Propiedades nanomecánicas de polietileno de ultra alto peso molecular de grado médico irradiado con iones n

Abstract

El polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) se utiliza con éxito en aplicaciones biomédicas como componentes de prótesis de cadera y rodilla desde hace más de 35 años, gracias a su biocompatibilidad y excelente integridad mecánica. La extensión reciente de la aplicación de estos componentes en el caso de pacientes jóvenes requiere una vida en servicio más prolongada, que se ve restringida por propiedades mecánicas superficiales insuficientes. El entrecruzamiento de las cadenas poliméricas constituye una de las maneras de incrementar la resistencia al desgaste del UHMWPE. Esto se logra, por ejemplo, mediante tratamientos térmicos, procesos químicos, radiación gama y radiación con electrones de alta energía, que afectan a todo el material modificando completamente sus propiedades mecánicas. Sin embargo, estos tratamientos disminuyen la resistencia a la fatiga, limitando entonces su aplicación biomédica. En trabajos previos se ha demostrado que la irradiación con iones pesados, específicamente iones Nitrógeno a 33 MeV y fluencias comprendidas entre 5x10 10 y 1x10 14 iones/cm 2 , induce una alto grado de entrecruzamiento sólo en las capas exteriores del material [1]. Este tratamiento resulta una alternativa de modificación atractiva porque modificaría las propiedades sólo a nivel cercano a la superficie sin alterar el comportamiento mecánico del seno del material. La técnica de nanoindentación instrumentada, que se basa en el registro continuo de la carga aplicada y el desplazamiento producido por un indentador mientras penetra en la superficie del material, es una técnica de caracterización mecánica poderosa debido a su habilidad para determinar propiedades mecánicas a escala submicrómica. Actualmente, se utiliza para caracterizar distintas microestructuras en el seno de un material, determinar las propiedades de los constituyentes individuales de un material compuesto o muestra heterogénea y para mapear propiedades a través de la superficie La primera parte de este trabajo consistió en la definición de las condiciones de trabajo que resultan adecuadas para determinar las propiedades nanomecánicas y el coeficiente de fricción de UHMWPE biomédico mediante ensayos de nanoindentación instrumentada y nanorayado. La segunda parte, comprendió la caracterización de muestras de UHMWPE que fueron irradiadas con iones N bajo distintas fluencias y su comparación con el comportamiento del UHMWPE sin irradiar. Los ensayos de nanoindentación se llevaron a cabo utilizando una punta Berkovich y aplicando una función de carga trapezoidal. La determinación del módulo elástico reducido y la nanodureza se realizaron empleando el modelo propuesto por Oliver y Pharr. Por otro lado, los ensayos de nanorayado se hicieron usando una punta conoesférica de 20 μm y se determinó el coeficiente de fricción aparente como parámetro de caracterización del comportamiento tribológico del material. Las muestras irradiadas presentan un mejor comportamiento respecto a las no irradiadas por presentar valores mayores de módulo elástico y nanodureza y un coeficiente de fricción aparente menor. Estos parámetros sugieren una mejor resistencia al desgaste. Por otra parte, se observó que las propiedades nanomecánicas medidas dependen de la fluencia bajo la que se realizó la irradiación. El UHMWPE irradiado con 1x10 12 iones/cm 2 presentó el mejor comportamiento, mostrando un incremento de cuatro veces en la dureza y tres veces en el módulo elástico y, una disminución de una vez y media en el coeficiente de fricción aparente con respecto al UHMWPE sin modificar.