de las pistas de desgaste: (a) imágenes láser 3D confocal a 10x e imágenes SE-SEM a (b) 100x y (c) 1000x.

La figura 10 muestra una estimación del precio de fabricación del material basado únicamente en el precio de mercado de las materias primas. Comparó el precio mundial promedio (US$ por kg) para el CP-Ti de grado 2, Al puro y Ti-6Al-4V informado por Berkeley Lab (www.materialslab.org). El precio estimado de las aleaciones de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) se calculó a partir de los valores ponderados de las materias primas utilizadas en este estudio. Pure Al tiene una elevada reciclabilidad y la aleación Ti-6Al-4V se comercializa principalmente en todo el mundo, por lo que su precio es más bajo que el CP-Ti. Como resultado, el uso de estos materiales como elementos de aleación proporcionó valores de precio más atractivos para las aleaciones Ti-10Al y Ti-8Al-2V. Por lo tanto, considerando las propiedades mecánicas, electroquímicas y de tribocorrosión, la aleación Ti-10Al podría ser la mejor opción para la fabricación de prótesis de rodilla de un solo eje, asegurando un bajo costo y uso a largo plazo.

Precio estimado para fabricar las muestras.

Se produjeron muestras de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 y 4% en peso) y se caracterizaron para su posible aplicación como prótesis de rodilla de un solo eje. Las muestras exhibieron una mezcla excelente de los elementos de aleación en la escala de decenas de micrómetros, teniendo una fase α primaria con cantidades menores de fase α' y β metaestable inducida por la aleación del estabilizador V V en la solución sólida. Los parámetros de la celda cambiaron con la composición química, dependiendo del radio atómico de los elementos Al y V de sustitución. La microestructura estaba compuesta inicialmente por granos alargados de la fase α, cambiando de una estructura de tejido de cesta típica de la fase dual α′ + β. Debido a la composición química y de fase, la microdureza Vickers, el módulo de Young y el factor de amortiguamiento cambiaron gradualmente. Las pruebas electroquímicas indicaron una adecuada resistencia a la corrosión frente a la solución marina simulada (3,5% NaCl). Las pruebas de tribocorrosión también mostraron resultados emocionantes para la aplicación, siendo la pista de desgaste evidencia de mecanismos de desgaste abrasivo y adhesivo. Las muestras de Ti-10Al exhibieron las mejores propiedades mecánicas, electroquímicas y tribocorrosivas para su uso como componente de rodilla de un solo eje, precio especialmente atractivo en relación con CP-Ti grado 2, lo que brinda nuevos horizontes para desarrollos novedosos de aleaciones basadas en Ti destinadas a una externa. prótesis. La investigación adicional sobre la fabricación avanzada de Ti-10Al poroso, como el uso de tecnologías de impresión 3D, puede beneficiar la reducción del peso y los costos de la prótesis sin afectar significativamente estas propiedades.

Los datos pueden ser compartidos bajo solicitud a la dirección de correo electrónico: [email protected].

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Descargar referencias

Los autores agradecen al Profesor Oscar Balancin y al Sr. Rover Belo del Departamento de Ingeniería de Materiales (DEMA – UFSCar – São Carlos) por el uso de equipos de laminación en caliente, al Sr. Hamilton José de Mello de la Escuela de Ingeniería (FEB –UNESP – Bauru) por el uso de equipos de microdurómetro y el Sr. Williams Govedise de la Facultad de Ciencias (FC – UNESP – Bauru) por la asistencia en el procesamiento de las muestras. El Instituto de Estudios Avanzados del Océano (IEMAR – UNESP – São Vicente) para el uso de equipos electroquímicos. Este estudio fue financiado por CNPq (subsidios #407251/2018-9 y #314810/2021-8), FAPEAM (subsidio #001/2019-PROPG-CAPES/FAPEAM) y FAPESP (subsidio #13921-3/2021) agencias

Laboratorio de Anelasticidad y Biomateriales, Universidad del Estado de São Paulo (UNESP), Facultad de Ciencias, Bauru, SP, 17033-360, Brasil

BO Pinto, JE Torrento, CR Grandini y DRN Correa

Laboratorio de Caracterización Física y Reológica, Universidad del Estado de São Paulo (UNESP), Facultad de Ciencias, Bauru, SP, 17033-360, Brasil

EL Galindo & CAF Pintão

Laboratorio de Nanotecnología y Materiales Avanzados, Universidad del Estado de São Paulo (UNESP), Facultad de Ciencias, Bauru, SP, 17033-360, Brasil

AA Santos & PN Lisboa-Filho

Departamento de Química Facultad de Ciencias, Universidad del Estado de São Paulo (UNESP), Facultad de Ciencias, Bauru, SP, 17033-360, Brasil

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BOP: Conceptualización, Metodología, Investigación, Curación de datos, Redacción—borrador original; JET: Investigación, Curación de datos, Redacción—borrador original; CRG: Metodología, Recursos, Curación de datos, Redacción—borrador original; ELG: Metodología, Curación de datos, Redacción—revisión; CAFP: Metodología, Recursos, Curación de datos, Recursos, Redacción—revisión; AAS: Metodología, Recursos, Curación de datos, Redacción—revisión; PNL: Metodología, Recursos, Curación de datos, Redacción—borrador original; FMLP: Metodología, Recursos, Curación de datos, Recursos, Redacción—revisión; DRNC: Conceptualización, Investigación, Curación de datos, Recursos, Supervisión, Adquisición de fondos, Redacción—borrador original.

Correspondencia a DRN Correa.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pinto, BO, Torrento, JE, Grandini, CR et al. Desarrollo de aleaciones de Ti-Al-V para uso como prótesis de rodilla de un solo eje: evaluación de comportamientos mecánicos, de corrosión y tribocorrosión. Informe científico 13, 4349 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31548-1

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Recibido: 02 febrero 2023

Aceptado: 14 de marzo de 2023

Publicado: 16 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31548-1

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