Implementación y caracterización de HEAs de TNTH-Mo con gradiente funcional de porosidad sinterizadas por FAST/SPS para aplicaciones biomédicas

Abstract

En esta investigación se desarrollaron y caracterizaron aleaciones de titanio de alta entropía (Ti0.30Nb0.25Ta0.25Hf0.10Mo0.10) con gradientes de porosidad funcionales, las cuales fueron sinterizadas mediante FAST/SPS, para buscar nuevos biomateriales para implantes de tejido óseo. En la actualidad, no existe un material que tenga las propiedades similares a las del tejido óseo humano sano en conjunto con una biocompatibilidad alta. Los materiales más utilizados corresponden a aleaciones de titanio, las cuales presentan un elevado módulo de elasticidad, lo que puede producir apantallamiento de tensiones, fracturas y otros problemas. El escenario actual y futuro indica un aumento en la población global de personas mayores de 60 años, las cuales son más propensas a necesitar trasplantes óseos, por lo que es necesario desarrollar aleaciones de titanio beta que cuenten con un menor módulo de elasticidad; por ello, el objetivo de este trabajo fue desarrollar aleaciones de alta entropía de Ti0.30Nb0.25Ta0.25Hf0.10Mo0.10 con gradientes funcionales de porosidad longitudinal y radial. Se fabricaron ocho estructuras porosas mediante metalurgia de polvos, cuatro con gradientes longitudinales y cuatro radiales, cada una con tres capas porosas discretas formadas mediante la técnica de espaciadores con un volumen de 20 %, 40 % y 60 % de espaciador, las cuales, se sinterizaron mediante FAST/SPS con argón y sin presión a 1350 [°C] y 1450 [°C]. Los resultados del ensayo de Arquímedes indicaron un aumento en la porosidad total sobre el volumen del espaciador colocado con un valor de (48±2) % y (45±2) % para el gradiente longitudinal y radial respectivamente, la porosidad cerrada corresponde a menos del 1 % del volumen total. Por otro lado, los ensayos de microscopía óptica indican que la capas no presentan variaciones según geometría y temperatura de sinterización con una porosidad para la capa densa de (27±3) %, de un (47±3) % para la capa intermedia y de (86±3) % para la capa porosa, además, el diámetro medio de los poros indica que solo el 31 % y 33 % de los poros formados para el gradiente longitudinal y radial, respectivamente, está en un rango adecuado para la osteointegración y vascularización. La evaluación de las muestras mediante difracción de rayos X, indicó que, la mayoría de los componentes encontrados corresponden a aleaciones beta, además, se encontró óxidos de tántalo y carburo de hafnio producto del proceso de sinterización. Mediante indentación instrumentada se determinó que la dureza de la capa densa e intermedia se encuentra en un rango similar al tejido óseo para diferentes zonas del cuerpo, aunque el módulo de elasticidad está por debajo de los parámetros normales del tejido óseo. In this research, high entropy titanium alloys (Ti0.30Nb0.25Ta0.25Hf0.10Mo0.10) with functional porosity gradients were developed and characterized and sintered by FAST/SPS to search for new biomaterials for bone tissue implants. At present, doesn’t exist a material that has the properties similar to those of healthy human bone tissue in connection with high biocompatibility. The most commonly used materials are titanium alloys, which have a high modulus of elasticity, which can lead to stress shielding, fractures and other problems. The present and future situation indicates an increase in the global population of people over 60 years of age who are more likely to need bone transplants, so it is necessary to develop beta titanium alloys with a lower modulus of elasticity; therefore, the objective of this work was to develop high entropy Ti0.30Nb0.25Ta0.25Hf0.10Mo0.10 alloys with functional gradients of longitudinal and radial porosity. Eight porous structures were fabricated by powder metallurgy, four with longitudinal and four radial gradients, each with three discrete porous layers formed by the spacer technique with a spacer volume of 20 %, 40 % and 60 %, which were sintered by FAST/SPS with argon at temperatures of 1350 [°C] and 1450 [°C] under vacuum conditions. The Archimedes test results indicated an increase in the overall porosity over the volume of the spacer placed with a measured value of (48±2) % and (45±2) % for the longitudinal and radial gradient respectively, the closed porosity corresponds less than 1 % of the total volume. On the other hand, the optical microscopy tests indicate that the layers do not present variations according to geometry and sintering temperature with a porosity for the dense layer of (27±3) %, of (47±3) % for the intermediate layer and of (86±3) % for the porous layer, moreover, the average diameter of the pores indicates that only 31 % and 33 % of the pores formed for the longitudinal and radial gradient, respectively, are in a suitable range for osseointegration and vascularization. The evaluation of the samples by X-ray diffraction indicated that most of the components found correspond to beta alloys, moreover, tantalum oxides and hafnium carbide were found as a result of the sintering process. By means of instrumented indentation, it was determined that the hardness of the dense and intermediate layer is in a similar range to bone tissue for different areas of the body, although the modulus of elasticity is below the normal parameters of bone tissue.