propiedades elásticas de un material compuesto de tejido de titanio (1)

8/18/2019 Propiedades Elásticas de Un Material Compuesto de Tejido de Titanio (1)

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PROPIEDADES ELÁSTICAS DE UN MATERIAL COMPUESTO DE TEJIDO DE

TITANIO-HUESO POROSO.

Los implantes de titanio porosos se introdujeron en los cóndilos de la tibia y el fémur de

oveja. Nuevo tejido óseo llena el poro, y se forma el material compuesto de tejido óseo de

titanio nuevo poroso. La duración de la formación de material compuesto fue de 4, 8, 24 y

52 semanas. Los compuestos formados se extrajeron de la médula y se sometieron a un

ensayo de compresión. l módulo de !oun" se calculó utili#ando la curva tensión$

deformación medido. se obtuvo la dependencia temporal de módulo del material

compuesto de !oun". %espués de 4 semanas el nuevo tejido óseo &ue llena los poros no

afecta a las propiedades el'sticas de los implantes. %espués de 24 y 52 semanas de

módulos de !oun" aumenta en 2( a )4* y +2 a ()+*, respectivamente. Los c'lculos

numéricos de la elasticidad del material compuesto de tejido óseo de titanio$nuevo poroso

se llevaron a cabo utili#ando un modelo de polidisperso simple &ue se basa en la

consideración de la estructura etero"énea como un medio continuo con inclusiones

esféricas de diferentes tama-os. La cinética del cambio en la elasticidad de la nuevo

tejido óseo se presenta a través de las caractersticas intermedias, a saber, la resistenciaa la tracción relativa o proporción de tejido óseo maduro en el tejido óseo. Los valores

calculados y medidos experimentalmente de módulo de la sntesis de la joven est'n en

buen acuerdo después de 8 semanas de formación de material compuesto. Las

propiedades de los materiales compuestos de tejido óseo de titanio$porosas nuevo

solamente se pueden predecir cuando est'n disponibles después de 8 semanas de

contacto entre el implante y el ueso nativo datos sobre las propiedades de nuevo tejido

óseo.

(. /ntroducción

Los metales y sus aleaciones 0por ejemplo, aceros inoxidables, molibdeno y cobalto$

cromo aleaciones 01e$r$Ni$3o, o$Ni$r, el titanio y sus aleaciones 0 6i, 6i$+7l$4,

t'ntalo, y niobio se utili#an tradicionalmente como materiales no reabsorbibles para

implantes ortopédicos. l titanio puro y sus aleaciones an sido ampliamente utili#ados en

la ortopedia debido a su excelente biocompatibilidad y su elevada relación resistencia$


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peso. 7dem's, en comparación con otros metales, estos materiales son menos

susceptibles a fallo por fati"a. l potencial de corrosión del titanio y sus aleaciones es

varias veces m's alto &ue el potencial de l&uido fisioló"ico 09 4:: m. %ebido a esta

diferencia l&uido fisioló"ico no puede penetrar en la capa de pasivación de protección en

el interior del cuerpo ;(


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es un indicador de la osteointe"ración por&ue cuando el implante se inte"ra con el tejido

óseo, una car"a de función puede alterar el despla#amiento entre el implante y el ueso

madre dentro de los lmites fisioló"icos ; ()


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dos planos eran rect'n"ulos con los tama-os 0(5 K (: y 0(4 K A mm. ara aumentar la

similitud entre los implantes y materiales bioló"icos, los implantes se cubrieron con un

revestimiento de carbono tipo diamante con un espesor de ): a 5: nm. l implante se

saturó in vivo con médula ósea autólo"a se"n la técnica previamente desarrollada ;)< y

;4


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2.). nsayo mec'nico

%espués de 4, 8, 24 y 52 semanas de la formación de material compuesto, dos ovejas

murieron. l tejido óseo de titanio$nuevo porosa formada 06i$NB6 materiales

compuestos se extrajeron de la médula y se sometieron a un tratamiento mec'nico &ue

suavi#a los bordes 01i". (b. Cn ensayo de compresión se reali#ó utili#ando una m'&uina

de ensayo universal /N=6FEN 258: con una velocidad de car"a de :,) mm O min. l

softPare en la m'&uina de prueba calcula el módulo de !oun" para cada muestra usando

la curva de tensión$deformación medido.

2.4. studio de la composición del tejido óseo nuevo

La composición de la NB6 formado en los poros interiores se examinó utili#ando un

microscopio electrónico de barrido QC7N67 2:: e&uipado con un anali#ador de %7. La

composición del componente mineral de la NB6 0a O relación de se determinó sobre la

superficie de extremo trasero de los implantes después de la superficie se pulió usando

pasta de diamante, se limpia en un ba-o ultrasónico 0a"ua destilada, y se secó a

temperatura ambiente 0 1i". (c. l an'lisis se reali#ó en las #onas con contenido de

calcio mayor se encuentra en la periferia del implante o cerca del centro.

2.5. c'lculo numérico del módulo del material compuesto 06/$NB6 de !oun"

2.5.(. 1ormulación del modelo

Los c'lculos numéricos de las propiedades el'sticas del material compuesto 06i$NB6 se

reali#aron utili#ando un modelo basado en la teora lineal de papel continuo. ara

describir el estado de tensión deformado, se utili#an dos caractersticas de los materiales?

el módulo de !oun" y el coeficiente de oisson, o dos coeficientes cojos, los módulos de

deformación y mayor módulo de corteR las propiedades de cada par est'nine&uvocamente funcionalmente conectados entre s ;(@< y ;(8


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ara estimar las propiedades el'sticas de estos materiales, se utili#a un enfo&ue

termodin'mico ;(4


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La mayor parte de módulo M, W módulo de corte, módulo de elasticidad de !oun" y el

coeficiente de oisson Z se correlacionan entre s ;(8


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1i". 2.

3icroscopa electrónica de barrido 0=3 de im'"enes de la titanio poroso 0a y el nuevo

tejido óseo en los poros del implante formado durante (+ semanas 0b y 52 semanas 0c

de la osteointe"ración. Las im'"enes =3 de tejido óseo se obtuvieron después de la

eliminación &umica de la matri# de titanio ;)


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uso de dos conjuntos de datos 0UNB6rel 0t y 3NB6rel 0t nos da la oportunidad de

determinar &ue proporciona m's información en términos de la elasticidad del sistema

etero"éneo 06i$NB6. 7l resolver el sistema de las ecuaciones. 0), 04 y 05 da el

relaciones dependientes del tiempo MNB6( 0t, MNB62 0t, WNB6( 0t y WNB62 0t, donde el

ndice ( indica una solución a NB6( 0t y 2 indica una solución a NB62 0t. l

coeficiente de oisson Z se toma como :,2 ;2:


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%espués de cuatro semanas de formación de material compuesto y teniendo en cuenta el

mar"en de error de la medición, los valores medios de módulo de los materiales

compuestos 06/$NB6 de la joven no difieren de los valores iniciales del módulo de titanio

poroso de !oun". %espués de 24 semanas, un material compuesto se forma con

propiedades el'sticas &ue difieren de las propiedades del titanio poroso. módulo aumenta

de !oun" por 2($)4* y +2$()+* después de 24 y 52 semanas, respectivamente. stosresultados est'n en buen acuerdo con las mediciones de la composición de componente

mineral de NB6 0relación H_ O ` en los poros periféricas y en el volumen interior de los

implantes. %espués de 8 semanas, el tejido óseo con diferentes "rados de madure# se

forma en los poros del implante. ste tejido óseo llena completamente el volumen de los

poros y de cerca contacto con las paredes de titanio. n los poros periféricos, la

composición del tejido óseo est' cerca de la composición de ueso esponjoso, mientras

&ue en la mayor parte, &ue en su mayora se observa tejido óseo inmaduro con una

relación a O p baja a. n aproximadamente 24 semanas después de la ciru"a, el tejido

óseo crece a través de toda la profundidad del implante, y la composición de ueso en los

poros periféricos est' cerca de la composición del ueso sólido 0compacto. 6ambién

observamos &ue la relación H_ O ` disminuye a lo lar"o de la dirección desde el borde del

implante a su centro. %espués de 52 semanas, la composición del componente mineral en

los poros periféricos e interiores es m's cercana a la del ueso compacto, pero la

composición de los poros no se ace e&uivalente a la composición del ueso compacto

intacto asta el final del perodo de observación.

).2. /nvesti"ación numérica de las propiedades el'sticas del material compuesto 06/$

NB6

l módulo de !oun" efica# \6i I 54,8 Da se calculó de la ecuación. 05 usando M6i⁎ ⁎

I )A,2 Da y W6i I 2(,@ Da 0cs. 0( y 02. Etros autores utili#aron un modelo )% de⁎

elementos finitos ;2(< y la teora 3ori$6anaMa ;22


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NB6 ( 0t y \ 06i$NB6 2 0t se muestran en la 1i". )a, b. La estimación numérica se⁎ ⁎

reali#ó utili#ando la c. 05, con el factor de corrección para M6i y W6i i"ual a :,( y los⁎ ⁎

si"uientes valores para el módulo de !oun" del tejido óseo? B I 5, (:, (5, 2: y 25 Da.

=e observa un buen acuerdo entre las dependencias experimentales y calculados en B I

5 a (: Da, como se muestra en las 'reas sombreadas en el intervalo de 8 a 24 semanas

de formación de material compuesto 01i". )a, b. sto si"nifica &ue el módulo de losmateriales compuestos se incrementa debido a la formación de ueso trabecular

esponjoso en los poros del implante de !oun". Cn aumento adicional en el módulo de

!oun" se produce cuando las propiedades del nuevo tejido óseo se aproximan a las del

ueso compacto 0las 'reas sombreadas en el intervalo de 24 a 52 semanas, B I (:$25

Da. l uso de la dependencia del tiempo de la resistencia a la tracción relativa de la

nuevo tejido óseo 0UNB6rel 0t en la estimación numérica da el mejor acuerdo entre las

dependencias experimentales y calculados 01i". )a.


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1i". ).

l módulo de !oun" del material compuesto de tejido óseo nuevo titanio poroso en

función del tiempo de formación de material compuesto. Los smbolos abiertos son las

estimaciones numéricas de la efica# módulo de 06i$NB6 de !oun" materiales

compuestos utili#ando UNB6rel 0t 0a y 3 NB6rel 0t 0bR los crculos sólidos son la media

experimental de módulo de !oun"

ara un an'lisis comparativo de los cambios en el módulo de !oun", &ue se predijo

numéricamente sobre la base de UNB6rel 0t y también midieron experimentalmente, \

06/$NB6 ( y \ exp 06/$NB6 se calcularon, donde \ I 0 06i$NB6 $ 6i O 6i K⁎

(:: 06abla 2. del módulo de !oun" 06/ NB6 exp aumenta en un promedio de (2, 2@

y AA* durante los 8, 24 y 52 semanas, respectivamente, de la formación de material

compuesto. alores similares se obtuvieron a partir de los c'lculos numéricos para B I 5

Da 08 semanas, B I 5 a (: Da 024 semanas y B I 2: a 25 Da 052 semanas.

6abla 2.

Numéricamente predico y obtenido experimentalmente los cambios en el módulo de

materiales compuestos de tejido de titanio$ueso poroso del joven.

t, PeeM

B, Da

5 (: (5 2: 25

\06iNB6(⁎, *

\06iNB6exp, *

8 19 28 )@ 4+ 55 (2

24 22 34 45 5@ +8 2@

52 24 )8 52 65 78 AA

t formation time for te porous titaniumneP bone tissue compositeR B !oun"]s modulus of te bone tissue.

4. %iscusión

La mayor discrepancia entre los datos numéricamente calculado y experimental seobserva para los tiempos de implantación cortos 0antes de 8 semanas 01i". )a, b. Las

investi"aciones istoló"icas anteriores del tejido óseo formado en los poros de implantes

mostraron &ue incluso después de 4 semanas, el tejido óseo con diferentes "rados de

madure# se forma en los poros de implantes? en la periferia del implante, las trabéculas

del ueso crece desde el ueso madre, y cerca el centro del implante, el tejido óseo

consiste en placas de ueso desorientados. La inte"ración del tejido óseo del ueso

madre con nuevo ueso trabecular se observa cuando el tiempo de osteointe"ración tiene


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m's de (+ semanas ;)


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ideal. uando se presiona la estructura, se forma un sistema adicional de los poros entre

los "r'nulos de titanio esponjoso 2$) mm. stos poros adicionales est'n interconectados

con los poros dentro de los "r'nulos. omo consecuencia, los poros "randes tienen

paredes tortuosas con mucos pe&ue-os canales laterales. Las propiedades "eométricas

de un sistema de este tipo influyen inevitablemente en las propiedades mec'nicas efica#

tanto de la matri# y el material compuesto en la &ue se basa. =in embar"o, la presenciade una confi"uración complicada de poros con paredes tortuosas ejerce efectos positivos

sobre la osteointe"ración de un material tal y la formación de un compuesto estable ;4


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