Estudio de la Estructura y Propiedades Mecánicas de la Aleación Ti-38Zr-11Nb
Autores: Sergienko, Konstantin V.; Konushkin, Sergei V.; Morozova, Yaroslava A.; Kaplan, Mikhail A.; Gorbenko, Artem D.; Rumyantsev, Boris A.; Prutskov, Mikhail E.; Baranov, Evgeny E.; Nasakina, Elena O.; Sevostyanova, Tatiana M.; Mikhlik, Sofia A.; Chizhikov, Andrey P.; Shatova, Lyudmila A.; Simakin, Aleksandr V.; Baimler, Ilya V.; Sudarchikova, Maria A.; Kheifetz, Mikhail L.; Kolmakov, Alexey G.; Sevosty
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
Categoría
Ciencias de los Materiales
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 17
Citaciones: Sin citaciones
Los implantes de cadera son uno de los tipos más prevalentes de implantes médicos utilizados para el reemplazo de articulaciones dañadas. La utilización de materiales modernos para implantes, como aleaciones de cobalto-cromo, acero inoxidable, titanio y otras aleaciones de titanio, conlleva desafíos, incluyendo la toxicidad de ciertos elementos (por ejemplo, aluminio, vanadio, níquel) y un módulo de Young excesivo, que impactan negativamente en la compatibilidad biomecánica. Un desajuste entre la rigidez del material del implante y el tejido óseo, conocido como protección por tensión, puede llevar a resultados adversos como la reabsorción ósea y el aflojamiento del implante. Estudios recientes han cambiado el enfoque hacia aleaciones de beta-titanio debido a su excepcional biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y bajo módulo de Young, que está cerca del módulo de Young del tejido óseo (10-30 GPa). En este estudio, se investigaron la microestructura, las propiedades mecánicas y la estabilidad de fase de la aleación Ti-38Zr-11Nb. Se empleó espectrometría de dispersión de energía para confirmar la distribución homogénea de Ti, Zr y Nb en la aleación. Un análisis microestructural posterior reveló la presencia de granos beta alargados tras el laminado y el enfriamiento. Además, el rectificado contribuyó al proceso de recristalización y a la formación de subgranos. El análisis de difracción de rayos X confirmó la presencia de una fase beta estable bajo cualquier condición de tratamiento térmico, lo que puede explicarse por el uso de Nb como estabilizador beta y Zr como un elemento neutro con un débil efecto estabilizador beta en presencia de otros estabilizadores beta. Además, el módulo de elasticidad, determinado mediante pruebas de tracción, mostró una disminución de 85 GPa a 81 GPa tras el recocido. Las pruebas mecánicas demostraron una mejora sustancial en la resistencia a la tracción (de 529 MPa a 628 MPa) junto con una reducción del 32% en la elongación hasta la fractura de las muestras. Estas alteraciones se atribuyen a transformaciones microestructurales, incluyendo la formación de subgranos y el rearrangement de dislocaciones. Los hallazgos de este estudio sugieren que la aleación Ti-38Zr-11Nb tiene potencial como material de elección debido a su menor módulo de Young en comparación con materiales tradicionales y su fase beta estable, que mejora la durabilidad del implante y reduce el riesgo de formación de fases frágiles con el tiempo. Este estudio demuestra que la resistencia a la corrosión del titanio grado 2 y Ti-38Zr-11Nb es comparable. El material en cuestión no mostró evidencia de actividad citotóxica en el contexto de células de mamíferos.
Descripción
Los implantes de cadera son uno de los tipos más prevalentes de implantes médicos utilizados para el reemplazo de articulaciones dañadas. La utilización de materiales modernos para implantes, como aleaciones de cobalto-cromo, acero inoxidable, titanio y otras aleaciones de titanio, conlleva desafíos, incluyendo la toxicidad de ciertos elementos (por ejemplo, aluminio, vanadio, níquel) y un módulo de Young excesivo, que impactan negativamente en la compatibilidad biomecánica. Un desajuste entre la rigidez del material del implante y el tejido óseo, conocido como protección por tensión, puede llevar a resultados adversos como la reabsorción ósea y el aflojamiento del implante. Estudios recientes han cambiado el enfoque hacia aleaciones de beta-titanio debido a su excepcional biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y bajo módulo de Young, que está cerca del módulo de Young del tejido óseo (10-30 GPa). En este estudio, se investigaron la microestructura, las propiedades mecánicas y la estabilidad de fase de la aleación Ti-38Zr-11Nb. Se empleó espectrometría de dispersión de energía para confirmar la distribución homogénea de Ti, Zr y Nb en la aleación. Un análisis microestructural posterior reveló la presencia de granos beta alargados tras el laminado y el enfriamiento. Además, el rectificado contribuyó al proceso de recristalización y a la formación de subgranos. El análisis de difracción de rayos X confirmó la presencia de una fase beta estable bajo cualquier condición de tratamiento térmico, lo que puede explicarse por el uso de Nb como estabilizador beta y Zr como un elemento neutro con un débil efecto estabilizador beta en presencia de otros estabilizadores beta. Además, el módulo de elasticidad, determinado mediante pruebas de tracción, mostró una disminución de 85 GPa a 81 GPa tras el recocido. Las pruebas mecánicas demostraron una mejora sustancial en la resistencia a la tracción (de 529 MPa a 628 MPa) junto con una reducción del 32% en la elongación hasta la fractura de las muestras. Estas alteraciones se atribuyen a transformaciones microestructurales, incluyendo la formación de subgranos y el rearrangement de dislocaciones. Los hallazgos de este estudio sugieren que la aleación Ti-38Zr-11Nb tiene potencial como material de elección debido a su menor módulo de Young en comparación con materiales tradicionales y su fase beta estable, que mejora la durabilidad del implante y reduce el riesgo de formación de fases frágiles con el tiempo. Este estudio demuestra que la resistencia a la corrosión del titanio grado 2 y Ti-38Zr-11Nb es comparable. El material en cuestión no mostró evidencia de actividad citotóxica en el contexto de células de mamíferos.