Tesis y Trabajos de Investigación PUCP

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Autorsearch.filters.applied.operator.equals: search.filters.author.Ccama Castro, Gianella AlexandraTemasearch.filters.applied.operator.equals: search.filters.subject.Ingeniería biomédica--Aparatos e instrumentos

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    Morphological and tribological evaluation of the use of Ti2AlC and Ti3AlC2MAX Phases as a surgical AISI 304 stainless steel coating for a future hip replacement femoral head coating
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-31) Ccama Castro, Gianella Alexandra; Grieseler, Rolf
    La cadera es una de las articulaciones esféricas más conocidas, y está formada por la cabeza del fémur asentada en la pelvis (acetábulo). En las últimas dos décadas, el reemplazo total de cadera (RTC o THR en inglés) ha sido una intervención quirúrgica de gran éxito. Lamentablemente, el Perú no cuenta con un registro nacional como el de la Academia Americana de Cirujanos Ortopédicos. Sin embargo, en base a los registros de los 5 años anteriores al 2020, se reporta un ingreso anual promedio de entre 20-70 pacientes por hospital de nivel II-2 o III-1. La revisión del implante de la articulación de la cadera indica el fin de la cirugía de sustitución con éxito y anuncia una reaparición de los síntomas que, con frecuencia, superan con creces los de la afección inicial. Los principales motivos registrados fueron: infección e inflamación (20,1%), inestabilidad (18,3%), aflojamiento aséptico (15,9%), complicaciones mecánicas (14,9%), entre otras. En este contexto, la biotribología estudia las interacciones de las superficies en contacto bajo movimiento relativo en sistemas biológicos. Para reducir la pérdida de material, se puede aplicar una capa de lubricante que evite el contacto directo. Debido al aumento de pacientes menores de 30 años, que requieren implantes que no limiten sus actividades y duren más de 10 años, se sigue investigando en nuevos recubrimientos de implantes metálicos o cerámicos seguros bajo las evaluaciones de comportamiento tribológico y corrosivo para reducir la posibilidad de una revisión a corto plazo que retrase la rehabilitación del paciente. En este contexto, esta tesis presenta una alternativa para los lubricantes sólidos como recubrimientos en la cabeza femoral de los implantes de cadera. Esta tesis tiene dos objetivos principales. En primer lugar, es una revisión de los avances actuales en la tecnología de recubrimientos para mejoras tribológicas en materiales de prótesis de cadera. Para ello, se revisan los resultados obtenidos en diferentes tribómetros. En segundo lugar, se presenta el primer intento con éxito de crear un recubrimiento de Ti2AlC y Ti3AlC2 sobre un sustrato de acero inoxidable. La caracterización estructural y morfológica de estos recubrimientos se realizó mediante técnicas como la microscopía electrónica de barrido, la difracción de rayos X y la espectroscopia Raman. Los resultados evidencian una formación significativa de fases MAX sobre un sustrato de acero inoxidable AISI 304 con una barrera de difusión de SixNy. Estas muestras se probaron posteriormente con un tribómetro "bola sobre plano"para estudiar si el coeficiente de fricción (COF) se veía afectado. Las 6 configuraciones trabajadas fueron una combinación de 3 fuerzas (0.16 N, 0.8 N y 1.6 N) con 2 velocidades (2mms−1 y 10mms−1) contra una bola de 4mms de diámetro de AISI 52100 durante 15 minutos. Los resultados fueron prometedores, ya que en todas las condiciones probadas, el Ti3AlC2 tenía un COF en torno a 0,13. El revestimiento de Ti2AlC sobre AISI 304 presentaba valores similares al AISI 304 sin revestimiento a altas fuerzas (COF entre 0.7 y 0.75), pero al aumentar la velocidad y, por tanto, el recorrido, el Ti2AlC tenía un COF más estable en torno a 0,72 para todas las fuerzas. En general, el COF se vió reducido a largo plazo en las muestras con recubrimientos de Ti2AlC y Ti3AlC2, en comparación al AISI 304 sin recubrimiento. Para la caracterización de las huellas dejadas tras la prueba tribológica, se utilizó SEM-EDX para un escaneo lineal de la composición de una sección transversal de huellas y un análisis puntual de puntos alrededor del borde de la huella (donde la bola cambia de dirección). También se utilizó la espectroscopia Raman para caracterizar los subproductos alrededor de las pistas con mayores fuerzas aplicadas (1.6 N). El Ti2AlC tenía marcas visibles y un alto desgaste del revestimiento, con la única excepción de la pista a 2mms−1 y 0,16 N. El Ti3AlC2 tenía las marcas menos visibles, y solo a baja velocidad y alta fuerza (2mms−1 y 1,6 N) había desgaste del revestimiento. En general, la mayoría de los restos en los resultados del análisis elemental provenían de la bola homóloga de AISI 52100. En conclusión, se obtuvieron resultados prometedores en la reducción de los valores de COF de los recubrimientos de Ti2AlC y Ti3AlC2. Especialmente de Ti3AlC2, ya que tuvo la menor formación de partículas y desgaste de recubrimiento con un COF inferior a los materiales comerciales de prótesis de cadera incluso sin lubricación. En el trabajo futuro, el uso de Ti2AlC y Ti3AlC2 recubrimientos debe ser seguido por el estudio de estos recubrimientos biocompatibilidad comportamiento y osteointegración. Para verificar su uso en aplicaciones clínicas, deberá realizarse un análisis sobre un implante de cadera comercial y un ensayo de tribocorrosión.