El mes de febrero, por su naturaleza corta, tiende a irse volando, llevándose con su rápida pasada la posibilidad de lograr todos mis objetivos propuestos. Este mes fue uno mayormente de preparación donde mi función fue entender los fundamentos de la técnica de EIS. Para esto hice una búsqueda extensa de información sobre el funcionamiento del equipo y como se hacen e interpretan las diferentes pruebas posibles. Además, pude observar como se lleva a cabo este proceso con uno de los compañeros del laboratorio que le esta haciendo pruebas similares de EIS para estudiar la corrosión de una aleación de aluminio. En adición, este mes hicimos unas cuantas pruebas de recubrimiento de titanio con hidroxiapatita usando PEO. Aun estamos en el proceso de optimizar los parámetros de PEO para homogenizar la morfología de la capa fina. Ya estamos en camino a lograr nuestras metas!

Abstract

The use of titanium alloys as materials in orthopedic implants is due to their combined physical and mechanical properties, namely immunity to corrosion, biocompatibility, high strength to weight ratio, low modulus of elasticity, and the capacity to join with bone tissue (osseointegration). In addition, previous studies have shown that the native titanium oxide layer formed enhances the biocompatibility of this material, although the thickness, adherence, and surface area available of this native film has been demonstrated to be poor.  Therefore, the objective of this study is to design a surface treatment that will oxidize and coat a novel titanium alloy known as gamma-titanium aluminide (γ-TiAl) with a bioactive coating of hydroxyapatite, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, that will promote bone regeneration and will accelerate the healing process, thus reducing the frequency of hip implant readjustment surgery. Plasma electrolytic oxidation (PEO) was chosen for this purpose because it is cost-effective, can be used on complex geometries, and produces thin films with high tribological, corrosion, and thermal barrier performance. All of these properties are necessary in order to uphold the cyclic loading applied on the implant and the acidic physiological conditions that are present during the healing process. Previous studies have shown promising results on a commercially used titanium alloy, Ti-6Al-4V, which will be used to compare the results obtained for γ-TiAl. During this study the arrangement and optimization of the equipment used for PEO was achieved. In addition, preliminary tests were performed in order to determine the oxidizing process conditions for each γ-TiAl and Ti-6Al-4V substrates by identifying the parameters needed to reach the dielectric constant of both samples. Later on, the substrates will be coated using PEO plus the addition of a calcium and phosphate ion electrolyte in order to incorporate the adequate Ca/P ratio found in bone tissue into the titanium matrix. Then, the morphology, porosity, and corrosion resistance of the hydroxyapatite coating will be evaluated in SBF with the use of Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), which will model the electrochemical cell as an electric circuit, providing quantitative data about the coating’s condition.

Poco antes de irnos de vacaciones de navidad comencé a hacer estudios preliminares con una nueva técnica para mi conocida como Plasma Electrolytic Oxidation (PEO). Los primeros pasos a tomar con esta prueba lo fue determinar la constante dieléctrica de el material para asegurarnos que estemos trabajando en todo momento a corrientes mayores que esta y de esta manera lograr el fenómeno que se ve en PEO. Este paso acabado de mencionar fue lo ultimo en que se trabajo el semestre pasado. El próximo paso seria usar la técnica de PEO para incorporar particulado del electrolito en la matriz de titanio y así formando una capa fina en la escala de unos micrómetros de el cerámico bio-activo conocido como hidroxiapatita. El rol del electrolito juega un papel importante en este proceso y este debe ser preparado con sumo cuidado para alcanzar una razón especifica de Ca / P, tal y como se encuentra en los huesos. Hasta el momento ya se logró determinar los detalles de la preparación de esta y hasta se hicieron las primeras pruebas para observar los cambios morfológicos y en composición de acuerdo a los cambios en la corriente aplicada en el sistema.

Durante este próximo mes estaré variando los parámetros de PEO con las dos aleaciones de titanio que estamos trabajando. Luego de formar la fina capa de Ca/P se le hará pruebas de corrosión con el método de Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Esta prueba utiliza una fuente de potencia alterna (AC) aplicada a diferentes frecuencias a través de la celda electroquímica para poder estudiar los en la impedancia de los diferentes componentes en el sistema. Para facilitar el análisis se utilizan modelos con componentes eléctricos para interpretar los fenómenos. Esta técnica se le hará a las probetas de titanio con el bioceramico colocadas en la celda electroquímica y, en adición, sumergidas en un fluido que simula las condiciones fisiológicas. De esta manera se pueden obtener resultados mas reales respecto al proceso de corrosión tanto del titanio como de la capa que se le ha añadido a las muestras.

Además, durante este semestre también estaré trabajando en una rama de este proyecto completamente diferente a lo que estoy haciendo en el momento pero ambos buscan cumplir con el mismo objetivo: aumentar el área de superficie y recubrir la aleación de titanio con una capa bio-activa para aumentar la oseointegración del implante. Ya veremos como se pueden manejar ambos proyectos a la vez. Les cuento cuando sepa.