Manufacturing and Analysis of Bioactiva Glass Fiber, and its Application in Biomedical Engineering

Roca Puertas, Sergi (2016). Manufacturing and Analysis of Bioactiva Glass Fiber, and its Application in Biomedical Engineering. Tesis (Master), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Manufacturing and Analysis of Bioactiva Glass Fiber, and its Application in Biomedical Engineering
Autor/es:
  • Roca Puertas, Sergi
Director/es:
  • Laso Carbajo, Manuel
Tipo de Documento: Tesis (Master)
Título del máster: Ingeniería Industrial
Fecha: 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

En el presente trabajo de investigación, se pretende hacer un estudio de como varían las pro-piedades térmicas, mecánicas y químicas de las fibras de vidrio bioactivo de fosfato en función de su composición. A rasgos generales se puede decir que en lo que consiste el trabajo es en la fabricación de vidrio bioactivo, extrusión de fibras e inmersión de las mismas en un tampón químico llamado SBF (Simulated Body Fluid). Luego se procede al análisis de los resultados, para ello se realizaron diversos estudios en los que se incluyen la Espectroscopia de Absorción Atómica (AAS), Espectroscopia en Transformada de Fourier (FTIR), ensayos mecánicos de tensión, Análisis Térmico Diferencial (DTA). Se podrá concluir con una comparación entre los diferentes tipos de vidrios para obtener fibras, ventajas y desventajas entre unos y otros, y sobretodo profundizar y encaminar unos futuros estudios para su desarrollo e inclusión en el mercado. El presente TFM se encarga de profundizar y colaborar en el avance y la evolución de los materiales biocerámicos (en concreto el vidrio bioactivo). Se entiende por biomaterial aquel que puede interactuar con los tejidos del ser humano sin ser dañino. Podríamos encontrar dos tipos, los bioactivos y los materiales biocompatibles. El estudio se centrará en los primeros. Son materiales que además de no tener ningún efecto perjudicial para el cuerpo humano, son favorables para la regeneración del tejido óseo. Son reabsorbibles y favorecen la creación de Hidróxiapatita. Podemos encontrar tres tipos de vidrios bioactivos, de silicio, de fosfato, o de boro. Este proyecto se ha centrado en los vidrios de fosfato, los cuales están en pleno desarrollo y aun se ofrece un amplio campo de investigación. En concreto, el TFM se puede dividir en dos partes claramente diferenciadas, el estudio y caracterización de diferentes vidrios de fosfato en función de sus propiedades química para la elaboración de fibras. Y segundo, el estudio de cómo se comportan dichas fibras dentro del fluido corporal mediante análisis in-vitro. El vidrio que más ha sido utilizado durante el proyecto ha sido llamado Sr50, además, se ha experimentado con otro tipo de vidrios que comparten la misma composición base (Si5, Mg5, Ti5 y Cu5). Su preparación partía de la mezcla de su composición, debiendo previamente formar la materia prima. Un horno especializado para ello, y un programa de temperatura adecuado a ellos creaban el vidrio fundido que posteriormente había que verter en el molde y mantenerlos durante 5 horas a temperatura de recocido. A continuación se comprueba la calidad del vidrio y si no hay problemas de cristalización, se almacena para el siguiente paso. Una vez se obtenían muestras de unos 25 g aproximadamente, se comprobaba que eran de calidad y no estaban parcialmente cristalizadas, se rompía en trozos grandes, una cantidad de unos 80 g de vidrio, y se depositaba en un nuevo crisol de platino, en este caso un crisol especial, perforado por la parte inferior, para que el vidrio pueda caer cuando se está fundiendo. El Sr50 se posicionaba en el interior del horno, el cual tenía un conducto que permitía al vidrio caer del crisol directamente al exterior. La temperatura deseada se encuentra entre los 880 y los 900 C, como se pudo comprobar. Si permanece a temperaturas inferiores, se cristaliza. Si, sin embargo, se expone a temperaturas superiores, se funde demasiado y cae de golpe en forma líquida. El punto deseado es intermedio entre sólido y líquido, lo suficiente líquido para que, por su propio peso, una primera gota caiga, pero manteniendo la viscosidad que lo haga permanecer en el crisol. Una vez obtenida la primera gota, esta arrastraba una fina fibra que la unía con el resto del vidrio dentro del crisol. A continuación, se tracciona dicha fibra a un ritmo lo más constante posible, para obtener una fibra uniforme, sin llegar a romperla. El análisis térmico diferencial es utilizado para comprobar las propiedades térmicas de cada uno de los diferentes vidrios. Su funcionamiento queda explicado en la memoria, al igual que para el resto de análisis. Una vez obtenido el análisis DTA, quedan fijos datos de relevancia de cada uno de los vidrios como su temperatura de cristalización o temperatura de fusión. La máxima estabilidad en el perfil térmico, nos ofrece a su vez una mayor facilidad para extraer las fibras. Queda mencionada la primera parte del trabajo, de extrusión de fibra de vidrio y comienza la siguiente. Es la inmersión de las fibras en SBF, una solución tampón que simula las propiedades de los fluidos corporales. Es una solución acelular con el mismo PH y que contiene los mismos iones inorgánicos que el plasma sanguíneo, pero con falta de proteínas u otros constituyentes orgánicos. Se sumergieron las fibras obtenidas por extrusión de Sr50, y otras fibras con las que se contaba, llamadas Sr5, de vidrio de silicio, con la siguiente composición, para comparar su comportamiento con las fibras de fosfato. El objetivo de sumergir las diferentes fibras en SBF por diferentes períodos de tiempo, es ver como ese hecho afecta a las propiedades físicas de la fibra, estudiar su biodegradabilidad en función del tiempo y ser capaces de caracterizar los diferentes vidrios para poder ajustar su buen uso. Las fibras se sumergen por periodos de 6, 24, 48 y 72 h, y 1 y 2 semanas. Al finalizar el tiempo de inmersión de cada una de las muestras, se extraían del líquido con mucho cuidado, se rociaban de etanol para limpiar bien las partículas de SBF y se secaban en una incubadora durante 24 horas. El Líquido SBF resultante, se utiliza para medir su PH, y ver cómo éste ha variado con el tiempo. El PH varía en función del tiempo de inmersión debido a que a medida que el vidrio va reaccionando, se disuelve y aportan iones y moléculas de fosfato cálcico al medio reactivo. Se prepara una disolución con el SBF resultante y agua (destilada), el objetivo es una disolución ten-fold (decúpula), para reducir su concentración. Una vez obtenidas todas las muestras, se les realizaba el análisis AAS con un espectrómetro Perkin Elmer AAnalyst 300, utilizando una llama de aire-acetileno. De esta forma se cuantificaba la cantidad de iones Ca2+ libres en la composición, y se analizan los resultados en busca de conocer la capacidad de degradación del vidrio. Una vez que cada muestra (10 fibras de vidrio) era retirada por completo del SBF, como se ha explicado antes, se procedía a realizar el ensayo mecánico de tracción. Para ello se utilizó una Instron 4411. A través de los ensayos mecánicos se obtenía la gráfica de tensión y deformación característica de cada fibra. Una a una, las 390 fibras fueron ensayadas, la curvas obtenidas, procesadas y corregidas, mediante Origin, seleccionando solo la parte lineal de la curva, para que el resto no influyera de forma negativa manipulando los resultados de la pendiente (Módulo de Young). Este método mide las transiciones vibracionales entre su estado fundamental y estados de excitación. Estas transiciones son medidas mediante absorción o emisión de luz. El material a tratar se expone a radiación IR. Parte de esa radiación simplemente pasa a través del material, y otra, en cambio, es absorbida. Esta energía transmitida, supone el espectro buscado. Ya que no puede haber dos moléculas diferentes que emitan el mismo espectro infrarrojo, a través de su lectura, se puede observar perfectamente de qué tipo de sustancias estamos analizando. Es decir, FTIR puede mostrarnos materiales desconocidos, es decir, mostrarnos la composición de dichos materiales. Cada molécula, teniendo n átomos, tiene 3n grados de libertad. 6 de ellos son para la propia molécula, y 3n-6 para los distintos modos de vibración que son: Estiramiento simétrico, tijereteo, aleteo, estiramiento asimétrico, balanceo y torsión. La vibración IR puede ser activa o inactiva, dependiendo si hay absorción del espectro IR o no. En este ensayo, el FTIR se realizó por medio de una máquina Perkin Elmer FTIR spectrum. Todo el espectro fue grabado en una banda desde 600 a 2000 cm-1. FTIR se aplicó a todas las muestras de Sc2 y Cc2 para 0 y 72 horas, y 1, 2 y 3 semanas, ya que para tiempos de inmersión menores a 72 horas, no se observó cambio. El objetivo, y los resultados obtenidos nos acercan a conocer la evolución de la composición de las fibras en función del tiempo de inmersión, lo cual nos acerca al conocimiento de la formación de fosfato cálcico, necesario para la regeneración del hueso y formación de apatita. Es este trabajo de investigación se ha contribuido al estudio de la fibra de vidrio de una forma muy exhaustiva. Se ha profundizado en el estudio de creación, por medio de la extrusión, de fibras de vidrio con nuevas composiciones, distintas a las que hoy en día se utilizan. Métodos que aún no están muy desarrollados, y que necesitan de nuevas y numerosas pruebas. El análisis térmico (DTA), nos deja claro cuáles son las composiciones más apropiadas para ellos, por una mayor estabilidad energética del vidrio. Para ello se ha estudiado el vidrio protagonista de este estudio, Sr50. Pese al pequeño cambio en la composición (5% molar), se observaron grandiosos cambios en sus propiedades térmicas. Como conclusión se deduce que debería seguir profundizándose en la creación de fibras de vidrio del tipo Si5 y Ti5, las cuales pueden suponer una muy buena apuesta futura, a un precio razonable, ya que serían las más fáciles de extrudir. De forma independiente, se han analizado las propiedades de las fibras de fosfato fabricadas en este mismo estudio, de Sr50, y de otras, también de base de Sr50, con una composición ligera-mente modificada, Sc2 y Cc2. Sc2 y Cc2 tienen un muy buen comportamiento reactivo al cuerpo humano. Se degradan de forma gradual, reducen sus propiedades físicas también de forma gradual. De este estudio se puede analizar, en función del tipo de aplicación biomédica, el tipo de fibra más conveniente. Como refuerzo para materiales compuestos, queda claro, que la fibra de vidrio puede jugar un papel fundamental en la fuerza de dichos materiales. En este estudio se observó la dureza y Modulo de Young en función del tiempo de inmersión, el cual permanece prácticamente constante hasta el paso de cierto tiempo. Como complemento, se está produciendo, y se prevé un cambio aun mayor, un incremento del uso de materiales no metálicos en implantes. Para ello es necesaria la creación de nuevos bio-materiales compuestos. En este caso, las fibras de fosfato cálcico, no solo proveen al implante de una mayor fuerza, sino que apoyan con sus propiedades osteoconductivas(capacidad de un material para actuar como un substrato en el cual las células puedan adherirse y desarrollar sus funciones). Para finalizar se concluye afirmando que este tipo de vidrios bioactivos, ofrece una gran oportunidad para el desarrollo de nuevos materiales compuestos y técnicas, como materiales constructivos en ingeniería de tejidos.

Más información

ID de Registro: 44692
Identificador DC: http://oa.upm.es/44692/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:44692
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 16 Feb 2017 08:19
Ultima Modificación: 16 Feb 2017 08:20
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