proyecto de grado ingenierÍa mecÁnica prototipo de …

PROYECTO DE GRADO

INGENIERÍA MECÁNICA

PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE IMPLANTES ÓSEOS POR

TÉCNICAS DE MICROMECANIZADO

PRESENTADO POR:

EDGAR ALEXANDER AVENDAÑO VARGAS

ASESOR:

FABIO ARTURO ROJAS MORAa , Dr. Eng. Mec.

a Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá,

Colombia

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C

JUNIO 2016

EL presente trabajo corresponde al Proyecto de Grado con el cual se culminan los estudios

de pregrado del programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.

AGRADECIMIENTOS

A mi familia, por su apoyo incondicional y sus enseñanzas a lo largo de toda mi vida,

A mi asesor Fabio Rojas por su apoyo para lograr el desarrollo de este Proyecto de Grado y por su

contribución en mi formación profesional y personal,

¡Gracias!

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica – Tesis de Pregrado

1

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................................... 6

1.1 Introducción ........................................................................................................................... 6

1.2 Objetivos ................................................................................................................................ 8

1.2.1 Objetivo general ............................................................................................................. 8

1.2.2 Objetivos específicos ..................................................................................................... 8

2 MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................... 9

2.1 Tejido óseo ............................................................................................................................. 9

2.1.1 Hueso: Definición y aspectos generales ........................................................................ 9

2.1.2 Hueso como un material compuesto jerárquico ............................................................. 9

2.1.3 Composición del tejido óseo ........................................................................................ 11

2.1.4 Propiedades mecánicas del hueso cortical ................................................................... 12

2.2 Micromecanizado - microformas ......................................................................................... 14

2.3 Microtorno µCNC Uniandes ................................................................................................ 15

2.4 Relación área-volumen ........................................................................................................ 16

3 Metodología y desarrollo ............................................................................................................. 18

3.1 Centro de micromecanizado: Calibración y ajuste .............................................................. 18

3.2 Muestras óseas implementadas para el micromecanizado ................................................... 20

3.3 Análisis químico hueso cortical ........................................................................................... 21

3.4 Micromecanizado de hueso cortical-Herramientas .............................................................. 23

3.4.1 Herramientas de corte- taladrado ..................................................................................... 23

3.4.2 Herramientas tronzado ..................................................................................................... 25

3.4.3 Herramientas de corte- cilindrado y refrentado ............................................................... 26

3.4.4 Parámetros de micromecanizado ..................................................................................... 29

3.5 Ensayo bilógico: Cultivo de bacterias y degradación del hueso cortical ............................. 30

4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................... 34

4.1 Piezas obtenidas por micromecanizado ............................................................................... 34

4.1.1 Cilindros........................................................................................................................... 34

4.1.2 Esferas .............................................................................................................................. 36




2

4.2 Piezas obtenidas para el ensayo biológico ............................................................................. 1

4.3 Observación microscopio degradación bacteriana del hueso ................................................ 2

A. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 1 ............................................................... 2

B. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 5 ............................................................... 2

C. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 7 ............................................................... 3

D. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 11 ............................................................. 3

4.4 Relación área/volumen del hueso cortical y degradación por contacto con las cepas No. 31

y 26 3

4.4.1 Relación área/volumen y degradación bacteria 26 ........................................................ 4

4.4.1.1 Observación SEM degradación por la bacteria 26 ......................................................... 5

4.4.2 Relación área/volumen y degradación bacteria OT4b.31 .............................................. 6

4.4.2.1 Observación SEM degradación por la bacteria OT4b.31 .............................................. 7

5 CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 10

6 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 12




3

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Propiedades anisotrópicas elásticas de hueso cortical femoral humano (Reilly & Burstein,

1975). ................................................................................................................................................... 12

Tabla 2.2 Esfuerzos últimos de hueso cortical humano (Reilly & Burstein, 1975). ............................ 13

Tabla 2.3 Relación área superficial-volumen para cilindros de diferentes radios y alturas ................. 17

Tabla 3.1 Dimensiones geométricas muestras de hueso cortical usado para el proceso de

micromecanizado ................................................................................................................................. 21

Tabla 3.2 Pesos porcentuales de los elementos presentes en la muestra No. 1 ................................... 22

Tabla 3.3 Pesos porcentuales de los elementos presentes en la muestra No. 2 ................................... 23

Tabla 3.4 Parámetros de corte utilizados en pruebas de micromecanizado de hueso cortical ............. 29

Tabla 3.5 Parámetros de corte usados durante el micromecanizado del hueso cortical ...................... 30

Tabla 4.1 Piezas de hueso obtenidas mediante micromecanizado para el ensayo microbiológico para

establecer contacto con las bacterias No.31 y No. 26 ............................................................................ 1

Tabla 4.2 Incidencia relación área/volumen con degradación superficial del hueso en contacto con

cepa No. 26 ............................................................................................................................................ 4

Tabla 4.3 Incidencia relación área/volumen con degradación superficial del hueso en contacto con

cepa No. OTb4.31 .................................................................................................................................. 6




4

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2-1 Tipos de tejido óseo. Hueso cortical y esponjoso (Koostas, 2014) ...................................... 9

Figura 2-2 Estructura del tejido óseo (Anatomía de los huesos, 2011) ............................................... 10

Figura 2-3 Hueso cortical humano. Estereoscopia de osteones (Studyblue, 2014) ............................. 10

Figura 2-4 Tipos de células presentes en el tejido óseo (Rodriguez, 2007) ......................................... 11

Figura 2-5 (a) Modulo de Young versus contenido de calcio en mg/g de tejido óseo deshidratado de

hueso cortical (Currey, 1988). (b) Reducción de las propiedades mecánicas del hueso con el

transcurrir de los años (Burstein, Reilley, & Martens, 1976) .............................................................. 13

Figura 2-6 Izquierda. SEM de microaguja (350 µm alto, 250 µm ancho en la base y un conducto

elíptico con 70 µm en el eje mayor) Derecha. SEM de arreglo de microagujas (Meng). ............. 14

Figura 2-7 Izquierda. SEM de microaguja (210 µm alto) Derecha. SEM de arreglo de microagujas

(Meng). ................................................................................................................................................ 15

Figura 2-8 Estado actual del Microtorno CNC Uniandes. ................................................................. 15

Figura 3-1 (a) Estado actual estereoscopio SMZ-1. (b) Implementación cámara Veho™. ................. 19

Figura 3-2 (a) Mecanismo de taladrado condiciones iniciales (b) Mecanismo de taladrado después de

ajuste y calibración .............................................................................................................................. 19

Figura 3-3 Ajuste y calibración de ejes (a) Desfase ejes de 5.12° (b) Desfase ejes de 0.07° .............. 20

Figura 3-4 (a) Piezas mecanizadas en torno convencional para su eventual micromecanizado en el

Microlathe. (b) Aumento 40 X pieza mecanizada en torno convencional ........................................... 20

Figura 3-5 Distribución elementos químicos dentro de muestra No. 1 ............................................... 21

Figura 3-6 Distribución elementos químicos muestra No. 2 ............................................................... 22

Figura 3-7 Dimensiones generales de broca con diámetro de corte de 0.04 mm adquirida en Kyocera

Precision Tools (Carrasco, 2016) ......................................................................................................... 23

Figura 3-8 Proceso de taladrado. Uso de broca con un diámetro de 0.040 mm................................... 24

Figura 3-9 Fractura de la punta micro broca por posible manipulación. (a) Vista frontal (b) Vista

lateral ................................................................................................................................................... 24

Figura 3-10 Broca de acero rápido HSS DIN338N con un diámetro de 0.2 mm, 2.5 mm de

profundidad de corte, 118° ángulo en la punta y 30° de hélice (Beltrán, 2015) .................................. 25

Figura 3-11 Buril para tronzado izquierdo........................................................................................... 25

Figura 3-12 (a) Observación SEM vista panorámica de la herramienta (b) Observación SEM espesor

de corte aprox. 80 µm. ......................................................................................................................... 25

Figura 3-13 Inserto de tungsteno de 55° para micromaquinado (Beltrán, 2015) ................................. 26

Figura 3-14 Observación SEM vista panorámica del inserto de tungsteno. (a) Escala 500 µm (b)

Escala 50 µm ....................................................................................................................................... 26

Figura 3-15 Pesaje de los materiales a usar (masa cuarzo = 41.30 quilates, masa esmeralda = 52.90

quilates)................................................................................................................................................ 27

Figura 3-16 Obtención de dos buriles grande y pequeño para realizar mecanizados de cilindrado .... 28

Figura 3-17 Observación SEM del buril de cuarzo tallado. (a) Escala 500 µm (b) Escala 100 µm .... 28

Figura 3-18 Filos de corte (a) Inserto de tungsteno (b) Buril de cuarzo .............................................. 28




5

Figura 3-19 Material Lacre usado como pegamento de la herramienta de corte del buril de cuarzo .. 29

Figura 3-20 Mecanizado con parámetros de corte finales (a) Observación pieza y (b)

dimensionamiento ................................................................................................................................ 30

Figura 3-21 (Máquina de centrifugado. Separación por gradiente de densidad) ................................. 31

Figura 3-22 Contacto del hueso cortical y cepas de bacterias por medio de las cajas Petri. ............... 31

Figura 3-23 Observación microscopio. Resolución 10x, 40x y 100x .................................................. 32

Figura 3-24 (Cultivo de microorganismos presentes en el ensayo) ..................................................... 32

Figura 3-25 Confirmación presencia de las dos bacterias utilizadas en el ensayo. Presencia de esporas

(a) Cepa 31 (b) Cepa 26 ....................................................................................................................... 33

Figura 4-1 Dimensiones geométricas cilindro. Diámetro de 552.95 µm con una longitud de 2.66 mm

(a) Vista general. (b) Vista en detalle defecto ...................................................................................... 34

Figura 4-2 Dimensiones geométricas cilindro. Diámetro mayor de 218.25 µm con una longitud de

1.04 mm (a) Vista general. (b) Vista en detalle poro ........................................................................... 34

Figura 4-3 Dimensiones geométricas (a) Cilindro con diámetro de 155.63 µm (b) Cilindro con

diámetro de 153.18 µm ........................................................................................................................ 35

Figura 4-4 Acabado superficial realizado del hueso cortical ............................................................... 35

Figura 4-5 Micromecanizado de esferas (a) Media esfera con radio de 87 µm y (b) esfera mecanizado

en el trabajo de grado de Mabel (Beltrán, 2015) con radio de 314.82 ................................................. 36

Figura 4-6 Muestras hueso cortical en contacto cepa No. 31 primer día ............................................... 2

Figura 4-7 Muestras hueso cortical en contacto con cepa No. 31 día 5 ................................................. 2

Figura 4-8 Muestras hueso cortical en contacto con cepa No. 31 día 7 ................................................. 3

Figura 4-9 Muestras hueso cortical en contacto con cepa No. 31 día 11 ............................................... 3

Figura 4-10 Cálculo degradación superficial con respecto al área total de la muestra. ......................... 4

Figura 4-11 Degradación de piezas de hueso cortical por contacto con cepa No. 26 ............................ 5

Figura 4-12 Muestras en contacto con cepa 26 (a) área/volumen 0.02 µm -1 (b) área/volumen 0.0092

µm -1 ...................................................................................................................................................... 5

Figura 4-13 Degradación de piezas de hueso cortical por contacto con cepa No. OT4b.31.................. 6

Figura 4-14 Muestras en contacto con cepa OT4b.31 (a) área/volumen 0.0065 µm -1 (b)

área/volumen 0.0075 µm -1 ................................................................................................................... 7

Figura 4-15 Muestras en contacto con cepa 31 área/volumen 0.0079 ................................................... 7

Figura 4-16 Tiempo de ruptura e inicio de dosificación esperado para micro-cápsulas de hueso

cortical ................................................................................................................................................... 8

Figura 4-17 Fémur de ratón infectado con Sthaphylococcus (gris) sujeto a microCT análisis imagen.

Destrucción de hueso cortical (amarillo) (Rouzer, 2013). ..................................................................... 9




6

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

1.1 Introducción

Recientemente la ingeniería ha mostrado avanzadas técnicas de manufactura que mediante

metodologías estructuradas permiten el mejoramiento en procesos de mecanizado para elementos con

microformas definidas (Jackson, 2007).

El uso de las micromáquinas para diferentes procesos de mecanizado ha sido un punto clave para los

avances tecnológicos, esto puede verse reflejado en un sin número de campos en la industria tales

como: micro-robótica, medicina, sistemas, telecomunicaciones, etc. (Díaz, Lafont, & Ortego, 2013).

Particularmente, en la industria de la medicina, específicamente en los microimplantes óseos (Rojas,

2002) ha sido una magnífica prueba, que avances en el desarrollo de máquinas y herramientas

permitan incorporar nuevas estrategias para proteger la vida humana. Por ejemplo, estructuras que

incorporan medicamentos tales como antibióticos, anestésicos e insulina y que son insertados en el

paciente proveyendo al portador una liberación gradual de la medicina. Algo clave que debe ser

considerado en estas microformas es la interacción entre el dispositivo y los organismos vivos, ya que

las dimensiones requeridas deben ser del orden de 10 a 100 µm y en el caso del ser humano las

células suelen estar en ese rango de tamaños (Quiroga, 2004).

Una de las características dentro del proceso de micromecanizado es el perfeccionamiento, que

mediante uso de procesos de optimización pregona la importancia de realizar investigación en el

mecanizado de microformas como alternativa inestimable para la fabricación de estas estructuras

(Cowin & Doty, 2007). El LATEMM (Laboratorio de Técnicas Modernas de Manufactura) en la

Universidad de los Andes, se encuentra guiado en la búsqueda, exploración y realización de técnicas

que satisfagan las necesidades de la industria y sobre todo que pueda suplir de forma íntegra

respuestas a los problemas tecnológicos embebidos en las ciencias de la fabricación.

Actualmente, en el LATEMM se ha venido trabajando con una micromáquina denominada

Microtorno CNC UNIANDES diseñada, modificada y probada por numerosos estudiantes para

manufacturar microformas de hueso liofilizado para entrega de sustancias terapéuticas en implantes

óseos (Arteaga, 2005) (Rangel D. A., 2011) (Rangel, Rojas, & Arteaga, 2011). Las alternativas

utilizadas en este proceso de mecanizado del hueso varía desde la utilización de la viruta por medio

de compactación, espacios dejados por los vasos sanguíneos para un tallado posterior alrededor de

estos, tallaje de hueso esponjoso y uso del hueso cortical que permita la manufactura del

compartimiento (Beltrán, 2015). Existen varias razones para determinar que alternativa es mejor,

algunas de ellas están representadas por características físicas y geométricas tales como: poros,

densidad y relación área-volumen del hueso.

Entre los trabajos realizados en el tema, se tienen numerosos aportes al diseño, fabricación de

prototipos de producción de implantes así como la manufactura y eventual análisis de los

componentes producidos. Una visión más detallada sobre lo realizado y resultados puede clasificarse




7

a continuación de manera global por el trabajo de los siguientes autores: Quiroga, G., Arteaga, N. y

Beltrán M. D.

En el trabajo de Quiroga “Fabrication of lyophilized bone microimplants” (Quiroga, 2004), se

implementó una tecnología con la capacidad de maquinar hueso cortical a tamaños representativos

para el uso en microimplantes. Entre los resultados presentados, las piezas manufacturadas de

acuerdo a los parámetros de diseño presentan diámetros menores a 1 mm. Por otro lado, fue posible

alcanzar diámetros de 245.65 µm en muestras de 1500 µm de longitud. Sin embargo, debido al

comportamiento elástico del hueso las muestras presentaban formas geométricas no deseadas.

En “Development of micro machining center for the LATEMM” por Arteaga, N. (Arteaga, 2005), el

objetivo principal fue construir dos ejes con control numérico (NC) orientado al micro-maquinado de

hueso cortical y materiales blandos. Entre los resultados dados, se observó que la máquina era capaz

de crear formas circulares con una pequeña desviación de la forma ideal y la significativa

implementación de la teoría de corte para formas definidas geométricamente.

En la tesis de Beltrán “Manufactura de microformas de hueso liofilizado para entrega de sustancias

terapéuticas en implantes óseos” (Beltrán, 2015), donde la micro-máquina presentaba algunas

limitaciones con respecto a los principales métodos de mecanizado: cilindrado y taladrado, se diseñó,

fabricó y añadió un mecanismo de perforación, el cual permitía realizar un agujero que contendría

consecutivamente el medicamento. Posteriormente, a través de muestras embebidas en acrílico se

verificó el funcionamiento del mecanismo y se pudo observar que con respecto al agujero, este no era

uniforme en toda su longitud, además presentaban errores con respecto a la profundidad del mismo.

Por otro lado, se encontraban variaciones en las medidas de los cilindros debido a la posición inicial

de acercamiento de la herramienta de corte. Finalmente, se modeló adecuadamente la geometría

circular, sin embargo no hubo una muestra relevante ya que la programación de los motores en la

micromáquina no se encontraba en un acoplamiento con respecto al tiempo de ejecución.

Recientemente en un proyecto de clase, un grupo de estudiantes de maestría retomaron los avances

previos mencionados y trabajaron en el sistema electrónico y computacional del Microtorno µCNC

UNIANDES. Este trabajo consistió en la adaptación de la consola señal, la cual era programada por

medio de un código “g” correspondiente al utilizado en las máquinas industriales CNC. La

implementación se realizó por medio de dos motores paso a paso representando los ejes “Z y X”,

tarjeta electrónica y conexiones por medio de un puerto USB a un servidor. El objetivo del proyecto

era lograr y ejecutar códigos de programación más eficientes que permitieran en el Microtorno

movimientos más prolongados y eventualmente una reducción en tiempo de mecanizado. La solución

se realizó por medio de un código arduino, el cual permitió líneas ejecutables de hasta 25000 pasos

correspondientes a traslaciones en los ejes del Microtorno específicamente en las interpolaciones

lineales y circulares. De acuerdo a comentarios recibidos (Cruz, 2015), la interpolación circular sigue

teniendo inconvenientes lo cual es prudente revisar y ejecutar en simuladores para determinar una

solución definitiva.




8

En el trabajo a realizar se perfeccionará e implementarán los elementos necesarios a la micro-

máquina y al proceso de maquinado para aseverar la exactitud y precisión del mecanizado. Este

proceso consistirá en caracterizar el sistema electrónico proporcionado por los estudiantes de

maestría mediante la relación entre pasos proporcionados por el usuario y el avance longitudinal que

realiza la micromáquina.

Adicionalmente y de acuerdo con el trabajo “Development of micro machining center for the

LATEMM” (Arteaga, 2005) se realizarán pruebas si es posible de rugosidad del material, chequeo de

propiedades mecánicas (tracción, compresión) y sobre todo la correcta implementación del sistema de

interpolación circular para minimizar las desviaciones en las formas finales.

Por otro lado, “Overview of Micro Cutting inCheng” Stenerson, J. (Stenerson, 2007), fundamenta que

la implementación de métodos de visualización eficientes es parte principal para la ejecución de

procesos de mecanizado. De esta manera la obtención de un estereoscopio será clave en el momento

de verificar físicamente si los mecanizados se están realizando correctamente.

Finalmente se caracterizarán y evaluarán los microimplantes realizados para garantizar y adecuar la

mejor alternativa.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo general

Obtener al nivel de prototipo, un sistema de fabricación de implantes óseos para dosificación de

sustancias, por medio de técnicas de micromecanizado.

1.2.2 Objetivos específicos

Implementar y/o calibrar en el Microtorno CNC UNIANDES del LATEMM, un sistema de

interpolación lineal, circular y de aceleración/desaceleración que permita mover los ejes a

nivel de hardware.

Implementar rutinas simples NC en formato de programación G.

Fabricar formas de microimplantes tipos de cilindros y esferas, con agujeros internos,

realizadas con base a programas g escritos sobre la capa NC y caracterizar su calidad de

fabricación ISO.

Publicación de un documento o presentación en un lugar de relevancia científica (congreso,

paper, etc.).




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2 MARCO TEÓRICO

2.1 Tejido óseo

2.1.1 Hueso: Definición y aspectos generales

El hueso es un complejo tejido que progresivamente se deteriora y se reemplaza por diferentes

componentes biológicos. Como principal componente se tiene el tejido óseo, caracterizado por ser un

tipo de tejido conectivo constituido por células denominadas osteocitos y demás componentes

celulares calcificados. Los dos tipos de hueso tejido cortical y hueso trabecular tienen la difícil

prueba de soportar condiciones de cargas extremas presentes durante el tiempo. Desde que el hueso

es cargado estáticamente y cíclicamente, respuestas de fatiga y creep son aspectos importantes de su

comportamiento mecánico (Schaffler, Radin, & Burr, 1990).

2.1.2 Hueso como un material compuesto jerárquico

En una escala micrométrica y por encima, el tejido del hueso es un material compuesto

jerárquicamente. Comenzando con una décima de micrómetro, el tejido es un compuesto de fibras

mineralizadas de colágeno. Al siguiente nivel (1-10 µm), estas fibras pueden ser organizadas en dos

formas, mediante arreglos denominados hueso laminar con espesores entre 3 - 7 µm con diferencias

angulares por capas o formas de bloques de fibras con una orientación de forma irregular (Landis,

1995).

Figura 2-1 Tipos de tejido óseo. Hueso cortical y esponjoso (Koostas, 2014)

En la Figura 2.1 se puede observar los dos tipos de tejidos óseos presentes en el hueso. Por un lado

encontramos el hueso esponjoso conformado por láminas dispuestas entre sí de manera paralela a la

trabécula ubicado en las partes internas del hueso. Poseen un espesor alrededor a los 100 µm y




10

constituyen el 20% de la masa esquelética. Por otro lado, se encuentra el hueso cortical ubicado en la

parte externa de los huesos, con una estructura densa de porosidad baja.

Figura 2-2 Estructura del tejido óseo (Anatomía de los huesos, 2011)

Con un acercamiento mayor, se pueden observar las estructuras principales del tejido óseo. En la

Figura 2.2, se puede visualizar ambos tipos de tejidos: cortical y trabecular, canales centrales y de

volkmann y unidades denominadas como osteón, fibras y lamelas.

Figura 2-3 Hueso cortical humano. Estereoscopia de osteones (Studyblue, 2014)

La unidad funcional en este tipo de tejido óseo es el osteón, arreglo de capas concéntricas de hueso

laminar alrededor de una canal Harvesiano central como se puede observar en la Figura 2.3. El osteón

posee diámetros alrededores a los 200 µm y longitudes de 1 a 3 mm mientras que el canal Harvesiano

es un canal vascular con diámetros alrededor de los 50 µm que contiene vasos sanguíneos, nervios y

una variedad de células. Típicamente, hay 13 canales Harvesianos por milímetro cuadrado en el

hueso cortical de un humano adulto (Beltrán, 2015).




11

2.1.3 Composición del tejido óseo

A escala nanométrica, el tejido óseo es compuesto de material inorgánico y orgánico. Tomando una

base en peso, se tiene que aproximadamente 60 % corresponde a la parte inorgánica, 30 % orgánica y

10 % de agua. Mientras que en volumen las proporciones corresponden a 40, 35 y 25%

respectivamente. La parte inorgánica del hueso es una cerámica de tipo cristalina del fosfato de

calcio, referido a menudo como hidroxiapatita. Sin embargo este material posee elementos dentro de

su estructura que no lo hacen 100 % hidroxiapatita tales como potasio, magnesio y sodio. Por otro

lado, la fase orgánica consiste principalmente de colágeno tipo I (aprox. 90 % por peso) y algunos

otros tipos de colágeno en menores cantidades como lo son tipos III y VI (Herring, 1972).

En el tejido maduro y en desarrollo, es posible verificar cuatro tipos de células: osteopregenitoras,

osteoblastos, osteocitos y osteoclastos, siendo los primeros tres, estados funcionales de un único tipo

celular. Los osteoclastos a su vez tienen un origen hematopoyético del mismo linaje del sistema de

fagocitos monoclueares.

Figura 2-4 Tipos de células presentes en el tejido óseo (Rodriguez, 2007)

En la Figura 2.4, se puede observar el tipo de células presentes en el tejido óseo definidas por

(Gibson & Ashby, 1997):

Células osteopregenitoras: Tienen origen del mesénquima del embrión con características

alargadas y que forman una población de células capaces de dividirse y dar origen




12

dependiendo de las condiciones de oxígeno en osteoblastos si la tensión parcial del oxígeno

es alta o en células condrógenas si no lo es.

Osteoblastos: Células que no pueden dividirse y son formadoras de la matriz ósea.

Osteocitos: Células similares a los osteoblastos pero menos activos, permiten el intercambio

de iones, moléculas pequeñas y hormonas. Su función principal es seguir sintetizando los

componentes fundamentales de la matriz que los rodea.

Osteoclastos: Células capaces de absorber los elementos que han sido liberados del tejido

óseo, mas no excretados por el mismo. Estos organismos pueden llegar a tamaños

considerables de hasta 100 µm de diámetro.

2.1.4 Propiedades mecánicas del hueso cortical

Las propiedades mecánicas de un material son aspectos fundamentales en el proceso de mecanizado

de un elemento. Con el conocimiento previo de estos valores, es posible obtener resultados óptimos

tales como acabado superficial, baja incertidumbre en el dimensionamiento geométrico, etc. Es por

esta razón que parámetros como la velocidad de corte, herramienta de corte y velocidad de operación

serán claves para cumplir con los objetivos del estudio.

El material utilizado se obtuvo de la parte externa del hueso humano (tejido óseo cortical) el cual

presenta las propiedades mecánicas con mayor resistencia que el tejido óseo trabecular. Reflejando la

anisotropía de su estructura, las propiedades elásticas y de resistencia del hueso cortical humano son

anisotrópicas. A continuación se presenta las propiedades mecánicas del tejido óseo:

Tabla 2.1 Propiedades anisotrópicas elásticas de hueso cortical femoral humano (Reilly & Burstein, 1975).

Propiedad Mecánica Valor

Modulo longitudinal (GPa) 17,9 (3,9)*

Modulo transversal (GPa) 10,1(2,4)

Modulo cortante (GPa) 3,3 (0,4)

Poisson (-) 0,62 (0,26)

*Desviaciones estándar están dadas en paréntesis

De acuerdo a la Tabla 2.1, el hueso cortical es más resistente cuando se presentan cargas

longitudinales a lo largo de su eje axial comparado con la dirección radial o circunferencial. Como se

puede observar en la Tabla 2.2, el hueso cortical es más resistente en compresión que en tensión.




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Comparado con materiales de ingeniería tales como el aluminio 6060-T6 y el titanio 6ª1-4V con

números de Poisson iguales a 0.45 y 0.73 respectivamente, se puede determinar que el hueso cortical

tiene una relación alta entre esfuerzo-resistencia.

Tabla 2.2 Esfuerzos últimos de hueso cortical humano (Reilly & Burstein, 1975).

Propiedad Mecánica Valor

Longitudinal

Tensión (MPa) 135 (15,6)*

Compresión (MPa) 205 (17,3)

Radial

Tensión (MPa) 53 (10,7)

Compresión (MPa) 131 (20,7)

Cortante (MPa) 65 (4,0)

*Desviaciones estándar están dadas en paréntesis

También, es importante a la hora de realizar el micromecanizado considerar en qué condiciones

actuales se encontraba el hueso, ya que las propiedades mecánicas del hueso cortical se reducen con

el pasar de los años. Aunque, puede ser dispendioso determinar la edad del elemento, es posible por

medio de ensayos de EDS1 en conjunto con otras técnicas proveer análisis elemental sobre el

elemento (contenido de calcio) y determinar un valor aproximado del módulo de elasticidad del

material (Morgan & Keaveny, 2001).

(a) (b)

Figura 2-5 (a) Modulo de Young versus contenido de calcio en mg/g de tejido óseo deshidratado de hueso cortical

(Currey, 1988). (b) Reducción de las propiedades mecánicas del hueso con el transcurrir de los años (Burstein,

Reilley, & Martens, 1976)

1 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy.




14

Según la Figura 2.5, el contenido de calcio en el tejido óseo y la edad transcurrida permiten

determinar de manera directa el último esfuerzo a la ruptura y el módulo de elasticidad del material.

Estos valores serán tenidos en cuenta para el proceso de micromecanizado del hueso cortical.

2.2 Micromecanizado - microformas

La investigación y desarrollo de máquinas y herramientas muestra los valiosos resultados del micro

maquinado, especialmente en las aplicaciones de la fabricación de micro implantes óseos. En trabajos

realizados por el profesor Fabio Rojas y en proyectos desarrollados por sus estudiantes de pregrado y

maestría, se reportan estudios de procesos de mecanizado en la elaboración de tornillos de hueso

humano para las diferentes aplicaciones de la medicina moderna (Rojas, 2002). Por ejemplo, la

investigación de micro cápsulas óseas que pueden ser portadoras de medicamentos o la fabricación de

biomateriales compuestos dan soluciones a procesos ineficientes o permiten mejorar la calidad de

vida de un cierto grupo de personas.

La finalidad del proyecto consiste en la realización de micro cápsulas en tejido óseo por medio de

técnica de micromecanizado, capaces de transportar sustancias terapéuticas al insertarlos dentro de un

organismo vivo. Por esta razón, es primordial entrar en detalle dentro del vasto mundo del

micromecanizado para comprender y establecer el dimensionamiento y los parámetros apropiados

durante la manufactura.

A continuación se presentan algunos dispositivos microformados realizados en diversos estudios:

Figura 2-6 Izquierda. SEM de microaguja (350 µm alto, 250 µm ancho en la base y un conducto elíptico con 70 µm

en el eje mayor) Derecha. SEM de arreglo de microagujas (Meng).

De acuerdo a la Figura 2.6, se pude observar un arreglo de microagujas de forma bastante regular.

Una característica importante de esta microformas son las dimensiones geométricas que posee. Por

ejemplo en su parte superior tiene un agujero de 70 µm de diámetro lo cual deja claro que por medio

de técnicas no convencionales es posible a llegar a valores por debajo de las 100 µm de longitud.




15

Figura 2-7 Izquierda. SEM de microaguja (210 µm alto) Derecha. SEM de arreglo de microagujas (Meng).

En la Figura 2.7, las microformas se encuentran con dimensiones en rangos de 200-400 µm lo cual

permite tener una vasta idea del tamaño de las microformas a mecanizar. El dimensionamiento de los

elementos a mecanizar se verá en más detalle en los capítulos siguientes.

2.3 Microtorno µCNC Uniandes

Entre los trabajos realizados en el Microtorno CNC Uniandes, se tienen numerosos aportes al

diseño, fabricación de prototipos y de producción con el fin de alcanzar el objetivo de creación de

microcápsulas óseas que permitan la administración de medicamentos a los pacientes. Un panorama

más detallado con respecto a lo realizado hasta ahora puede clasificar por medio de los autores

Beltrán M.D. en su Tesis de Pregrado “Manufactura de microformas de hueso liofilizado para entrega

de sustancias terapéuticas en implantes óseos” (Beltrán, 2015) y en Proyecto Intermedio “Calibración

y puesta a punto del Microtorno CNC Uniandes” (Gustavo, Morales, & Villalba, 2015).

Figura 2-8 Estado actual del Microtorno CNC Uniandes.




16

En la Figura 2.8, se observa el micro torno con el cual se trabajará durante todo el proyecto. La

máquina presenta las siguientes características:

a. Dimensiones generales del Microtorno son: 25x20x35 cm +/- 1 cm.

b. Fuente de energía: Fuente de voltaje de 12 V.

c. Presión: Otro parámetro importante en la operación de la micromáquina es la presión necesaria en

la turbina para los procesos de mecanizado. Los valores calibrados fueron: Presión de activación:

0.25 bares, presión máxima de operación: 1.5 bares. De acuerdo a los comentarios realizados en el

documento la presión óptima de mecanizado es de 1 bar por motivos de alta fricción entre el buril con

inserto de tungsteno y el hueso liofilizado.

d. Eje del husillo y eje del carro transversal: 1.2 ° es el valor de desalineación entre estos dos ejes.

e. Eje del husillo y eje de taladrado: Desalineación de 0.7 °.

f. Velocidad de avance de los ejes: 26.25 µm /s en el eje X, 29.06 µm /s en el eje Z.

g. Relación distancias/pasos: 2.318391 µm /paso y 2.305369 µm /paso para los ejes X y Y

respectivamente.

h. Velocidad angular: Velocidad normal de operación: 24800 +/- 100 RPM, velocidad de quemado de

la pieza: 54300 +/- 100 RPM, velocidad tangencial de quemado: 28.43 +/- 0.05 m/s.

i. Diámetro máximo del husillo: 1.4 mm

De acuerdo a lo parámetros calibrados y a los objetivos del proyecto se trabajará inicialmente en la

alineación de los ejes del husillo, taladro y buril para poder obtener piezas mecanizadas de precisión.

2.4 Relación área-volumen

Uno de los aspectos más relevantes dentro del trabajo propuesto es identificar de manera correcta el

rango de dimensiones y formas de los suministros de medicamentos determinantes en la respuesta

fisiológica del paciente. La medicina administrada por medio de procesos convencionales como lo

son la ruta oral o en inyección resultan en un pico de concentración inicial del medicamento seguido

por un decrecimiento relacionado con el metabolismo del cuerpo a través del tiempo. Por esta razón,

los dispositivos microformados tales como las macropartículas, biocápsula y microagujas permiten

tener un flujo de salida en intervalos de tiempo mayores.

En orden de establecer el dimensionamiento de los dos tipos de micro-formas a trabajar en el

proyecto (cilindros y esferas) es necesario reconocer el tiempo de control y ubicación de la medicina

para alcanzar las concentraciones terapéuticas deseadas. La inserción de las microformas y/o

microcápsulas serán posicionadas en el hueso receptor del paciente esperando que se presente un

proceso de absorción y remodelamiento óseo tal cual como sucede cuando el tejido óseo recibe un




17

micro-daño o micro-fractura. La relación área-volumen determina con facilidad la importancia de

transferencia e intercambio de los procesos biológicos con el entorno que los rodea. Adicionalmente,

se ha detectado que esta relación influye en la tasa con que el hueso del receptor por medio de

osteoclastos ataca la micro-cápsula degradándola permitiendo una liberación de forma indirecta del

medicamento.

Teniendo en cuenta que una célula pancreática, encargada de producir la insulina ocupa un volumen

de 2.52 +/- 0.05 pl es posible calcular la cantidad que puede ser almacenada en las cápsulas (Olvera,

Amador, & Hernandez, 2008). En la Tabla 2.3, se puede visualizar un ejemplo de las piezas a

mecanizar mediante la relación geometría de la cápsula y combinaciones entre su longitud, diámetro

externo e interno. Las variables presentes Rext, h, A/V, Rint representan respectivamente el radio

externo, altura, relación área/volumen y radio interno de los cilindros a realizar.

Tabla 2.3 Relación área superficial-volumen para cilindros de diferentes radios y alturas

Rext. (µm) h(µm) A/V (µm -1) Rint.( µm) Células beta

75 150 0,040 45 1051,9

75 200 0,037 45 1402,5

100 350 0,026 50 4363,4

100 500 0,024 50 6233,4

150 350 0,019 80 9817,7

150 500 0,017 80 14025,2

250 350 0,014 200 27271,3

250 500 0,012 200 38959,0




18

3 Metodología y desarrollo

En este capítulo se presentará la metodología y el desarrollo llevado a cabo durante los procesos que

permitieron obtener las piezas micromecanizadas de acuerdo a los objetivos y parámetros del

proyecto.

En primer lugar, se presenta el proceso realizado con respecto a la calibración y ajuste del sistema de

micromecanizado. Parámetros como desalineación de ejes, observación de la pieza en tiempo real y

ajuste de piezas conforman esta primera parte.

En segundo lugar, se muestra el mecanizado de las piezas de hueso cortical que van hacer dispuestas

eventualmente en el centro de micromecanizado para obtener las muestras definidas con dimensiones

establecidas.

En tercer lugar, se presenta el análisis químico realizado al hueso cortical para obtener la

concentración de calcio, y de esta manera determinar de forma comparativa las propiedades

mecánicas del hueso que se está trabajando.

En cuarto lugar, se presentan las herramientas y los parámetros de mecanizado definidos para la

obtención de las piezas. Finalmente, se realiza un ensayo biológico con el fin de discutir si la relación

área/volumen es proporcional con la degradación del hueso en el tiempo.

3.1 Centro de micromecanizado: Calibración y ajuste

Para realizar la calibración y ajuste se establecen las condiciones reales del micro torno se realiza un

limpiado del exterior de manera detallada y se determina visualmente si todas las piezas se

encuentran en un estado funcional y estético.

Lo primero que se realizó fue eliminar por completo el uso del estereoscopio SMZ-1 y cambiarlo por

una cámara Veho™ de mayor resolución.




19

(a) (b)

Figura 3-1 (a) Estado actual estereoscopio SMZ-1. (b) Implementación cámara Veho™.

En la Figura 3.1 se observan los dispositivos utilizados durante el proceso de micromecanizado. Una

de las ventajas que ofrece el nuevo dispositivo (microscopio USB Veho™) de visualización es que

posee una mayor resolución de 400x comparado con 30x para el estereoscopio. Adicionalmente,

permite realizar registro de videos e imágenes en tiempo real por medio de un software instalado en

un sistema operativo.

(a) (b)

Figura 3-2 (a) Mecanismo de taladrado condiciones iniciales (b) Mecanismo de taladrado después de ajuste y

calibración

Como segunda medida se revisaron todas las piezas móviles y estáticas del centro de mecanizado y se

realizaron los ajustes correspondientes por medio del cambio de elementos o rectificación de los

mismos como se puede observar en la Figura 3-2.

Otro aspecto importante fue la alineación del eje del usillo con el eje de desplazamiento de la

herramienta de corte. La finalidad de alinear estos dos ejes es conseguir en el caso de los cilindros un

diámetro constante a través de su longitud.

El proceso de ajuste consistió en una observación en tiempo real del desfase de ejes por medio de la

cámara Veho™ y una eventual corrección por medio de un ajuste manual de sus ejes como se pude

observar en la Figura 3.3.




20

(a) (b)

Figura 3-3 Ajuste y calibración de ejes (a) Desfase ejes de 5.12° (b) Desfase ejes de 0.07°

3.2 Muestras óseas implementadas para el micromecanizado

A. Mecanizado de hueso cortical en torno convencional

Según las características de diseño del microtorno, es necesario realizar una preforma a las piezas

que puedan ser introducidas dentro del husillo del microtorno.

(a) (b)

Figura 3-4 (a) Piezas mecanizadas en torno convencional para su eventual micromecanizado en el Microlathe. (b)

Aumento 40 X pieza mecanizada en torno convencional

Según la Figura 3.4, se pueden apreciar las piezas preformadas utilizadas para el micromecanizado en

el microlathe. El proceso fue realizado en torno convencional y las dimensiones geométricas de las

piezas resultantes se pueden observar en la Tabla 3.1.




21

Tabla 3.1 Dimensiones geométricas muestras de hueso cortical usado para el proceso de micromecanizado

Muestras de hueso cortical preformado

No Diámetro (mm) Longitud (mm)

1 1.60 8.70

2 1.60 10.56

3 1.51 8.56

4 1.60 9.90

5 1.60 7.39

6 1.67 11.22

3.3 Análisis químico hueso cortical

El objetivo del análisis químico es proporcionar de manera directa magnitudes de las propiedades

mecánicas por medio de la concentración de calcio en el hueso y por medio de investigación en la

literatura establecer una relación entre la masa de calcio en el hueso y el módulo de elasticidad del

material. Este procedimiento, consistió en el uso del Microscopio Electrónico de Barrido mediante la

técnica detector de espectroscopia por dispersión de energía (EDS). El proceso consistió en la toma

de dos muestras de hueso que fueran representativas y que permitieran determinar una concentración

de calcio similar para relacionarlo con diferentes magnitudes mecánicas.

A. Análisis químico pieza No. 1

Figura 3-5 Distribución elementos químicos dentro de muestra No. 1




22

En la Figura 3.5, se puede observar la parte interna del hueso cortical usado para el análisis químico.

Entre el resultado se puede verificar de manera visual que la concentración de los elementos como

calcio y fosforo se encuentra de manera uniforme entre toda la superficie.

Tabla 3.2 Pesos porcentuales de los elementos presentes en la muestra No. 1

Elemento % Peso Sigma % peso % Atómico

Carbono 28,11 2,46 42,27

Oxígeno 35,62 2,8 40,2

Fosforo 8,96 0,75 5,22

Calcio 27,31 1,56 12,3

En la Figura 3.5, se puede observar la parte interna del hueso cortical usado para el análisis químico.

Entre el resultado se puede verificar de manera visual que la concentración de los elementos como

calcio y fosforo se encuentra de manera uniforme entre toda la superficie.

Tabla 3.2, con una densidad de 1.8 g/cm3 y un volumen de 0.019085 mm3 se tiene que la

concentración de calcio es de 273.1 mg/g

B. Análisis químico pieza No. 2

Figura 3-6 Distribución elementos químicos muestra No. 2




23

En la Figura 3.6 a diferencia de la Figura 3.5 es posible identificar que en poca proporción está

presente el aluminio.

Tabla 3.3 Pesos porcentuales de los elementos presentes en la muestra No. 2

Elemento % Peso Sigma % Peso % Atómico

Carbono 19,26 1,55 28,58

Oxígeno 42,45 1,51 56,62

Fosforo 10,63 0,75 6,11

Calcio 25,4 0,69 8,34

Aluminio 2,26 0,17 0,65

Según la Tabla 3.3, con una densidad de 1.8 g/cm3 y un volumen de 0.019085 mm3 se tiene que la

concentración de calcio es de 264.2 mg/g.

De acuerdo a las Tablas 3.2 y 3.3 es posible obtener los valores de 273,1 y 264.2 mg/g y establecer

un módulo de Young entre 15-20 GPa.

3.4 Micromecanizado de hueso cortical-Herramientas

3.4.1 Herramientas de corte- taladrado

Un aspecto importante a considerar en la micromáquina es la herramienta de corte para

taladrar. De acuerdo al proceso de mecanizado y las formas que de desean obtener se

propone adquirir una micro-broca de 0.04 mm de diámetro previamente cotizada y

seleccionada para taladrar hueso según comentarios de soporte técnico de la empresa

Kyocera (Carrasco, 2016).

Figura 3-7 Dimensiones generales de broca con diámetro de corte de 0.04 mm adquirida en Kyocera Precision Tools

(Carrasco, 2016)

En la Figura 3.7, se puede observar la herramienta solicitada al proveedor en Estados Unidos y

utilizada en el proceso de micromecanizado del hueso cortical.




24

Dado que el proceso de taladrado con una broca de 40 µm de diámetro no permite visualizar con

precisión el corte del material, se procedió a observar la punta y determinar en qué condiciones se

encontraba la herramienta.

Figura 3-8 Proceso de taladrado. Uso de broca con un diámetro de 0.040 mm.

En la Figura 3.8, se observa un primer ensayo en el que se utilizó una muestra de hueso cortical y la

microbroca adquirida para determinar y analizar los resultados del proceso de taladrado.

Dado que no se observó de manera verídica el agujero taladrado, se procedió a realizar un SEM de la

herramienta para determinar las condiciones de la herramienta de taladrado.

(a) (b)

Figura 3-9 Fractura de la punta micro broca por posible manipulación. (a) Vista frontal (b) Vista lateral




25

Según la Figura 3.9, la herramienta de corte se encontraba fracturada lo cual se optó por adquirir una

broca comercial con el menor diámetro posible como se observa en la Figura 3.10.

Figura 3-10 Broca de acero rápido HSS DIN338N con un diámetro de 0.2 mm, 2.5 mm de profundidad de corte, 118°

ángulo en la punta y 30° de hélice (Beltrán, 2015)

3.4.2 Herramientas tronzado

Figura 3-11 Buril para tronzado izquierdo

(a) (b)

Figura 3-12 (a) Observación SEM vista panorámica de la herramienta (b) Observación SEM espesor de corte aprox.

80 µm.

Con ayuda del técnico Oscar Miranda en la empresa INDAVEN ubicada en Bogotá, fue posible

obtener un buril de tronzado izquierdo WIN HSS 5/16 x 2 como se puede observar a la Figuras 3.11.




26

El propósito del afilado del buril, consiste en obtener un espesor de corte lo más pequeño posible. El

valor del espesor se validó mediante observación en el SEM de acuerdo a la Figura 3-12.

3.4.3 Herramientas de corte- cilindrado y refrentado

Actualmente, el micro torno tiene una pastilla de tungsteno que permite realizar procesos de

mecanizado tales como cilindrado y refrentado. Esta herramienta posee varios inconvenientes en el

acabado de las piezas que se quiere conseguir. Uno de los más importantes, es que su zona de

contacto posee un perfil redondo, lo cual no permite que la herramienta produzca un acabado fino

sobre la pieza y que las fuerzas de contacto sean considerablemente altas.

Figura 3-13 Inserto de tungsteno de 55° para micromaquinado (Beltrán, 2015)

(a) (b)

Figura 3-14 Observación SEM vista panorámica del inserto de tungsteno. (a) Escala 500 µm (b) Escala 50 µm

Según la Figura 3-14, es posible observar que la punta de corte del inserto de tungsteno posee un

radio de 50 µm y se determinó que es posible seleccionar un material cerámico con alta dureza y

preformarlo mediante técnicas de lapidación hasta llegar obtener la forma requerida de la herramienta

con menor radio de corte. Entre las opciones se tenía diamante, esmeralda y cuarzo.




27

El diamante siendo este el material más duro fue considerado como ideal en nuestro proyecto, sin

embargo su lapidación podría ser costoso e ineficiente para el trabajo.

Finalmente, se determinó que el cuarzo y esmeralda son los materiales más factibles para proceder

con el trabajo. El procedimiento a seguir para la obtención de las herramientas de corte de los

minerales fue el siguiente:

i. Selección del material para realizar la lapidación

ii. Medición de pesos de los minerales

Figura 3-15 Pesaje de los materiales a usar (masa cuarzo = 41.30 quilates, masa esmeralda = 52.90 quilates)

iii. Selección de forma de la herramienta de corte

Se determinó que la herramienta de corte a utilizar sería para realizar procesos de cilindrado.

iv. Lapidación del material.

Al momento de realizar la lapidación de los dos tipos de material (esmeralda y cuarzo) se pudo

observar que para conseguir una herramienta para cilindrar era necesario definir ciertos aspectos

como ángulos de corte y arista de filo vivo. La talla de la esmeralda no permite obtener ángulos muy

cerrados ya que sus aristas se desportillan, esto debido a ser un material blando comparado con el

cuarzo. Por otro lado, fue posible realizar el tallaje del cuarzo de acuerdo a unos ángulos de corte ya

determinados (ángulo de incidencia secundario = 5° y ángulo de filo = 65°)




28

Figura 3-16 Obtención de dos buriles grande y pequeño para realizar mecanizados de cilindrado

(a) (b)

Figura 3-17 Observación SEM del buril de cuarzo tallado. (a) Escala 500 µm (b) Escala 100 µm

De acuerdo a la Figura 3-17, se puede observar que el radio de corte de la punta del material es

muy similar al inserto de tungsteno.

Dado que no hubo mejoras sustanciales para las dos herramientas de corte a utilizar se realiza una

comparación de ambos filos de corte.

(a) (b)

Figura 3-18 Filos de corte (a) Inserto de tungsteno (b) Buril de cuarzo




29

De acuerdo a la Figura 3.18, es posible deducir que los filos vivos para las herramientas de corte

utilizadas durante el proceso de micromecanizado difieren entre sí, presentándose un mejor

acabado por parte del inserto de tungsteno.

Figura 3-19 Material Lacre usado como pegamento de la herramienta de corte del buril de cuarzo

En la Figura 3.19, se puede observar el material utilizado como pegamento para el uso del buril de

cuarzo.

3.4.4 Parámetros de micromecanizado

Según el valor determinado del módulo de elasticidad en relación a la concentración de calcio, se

estableció que el material a micromecanizar presentaba ciertas similitudes a la madera dura y por esta

razón se procedió a empezar con unos parámetros de corte iguales a como si estuviéramos

mecanizando madera.

El proceso de micromecanizado se realizó de acuerdo a los siguientes parámetros de corte mostrados

en la Tabla 3.4.

Tabla 3.4 Parámetros de corte utilizados en pruebas de micromecanizado de hueso cortical

Parámetro Micromaquinado pruebas

Velocidad del husillo (rpm) (2-5)x10^4

Velocidad de corte (µm s) 25.4

Avance (µm /rev) 0,04

Profundidad de corte (um) 50

El proceso de micromecanizado se realizó de manera repetitiva hasta encontrar y determinar los

parámetros necesarios que nos presentaran excelente acabado superficial, dimensiones exactas, etc.




30

Figura 3-20 Mecanizado con parámetros de corte finales (a) Observación pieza y (b) dimensionamiento

Según la Figura 3.20, se puede observar un ejemplo del proceso de micromecanizado para

determinar los parámetros de micromaquinado que permitieran establecer condiciones óptimas en el

proceso. Los valores finales se pueden observar en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5 Parámetros de corte usados durante el micromecanizado del hueso cortical

Parámetro Micromaquinado Final

Velocidad del husillo (rpm) 2.3x10^4

Velocidad de corte (µm /s) 25.4

Avance (µm /rev) 0,04

Profundidad de corte (µm) 10

3.5 Ensayo bilógico: Cultivo de bacterias y degradación del hueso cortical

Se realizó un ensayo biológico con ayuda de la profesora Jenny Dussan del Departamento de

Microbiología en la Universidad de los Andes y sus asistentes Paola y Sergio. El objetivo del ensayo

era determinar el tiempo de degradación de una cápsula de hueso cortical dentro de un cultivo de

bacterias ya definido, con el fin de interpretar si existe alguna reciprocidad con la relación

área/volumen para los procesos de transferencia de masa.

Se usaron dos tipos de bacterias del género Lysinibacillus sphaericus denominadas OT4b.31 y 26. Un

microorganismo que durante más de dos décadas ha sido el protagonista en proyectos desarrollados

por profesores y varios estudiantes en el Centro de Investigaciones Microbiológicas (CIMIC). La L.

sphaericus OT4b.31 es provenientes de larvas de coleóptero encontradas en la sabana de Bogotá

(Dussán, Lozano, Peña, & Bojacá, 2013)

El procedimiento del ensayo fue el siguiente:




31

i. Obtener ambas cepas de bacterias.

ii. Separación medio nutriente por medio de centrifugado (13000 rpm por 4 min)

Figura 3-21 (Máquina de centrifugado. Separación por gradiente de densidad)

iii. Adición de 1 ml de agua destilada.

Figura 3-22 Contacto del hueso cortical y cepas de bacterias por medio de las cajas Petri.

iv. Incubación de bacterias por 5 días en cajas Petri mini (tissue culture dish).

v. Observación en el microscopio




32

Figura 3-23 Observación microscopio. Resolución 10x, 40x y 100x

vi. Verificación degradación realizada por las bacterias y no por otros organismos por medio de

un proceso denominado como Tinción de Gramm.

Figura 3-24 (Cultivo de microorganismos presentes en el ensayo)

vii. Proceso de fijación y tinción de las bacterias.




33

(a) (b)

Figura 3-25 Confirmación presencia de las dos bacterias utilizadas en el ensayo. Presencia de esporas (a) Cepa 31 (b)

Cepa 26




34

4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1 Piezas obtenidas por micromecanizado

4.1.1 Cilindros

(a) (b)

Figura 4-1 Dimensiones geométricas cilindro. Diámetro de 552.95 µm con una longitud de 2.66 mm (a) Vista general.

(b) Vista en detalle defecto

(a) (b)

Figura 4-2 Dimensiones geométricas cilindro. Diámetro mayor de 218.25 µm con una longitud de 1.04 mm (a) Vista

general. (b) Vista en detalle poro

Según las Figuras 4.1 y 4.2, se puede apreciar el material micromecanizado con dimensiones

alrededor de las 200 µm. El propósito de este primer resultado era verificar la posibilidad de obtener




35

elementos que pudieran ser mecanizados y presentarán medidas por debajo de las 2 décimas con

errores no mayores al 5% en sus dimensiones geométricas.

(a) (b)

Figura 4-3 Dimensiones geométricas (a) Cilindro con diámetro de 155.63 µm (b) Cilindro con diámetro de 153.18 µm

En la Figura 4.3, es posible identificar diámetros de 206.08, 155.53 y 153.18 um con un valor

establecido desde el inicio en 200 y150 µm, lo cual permite determinar que se tienen errores máximos

del 3.5% aproximadamente.

Figura 4-4 Acabado superficial realizado del hueso cortical

Por otro lado, en la Figura 4.4, se observa como es el acabado superficial de uno de los elementos

micromecanizados de la Figura 4.3. Se determina que los parámetros establecidos durante los

procesos de cilindrado, refrentado y corte se ajustan a los objetivos establecidos del proyecto.




36

4.1.2 Esferas

(a) (b)

Figura 4-5 Micromecanizado de esferas (a) Media esfera con radio de 87 µm y (b) esfera mecanizado en el trabajo de

grado de Mabel (Beltrán, 2015) con radio de 314.82

Se comprobó que las rutinas para mecanizar esferas funcionan a la perfección y la clara demostración

se puede ver en la Figura 4-5 en donde se obtuvo media esfera con un radio de 87.10 µm y una

diferencia entre sus ejes de 4 µm. Finalmente, se establece que el uso del inserto tungsteno parece ser

una buena alternativa para micro-mecanizar hueso cortical ya que permite alcanzar valores precisos

con un buen acabado superficial.

De acuerdo a los resultados vistos en las Figuras 4.3 y 4.5, es posible obtener piezas tales como

cilindros y esferas con alta precisión. Los errores encontrados durante el proceso equivalen

aproximadamente al 3% si las dimensiones de los elementos se encuentran en un rango de los 150-

250 µm de diámetro y al 10 % si las dimensiones deseadas se encuentran alrededor de los 100 µm. En

adición, se puede determinar que las herramientas utilizadas y parámetros de corte establecidos

representan los accesorios y valores ideales para la manufactura por medio de técnicas de micro-

mecanizado para implantes óseos.

Durante este proceso, únicamente se verificó el código de interpolación circular para obtener formas

esféricas Figura 4-5 y el micro-mecanizado de las piezas se centró principalmente en la elaboración

de micro cápsulas con forma cilíndrica. En este orden de ideas, se determinó que una de las formas

para caracterizar la calidad de fabricación sería por medio de la norma ISO R286-2, ISO system of

limits and fits – Part 2: Tables of standard tolerance grades and limit deviations for holes and shafts,

la cual considera 18 calidades para dimensiones nominales entre 0 y 500 mm (ISO 286-2). Mediante

la designación de tolerancias y la formulas generales Ecuación 4.1Ecuación 4.1, se tiene que el grado

o calidad de tolerancia para la fabricación realizada corresponde a las calidades IT11-IT14

relacionada a procesos de micro-mecanizado (Rubio, 2011).

√

Ecuación 4.1




1

Donde:

ITn: Tolerancia de Calidad “n” expresada en micras (µm).

D: Media geométrica de los valores extremos de cada grupo de diámetros nominales expresados en

mm.

k: Factor multiplicador, adimensional.

4.2 Piezas obtenidas para el ensayo biológico

Tabla 4.1 Piezas de hueso obtenidas mediante micromecanizado para el ensayo microbiológico para establecer

contacto con las bacterias No.31 y No. 26

Ensayo microbiológico con cepas No. 31 y No. 26

No. de pieza Diámetro (µm) Longitud (µm) Relación A/V (µm -1) Cepa bacteria

1 200 700 0,020 26

2 300 600 0,0100 26

3 300 700 0,0095 26

4 300 800 0,0092 26

5 350 400 0,0107 26

6 350 900 0,0079 26

7 350 1000 0,0077 26

8 400 700 0,0079 31

9 400 800 0,0075 31

10 450 900 0,0067 31

11 450 900 0,0067 31

12 450 1000 0,0064 31

13 500 1200 0,0057 31

14 500 1000 0,0060 31

15 500 800 0,0065 31

De acuerdo a la tabla 4.1, se micro-mecanizaron 15 piezas con diferentes valores de relación

área/volumen y de esa manera fue posible determinar la reciprocidad entre el tiempo de degradación

por la acción bacteriana y el tiempo trascurrido.




2

4.3 Observación microscopio degradación bacteriana del hueso

A. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 1

Figura 4-6 Muestras hueso cortical en contacto cepa No. 31 primer día

B. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 5

Figura 4-7 Muestras hueso cortical en contacto con cepa No. 31 día 5




3

C. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 7


D. Muestras en contacto con las cepas bacterianas: día 11


En las Figuras 4.6-4.9, se puede observar dos cilindros de hueso cortical con diferente relación

área/volumen en contacto con la cepa OT4b.31 durante el inicio del ensayo (día 1), y el transcurso de

este para los días 4, 7 y 11. Durante el primer día de acuerdo a la Figura 4.6, se observa las

condiciones iniciales de los cilindros de hueso cortical. En la Figura 4.7 (día 4), se puede observar

que la superficie del material se está formando pequeños poros. En la Figura 4.8 (día 7), se puede

verificar con claridad una degradación en la superficie del material. Finalmente, en la Figura 4.9 (día

11) se observa el material cortical totalmente fracturado permitiendo concluir de manera preliminar

que cilindros de hueso cortical son totalmente degradados en un intervalo 8-10 días en contacto con

la cepa OT4b.31

4.4 Relación área/volumen del hueso cortical y degradación por contacto con las

cepas No. 31 y 26




4

La incidencia de la degradación del hueso cortical debido al contacto por las bacterias OT4b.31 y 26

con respecto a la relación de área/volumen de las piezas se dividió en dos partes. La primera fue

determinar por medio de herramientas de procesamiento de imágenes en MatLab un valor

aproximado de la superficie afectada presentándose en una escala igual a 0 como degradación nula y

1 como degradación total con respecto a la superficie total. La segunda fue graficar este valor con

respecto al tiempo para cada las piezas de acuerdo al tipo de bacteria con la que tenían contacto.

Figura 4-10 Cálculo degradación superficial con respecto al área total de la muestra.

De acuerdo a la Figura 4-10, se calculó las áreas afectadas por medio del procesador de imágenes en

Matlab para determinar la magnitud de degradación superficial de la pieza.

4.4.1 Relación área/volumen y degradación de la bacteria 26

Tabla 4.2 Incidencia relación área/volumen con degradación superficial del hueso en contacto con cepa No. 26

Degradación hueso cortical en contacto con bacteria 26

No. pieza Relación A/V (µm -1) Degradación Superficial (-)

día 1 día 5 día 7 día 11

1 0,02 0 0,12 0,23 0,35

2 0,0100 0 0,06 0,11 0,17

3 0,0092 0 0,02 0,06 0,08

4 0,0077 0 0,01 0,03 0,07

5 0,0107 0 0,09 0,14 0,22




5

Figura 4-11 Degradación de piezas de hueso cortical por contacto con cepa No. 26

Según la Tabla 4.2 y la Figura 4.11, es posible identificar que durante el ensayo bilógico por medio

de la bacteria 26 se encontró una degradación máxima del 35% con respecto a su condición inicial.

La relación área/volumen de las piezas presentaron una relación directa con respecto al tiempo de

contacto con la bacteria dado que a mayor relación mayor degradación superficial. Esta

interacción presenta una tendencia lineal a través del tiempo. Cabe resaltar que el proceso con el que

se determinó el cálculo de la degradación superficial de las piezas se hizo de manera subjetiva y de

acuerdo a criterios del autor.

4.4.1.1 Observación SEM degradación por la bacteria 26

(a) (b)

Figura 4-12 Muestras en contacto con cepa 26 (a) área/volumen 0.02 µm -1 (b) área/volumen 0.0092 µm -1




6

Según la Figura 4.12, se aprecia los elementos micromecanizados y utilizados durante el proceso

biológico. En ambos casos presentes (diámetros de 209.12 µm y de 300.58 µm) se observa una

degradación superflua sin fracturas presentes perceptibles.

4.4.2 Relación área/volumen y degradación bacteria OT4b.31

Tabla 4.3 Incidencia relación área/volumen con degradación superficial del hueso en contacto con cepa No. OTb4.31

Degradación hueso cortical en contacto con bacteria OT4b.31

No. pieza Relación A/V (µm -1) Degradación Superficial (-)

día 1 día 5 día 7 día 11

1 0,0079 0 0,34 0,72 1

2 0,0075 0 0,32 0,41 0,76

3 0,0067 0 0,14 0,34 0,72

4 0,0064 0 0,22 0,45 0,81

5 0,0057 0 0,17 0,31 0,68

6 0,0065 0 0,28 0,68 0,95

Figura 4-13 Degradación de piezas de hueso cortical por contacto con cepa No. OT4b.31

Según la Tabla 4.3 y la Figura 4.13, se puede identificar que los elementos micromecanizados

presenciaron una degradación del 100 % presentando fractura total de los elementos para las piezas

con relación área/volumen de 0.0079 µm -1. El contacto con la bacteria OT4b.31 presenta una mayor




7

tasa de degradación en comparación con la bacteria 26. La tendencia se puede observar el la Figura

4.13 y permite determinar que la relación presente es lineal con valores finales entre el 70-100% de

degradación para un tiempo de ensayo de 11 días.

4.4.2.1 Observación SEM degradación por la bacteria OT4b.31

(a) (b)

Figura 4-14 Muestras en contacto con cepa OT4b.31 (a) área/volumen 0.0065 µm -1 (b) área/volumen 0.0075 µm -1

Figura 4-15 Muestras en contacto con cepa 31 área/volumen 0.0079

De acuerdo a las Figuras 4.14 y 4.15, se puede apreciar el resultado final después de pasar las piezas

que estuvieron en contacto con la bacteria OT4b.31 a través del microscopio de barrido electrónico.




8

Es evidente que en las tres muestras (diámetros de 500, 450 y 350 µm) presentaron una degradación

total del elemento con fracturas superficiales altamente visibles.

Dado que la degradación superficial del hueso cortical está directamente relacionado con el tiempo de

ruptura de la micro-cápsula, es posible determinar en cuanto tiempo se dará comienzo al proceso de

dosificación. Extrapolando la tendencia generada por el contacto entre los elementos y de acuerdo a

las Figuras 4.12, 4.14 y 4.15 con el criterio que en un 80% de degradación superficial se daría inicio a

la dosificación, se esperaría que para micro-cápsulas con un agujero de 200 µm, diámetros entre 300-

500 µm y longitudes de 600-1000 µm el tiempo de rompimiento se encontrará entre los días 7-21

una vez los elementos fueran depositados en el cuerpo receptor. Este resultado se puede apreciar en la

Figura 4.16, donde se observa que a partir el día 7 los elementos en contacto con la cepa OT4b.31

presentan una degradación mayor al 80% definiendo el tiempo límite menor de ruptura. Por otro lado,

los elementos sujetos al contacto con la cepa No. 26 presentaron degradación por encima del 80% en

el día 20 definiendo el tiempo límite superior de ruptura.

Figura 4-16 Tiempo de ruptura e inicio de dosificación esperado para micro-cápsulas de hueso cortical

También, es posible relacionar los resultados obtenidos en este trabajo con documentos presentados

en diferentes Universidades especializadas en mejorar la salud humana. Por ejemplo, la Universidad

de Vanderbilt (Vanderbilt Institute of Chemical Biology), ha estado trabajando en un nuevas

investigaciones con respecto a infecciones en fémur de ratón ocurrido por la bacteria Staphylococcus

aureus (Rouzer, 2013).




9

Figura 4-17 Fémur de ratón infectado con Sthaphylococcus (gris) sujeto a microCT análisis imagen. Destrucción de

hueso cortical (amarillo) (Rouzer, 2013).

El estudio realizado en el laboratorio Skaar se inyectó en fémur de ratón la bacteria S. aureus a

través de un defecto realizado previamente en el material. El progreso de la infección fue confirmada

de acuerdo a un monitoreo de células bacterianas sobre el hueso, en el cual alcanzó su máximo valor

a los 4 días después de la inyección. De acuerdo a la Figura 4.16, se observa un progreso de infección

después de 14 días de contacto indicando una pérdida de hueso cortical alrededor de 10 al 20% en el

punto de inyección. Por lo tanto, la degradación del hueso cortical en contacto con bacterias tales

como: S. aureus y OT4b.31 presentan degradación del material en proporciones similares en ensayos

bilógicos con intervalos de 11 y 14 días de contacto.




10

5 CONCLUSIONES

Se implementó y se calibro el Microtorno CNC UNIANDES del LATEMM mediante

sistemas de interpolación lineal y circular para los procesos de micromecanizado. Se

determinó que alcanzar valores geométricos del orden de los 100-200 µm es viable con las

herramientas y mecanismo utilizado. Se recomienda utilizar para trabajos posteriores

sistemas de posicionamiento para un mejor proceso de mecanizado.

Uno de los mayores inconvenientes durante el ajuste del micro-torno fue la alineación

correcta entre el eje del husillo y las herramientas de corte provistas como el inserto de

tungsteno y la micro-broca. De esta manera, el uso de software especializado en

procesamiento de imágenes fue incorporado y utilizado para rectificar los ejes de corte y

obtener cilindros rectos.

Se eliminó, se adaptó y se especificaron nuevos parámetros de corte para la elaboración de

piezas micro-mecanizadas mediante el uso de rutinas simples NC en formato de

programación G para la obtención de figuras como cilindros y esferas. El proceso de ensayo

y error determinó que los valores óptimos para el avance y profundidad de corte eran de 0.04

µm/rev y 10 µm respectivamente, permitiendo obtener piezas con diámetros cercanos a las

100 µm. Adicionalmente, mediante la identificación de frecuencia óptima de trabajo fue

posible obtener una respuesta rápida y sólida durante el proceso de micro-mecanizado

reduciendo parámetros fundamentales como la fricción entre pieza-herramienta y vibración

de los elementos.

Mediante el uso de herramientas de corte comerciales (inserto de tungsteno y broca de 200

µm) fue posible obtener muestras de hueso cortical con formas cilíndricas de diámetros

desde los 150 hasta los 500 µm con errores máximos en el diámetro final del orden del 8%.

Se implementó una nueva herramienta de corte de tronzado con un espesor máximo de 80 µm

minimizando las irregularidades de los cortes realizados a las muestras y permitiendo

obtener figuras homogéneas. Sin embargo, dado las porosidades presentes en la estructura del

hueso cortical rompimiento inesperado ocurre con alta frecuencia.

Mediante el sistema de interpolación circular, se obtuvo una media esfera de hueso cortical

con un radio de 87 µm y un error aproximado entre sus ejes del 2%, lo cual indica que el

procedimiento de calibración del centro de micro-mecanizado y los procesos implementados

durante el proyecto fueron mejorados en un 20% de acuerdo a trabajos presentados

anteriormente durante el proceso de elaboración de micro-esferas.

Mediante observaciones en el microscopio de barrido electrónico (SEM), se determinó que la

herramienta de corte conveniente para el centro de micro-mecanizado sigue siendo el inserto

de tungsteno debido a que no solo presenta bajos costos de elaboración comparadas con las

herramientas elaboradas en esmeralda y cuarzo, sino que además permite obtener acabados

superficiales homogéneos durante todo el proceso de elaboración de micro-formas.




11

La producción de piezas en serie permitió identificar que el grado de tolerancia se encuentra

totalmente relacionado con procesos de micro-torneado representados por las calidades IT11-

IT14 de acuerdo a la norma ISO R286-2 de acuerdo al análisis realizado a las piezas con

forma cilíndrica.

Mediante programas comerciales de edición de imágenes fue posible obtener una

cuantificación de la degradación superficial del hueso cortical en contacto con las cepas de

bacterias con el fin de identificar la relación entre el tiempo de contacto y las propiedades

geométricas del elemento. Adicionalmente, se identificó que para piezas con forma cilíndrica

del orden de 200-500 µm de diámetro y con un agujero de 200 µm y en contacto con la cepa

OT4b.31 se esperaría una degradación total e inicio de dosificación a los 14 días. También,

se evaluó el comportamiento de hueso cortical frente al contacto con cepas de bacterias

(OT4b.31 y 26) y se observó que aunque existe una incidencia proporcional entre la relación

área/volumen de la pieza micro-mecanizada y la degradación del hueso a través del tiempo la

cepa OT4b.31 degrada con mayor rapidez el hueso cortical que la cepa 26 de acuerdo con el

análisis químico realizado ya que la disminución del peso porcentual de calcio es del 25% y

10% respectivamente.




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proyecto de grado ingenierÍa mecÁnica prototipo de …

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