Tratamientos de superficie en biomateriales: ataque ácido de superficies de titanio
Pazos, L.(i) ; Conterno, G.(i); Parodi, M.B.(i); Roth, M.(i); Egidi, D.A.(i); Corengia, P.(i); Crosta, R.(ii)
(i)INTI-Mecánica (ii)Implantes Rosterdent
Introducción El titanio es frecuentemente utilizado como biomaterial y es usualmente seleccionado para confeccionar implantes dentales. Estos implantes de titanio se encuentran recubiertos por una capa de pequeño espesor (2 a 5 nm) de TiO2, que le brinda biocompatibilidad y pasividad química al metal base[1]. Múltiples factores inciden en el éxito clínico de los implantes dentales, entre ellos los relacionados con el estado de los tejidos del paciente, las técnicas quirúrgicas utilizadas, las condiciones de carga que actuarán en la zona afectada y las características de superficie del biomaterial. Existen diferentes tratamientos de superficie que se utilizan para modificar la topografía y la rugosidad del titanio, con el objeto de mejorar la oseointegración. A través de diferentes procesos, se busca modificar la morfología de la superficie que estará en contacto con los tejidos, generando de esta manera un mejor anclaje mecánico y biológico. Entre estos tratamientos, el de grabado o ataque ácido es muy difundido, y es posible utilizarlo como único tratamiento o luego del blasting, en cuyo caso se denomina SLA. Resultados publicados sobre estudios de superficies con este tratamiento dual mostraron un aumento de la tasa y la cantidad de formación ósea en la superficie del implante. Las soluciones utilizadas en estos tratamientos tienen variadas composiciones, siendo comúnmente utilizados los ácidos sulfúrico, clorhídrico, nítrico y fluorhídrico, o combinaciones de ellos [2,3].
Metodología / Descripción Experimental
Se utilizaron como sustratos láminas de titanio comercialmente puro grado 2 de 20 x 10 x 0,2 mm, con dos tratamientos previos: desbaste mecánico hasta papel abrasivo grano 600 y blasting según condiciones de proceso industrial. Una muestra desbastada y otra con tratamiento de blasting se utilizaron como referencia y se denominaron D0 y G0 respectivamente. Se realizó una limpieza en ultrasonido con acetona, alcohol isopropílico y agua deionizada durante 3 minutos. El ataque ácido se realizó, en todos los casos, a una temperatura de 60 ºC durante 30 minutos y con un volumen de solución de 6 ml. Se utilizaron soluciones de ácido sulfúrico y ácido clorhídrico con diferentes concentraciones y se identificaron las muestras según se detalla en la Tabla I. La caracterización topográfica se hizo por microscopía electrónica de barrido en un equipo Philips SEM 505.
La rugosidad de las superficies se midió con un perfilómetro Hommelwerke Tester T1000, utilizando como parámetro el valor de rugosidad media Ra, correspondiente a la media aritmética de las alturas de los picos y valles respecto a un plano principal, medido en µm. En todos los casos, el valor de Ra se obtuvo como un promedio de los resultados medidos en cada muestra para tres direcciones diferentes.
Tabla I. Identificación de las muestras
Muestra D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 G0 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7
Trat. previo Desbastada Desbastada Desbastada Desbastada Desbastada Desbastada Desbastada Desbastada Blasting Blasting Blasting Blasting Blasting Blasting Blasting Blasting
Solución ---H2SO 4 H2SO 4 H2SO 4 H2SO 4 HCl HCl HCl ---H2SO 4 H2SO 4 H2SO 4 H2SO 4 HCl HCl HCl
Concentración ---6M 9M
12 M 18 M
6M 9M 12 M ---6M 9M 12 M 18 M 6M 9M 12 M
Las muestras se pesaron antes y después del tratamiento en una balanza Mettler Toledo AB204 con una precisión de 0,01 g. En todos los casos, se realizó una limpieza previa y un cuidadoso secado.
Resultados El ataque ácido provocó diferentes grados de corrosión en las muestras con desbaste previo. Las láminas tratadas con concentraciones de 6 y 9 M para ambos ácidos presentaron una morfología rugosa y microhuecos de diámetro menor a 3 µm (ver Fig. 1). Por otra parte, las micrografías de las muestras D3 y D7, ambas tratadas con soluciones de concentración 12 M, mostraron sobreataque en los bordes de grano. En la muestra D4 se observó que el ataque fue menor a pesar de aumentar la concentración a 18 M, lo que podría corresponder a una menor reacción como consecuencia del escaso contenido de agua en la solución con la correspondiente disminución en la disociación del ácido. En las muestras tratadas con blasting el ataque generó una topografìa similar, con irregularidades y microhuecos, aunque se pudo apreciar la subsistencia de una
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macrorugosidad provocada por el tratamiento previo (ver Fig. 2).
(a)
(b)
(c)
Rugosidad Media [µm]
(a)
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0
Muestras Desbastadas
Sulfúrico Clorhídrico
0
6
9
12
Concentración [M]
Sustrato
18
Fig. 1: Imágenes SEM a 4000x de las muestras (a) D0, (B) D2, (c), D6.
Si bien se observó corrosión en todas las muestras tratadas, aquellas atacadas con concentraciones 6 M presentaron menor ataque. No se observaron los bordes de grano en estas muestras.
(a)
(b)
(c)
Fig. 2: Imágenes SEM a 4000x de las muestras (a) G0, (B) G2, (c), G6.
En los sustratos con desbaste mecánico previo, la rugosidad luego del tratamiento fue mayor en todos los casos a la de D0 (ver Fig. 3 (a)). Se observó que el parámetro Ra aumentó con la concentración utilizada para ambos ácidos, excepto para la muestra D4. Por otra parte, no se apreció una gran variación en la rugosidad de las diferentes muestras tratadas, excepto para aquellas donde se reveló el borde de grano (D3 y D7), donde la rugosidad fue máxima. Para las muestras con tratamiento previo de blasting, la rugosidad del sustrato fue mayor que para las muestras con desbaste mecánico (ver Fig. 3 (b)). En todas las láminas atacadas la rugosidad fue mayor a la del sustrato de referencia y de valores similares, excepto para G4. La pérdida en peso en las muestras de titanio atacadas con H2SO4 presentó resultados variables, mientras que en aquellas atacadas con HCl esta diferencia aumentó al incrementar la concentración de las soluciones.
(b)
Muestras con Blasting
Sulfúrico Clorhídrico
3,5
Rugosidad Media [µm]
3 2,5
2
1,5 1
0,5
0
0
6
9
12
Concentración [M]
Sustrato
18
Fig. 3: Rugosidad media del sustrato y de las muestras atacadas (a) con desbaste mecánico (b) con tratamiento de blasting.
La diferencia en este comportamiento podría estar asociada a que para ambos ácidos la disociación en la solución y los compuestos formados son diferentes.
Conclusiones El ataque ácido introdujo modificaciones en las topografías de los sustratos en todos los casos. Para las muestras desbastadas y luego atacadas a bajas concentraciones se observaron topografías con microhuecos, mientras que para las concentraciones de 12 M se revelaron los bordes de grano, por lo que existió un sobreataque. En el caso de la muestra atacada con H2SO4 18 M se observó un menor ataque probablemente debido al bajo contenido del agente oxidante. En los sustratos con tratamiento previo de blasting se observaron menores diferencias entre las topografías generadas en las diferentes muestras. Se observaron microhuecos de diámetros similares, pero se apreciaron irregularidades en la superficie correspondientes al desgarramiento de material generado por el blasting. La rugosidad fue mayor luego del tratamiento ácido, excepto para la muestra G4. El aumento de rugosidad generado por el ataque con los distintos ácidos fue del mismo orden de magnitud para ambos sustratos. El análisis de la pérdida en peso de las muestras luego del ataque no mostró el mismo comportamiento para los diferentes ácidos, probablemente debido al diferente comportamiento de sus productos de disolución con el titanio.
A la memoria de Mario O. Quinteiro y Hugo Helguero, compañeros y amigos.
Referencias
[1] Cacciafesta P., Hallam K. R., Watkinson A. C., Allen G. C., Miles M. J., Jandt K. D., Surface Science, 4 9 1 ( 2 0 0 1 ) 4 0 5 - 4 2 0 . [2]. Cho, S. A., Park K. T., Biomaterials 2 4 ( 2 0 0 3 ) 3 6 1 1 - 3 6 1 7 [3] Buser D., Schenk R., Steinemann S. Journal of Biomedicals
Research 2 5 ( 1 9 9 1 ) 8 9 9 -9 0 2 . Para mayor información contactarse con: Leonardo M. Pazos – lpazos@inti.gov.ar
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