semana 10 corrosion grupo 5.pptx

Corrosión y Degradación de
materiales compuestos cerámicos y
polímeros
Alvarez Macuri Jean Carlos
Huachaca Rojas Grimaldo
Hurtado Calderon Fredy Daniel
Mayta Prieto Jacks Wilmer
Villegas Carhuapoma Jeison
HUANCAYO-2023

Polímeros
También llamados plásticos tiene una amplia gamma de características
dada por su composición química, estructura y fabricación.
Los ejemplos de polímeros sintéticos incluyen polimetilmetacrilato
bioestables (PMMA), caucho de silicona, polietileno (PE), resinas
acrílicas, poliuretanos o polipropileno cementos óseos acrílicos.
Estan formados por unidades repetidas o monómeros que forman
cadenas largas lineales cruzadas o ramificadas,

Cemento
óseo
Polimetilmetacrilato o cemento acrílico.
◦ Monómero liquido
◦ (97% de metilmetacrilato, 2.6% de dimetil ptoludina como activador, pquelas cantidades de
hidroquinona como estabilizador.)
◦ Polvo de esferas polimerizadas.
◦ (88% de polímero, 10 % de sulfato de bario u oxido de zirconio radioopacos y peróxido de
benzoil como iniciador)

Fases
Polimerización del monómero y formación de pasta adherente
Fraguado y reacción exotérmica, disminuye la adhesividad (3-4min)
◦ Relación polvo liquido.
◦ Serie marca de cemento.
◦ Humedad relativa
◦ Temperatura ambiente
Endurecimiento y enfriamiento.

Polimetilmetacrilato
Cemento para las artroplastías totales
Complemento de la fijación vertebral
Relleno en fracturas patológicas

Características
mecánicas.
Poco dúctil
modulo de elasticidad 2.5 Gpa menor al hueso cortical.
Tiene buena resistencia a la compresión (90-95 MPa) y menor resistencia a la tracción (30 Mpa)
◦ Mas débil que el tejido óseo a la tracción, cizallamiento y flexión
◦ Presenta una porosidad 3-10% que se debilidad por los microespacios creados por la sangre o los
antibióticos.
Por la liberación de productos químicos forma una interfaz hueso-implante, el espesor de la
capa optimo es de 3-5 mm, que tiene un modulo de elasticidad dispares, que ocasiona muchas
tensiones, que condicionan aflojamiento.

Polietileno
El polietileno (PE) es un material termoplástico blanquecino, de
transparente a translúcido, y es frecuentemente fabricado en finas láminas
transparentes de uso común.
Por la polimerización de etileno pueden obtenerse productos con
propiedades físicas muy variadas. Estos productos tienen en común la
estructura química fundamental (-CH2-CH2-)n, y en general tienen
propiedades químicas de un alcano de peso molecular elevado.
◦ De baja densidad (LDPE)
◦ De alta densidad (HDPE).

Peso
molecular
El polietileno tiene un peso molecular medio numérico de 15000 contiene material de peso
molecular inferior a 1000 y también superior a 80000.
El polietileno con un peso molecular superior a 500,000 tiene mejores características
mecánicas.

Propiedades
Polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) es un
subconjunto de materiales de polietileno con cadenas
extremadamente largas y un peso molecular entre 2 y 6 millones
de unidades
◦ Alta resistencia, ductilidad, biocompatibilidad y estabilidad mecánica.
El polietileno de alto peso molecular es un sólido blanco y
translúcido.
A las temperaturas ordinarias es tenaz y flexible, y tiene una
superficie relativamente blanda que puede rayarse con la uña.

DEGRADACION DE LOS POLIMEROS
Es cualquier cambio indeseable en las propiedades, que ocurre después de que el
material a sido puesto en servicio. En el caso de los polímeros la degradación puede
afectarlos física, química y(o) mecánicamente. Los agentes que producen cambios en
los polímeros actúan de manera individual. Se puede hablar de los efectos separados
del calor, la radiación, las sustancias químicas y la energía mecánica, pero en la
practica, todos pueden estar presentes en alguna medida. La intemperie, o exposición
al aire exterior, pone al material en contacto con el ambiente.

Tipos de degradación de un polímero.
 Degradación térmica: las macromoléculas orgánicas son estables solamente por
debajo de ciertas temperaturas limites, entre 100 y 200 grados, y en casos
especiales unos pocos centenares de grados por encima. Si la temperatura se eleva
demasiado las moléculas se descomponen en fragmentos pequeños (radicales
libres, iones libres, H2 CO, etc.) Esto se debe a que las uniones son covalentes y
tienen una resistencia limitada, que es vencida por el calor.

Degradación por radiaciones
Las radiaciones alteran las sustancias orgánicas de distintas maneras. En el caso de los
polímeros las que mas comúnmente los afecta son las radiaciones de alta energía, la
luz visible y ultra violeta puesto que en su uso común los polímeros están expuestos a
estas influencias, en las secciones siguientes se presentaran algunos aspectos
fundamentales del efecto de estas radiaciones en la degradación de aquellos

Degradación mecánica
Tiene que ver con los efectos macroscópicos que llevan
a la fractura y la deformación producidos por el influjo
de fuerzas, así como los cambios químicos inducidos
por esfuerzos mecánicos.
En los polímeros la fabricación(mezclado, molido,
laminación, estirado, procesamiento en extrusoras, etc.)
y los procesos de modificación (corte, serruchado,
limado, taladrado, torneado, fresado, etc.) imponen
tensiones y deformaciones. La deformación también se
impone a los polímeros cuando los artículos de
plástico se someten a fuerzas de tracción o cizalladura.
Grafica 3 y 4 diagramas de tensión vs
deformación de polímeros.

Estos materiales están formados por elementos inorgánicos no metálicos unidos por
enlaces iónicos. Son resistentes al desgaste y a la compresión, pero también son muy
frágiles y fáciles de romper.
Las propiedades mecánicas de las cerámicas dependen del tamaño, del grano, de la porosidad,
la densidad y la cristalinidad; de tal manera que la resistencia se mejora cuando disminuye la
porosidad
M. N . R A H AMA N BIOMATERIALS FOR ARTIFICIAL ORGANS; NEW CERAMICS AND COMPOSITES
FOR JOINT REPLACEMENTSURGERY. WOODHEAD PUBLISHINGLIMITED, (2011) PP. 185-207.

DEGRADACION DE CERAMICOS
 Los materiales cerámicos son combinaciones de elementos metálicos y no
metálicos.
 Son resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, especialmente a
temperatura ambiente.
 La corrosión de estos materiales transcurre en general como una simple disolución
química, en contraste con los procesos electroquímicos de los metales.
 La corrosión de los cerámicos no es un tema tan estudiado como la corrosión de
metales.

Las cerámicas se clasifican según su micro estructura, en
vítrea, policristalinas y cristalinas.
Según su comportamiento en el organismo en inertes o
bioinertes (tienen una influencia nula o muy pequeña en
los tejidos vivos que la rodean: alúmina y zirconia) y
reactivos o bioactivos (pueden enlazarse a los tejidos
óseos vivos: hidroxiapatita, fosfato tricálcico y biovidrios).
FOR JOINT REPLACEMENT SURGERY. WOODHEAD PUBLISHING LIMITED, (2011) PP. 185-207.

Cerámicas Inertes:
ÓXIDO DE ALUMINIO O ALÚMINA
(Al2O3)
El óxido de aluminio o alúmina ha sido utilizada desde hace
muchos años ya en artroplastia de cadera ya que es un material
de alta resistencia a la fricción. De hecho, el par o coeficiente de
fricción alúmina- alúmina (0.09) es unas ,3 veces menos al de
metal-UMHWPE
El módulo de elasticidad de la alúmina es unas 2 veces mayor
que el del hueso cortical (10-15 Gpa) y disminuye
proporcionalmente con la cristalinidad y si se aumenta el
tamaño del grano y/o la porosidad.

Un tamaño de grano grande se asocia a casos de rotura catastrófica. A todas estas características
se añade su carácter hidrófilo, lo cual permite mantener una buena lubrificación y un espacio de
unas 10-15micras (debido a la lubricación elastohidrodinámica)
Si bien el uso de este biomaterial es más extendido en la artroplastia de cadera donde ha
mostrado buenos resultados,las condiciones mecánicas de compresión y cizallamiento
especiales de la articulación de la rodilla pueden limitar el uso al aumentar el riesgo de fractura,
precipitando en casos extremos la aparición de rotura catastrófica.

Cerámicas Inertes:
ÓXIDO DE ZIRCONIO O ZIRCONIA
(ZrO2)
Se usa la forma tetragonal de la zirconia, que si es tratada con itrio permite conseguir un tamaño
de grano inferior a la alúmina y una resistencia a la fractura mayor.
Existe un alto índice de erosión en el par zirconia-zirconia por lo que se ha descartado su uso
como material único.

Cerámicas reactivas:
HIDROXIAPATITA
Es un fosfato tricálcico hidratado de fórmula Ca10 (PO4 )6 (OH)2 , con una relación calcio/
fósforo= 1.67. Es muy parecido al mineral natural que existe en el tejido óseo.
La hidroxiapatita se fabrica a partir de un polvo inicial usando técnicas de moldeado por
compresión.

Las cerámicas densas de hidroxiapatita tienen una resistencia a la compresión mayor que el
hueso cortical, pero su resistencia a la tracción es 2,5 veces menor que la resistencia a la
compresión debido a su estructura, en la que los átomos se encuentran escasamente
agrupados.

La unión metal-cerámica se consigue mejorar las resistencias a la tracción y cizalladura sin
alterar el metal. La resistencia de la interfaz metal cerámica depende de la rugosidad de la
superficie metálica y del grosor de la capa cerámica.
Para un espesor de 50micras corresponden 50MPa de resistencia a la tracción y 480 MPa de
resistencia a la fatiga en 10 millones de ciclos de carga.
El espesor ideal que se utiliza está entre 30 y 50 micras ya que si se aumenta ésta espesor se
produce un aumento por fallos por fatiga y delaminaciones.
FOR JOINT REPLACEMENTSURGERY. WOODHEAD PUBLISHINGLIMITED, (2011) PP. 185-207.

Vitrocerámicas
Todas son vidrios con un bloque de construcción básico: el SiO 4-. Hay dos vitrocerámicas que se
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han desarrollado mucho como biomateriales: Bioglass® y Ceravital®. El uso de éstos se debe más
a sus propiedades químicas que físicas: tienen una baja expansión térmica, pero sus
propiedades mecánicas son inferiores a las de otras cerámicas bioinertes.
La reactividad química de las vitrocerámicas las hace bioactivas con tejidos blandos y duros si se
selecciona apropiadamente la composición de estas cerámicas.

Se dividen en 2 grupos de acuerdo a sus reacciones:
Al grupo A pertenecen las vitrocerámicas que una vez incorporadas en el paciente ayudan al
proceso de regeneración ósea llamado osteoinducción
Al grupo B pertenecen las vitrocerámicas que ayudan en la osteoconducción
Debido a estas propiedades químicas, que se dan en la superficie del biomaterial (en la interfase
biomaterial-tejido) se usan como prótesis dentales y ortopédicas.

Biocomposites
Los biocompuestos contienen 2 o más materiales constituyentes
diferentes o fases, que son capaces de actuar de manera sinérgica
Las propiedades del material van a depender de las propiedades de
los constituyentes del material compuesto. Si se usan dos cerámicas
inertes, que suelen ser muy resistentes, se obtiene un material más
resistente que los materiales de partida.
Si se quiere un material resistente a la vez que tenga propiedades
bioactivas, se tiene los materiales compuestosy si se mezclan dos
materiales con propiedades bioactivas, el biomaterial resultante
combinará las propiedades fisicoquímicas de ambos.

Procesos de corrosión
No están claramente definidos como en el caso de los metales.
Una posible calificación es:
 Corrosión por difusión
 Corrosión por celdas galvánicas
 Corrosión en límite de grano
 Corrosión bajo tensión.
A veces se encuentra una clasificación tan vaga como: disolución, degradación,
desgaste.

CERAMICOS y RESISTENCIA A LA
CORROSION
 OXIDOS:
Son resistentes al calor.
Al estar oxidados, no presentan problemas de oxidación.
Presentan los altos coeficientes de expansión por lo que no son resistentes a grandes
cambios de temperatura.
Ejemplos
Alúmina (Al2O3)
 Temperatura máxima de uso continuo: 1700 oC
 Resistencia química buena a los ácidos y álcalis diluidos, halógenos

Oxidos
Circonia (ZrO2)
 Temperatura hasta unos 1300 ºC
 Alta resistencia al desgaste
 Se usan como electrolitos sólidos en celdas de combustible.

Cerámicas avanzadas
 Alta resistencia mecánica a altas temperaturas.
 Buena resistencia al choque térmico.
 Excelente resistencia al ataque químico y a la corrosión, incluso a muy altas
temperaturas.
 Muy alta dureza.
 Resistencia superior a la abrasión.
 Las excelentes precisiones y acabados superficiales obtenibles permiten muy bajos
coeficientes de rozamiento.
 Menor densidad.
 Muy altos niveles de aislamiento eléctrico.

Prevención contra la corrosión
Para minimizar la corrosión de los cerámicos es necesario:
seleccionar un material adecuado para el uso requerido,
realizar mantenimiento periódicamente,
realizar controles para verificar que la degradación esté dentro de los valores
tolerables.
La selección del material adecuado incluye la selección de su porosidad (no sólo %
sino tamaño de poros) y su textura que puede ser mejorada de acuerdo a los
requerimientos. Los cerámicos estructurales requieren menor porosidad que los
refractarios. Modifica en la fabricación.

 Cubrir la superficie con recubrimientos de sacrificio o con vitrificadores que
impiden la penetración del medio agresivo y la posterior degradación del
cerámico.
 Para minimizar la disolución química de la matriz modificar su composición
aumentando la pureza química de los materiales que la forman y así disminuir la
corrosión debida a las impurezas segregadas.
 Para reducir la oxidación de los cerámicos se utilizan agregados de antioxidantes a
la mezcla inicial (carbono grafito). También se usan
 Recubrimientos que impiden la oxidación de la superficie del cerámico, a la vez de
impedir la penetración de líquido agresivo.

ALEACIONES DE
ACERO
El acero inoxidable es el nombre genérico para un gran número de aleaciones que contienen un
alto porcentaje (11-30%) de cromo y cantidades variables de níquel.
Hay cuatro grandes grupos de aleaciones de acero o aceros inoxidables clasificados de acuerdo
con su microestructura y sólo el acero austenítico o grupo III (Cr, Co, Mo) (316 y 316L) y con una
resistencia alta a la corrosión, se usa para implantes ortopédicos.
Q. CHEN. METALLIC IMPLANT BIOMATERIALS. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERINGR 87 (2015)
PP 1-57.

-Usado en implantes posee bajo
porcentaje de carbón (<0.03%)
-Buena resistencia a la corrosión
previo pasivado; comparado con
aleaciones de CrCo y Cti o Titanio
poseen baja resistencia a la
corrosión por grieta y galvánica.
- Los implantes de acero
inoxidable se rompen más
comúnmente por fatiga (ciclado)
que por sobrecarga mecánica
La razón de la adición de ciertos metales a la aleación es mejorar la
resistencia a la corrosión:
-Cr- protege contra corrosión al formar una película de pasivado
- Mo mejora la resistencia a la corrosión intergranular
-Ni estabiliza la fase austenítica del acero
PP 1-57.

-Aunque el acero 3|6L posee una buena
resistencia a la tracción (100-230 MPa), posee
una resistencia a la fatiga baja en
comparación con otras aleaciones
- defectos de fabricación o de diseño
aumentan el riesgo de ruptura por fatiga
-la ventaja del acero inoxidable sobre el CoCr
y el Titanio es su mecanización y mayor
ductilidad
-Debido a dichas características y a la ruptura
de implantes en sus inicios de fabricación, no
se utiliza en implantes permanentes o
sometidos a fricción
PP 1-57.

ALEACIONES DE
TITANIO
El titanio comercial puro (Ti-60) y las aleaciones de titanio son metales de
baja densidad adecuados como materiales de implante.
El módulo de elasticidad, aproxmadamente 110 GPa , es la mitad de el de
acero o las aleaciones de cobalto, pero al menos 5 veces mayor que el del
hueso.
Debido a la baja densidad, la fuerza específica (fuerza por unidad por
densidad) del titanio y sus aleaciones es superior a otros metales. Sin
embargo, tiene poca resistencia al corte y al desgaste por lo que no es
apropiado para implantes articulares que se encuentren bajo cizallamiento
PP 1-57.

Las aleaciones de titanio que s eusan
priincipamente son CPTi Ti6Al-4V y
TiAlNb
Posee mejor resistencia a la corrosión
que los materiales de Co y Aceros
Una fina capa de óxido ( TiO2 , óxido de
titanio ) forma espontánea se forma en
el superficie de los implantes a base de
Ti y los protege contra la corrosión.
Además de TiO2 , la capa de pasivado
contiene óxidos de otros elemtnsos
constituyentes de la aleación
Las capas de pasivado que contienen óxidos de Zr y Nb son
más resistentes a la corrosión que aquellos con óxidos de
Aluminio, de Vanadio o Molibdeno y se disuelven el los fluidos
fisiológicos más lentamente.
PP 1-57.

Las aleaciones de titanio poseen dos formas alotrópicas: alfa y beta y la presencia de Vanadio en
aleaciones de Ti y Aluminio tiende a propiciar la formación de una bifase alfa/beta a temperatura
ambiente
Los implantes de Ti poseen la ventaja de una adecuada flexibilidad y buena biocompatibilidad, sin
embargo los primeros componentes femorales en prótesis presentaron fallas debido al elevado
estrés transmitido haca las capas más proximales de cemento
PP 1-57.

ALEACIONES DE CROMO/
COBALTO
BUECHEL,PAPPAS PRINCIPLES OF HUMAN JOINT REPLACEMENT.SPRINGER-VERLAGBERLIN
HEIDELBERG(2011)PP. 36-78.
Estas aleaciones frecuentemente se suplementan con molibdeno para conseguir granos más
finos y así obtener mayor dureza.
Tienen propiedades mecánicas que las hacen apropiadas para implantes que requieran
tolerancia a la carga y ciclos, salvo el F75 o Vitallium, cuyas propiedades son insuficientes.
A su vez, su elevada resistencia a la tracción y a la fatiga las hacen adecuadas para situaciones de
alto uso sin fractura. Estos hechos junto con la elevada resistencia al desgaste las hacen idóneas
para que se usen como superficies articulares en implantes que requieran carga elevada.

Para las aleaciones se usa el prensado
isostático en caliente, que consiste en
aplicar calor y presión para consolidar el
polvo de la aleación y eliminar los poros
de superficie.
Con el prensado isostático en caliente se
consigue aumentar la resistencia a la
tracción, a la fatiga y a la corrosión de las
aleaciones de cobalto.
- Mo mejora la resistencia a la corrosión intergranular
-Silicio estabilizador de pasivado

El módulo de elasticidad de las aleaciones de cromo de cobalto oscila entre 220 y 234 GPa ( oco
más alto que el acero inoxidable) lo cual puede tener algunas implicaciones en la transmisión de
cargas del implante al hueso
El uso de las aleación de CoCrMo ha sido extensivo en prótesis de rodilla y cadera debido a sus
propiedades mecánicas debido a su naturaleza cristalográfica, lo cual crea una barrera para la
propagación de grietas o formación de sitios de fatiga y ayuda a la adecuada distribución de
carga durante la marcha.

Resistencia a la
corrosión
 La corrosión metálica es primariamente un proceso electromecánico que es
dependiente a un electro movimiento potencial, a los valores de pH y al
medioambiente.
 En un medio adecuado un electro movimiento potencial debajo de cierto valor
producirá “inmunidad” contra la corrosión. Sobre este valor el nivel del pH determinará
se corroerá o se volverá “pasivo” al creársele una película sobre la superficie. Esta capa
es el resultado de una reacción química con el medio ambiente.

Mediante la oxidación superficial de un metal
se consigue una cierta protección, con una
concentración de iones inferior a 10-6 M,
proceso que se denomina pasivación.
Todos los metales se someten a pasivación
con ácido nítrico que forma una capa oxidada
superficial que aumenta la resistencia a la
corrosión.

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