Fabricación de materiales porosos de Ti-6Al-4V mediante dilatometría in-situ para aplicaciones biomédicas

Abstract

The main objective of implanting a biomaterial inside the human body is to replace and/or to restore the living tissues and their functions, this includes when a part of the body that has lost its function by trauma or disease is substituted in order to promote the regeneration, or to correct any kind of anomaly, and it helps in the same function as the substituted part. Nowadays, materials used as implants have to be more reliable in order to satisfy the highest requirements of chirurgical implants. Thus, the research for new and better materials has been especially directed in the way to produce biomaterials with similar mechanical properties of the bones, as well as materials with best features of biocompatibility, chemical stability and properties suitable for better performance in the long term. The most commonly used materials include stainless steels, cobalt-chromium alloys and some alloys of titanium, among which highlights the Ti6Al4V alloy. The aim of this work is to study the sintering parameters as well as the effect of particle size of powders to produce porous materials through powder metallurgy route and to evaluate their mechanical properties in order to obtain similar properties to the cortical bone. To accomplish our goal, sintering of loose Ti6Al4V powders was performed in a vertical dilatometer. The particle size distribution was varied from 20 to 120 μm and the sintering temperature between 900 to 1000 °C. The sintering kinetics of the samples was estimated and the densification during the whole thermal cycle was followed. The final pore volume fraction obtained ranged from 32 to 41 %. Additionally, the Young's modulus and the yield strength were assessed from compression tests. The values obtained are similar to those reported for the cortical bone.

El principal objetivo de la implantación de un biomaterial en el interior del cuerpo humano es para reemplazar y / o para restaurar los tejidos vivos y sus funciones, esto incluye cuando una parte del cuerpo que ha perdido su función por un traumatismo o enfermedad está sustituida con el fin de promover la regeneración, o para corregir cualquier tipo de anomalía, y ayuda en la misma función que la parte sustituida. Hoy en día, los materiales utilizados como implantes tienen que ser más fiable con el fin de satisfacer los requisitos más exigentes de los implantes quirúrgicos. Por lo tanto, la investigación de nuevos y mejores materiales ha sido especialmente dirigida en la forma de producir biomateriales con propiedades mecánicas similares de los huesos, así como materiales con mejores características de biocompatibilidad, estabilidad química y propiedades adecuadas para un mejor rendimiento en el largo plazo. Los materiales más utilizados son aceros inoxidables, aleaciones de cobalto-cromo y algunas aleaciones de titanio, entre las que destaca la aleación Ti6Al4V. El objetivo de este trabajo es el estudio de los parámetros de sinterización, así como el efecto del tamaño de partícula de los polvos para producir materiales porosos mediante metalurgia de polvos y para evaluar sus propiedades mecánicas con el fin de obtener propiedades similares a las del hueso cortical. Para lograr nuestro objetivo, la sinterización de polvos sueltos Ti6Al4V se realizó en un dilatómetro vertical. La distribución del tamaño de partícula se varió de 20 a 120 micras y la temperatura de sinterización entre 900 a 1000 ° C. La cinética de sinterización de las muestras se calculó y se siguió la densificación durante todo el ciclo térmico. La fracción final del volumen de poros obtenida va de 32 a 41%. Además, el módulo de Young y el límite elástico se evaluaron a partir de ensayos de compresión. Los valores obtenidos son similares a los reportados para el hueso cortical.