The thermal spray combustion (PTC) is a technique that is exploring the possibility of depositing biomate-rials as the case of HA, as a new procedure works that are being done are exploratory, so this is a field opento investigation. The HA used in this work was synthesized in specialized laboratories of the University ofAntioquia. The substrate used is Ti-6Al-4V is the most widely used in these applications in biomedicine.La proyección térmica por combustión (PTC) es una técnica en la que se está explorando la posibilidad de depositar biomateriales como el caso de la HA, por ser un procedimiento nuevo los trabajos que se están haciendo son exploratorios, por lo que este es un campo abierto a la investigacióon. La HA utilizada en el presente trabajo fue sintetizada en los laboratorios especializados de la Universidad de Antioquia. El sustrato utilizado es el Ti-6Al-4V que es la aleación más utilizada en este tipo de aplicaciones enbiomedicina.Fil: Muñoz Medina, Guillermo Arturo. Universidad de Antioquia; Colombia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; Argentin

Muñoz Medina, Guillermo Arturo

Journal de Ciencia e Ingeniería

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Journal de Ciencia e Ingenierı´a, Vol. 6, No. 1, Agosto de 2014, pp. 37-41Investigacio´n - Ciencia de los MaterialesRecubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados porProyeccio´n Te´rmica por Combustio´n (PTC)Coatings of Hydroxyapatite (HA) Deposited by Thermal Spray CombustionGuillermo Arturo Mun˜oz Medina a,baDepartamento de Ingenierı´a de Materiales, Universidad de Antioquia, Medellı´n, ColombiabInstituto de Investigaciones Fisicoquı´micas y Aplicadas (INIFTA), Universidad Nacional de La Plata, La Plata, ArgentinaRecibido: 11/6/2014; revisado: 3/7/2014; aceptado: 27/7/2014.G. A. Mun˜oz Medina: Recubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados por Proyeccio´n Te´rmica porCombustio´n (PTC). Jou.Cie.Ing. 6 (1): 37-41, 2014. ISSN 2145-2628.ResumenLa proyeccio´n te´rmica por combustio´n (PTC) es una te´cnica en la que se esta´ explorando la posibilidadde depositar biomateriales como el caso de la HA, por ser un procedimiento nuevo los trabajos que seesta´n haciendo son exploratorios, por lo que este es un campo abierto a la investigacio´n. La HA utilizadaen el presente trabajo fue sintetizada en los laboratorios especializados de la Universidad de Antioquia.El sustrato utilizado es el Ti-6Al-4V que es la aleacio´n ma´s utilizada en este tipo de aplicaciones enbiomedicina.Palabras Clave: Hidroxiapatita, proyeccio´n te´rmica, Biomateriales, osteointegracio´n, biomedicina.AbstractThe thermal spray combustion (PTC) is a technique that is exploring the possibility of depositing biomate-rials as the case of HA, as a new procedure works that are being done are exploratory, so this is a field opento investigation. The HA used in this work was synthesized in specialized laboratories of the University ofAntioquia. The substrate used is Ti-6Al-4V is the most widely used in these applications in biomedicine.Keywords: Hydroxyapatite, thermal spray combustion, biomaterials, osseointegration, biomedicine.1. Introduccio´nEl uso de recubrimientos ha tenido especial impor-tancia en la industria mundial, debido a que con estetipo de aplicaciones se consiguen mejores prestacionesya sea meca´nicas, de desgaste, dureza o biocompatibi-lidad, entre otras. Unido a esto se encuentran factoresecono´micos ya que los recubrimientos en sı´ reducen loscostos, lo que los hace atractivos para distintas aplica-ciones. Existen una gran cantidad de te´cnicas que per-miten el depo´sito de recubrimientos como son el mag-netro´n sputtering, epitaxia de haces moleculares, etc.,dichas te´cnicas son especialmente depuradas lo que di-ficulta su utilizacio´n en ciertos medios ambientales ex-ternos, dicho problema le abre la puerta a la proyeccio´nte´rmica, la cual es una te´cnica versa´til, econo´mica res-pecto a las otras y con una relativa fa´cil aplicacio´n endistintos medios ambientales [1]. El Consensus Confe-rence of the European Society for Biomaterials celebra-do en Chester (Inglaterra) en Marzo de 1986, definio´los biomateriales, como cualquier sustancia o combi-nacio´n de sustancias (a excepcio´n de los fa´rmacos), deorigen natural (tejidos o proteı´nas animales) o sinte´tico(metales, polı´meros o cera´micos), que puedan ser usa-dos por algu´n periodo de tiempo, como todo o comouna parte de un sistema que trata, aumenta, o reempla-Jou.Cie.Ing, Vol.6, No.1, Agosto de 2014, pp. 37-41za algu´n tejido, o´rgano o funcio´n del cuerpo [2]. Parael caso de este trabajo se usa un biomaterial (HA) enforma de recubrimiento.1.1. Hidroxiapatita (HA)La HA es un fosfato ca´lcico presente en el los hue-sos de los seres vivos que tienen esqueleto, para el caside los humanos su porcentaje es del orden del 65 %,aunque dicho porcentaje puede variar debido a factorescomo la dieta, la salud y la edad, principalmente. Enlos u´ltimos tiempos este biocera´mico ha sido sintetiza-do en laboratorios especializados por lo que se ha de-positado por distintas te´cnicas como: proyeccio´n te´rmi-ca por plasma, magnetron sputtering, etc. Una de lasprincipales motivaciones para explorar la posibilidad deproyectar HA por PTC es un factor de costos, ya quesi se obtienen propiedades similares o mejores que lasobtenidas por las te´cnica anteriormente mencionadas sepuede hacer un innovacio´n industrial.La HA sinte´tica emula a su par natural,Ca10(PO4)6(OH)2, la cual es constituida principalmen-te por fo´sforo y calcio con una relacio´n Ca/P ideal de1.67. El primer investigador que uso´ HA sinte´tica fueWerner en 1798, sin embargo, fue en el an˜o 1926, conel desarrollo de la difraccio´n de rayos X, que se com-probo´ la presencia de una fase inorga´nica del hueso lacual fue llamada apatita [2]. A partir de ese momentose empezaron a hacer estudios en animales y humanosdonde se comprobo´ el feno´meno de osteointegracio´n,el cual consiste en que las ce´lulas o´seas (osteoblastos)se fijan y absorben la HA sinte´tica formando tejidonuevo [2]. El primer implante de una pro´tesis recubier-ta con HA fue hecho en 1986, el estudio fue hecho enconejos, su principal conclusio´n fue: El recubrimientode pro´tesis de titanio estudiados en animales conllevaa un notorio efecto bene´fico y puede adema´s ser usa-do para implantes articulares humanos, esta aplicacio´nfue reglamentada por la Administracio´n de Drogas yAlimentos de los Estados Unidos (FDA) en 1988 [3].Entre los factores ma´s importante para los recubri-mientos finales se encuentran la cristalinidad de la HAdepositada, la relacio´n Ca/P (ideal de 1.67, pero puedeoscilar entre 1.2 y 2) y el espesor que es aceptable entrelos entre los 90 y 130 micrones aproximadamente, es-pesores por encima de este pueden presentar grietas ofallas lo que afecta las prestaciones meca´nicas del ma-terial, y espesores menores, pueden ser absorbidos pre-maturamente por el cuerpo lo que impide una osteoin-tegracio´n ido´nea [2].1.2. Proyeccio´n te´rmica por combustio´n (PTC)La proyeccio´n te´rmica por llama es cronolo´gicamen-te la primera te´cnica desarrollada. Sus inicios se remon-tan al an˜o 1917 cuando Schoop y Guenther hicieronlas primeras proyecciones de las que se tenga conoci-miento. Esta´ te´cnica permite la proyeccio´n de metalesy cera´micos segu´n la aplicacio´n que se desee. En laantorcha de proyeccio´n por llama se usan dos gasesde trabajo principalmente: acetileno y oxı´geno (O2), laenergı´a te´rmica en el proceso de combustio´n se tomadel O2 debido a su capacidad para generar calor. Unaantorcha tı´pica de este tipo consta de 3 partes principal-mente como se muestra en el esquema: (1) inyeccio´nde gases de trabajo, (2) alimentacio´n de polvos y (3)boquilla de la misma. Cuando se da la combustio´n segenera una llama (6) en donde se funden o semifundenlas partı´culas (5), las cuales son depositadas sobre elsustrato (4), como se mostro´ en la Figura 1. La PTC tie-ne temperaturas del orden de los 3000 K, esto varı´a deacuerdo a la relacio´n entre los gases por lo que se puedetener un rango entre los 2600 y 3200 K [1]. Uno de losprincipales inconvenientes que se tiene en el depo´sitode cera´micos es un factor de empaquetamiento bajo, loque favorece la formacio´n de grietas, esto se reflejara´en las ima´genes obtenidas en el MEB.Fig. 1. Esquema antorcha de proyeccio´n por llama. Tomado de [1].2. Metodologı´a ExperimentalLos recubrimientos por PTC fueron hechos con laantorcha de proyeccio´n que se muestra en la Figura 2,la cual se desarrollo´ en la Universidad de Antioquia.Dicha ca´mara tiene 6 componentes principales: 1) por-tamuestras, 2) recipiente para el almacenamiento delos polvos a proyectar, 3) antorcha Terodyn 2000, 4)inyeccio´n aire para enfriamiento de las probetas du-rante y despue´s de la elaboracio´n del recubrimiento,5) piro´metro o´ptico, 6) dispositivo que permite el des-plazamiento vertical. El procedimiento ba´sico de fun-38Guillermo Arturo Mun˜oz Medina: Recubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados...cionamiento es: inicialmente la probeta se pone a rotarpara posteriormente ser precalentada hasta los 200 oCaproximadamente, esa temperatura es supervisada conel piro´metro o´ptico. Despue´s de alcanzar los 200 oC seacciona el dispositivo que permite el paso de los polvosa proyectar, por u´ltimo la llama es apagada y el sustratoes enfriado con un chorro de aire frio.Fig. 2. Ca´mara de proyeccio´n te´rmica, Areste 1.2.1. Condiciones experimentalesLas condiciones experimentales utilizadas para laproyeccio´n se muestran en la Tabla 1, cabe resaltar quedichas condiciones fueron calculadas segu´n la curvaC2H2/O2 de la Figura 3. En ella se busco´ una relacio´nefectiva para la combustio´n de acetileno/oxı´geno de1/1,5, a la que se alcanza la mayor temperatura de lallama como ya fue mencionado. Sin embargo, se debetener en cuenta que parte del oxı´geno se utiliza para elarrastre de las partı´culas razo´n por la cual se calculo´una relacio´n de 1/1,7 aproximadamente para solventarla disminucio´n en el oxı´geno utilizado para generar lallama.Fig. 3. Relacio´n combustible/oxı´geno. Tomado manual de usuariode la antorcha.Muestra Distancia (cm) Flujo O2(ft3/h) Flujo C2H2(ft3/h) Flujos de polvos (g/min) Temperatura de precalentamiento(oC)HA 7.5 78.61 46.24 2.6 213Tabla 1. Caracterı´sticas de los sistemas simulados.3. Resultados3.1. Polvos de HAEn primera medida se caracterizaron los polvos deHA por difraccio´n de rayos x y por fluorescencia derayos x, esto con el fin de verificar la cristalinidad y re-lacio´n Ca/P de los polvos de partida, para ası´ poder sercomparados con el recubrimiento final. Los resultadosde estos estudios se presentan a continuacio´n:3.1.1. Difraccio´n de rayos xEl ana´lisis por DRX en el difracto´metro PANalyticalreferencia X´pert PRO MPD con fuente de radiacio´nde cobre (Cukα, λ = 1,5406 A˚), polarizado con unapotencia de 1.8 KW en el rango de 2θ entre 10o y 60o,con un paso de 0.02 grados por paso. El ana´lisis de estedifractograma fue realizado con el software TOPAS 3perteneciente al laboratorio de difraccio´n de rayos X dela Universidad Nacional de Colombia sede Manizales,donde se encontro´ en la base de datos asociada a estesoftware un patro´n de HA (rojo en la Fig. 4) a partir del39Jou.Cie.Ing, Vol.6, No.1, Agosto de 2014, pp. 37-41cual se identificaron los picos caracterı´sticos del ma-terial sintetizado para este trabajo de investigacio´n. Seevidencia claramente una concordancia bastante alta en-tre la HA sintetizada y el patro´n suministrado en dichosoftware. Los picos asociados a los fosfatos trica´lcicoy tetraca´lcico no esta´n presentes por lo que se puedeafirmar que se trata de HA de alta pureza [4]. Adema´sse comprobo´ que esta fase posee una celda cristalinahexagonal con para´metros de red a = 9.37 y c= 6.84.Fig. 4. Difractograma de polvos de HA.3.1.2. Fluorescencia de rayos xPara determinar la relacio´n Ca/P de los polvos se hizouna caracterizacio´n quı´mica mediante Fluorescencia deRayos X por longitud de onda dispersiva (WD-FRX),utilizando un espectro´metro marca Thermo, referenciaOptimix RLX. Los porcentajes en peso de los a´tomosson: Ca = 40.22, P = 18.12; esto da como resultado unarelacio´n Ca/P de 1.75 la cual se encuentra en el rangoaceptable para estas aplicaciones [2].3.2. Recubrimientos de HA depositados por PTCEn esta seccio´n se presentan los principales resultadosde los recubrimientos. Se hicieron pruebas de difrac-cio´n de rayos X, fluorescencia d rayos x y se tomaronima´genes con MEB, lo cual se presenta a continuacio´n.3.2.1. Difraccio´n de rayos XEn el difractograma obtenido para la HA, se obser-va la presencia mayoritaria de fosfato tetraca´lcico en2? aproximadamente 25, la aparicio´n de este pico sele puede atribuir al exceso de oxı´geno principalmente,adema´s de la formacio´n inherente debido al paso por al-ta temperatura de los polvos de HA. Un recubrimientocon un alto porcentaje de β-PTC no puede ser utiliza-ble en la industria biome´dica debido a que esta fase sedisuelve ma´s ra´pidamente que la HA lo que conlleva auna ra´pida degradacio´n del recubrimiento [5]. Sin em-bargo, en los u´ltimos tiempos la presencia de ese picose le puede atribuir a la HA nada ma´s que ha crecidoen un plano no convencional, por lo que esta afirmacio´npuede estar sujeta a nuevos estudios. Por otro lado, sepuede explorar un tratamiento te´rmico de recristaliza-cio´n para eliminar los picos indeseables y ası´ un recu-brimiento ma´s adecuado para aplicaciones biome´dicas.Los difractogramas fueron realizados con el difracto´me-tro marca Rigaku Miniflex con una fuente de radiacio´nde cobre (Cukα, λ = 1,5418 A˚), operado a 40 KV y 20mA˚, en rango de 2θ entre 5o y 60o.Fig. 5. Difractograma de la HA depositada por PTC.3.2.2. Fluorescencia de rayos xPara el caso de la condicio´n HAC 2 se presenta uncaso especial, debido a que el porcentaje de CaO esmuy cercano al ideal (56.6 %) segu´n el diagrama defases que se presento´ anteriormente. La presencia deβ-PTC es mayoritaria debido al exceso de oxı´geno, loque favorecerı´a la formacio´n de dicha fase. Tambie´n sedebe considerar el paso de la HA por alta temperaturalo que favorece la aparicio´n de fases en un porcenta-je indeseable. Para determinar el porcentaje de CaO delos polvos se hizo una caracterizacio´n quı´mica median-te Fluorescencia de Rayos X por longitud de onda dis-persiva (WD-FRX), utilizando un espectro´metro marcaThermo, referencia Optimix RLX.3.2.3. Microscopı´a electro´nica de barrido (MEB)En la Figura 6 se observa un espesor en el rangoaceptable de trabajo (97.33 micrones), se nota adema´sla presencia de grietas como es de esperarse en la PTC,cabe resaltar que para depositar este recubrimiento sebusco´ la temperatura ma´s alta posible con la antorchausada, esto con el fin de buscar una buena fundicio´n enlas partı´culas y un recubrimiento mejor formado. La in-fluencia de las grietas que se observan pueden ser eva-40Guillermo Arturo Mun˜oz Medina: Recubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados...luadas en trabajos con fluidos biolo´gicos simulados enfuturas investigaciones.Fig. 6. Micrografı´a del recubrimiento de HA depositado por PTC.4. ConclusionesSe demostro´ que la HA sintetizada en la Universidadde Antioquia puede ser proyectada por PTC, sin em-bargo, se necesitan investigaciones ma´s profundas yespecı´ficas para verificar su posible utilizacio´n comobiomaterial.Se hace necesario hacer estudios donde se hagan tra-tamientos te´rmicos en los recubrimientos finales paramejorar la cristalinidad del recubrimiento proyecta-do.La influencia de las grietas obtenidas debe ser estu-diada por medio de pruebas donde se verifiquen laspropiedades meca´nicas de los mismos, ası´ como sucomportamiento en un fluido biolo´gico simulado.Referencias[1] L. T. Pawlowski. The Science and Engineering of Thermal SprayCoatings, pages 95–120. Wiley, 2 edition, 2008.[2] Piza´ Vallespir. Clavos de fijacio´n externa recubiertos deHidroxiapatita: Estudio clı´nico en alargamiento de extremidades.T. PhD thesis, Universidad de Barcelona, 2001.[3] R. Petit. The use of hydroxyapatite in orthopaedic surgery:a ten-year review. European Journal of Orthopaedic SurgeryTraumatology, 9:71–74, 1999.[4] M.F. Morks and A. Kobayashi. Influence of spray parameterson the microstructure and mechanical properties of gas-tunnelplasma sprayed hydroxyapatite coatings. Materials science &Ingeniering B, pages 209 – 215, 2007.[5] Z. Mohammadi, A. A. Ziaei, and A. Sheick. Adhesive andcohesive properties by indentation method of plasma-sprayedhydroxyapatite coatings. Applied Surface Science, pages 4960–4965, 2006.41

Recubrimientos de hidroxiapatita (HA) depositados porproyecci ́on t ́ermica por combusti ́on (PTC)

LAReferencia - Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas Latinoamericanas

Journal de Ciencia e Ingenierı́a, Vol. 6, No. 1, Agosto de 2014, pp. 37-41Investigación - Ciencia de los MaterialesRecubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados porProyección Térmica por Combustión (PTC)Coatings of Hydroxyapatite (HA) Deposited by Thermal Spray CombustionGuillermo Arturo Muñoz Medina a,baDepartamento de Ingenierı́a de Materiales, Universidad de Antioquia, Medellı́n, ColombiabInstituto de Investigaciones Fisicoquı́micas y Aplicadas (INIFTA), Universidad Nacional de La Plata, La Plata, ArgentinaRecibido: 11/6/2014; revisado: 3/7/2014; aceptado: 27/7/2014.G. A. Muñoz Medina: Recubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados por Proyección Térmica porCombustión (PTC). Jou.Cie.Ing. 6 (1): 37-41, 2014. ISSN 2145-2628.ResumenLa proyección térmica por combustión (PTC) es una técnica en la que se está explorando la posibilidadde depositar biomateriales como el caso de la HA, por ser un procedimiento nuevo los trabajos que seestán haciendo son exploratorios, por lo que este es un campo abierto a la investigación. La HA utilizadaen el presente trabajo fue sintetizada en los laboratorios especializados de la Universidad de Antioquia.El sustrato utilizado es el Ti-6Al-4V que es la aleación más utilizada en este tipo de aplicaciones enbiomedicina.Palabras Clave: Hidroxiapatita, proyección térmica, Biomateriales, osteointegración, biomedicina.AbstractThe thermal spray combustion (PTC) is a technique that is exploring the possibility of depositing biomate-rials as the case of HA, as a new procedure works that are being done are exploratory, so this is a field opento investigation. The HA used in this work was synthesized in specialized laboratories of the University ofAntioquia. The substrate used is Ti-6Al-4V is the most widely used in these applications in biomedicine.Keywords: Hydroxyapatite, thermal spray combustion, biomaterials, osseointegration, biomedicine.1. IntroducciónEl uso de recubrimientos ha tenido especial impor-tancia en la industria mundial, debido a que con estetipo de aplicaciones se consiguen mejores prestacionesya sea mecánicas, de desgaste, dureza o biocompatibi-lidad, entre otras. Unido a esto se encuentran factoreseconómicos ya que los recubrimientos en sı́ reducen loscostos, lo que los hace atractivos para distintas aplica-ciones. Existen una gran cantidad de técnicas que per-miten el depósito de recubrimientos como son el mag-netrón sputtering, epitaxia de haces moleculares, etc.,dichas técnicas son especialmente depuradas lo que di-ficulta su utilización en ciertos medios ambientales ex-ternos, dicho problema le abre la puerta a la proyeccióntérmica, la cual es una técnica versátil, económica res-pecto a las otras y con una relativa fácil aplicación endistintos medios ambientales [1]. El Consensus Confe-rence of the European Society for Biomaterials celebra-do en Chester (Inglaterra) en Marzo de 1986, definiólos biomateriales, como cualquier sustancia o combi-nación de sustancias (a excepción de los fármacos), deorigen natural (tejidos o proteı́nas animales) o sintético(metales, polı́meros o cerámicos), que puedan ser usa-dos por algún periodo de tiempo, como todo o comouna parte de un sistema que trata, aumenta, o reempla-Jou.Cie.Ing, Vol.6, No.1, Agosto de 2014, pp. 37-41za algún tejido, órgano o función del cuerpo [2]. Parael caso de este trabajo se usa un biomaterial (HA) enforma de recubrimiento.1.1. Hidroxiapatita (HA)La HA es un fosfato cálcico presente en el los hue-sos de los seres vivos que tienen esqueleto, para el caside los humanos su porcentaje es del orden del 65 %,aunque dicho porcentaje puede variar debido a factorescomo la dieta, la salud y la edad, principalmente. Enlos últimos tiempos este biocerámico ha sido sintetiza-do en laboratorios especializados por lo que se ha de-positado por distintas técnicas como: proyección térmi-ca por plasma, magnetron sputtering, etc. Una de lasprincipales motivaciones para explorar la posibilidad deproyectar HA por PTC es un factor de costos, ya quesi se obtienen propiedades similares o mejores que lasobtenidas por las técnica anteriormente mencionadas sepuede hacer un innovación industrial.La HA sintética emula a su par natural,Ca10(PO4)6(OH)2, la cual es constituida principalmen-te por fósforo y calcio con una relación Ca/P ideal de1.67. El primer investigador que usó HA sintética fueWerner en 1798, sin embargo, fue en el año 1926, conel desarrollo de la difracción de rayos X, que se com-probó la presencia de una fase inorgánica del hueso lacual fue llamada apatita [2]. A partir de ese momentose empezaron a hacer estudios en animales y humanosdonde se comprobó el fenómeno de osteointegración,el cual consiste en que las células óseas (osteoblastos)se fijan y absorben la HA sintética formando tejidonuevo [2]. El primer implante de una prótesis recubier-ta con HA fue hecho en 1986, el estudio fue hecho enconejos, su principal conclusión fue: El recubrimientode prótesis de titanio estudiados en animales conllevaa un notorio efecto benéfico y puede además ser usa-do para implantes articulares humanos, esta aplicaciónfue reglamentada por la Administración de Drogas yAlimentos de los Estados Unidos (FDA) en 1988 [3].Entre los factores más importante para los recubri-mientos finales se encuentran la cristalinidad de la HAdepositada, la relación Ca/P (ideal de 1.67, pero puedeoscilar entre 1.2 y 2) y el espesor que es aceptable entrelos entre los 90 y 130 micrones aproximadamente, es-pesores por encima de este pueden presentar grietas ofallas lo que afecta las prestaciones mecánicas del ma-terial, y espesores menores, pueden ser absorbidos pre-maturamente por el cuerpo lo que impide una osteoin-tegración idónea [2].1.2. Proyección térmica por combustión (PTC)La proyección térmica por llama es cronológicamen-te la primera técnica desarrollada. Sus inicios se remon-tan al año 1917 cuando Schoop y Guenther hicieronlas primeras proyecciones de las que se tenga conoci-miento. Está técnica permite la proyección de metalesy cerámicos según la aplicación que se desee. En laantorcha de proyección por llama se usan dos gasesde trabajo principalmente: acetileno y oxı́geno (O2), laenergı́a térmica en el proceso de combustión se tomadel O2 debido a su capacidad para generar calor. Unaantorcha tı́pica de este tipo consta de 3 partes principal-mente como se muestra en el esquema: (1) inyecciónde gases de trabajo, (2) alimentación de polvos y (3)boquilla de la misma. Cuando se da la combustión segenera una llama (6) en donde se funden o semifundenlas partı́culas (5), las cuales son depositadas sobre elsustrato (4), como se mostró en la Figura 1. La PTC tie-ne temperaturas del orden de los 3000 K, esto varı́a deacuerdo a la relación entre los gases por lo que se puedetener un rango entre los 2600 y 3200 K [1]. Uno de losprincipales inconvenientes que se tiene en el depósitode cerámicos es un factor de empaquetamiento bajo, loque favorece la formación de grietas, esto se reflejaráen las imágenes obtenidas en el MEB.Fig. 1. Esquema antorcha de proyección por llama. Tomado de [1].2. Metodologı́a ExperimentalLos recubrimientos por PTC fueron hechos con laantorcha de proyección que se muestra en la Figura 2,la cual se desarrolló en la Universidad de Antioquia.Dicha cámara tiene 6 componentes principales: 1) por-tamuestras, 2) recipiente para el almacenamiento delos polvos a proyectar, 3) antorcha Terodyn 2000, 4)inyección aire para enfriamiento de las probetas du-rante y después de la elaboración del recubrimiento,5) pirómetro óptico, 6) dispositivo que permite el des-plazamiento vertical. El procedimiento básico de fun-38Guillermo Arturo Muñoz Medina: Recubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados...cionamiento es: inicialmente la probeta se pone a rotarpara posteriormente ser precalentada hasta los 200 oCaproximadamente, esa temperatura es supervisada conel pirómetro óptico. Después de alcanzar los 200 oC seacciona el dispositivo que permite el paso de los polvosa proyectar, por último la llama es apagada y el sustratoes enfriado con un chorro de aire frio.Fig. 2. Cámara de proyección térmica, Areste 1.2.1. Condiciones experimentalesLas condiciones experimentales utilizadas para laproyección se muestran en la Tabla 1, cabe resaltar quedichas condiciones fueron calculadas según la curvaC2H2/O2 de la Figura 3. En ella se buscó una relaciónefectiva para la combustión de acetileno/oxı́geno de1/1,5, a la que se alcanza la mayor temperatura de lallama como ya fue mencionado. Sin embargo, se debetener en cuenta que parte del oxı́geno se utiliza para elarrastre de las partı́culas razón por la cual se calculóuna relación de 1/1,7 aproximadamente para solventarla disminución en el oxı́geno utilizado para generar lallama.Fig. 3. Relación combustible/oxı́geno. Tomado manual de usuariode la antorcha.Muestra Distancia (cm) Flujo O2(ft3/h) Flujo C2H2(ft3/h) Flujos de polvos (g/min) Temperatura de precalentamiento(oC)HA 7.5 78.61 46.24 2.6 213Tabla 1. Caracterı́sticas de los sistemas simulados.3. Resultados3.1. Polvos de HAEn primera medida se caracterizaron los polvos deHA por difracción de rayos x y por fluorescencia derayos x, esto con el fin de verificar la cristalinidad y re-lación Ca/P de los polvos de partida, para ası́ poder sercomparados con el recubrimiento final. Los resultadosde estos estudios se presentan a continuación:3.1.1. Difracción de rayos xEl análisis por DRX en el difractómetro PANalyticalreferencia X´pert PRO MPD con fuente de radiaciónde cobre (Cukα, λ = 1,5406 Å), polarizado con unapotencia de 1.8 KW en el rango de 2θ entre 10o y 60o,con un paso de 0.02 grados por paso. El análisis de estedifractograma fue realizado con el software TOPAS 3perteneciente al laboratorio de difracción de rayos X dela Universidad Nacional de Colombia sede Manizales,donde se encontró en la base de datos asociada a estesoftware un patrón de HA (rojo en la Fig. 4) a partir del39Jou.Cie.Ing, Vol.6, No.1, Agosto de 2014, pp. 37-41cual se identificaron los picos caracterı́sticos del ma-terial sintetizado para este trabajo de investigación. Seevidencia claramente una concordancia bastante alta en-tre la HA sintetizada y el patrón suministrado en dichosoftware. Los picos asociados a los fosfatos tricálcicoy tetracálcico no están presentes por lo que se puedeafirmar que se trata de HA de alta pureza [4]. Ademásse comprobó que esta fase posee una celda cristalinahexagonal con parámetros de red a = 9.37 y c= 6.84.Fig. 4. Difractograma de polvos de HA.3.1.2. Fluorescencia de rayos xPara determinar la relación Ca/P de los polvos se hizouna caracterización quı́mica mediante Fluorescencia deRayos X por longitud de onda dispersiva (WD-FRX),utilizando un espectrómetro marca Thermo, referenciaOptimix RLX. Los porcentajes en peso de los átomosson: Ca = 40.22, P = 18.12; esto da como resultado unarelación Ca/P de 1.75 la cual se encuentra en el rangoaceptable para estas aplicaciones [2].3.2. Recubrimientos de HA depositados por PTCEn esta sección se presentan los principales resultadosde los recubrimientos. Se hicieron pruebas de difrac-ción de rayos X, fluorescencia d rayos x y se tomaronimágenes con MEB, lo cual se presenta a continuación.3.2.1. Difracción de rayos XEn el difractograma obtenido para la HA, se obser-va la presencia mayoritaria de fosfato tetracálcico en2? aproximadamente 25, la aparición de este pico sele puede atribuir al exceso de oxı́geno principalmente,además de la formación inherente debido al paso por al-ta temperatura de los polvos de HA. Un recubrimientocon un alto porcentaje de β-PTC no puede ser utiliza-ble en la industria biomédica debido a que esta fase sedisuelve más rápidamente que la HA lo que conlleva auna rápida degradación del recubrimiento [5]. Sin em-bargo, en los últimos tiempos la presencia de ese picose le puede atribuir a la HA nada más que ha crecidoen un plano no convencional, por lo que esta afirmaciónpuede estar sujeta a nuevos estudios. Por otro lado, sepuede explorar un tratamiento térmico de recristaliza-ción para eliminar los picos indeseables y ası́ un recu-brimiento más adecuado para aplicaciones biomédicas.Los difractogramas fueron realizados con el difractóme-tro marca Rigaku Miniflex con una fuente de radiaciónde cobre (Cukα, λ = 1,5418 Å), operado a 40 KV y 20mÅ, en rango de 2θ entre 5o y 60o.Fig. 5. Difractograma de la HA depositada por PTC.3.2.2. Fluorescencia de rayos xPara el caso de la condición HAC 2 se presenta uncaso especial, debido a que el porcentaje de CaO esmuy cercano al ideal (56.6 %) según el diagrama defases que se presentó anteriormente. La presencia deβ-PTC es mayoritaria debido al exceso de oxı́geno, loque favorecerı́a la formación de dicha fase. También sedebe considerar el paso de la HA por alta temperaturalo que favorece la aparición de fases en un porcenta-je indeseable. Para determinar el porcentaje de CaO delos polvos se hizo una caracterización quı́mica median-te Fluorescencia de Rayos X por longitud de onda dis-persiva (WD-FRX), utilizando un espectrómetro marcaThermo, referencia Optimix RLX.3.2.3. Microscopı́a electrónica de barrido (MEB)En la Figura 6 se observa un espesor en el rangoaceptable de trabajo (97.33 micrones), se nota ademásla presencia de grietas como es de esperarse en la PTC,cabe resaltar que para depositar este recubrimiento sebuscó la temperatura más alta posible con la antorchausada, esto con el fin de buscar una buena fundición enlas partı́culas y un recubrimiento mejor formado. La in-fluencia de las grietas que se observan pueden ser eva-40Guillermo Arturo Muñoz Medina: Recubrimientos de Hidroxiapatita (HA) Depositados...luadas en trabajos con fluidos biológicos simulados enfuturas investigaciones.Fig. 6. Micrografı́a del recubrimiento de HA depositado por PTC.4. ConclusionesSe demostró que la HA sintetizada en la Universidadde Antioquia puede ser proyectada por PTC, sin em-bargo, se necesitan investigaciones más profundas yespecı́ficas para verificar su posible utilización comobiomaterial.Se hace necesario hacer estudios donde se hagan tra-tamientos térmicos en los recubrimientos finales paramejorar la cristalinidad del recubrimiento proyecta-do.La influencia de las grietas obtenidas debe ser estu-diada por medio de pruebas donde se verifiquen laspropiedades mecánicas de los mismos, ası́ como sucomportamiento en un fluido biológico simulado.Referencias[1] L. T. Pawlowski. The Science and Engineering of Thermal SprayCoatings, pages 95–120. Wiley, 2 edition, 2008.[2] Pizá Vallespir. Clavos de fijación externa recubiertos deHidroxiapatita: Estudio clı́nico en alargamiento de extremidades.T. PhD thesis, Universidad de Barcelona, 2001.[3] R. Petit. The use of hydroxyapatite in orthopaedic surgery:a ten-year review. European Journal of Orthopaedic SurgeryTraumatology, 9:71–74, 1999.[4] M.F. Morks and A. Kobayashi. Influence of spray parameterson the microstructure and mechanical properties of gas-tunnelplasma sprayed hydroxyapatite coatings. Materials science &Ingeniering B, pages 209 – 215, 2007.[5] Z. Mohammadi, A. A. Ziaei, and A. Sheick. Adhesive andcohesive properties by indentation method of plasma-sprayedhydroxyapatite coatings. Applied Surface Science, pages 4960–4965, 2006.41

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Recubrimientos de hidroxiapatita (HA) depositados porproyecci ́on t ́ermica por combusti ́on (PTC)

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