Desarrollo de un nuevo material nanocompuesto de circonia con nanotubos de carbono recubiertos para aplicaciones ortopédicas

Resumen

El objetivo de la tesis es la obtención de un nuevo material cerámico que mejore el comportamiento a largo plazo de las prótesis cerámicas en el cuerpo humano. Se desea obtener un material biocompatible de base circona que tenga propiedades superiores de resistencia frente al envejecimiento y que frene el avance de grieta, mejorando las prestaciones mecánicas. Para conseguir los objetivos se añaden nanotubos de carbono como refuerzo de la matriz cerámica. La tesis está dividida en tres partes. En la primera parte se estudia la síntesis hidrotérmica de nanopartículas de circona en presencia de nanotubos de carbono. Se fabrican nanotubos de carbono recubiertos de circona tetragonal nanométrica, que presenten un enlace entre el CNT y la circona que lo recubre, para que la transferencia de carga de los CNT con la matriz cerámica sea óptima. Además, se busca maximizar el porcentaje y cristalinidad de la circona nanoestructurada tetragonal que recubre los nanotubos, para que cumpla con las especificaciones de la norma ISO 13356. En la segunda parte, una vez optimizado el proceso de recubrimiento de los nanotubos, se trabaja en la obtención de piezas en verde con una óptima dispersión de los nanotubos en la matriz de circona. Los nanotubos de carbono se recubren con el objetivo de obtener una mejor dispersión. El procesamiento coloidal de los nanocompuestos se estudia y se optimiza en base a un estudio reológico. Las piezas en verde se obtienen colando las suspensiones optimizadas en moldes de escayola. La tercera parte de la tesis se centra en el sinterizado y la caracterización de las piezas obtenidas. Se utilizan técnicas de sinterizado convencional y se estudia la estabilidad e influencia de la adición de los nanotubos en el sinterizado de la matriz de circona nanoestructurada. Se define el porcentaje óptimo de nanotubos en la matriz y se determinan las condiciones óptimas de sinterizado que maximizan la densidad y minimizan el tamaño de grano. Por último, se miden las propiedades biomecánicas (dureza, umbral de tenacidad, resistencia frente al envejecimiento y frente al desgaste) de las piezas sinterizadas. Se comprueba que la adición de nanotubos de carbono recubiertos de circona a una matriz de circona nanoestructurada resulta en un balance excepcional entre envejecimiento y resistencia al avance de grieta. Tesi honen helburua epe luzerako giza gorputzean dauden protesien portaera hobetzen duen material zeramiko berri bat lortzea da. Zahartzapen eta pitzaduren aurkako ezaugarri hobeagoak dituen material biokonpatible bat lortu nahi da, zirkoniaz osatua. Helburu hauek lortzeko matrize zeramikoaren gogorgarritzat karbonozko nanotuboak gehitzen dira. Tesia hiru zatitan banatua dago. Lehenengo zatian nanotuboen presentzian zirkoniazko nanopartikulen sintesi hidrotermala garatzen da. Zirkoniazko nanopartikulez estalitako karbonoko nanotuboak lortzen dira, estalkiko zirkonia eta nanotuboen artean lotura bat aurkezten dutenak. Era honetan, nanotuboen eta zirkoniazko matrizearen arteko kargen transferentzia hobetzen da. Gainera, nanotuboak estaltzen dituen zirkoniaren fase tetragonalaren portzentaia eta kristalinitatea handiagotu nahi dira, ISO 13356 arautegiaren espezifikazioak betetzeko. Bigarren zatian, behin nanotuboen estalketaren prozesua optimizatu delarik, pieza berdeen lorpena bilatzen da. Karbonozko nanotuboak zirkoniarekin estaltzen dira sakabanaketa hobetzeko asmoarekin. Ikerketa erreologiko baten bitartez nanokonpositeen prozesamentu koloidala hobetzen da. Ondoren, suspentsio optimizatuak igeltsu moldeetan iragaziz pieza berdeak lortzen dira. Tesiaren hirugarren zatiak lortutako piezen sinterizazio eta karakterizazioan jartzen du arreta. Ohiko sinterizazio teknikak erabiltzen dira eta karbonozko nanotuboen egonkortasuna aztertzen da eta nanotuboek zirkonia nanoestrukturatuaren sinterizazioan duten eragina ikusten da. Matrize zeramikoan sartu behar diren nanotuboen kopuru egokiena definitzen da eta dentsitatea handiena eta alerik txikiena ematen duten sinterizazio baldintzak bilatzen dira. Azkenik, pieza sinterizatuen propietate biomekanikoak (gogortasuna, haustura zailtasuna, zahartzapenaren erresistentzia eta higadura) neurtzen dira. Zirkoniazko matrize nanoestrukturatuari karbonozko nanotuboak gehitzeak zahartzapenaren eta pitzaduren aurkako erresistentziaren arteko balantze ezin hobea duen material bat sortzea ahalbideratzen du.