Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Espuma de titanio

Las espumas de titanio exhiben alta resistencia específica , alta absorción de energía, excelente resistencia a la corrosión y biocompatibilidad . Estos materiales son ideales p...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Las espumas de titanio exhiben alta resistencia específica , alta absorción de energía, excelente resistencia a la corrosión y biocompatibilidad . Estos materiales son ideales para aplicaciones dentro de la industria aeroespacial . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Una resistencia inherente a la corrosión hace que la espuma sea una candidata deseable para diversas aplicaciones de filtración. [ 4 ] [ 5 ] Además, la inercia fisiológica del titanio hace que su forma porosa sea una candidata prometedora para dispositivos de implantación biomédica . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] La mayor ventaja en la fabricación de espumas de titanio es que las propiedades mecánicas y funcionales se pueden ajustar a través de manipulaciones de fabricación que varían la porosidad y la morfología celular. El gran atractivo de las espumas de titanio está directamente correlacionado con una demanda multiindustrial de avance en esta tecnología.

Caracterización

Banhart describe dos perspectivas dominantes para la caracterización de metales celulares: atomística y macroscópica. La perspectiva atomística (o molecular) sostiene que un material celular es una construcción de puntales, membranas y otros elementos que poseen las propiedades mecánicas de su contraparte metálica en estado sólido. De hecho, las propiedades físicas, mecánicas y térmicas de las espumas de titanio se miden comúnmente con los mismos métodos que las de sus contrapartes sólidas. Desde una perspectiva macroscópica, la estructura celular se percibe como una estructura homogénea y se caracteriza considerando los parámetros efectivos (o promedio) del material. [ 11 ]

Microestructura

Las espumas de titanio se caracterizan estructuralmente por su topología de poros (porcentaje relativo de poros abiertos frente a cerrados), porosidad (el inverso multiplicativo de la densidad relativa ), tamaño y forma de los poros, y anisotropía. [ 12 ] Las microestructuras pueden examinarse mediante microscopía óptica , microscopía electrónica de barrido y tomografía de rayos X. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

La clasificación de las espumas de titanio según su estructura porosa (de celda abierta o cerrada) es la forma más básica de diferenciación. En las espumas de celda cerrada, los poros están compuestos por burbujas atrapadas en el sólido metálico. Estas espumas consisten en una red continua de poros sellados donde las interconexiones entre ellos son prácticamente inexistentes. Por otro lado, en las espumas de celda abierta, los poros están interconectados y los puntales sólidos permiten el paso del fluido. [ 16 ]

La mayoría de las espumas fabricadas contienen ambos tipos de poros, aunque en muchos casos el subtipo es mínimo. Según la IUPAC , los tamaños de los poros se clasifican en tres categorías: micro (menos de2  nm ), meso (entre2 y 50  nm ) y macro (mayores queporos de 50  nm . [ 17 ]

Propiedades mecánicas

Al igual que con otras espumas metálicas, las propiedades de las espumas de titanio dependen principalmente de las propiedades del material de partida y de la densidad relativa de la espuma resultante. Las propiedades térmicas de las espumas —como el punto de fusión , el calor específico y el coeficiente de expansión— permanecen constantes tanto para las espumas como para los metales que las componen. Sin embargo, las propiedades mecánicas de las espumas están muy influenciadas por la microestructura , que incluye las propiedades mencionadas anteriormente, así como la anisotropía y los defectos dentro de la estructura de la espuma. [ 18 ]

Sensibilidad a las impurezas

Las propiedades mecánicas de las espumas de titanio son sensibles a la presencia de solutos intersticiales, lo que presenta limitaciones para las rutas de procesamiento y utilización. El titanio tiene una alta afinidad por los gases atmosféricos . En las espumas, esto se evidencia por la tendencia del metal a atrapar óxidos dentro de los bordes de las celdas. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] La microdureza de las paredes de las celdas, el módulo elástico y la resistencia a la fluencia aumentan como resultado de los solutos intersticiales; la ductilidad , que es una función de la cantidad de impurezas intersticiales, se reduce en consecuencia. [ 22 ] De los gases atmosféricos, el nitrógeno tiene el impacto más significativo, seguido del oxígeno y el carbono. [ 23 ] Estas impurezas a menudo están presentes en la mezcla precursora y también se introducen durante el procesamiento.

Modelos teóricos para predecir propiedades mecánicas

Modelos Gibson y Ashby

Los modelos micromecánicos de Gibson y Ashby para materiales porosos proporcionan ecuaciones matemáticas para la predicción de parámetros mecánicos a partir de constantes geométricas determinadas experimentalmente. Las constantes de proporcionalidad se determinan ajustando datos experimentales a diversos modelos matemáticos para estructuras compuestas por cubos y puntales sólidos, y dependen de la geometría celular. [ 16 ]

Una limitación del modelo de Gibson y Ashby es que es más preciso para espumas con porosidades superiores al 70%, aunque las comparaciones experimentales para espumas de menor porosidad han mostrado concordancia con este modelo. Ye y Dunand encontraron una concordancia razonable con el modelo de Gibson y Ashby para espumas de titanio con un 42% de porosidad. Las mediciones ultrasónicas proporcionaron un valor promedio del módulo de Young de 39 GPa, que concuerda relativamente bien con la predicción de Gibson y Ashby de 35 GPa. [ 14 ]

Los modelos de Gibson y Ashby asumen estructuras ideales; no consideran las irregularidades microestructurales (por ejemplo, la distribución no homogénea de poros; los defectos). Además, los resultados experimentales a partir de los cuales se basaron las constantes de proporcionalidad predeterminadas se obtuvieron de ensayos de compresión simples. Por consiguiente, es posible que no sean aplicables a cargas multiaxiales. [ 24 ]

Modelos de área sólida mínima (MSA)

Los modelos de área sólida mínima asumen que el área de soporte de carga (área de sección transversal normal a la tensión) es la base lógica para modelar el comportamiento mecánico. Los modelos MSA asumen que la interacción de poros resulta en una reducción de la tensión. Por lo tanto, las áreas sólidas mínimas son las portadoras de la tensión. Como resultado, las propiedades mecánicas predichas fluctúan según la cuantificación del área sólida de la espuma. Para espumas de titanio que consisten en polvos parcialmente sinterizados, el área sólida mínima consiste en el área de cuello entre polvos a través de la sección transversal de las paredes de celda entre macroporos. [ 25 ] Las relaciones matemáticas en los modelos MSA [ 26 ] son ​​relativamente consistentes con el modelo de Gibson y Ashby. [ 16 ] [ 27 ] Sin embargo, los modelos MSA están diseñados para predecir parámetros de propiedades mecánicas en un rango más amplio de niveles de porosidad. Al igual que los modelos de Gibson y Ashby, los modelos MSA se derivaron asumiendo estructuras idealizadas (sin defectos) que contienen formas, tamaño y distribución de poros uniformes.

Propiedades de compresión

La propiedad mecánica más frecuentemente reportada de las espumas de titanio es la resistencia a la compresión . [ 28 ] Generalmente se aceptaba que las propiedades de compresión de las espumas metálicas dependían de las propiedades de la pared celular más que del tamaño de los poros. Sin embargo, investigaciones más recientes han indicado que tamaños de poro más pequeños equivalen a una mayor resistencia a la compresión. A medida que los tamaños de poro alcanzan dimensiones nanométricas, la relación es aún más clara debido a cambios en el mecanismo de deformación. [ 29 ]

Tuncer y Arslan fabricaron espumas de titanio mediante el método de espaciadores, utilizando espaciadores de diversas formas para dilucidar el efecto de la morfología celular en las propiedades mecánicas. Descubrieron que las espumas creadas con espaciadores de urea en forma de aguja presentaban una disminución del módulo elástico y del límite elástico en comparación con los poros esféricos. [ 30 ]

Métodos de procesamiento

Muchas técnicas de fabricación de espuma metálica se realizan mediante la introducción de una fase gaseosa en una matriz precursora, que puede ocurrir en forma de metal fundido o en polvo. Debido al alto punto de fusión del titanio ( 1670 °C (3040 °F) ) y su alta afinidad química con el oxígeno, el nitrógeno, el carbono y el hidrógeno (que se disuelven rápidamente tanto en titanio líquido como sólido a temperaturas superiores a 400 °C (752 °F) ), [ 20 ] los procesos de estado sólido basados ​​en la densificación de polvo son el método de fabricación preferido. [ 14 ] [ 20 ] [ 25 ] [ 28 ] [ 31 ] [ 32 ]    

Los métodos de procesamiento también deben diseñarse para evitar la exposición al aire o la humedad; los procesos de sinterización al vacío o con gas inerte suelen ser suficientes para prevenir la contaminación. [ 20 ] [ 33 ]

Sinterización de polvo suelto (por gravedad)

Polvo de titanio
Cilindro de esponja de titanio fabricado mediante metalurgia de polvos, 120 gramos, 3×4 cm.

La utilización de rutas de metalurgia de polvos para la fabricación de espuma de titanio permite la producción a temperaturas más bajas que las requeridas mediante un proceso de fusión y reduce los riesgos generales de contaminación. [ 34 ] En la sinterización de polvo suelto (también conocida como sinterización por gravedad), los poros se crean mediante enlaces por difusión que surgen de los huecos existentes entre las partículas de polvo compactadas. La compactación axial seguida de sinterización sigue el mismo procedimiento que el anterior, pero se aplica presión para compactar el material precursor. [ 35 ] Para ambos métodos de compactación, la morfología de los poros resultante depende de la morfología del polvo metálico, lo que dificulta el control del tamaño, la forma y la distribución de los poros. [ 34 ] Otra desventaja incluye la probabilidad relativamente alta de colapso de los poros y los niveles limitados de porosidad alcanzables. [ 36 ]

Expansión de burbujas presurizadas

Titanio espumado con argón

Para producir espumas de titanio mediante la expansión de gas a presión, la mezcla precursora de titanio se coloca dentro de un recipiente metálico hermético, que se vacía después de llenarlo. El recipiente se presuriza con gas inerte —generalmente argón— y se prensa isostáticamente. Los poros llenos de gas quedan contenidos dentro de la matriz compactada y, al exponerse a temperaturas elevadas, estas burbujas se expanden debido a la deformación plástica de la matriz metálica circundante. [ 37 ] Dado que el procesamiento de espumas de titanio mediante prensado isostático en caliente (HIP) elimina la necesidad de procesos separados de compactación y sinterización, es posible obtener una mayor variedad de formas y tamaños personalizados que con las técnicas de sinterización de polvo suelto. [ 38 ]

Las desventajas de este proceso incluyen una conectividad reducida de los poros, una porosidad limitada que se puede lograr y una configuración experimental compleja. [ 38 ] Sin embargo, un aspecto único del proceso HIP con respecto al titanio (y otros materiales polimórficos) es que la superplasticidad de transformación se puede mejorar a través del proceso HIP mediante el ciclado térmico, o ciclando alrededor de los límites de temperatura alotrópicos alfa/beta del metal. [ 31 ]

expansión superplástica

El titanio experimenta una transformación alotrópica de su fase α (estructura hexagonal compacta (hcp) a temperaturas inferiores a 882,5 °C (1620,5 °F) ) a su fase β (estructura cúbica centrada en el cuerpo, bcc) a temperaturas superiores a 882,3 °C (1620,1 °F) ). Los productos de titanio en fase alfa suelen presentar una resistencia media a alta con una excelente resistencia a la fluencia, mientras que los productos de titanio en fase beta suelen presentar una resistencia muy alta y una baja ductilidad. [ 31 ] [ 35 ] Se ha demostrado que las espumas creadas bajo condiciones de ciclado térmico presentan una mayor porosidad debido a la diferencia de densidad entre las fases alotrópicas. Davis et al. produjeron espumas de titanio con un 41 % de porosidad (en comparación con un 27 % de porosidad a través del mecanismo de fluencia HIP normal). [ 31 ] También se observaron aumentos en la ductilidad general en las espumas creadas a través del ciclado térmico. En un experimento similar, se logró una porosidad del 44%, la cual se determinó como la porosidad máxima alcanzable bajo condiciones de ciclado térmico. [ 39 ]    

Un estudio posterior también utilizó la explotación de condiciones de superplasticidad de transformación mediante HIP, pero en este caso, el polvo de titanio en la matriz precursora se reemplazó con alambres de titanio para crear poros anisotrópicos. Los poros anisotrópicos resultantes mostraron una correlación más estrecha con el hueso natural, ya que las espumas exhibieron módulos elásticos, resistencia a la fluencia y deformación más altos cuando se sometieron a fuerzas longitudinales que cuando se aplicaron cargas transversales. [ 40 ]

Técnica de espaciador

La técnica del agente espaciador es el método más comúnmente empleado para producir espumas de titanio. La técnica del agente espaciador permite la fabricación de espumas de mayor porosidad (35%–80% ) que otras técnicas, al tiempo que también le da al ingeniero más control sobre la fracción de poros, la forma y la conectividad. [ 41 ] [ 37 ] Las propiedades mecánicas se pueden ajustar a través del tamaño, la forma y la cantidad de espaciadores empleados. La técnica de espaciadores fue demostrada por primera vez por Zhao y Sun para la fabricación de espumas de aluminio en un método de metalurgia de polvos, que consistió en la incorporación de NaCl como espaciador. [ 42 ] El espaciador se mezcló en la mezcla de polvo y se disolvió antes de la sinterización. El mismo método se utilizó para crear espumas de titanio por primera vez cuando Wen et al. utilizaron espaciadores de bicarbonato de amonio. [ 43 ]

Selección de polvo

El tamaño y la forma del polvo metálico tienen un impacto directo en la estabilidad del precursor, así como en la espuma resultante. Para este propósito, los polvos que aumentan la eficiencia de empaquetamiento son los más ventajosos. [ 30 ] El uso de partículas esféricas puede resultar en un menor contacto entre partículas, lo que en consecuencia conduce a poros secundarios más grandes y una mayor probabilidad de colapso de poros antes de la sinterización completa. [ 44 ] Este factor puede limitarse mediante diferentes técnicas de compactación que disminuyen el grado de sitios intersticiales alrededor de las partículas de titanio. Sin embargo, este método también tiene limitaciones; por ejemplo, los polvos no pueden compactarse hasta tal grado que promueva la deformación del espaciador (a menos que se desee una forma de poro anisotrópica). [ 14 ] [ 45 ]

Selección de soportes

Tomografía computarizada (a) y micrografía electrónica (b) de la espuma de titanio fabricada con sacarosa como agente espaciador, que muestran dos tipos de poros en la espuma de titanio.

La selección del agente espaciador es uno de los pasos más cruciales porque define muchas de las propiedades de la espuma resultante, incluyendo la forma de la celda, el tamaño de la celda y la macroporosidad. El agente espaciador debe ser inerte y representar el tamaño y la forma de los poros deseados. La porosidad se puede ajustar en cualquier punto entre50% y 85% sin que el material de relleno pase a formar parte de la espuma resultante. [ 10 ] También es importante seleccionar un espaciador que tenga solubilidad limitada o nula en titanio, ya que esta incorporación afectará las propiedades mecánicas de la espuma resultante. [ 46 ]

Tamaño y forma del espaciador

El grado de homogeneidad en la distribución de poros del producto final depende principalmente de la adecuación de la mezcla del precursor. La diferencia en el tamaño de partícula entre los polvos de titanio y los espaciadores impacta directamente la capacidad de mezclar adecuadamente la preforma. Cuanto mayor sea la diferencia de tamaño, más difícil será controlar este proceso. [ 46 ] La mezcla no homogénea resultante del uso de espaciadores considerablemente más grandes que las partículas de titanio empleadas y ha mostrado efectos adversos en la estabilidad del precursor después de la eliminación del espaciador y en la distribución de la porosidad. [ 30 ] [ 47 ] Se ha investigado el tamaño del espaciador. [ 30 ] [ 38 ] [ 48 ] Se demostró que el uso de un espaciador grueso da como resultado paredes de poro más gruesas, mientras que el uso de espaciadores más finos da como resultado una compactación mejorada, lo que lleva a una mayor densificación.

El aumento de la densificación se evidencia por una distribución de poros monomodal con el uso de espaciadores finos y una distribución bimodal con espaciadores gruesos. Además, los espaciadores más finos dan como resultado una distribución de poros más homogénea. Sharma et al. [ 49 ] utilizaron espaciadores aciculares y lograron porosidades de hasta el 60% donde los poros no estaban distorsionados. En muestras que empleaban partículas finas, se pudieron lograr porosidades de hasta el 70% antes de notar distorsión en los poros. Sin embargo, la distribución de poros bimodal observada en muestras con espaciadores gruesos demostró ser beneficiosa en términos de propiedades mecánicas, ya que se observaron resistencias a la compresión más altas, más allá de las que podrían existir debido a la relación inversa entre porosidad y resistencia a la compresión por sí sola. [ 48 ]

Compactación

La mezcla precursora de polvos y agentes espaciadores se compacta en un molde bajo una presión específica. Esto se puede lograr mediante procesos uniaxiales o isostáticos. Los poros resultantes de este método son abiertos e interconectados a través de ventanas entre poros vecinos, cuyo tamaño depende parcialmente del número de coordinación y del área de contacto del compacto resultante. La presión de compactación debe ser lo suficientemente alta como para garantizar la resistencia mecánica necesaria para la retención de la geometría de poro especificada por el agente espaciador, pero no tan alta como para causar su deformación. [ 46 ]

Sinterización y eliminación del agente espaciador

Al emplear espaciadores solubles, es posible retirar el espaciador después de la sinterización, lo que reduce el riesgo de colapso de los poros. En la mayoría de los casos, las espumas creadas con espaciadores contienen distribuciones de poros bimodales con poros de tamaño macroscópico resultantes de las partículas del espaciador y poros de tamaño microscópico ubicados en las paredes de los poros y resultantes de la sinterización incompleta de la matriz de polvo. Como resultado, los macroporos suelen presentar superficies internas rugosas. [ 50 ] En algunas aplicaciones, como en el uso de implantes biomédicos, esta es una propiedad ventajosa. Se ha demostrado que la porosidad interna (o microporosidad) reduce la rigidez; por lo tanto, reduce el riesgo de efectos de protección contra el estrés, a la vez que ofrece una mejor osteointegración. [ 13 ] [ 49 ] [ 50 ]

Materiales para rellenar espacios

Cloruro de sodio (NaCl)

El cloruro de sodio es el agente espaciador más comúnmente elegido para las espumas de titanio debido a su alta solubilidad en agua y su inercia con respecto al titanio. Esta inercia evita la contaminación y la degradación de las propiedades mecánicas de la espuma resultante. Además, el NaCl no es tóxico; cualquier residuo es bioinerte. [ 49 ] [ 51 ]

Bansiddhi y Dunand fueron pioneros en el uso de NaCl como agente espaciador permanente para la fabricación de espumas de NiTi. [ 14 ] Las espumas resultantes consistían enSe observó una porosidad del 32 % al 36 % con una densificación más completa que la observada al producir espumas de NiTi utilizando un agente espaciador de fluoruro de sodio (NaF). [ 52 ] Sin embargo, los parámetros de procesamiento dieron como resultado NaCl fundido y una mezcla de metal y sal en las cavidades de la espuma. El uso de un agente espaciador fundido conlleva ciertos riesgos, como la reacción con el metal, la disolución del agente espaciador en el metal y la prevención de la densificación debido a la formación de una fina capa líquida entre el metal y las partículas. [ 50 ]

Se logró una densificación casi completa cuando se utilizó NaCl como agente espaciador permanente en espuma de titanio puro. [ 14 ] En este caso, se utilizó una temperatura inferior al punto de fusión del NaCl; el titanio es menos resistente a la fluencia que el NiTi, lo que permite la densificación a temperaturas más bajas. Las espumas resultantes alcanzaron una porosidad deEntre el 50 % y el 67 % con una microporosidad mínima observable. La forma anisotrópica de los poros en algunas áreas sugiere la deformación del NaCl durante el HIP, lo cual es deseable para ciertas aplicaciones. [ 14 ] Además, la superficie interna rugosa observada de los poros ofrece ventajas para aplicaciones de implantes biomédicos.

Jha y otros lograron65% a 80% de porosidad mediante el uso de NaCl como agente espaciador y un proceso de compactación en frío a varias presiones con sinterización en dos etapas. [ 44 ] En este caso, el NaCl se eliminó por disolución después de la segunda etapa de sinterización. Los módulos de Young resultantes ( 8–15 GPa (1200–2200 ksi) ) fueron considerablemente más bajos que el módulo de Young de 29 GPa (4200 ksi) logrado para espumas con 50% de porosidad. [ 22 ] [ 14 ] Esto ilustra la relación conocida entre la porosidad y el módulo de Young, donde el módulo de Young disminuye linealmente con el aumento de la porosidad. La porosidad alcanzable mediante el método del agente espaciador está directamente relacionada con el tipo y la cantidad de agente espaciador utilizado (hasta un umbral máximo de nivel de porosidad alcanzable).    

Magnesio

El magnesio se puede eliminar térmicamente o mediante medidas reactivas a través de la disolución en ácido. [ 25 ] [ 53 ] [ 54 ] Esen y Bor encontraron que un contenido crítico de magnesio como agente espaciador es55% a 60% , por encima del cual los compactos se contraen excesivamente durante la sinterización. Espumas con porosidad variable desdeSe demostraron valores de 45% a 70% con una distribución de poros bimodal y una resistencia a la compresión de 15 MPa (2,2 ksi) (para una porosidad del 70%). [ 25 ] Kim et al. fabricaron espumas con poros anisotrópicos mediante la deformación intencional de partículas de Mg durante la compactación con el fin de mejorar las propiedades mecánicas. Una porosidad final del 70% equivalía a una resistencia a la fluencia de 38 MPa (5,5 ksi) para la orientación normal de los poros y de 59 MPa (8,6 ksi) cuando los poros estaban alineados con la dirección de compresión. [ 54 ]      

Urea

Otro agente espaciador comúnmente empleado para espumas de titanio es la urea , que produjo porosidades dedel 20% al 75% . [ 30 ] [ 49 ] [ 55 ] [ 48 ] [ 43 ] Wen et al. produjeron espumas que exhiben una distribución de poros bimodal con porosidades que van desde55% a 75% , módulos de Young entre 3–6,4 GPa (440–930 ksi) y una tensión de meseta de 10–35 MPa (1,5–5,1 ksi) . Se observó una relación inversa entre la tensión de meseta y la porosidad, de modo que un aumento de la porosidad resultó en una disminución de la tensión de meseta. [ 43 ] Tuncer et al. utilizaron urea en combinación con polvos de titanio de forma irregular en un esfuerzo por aumentar la resistencia en verde mediante una mayor eficiencia de empaquetamiento de las partículas. Esto también eliminó la necesidad de incorporar un aglutinante. [ 55 ]    

almidón de tapioca

El almidón de tapioca se puede quemar fácilmente durante el proceso de sinterización y es insoluble en titanio. Las espumas de titanio consisten en una distribución de poros bimodal (macroporos que van desdede 100 a 300  μm ) yCon una porosidad del 64% al 79% , exhibieron resistencias a la fluencia de 23–41 MPa (3,3–5,9 ksi) y módulos de Young de 1,6–3,7 GPa (230–540 ksi) . [ 46 ]    

bicarbonato de amonio

Aunque el bicarbonato de amonio se ha utilizado en la fabricación de espumas de titanio, no es un espaciador ideal debido a su bajo punto de fusión/disociación y cierta solubilidad en titanio. Esto provoca una contracción considerable que dificulta el control de la forma de los poros. [ 43 ] Además, su descomposición libera gases perjudiciales para el medio ambiente. [ 56 ]

Fundición por congelación

Montaje para la solidificación por congelación.
Resistencia a la compresión de materiales de titanio obtenidos por fundición en congelación.

La fundición por congelación es una técnica de solidificación direccional que se utiliza para fabricar materiales que presentan estructuras de poros alargadas y anisotrópicas. [ 57 ] La morfología de los poros está definida, en gran medida, por la morfología del fluido solidificado. Se han producido espumas de titanio que presentan estructuras de poros dendríticas y lamelares , mediante el uso de procesamiento no acuoso y acuoso, respectivamente. [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] Estos materiales presentan propiedades mecánicas anisotrópicas como resultado de sus estructuras de poros anisotrópicas. Se ha observado que la resistencia a la compresión para cargas aplicadas paralelas a la dirección de la pared de las espumas de titanio es, en promedio, 2,5 veces mayor que para aquellas aplicadas perpendicularmente a la dirección de la pared. [ 57 ]

Aplicaciones

Las posibles aplicaciones estructurales de las espumas de titanio incluyen su incorporación general en estructuras ligeras y como componentes para la absorción de energía mecánica. Las consideraciones más importantes para el uso de espumas de titanio en aplicaciones estructurales incluyen su porosidad, resistencia específica, ductilidad en compresión y costo. Debido a los bajos costos de fabricación, la mayoría de las espumas metálicas comercializadas para aplicaciones estructurales son de una variedad de aluminio de celda cerrada. [ 61 ] En comparación, la fabricación de espuma de titanio conlleva un costo más alto, pero este costo es justificable en aplicaciones espaciales donde el material ofrece una reducción incomparable en el peso total. La menor conductividad térmica del titanio también puede apreciarse en la construcción de cohetes. [ 1 ] La resistencia específica, la capacidad general de absorción de energía y el alto punto de fusión refuerzan la superioridad del titanio sobre el aluminio en aplicaciones aeroespaciales y militares. [ 3 ] Cuando se utiliza para aplicaciones aeroespaciales, se desean niveles de porosidad cercanos al 90 %. [ 51 ] Las espumas de titanio son capaces de mantener su alta resistencia a la tracción a temperaturas de hasta 400  °C; un límite impuesto por la baja resistencia del metal a la oxidación. [ 35 ]

Aplicaciones aeroespaciales

La fuerza impulsora para el reemplazo de los materiales existentes por espuma de titanio en el sector aeroespacial resulta de los siguientes cinco factores: [ 35 ]

  • Reducción de peso: como sustituto de los aceros y las superaleaciones a base de níquel;
  • Temperatura de aplicación: como sustituto de aleaciones y aceros a base de aluminio y níquel.
  • Resistencia a la corrosión: como sustituto de las aleaciones de aluminio y los aceros de baja aleación.
  • Compatibilidad galvánica: con compuestos de matriz polimérica como sustitutos de las aleaciones de aluminio.
  • Restricciones de espacio: como sustitutos de las aleaciones de aluminio y los aceros.

El problema de la ingeniería y su rama avanzada, la ingeniería aeroespacial, radica en el uso eficiente de los materiales y en el aumento de la vida útil. [ 1 ]

núcleos de paneles sándwich

Modelo de un conjunto de panel sándwich

Los núcleos de paneles sándwich se utilizan en toda la industria aeroespacial; se integran en fuselajes, pisos y paneles internos de aeronaves. Las estructuras sándwich constan de dos caras separadas por un núcleo grueso y ligero, y suelen estar compuestas de madera de balsa, polímeros espumados, aluminio unido con adhesivo o nidos de abeja de Nomex (papel). Normalmente, los núcleos se combinan con fibras de refuerzo para aumentar su módulo de cizallamiento. [ 62 ]

De hecho, los polímeros reforzados con fibra de carbono exhiben la mayor rigidez y resistencia específicas de estos materiales. [ 63 ] [ 64 ] Sin embargo, los polímeros se descomponen a bajas temperaturas; por lo tanto, el empleo de los materiales mencionados plantea desafíos inherentes debido al rango limitado de temperatura en el que pueden utilizarse, así como a sus propiedades dependientes de la humedad. [ 12 ]

La falla más grande y peor predicha dentro del núcleo resulta de la localización de la deformación. La localización de la deformación se refiere al desarrollo de bandas que exhiben una deformación intensa como resultado de la localización de deformaciones en el sólido. [ 65 ] [ 66 ] Para el mejor desempeño, la estructura debe exhibir una fuerza de respuesta máxima baja y una alta absorción de energía total. [ 17 ] Las espumas de titanio son ligeras, rígidas y poseen la capacidad de resistir explosiones. Además, el uso de espumas a base de titanio que exhiben una distribución de porosidad homogénea disminuiría significativamente los riesgos asociados con la localización de la deformación.

La alta relación resistencia-peso de las espumas de titanio ofrece la oportunidad de proporcionar mayor rigidez a la flexión y al corte, así como capacidades de absorción de energía durante los períodos de flexión. [ 62 ] [ 66 ] [ 67 ] Las espumas de titanio pueden utilizarse en entornos con temperaturas elevadas (hasta 400 °C (752 °F) ). También se pueden producir estructuras compuestas; se demostró que la incorporación de monofilamentos de carburo de silicio en espumas de Ti-6Al-4V exhibe un módulo elástico de 195 GPa (28 300 ksi) y una resistencia a la tracción de 800 MPa (120 ksi) . [ 68 ]      

Estructuras auxéticas

Las espumas de titanio que presentan estructuras de poros auxéticos son de interés para su incorporación en núcleos de paneles sándwich debido a su mejor rendimiento a cortante. [ 69 ] [ 70 ] Las espumas con esta estructura de poros presentan un coeficiente de Poisson negativo en una o más dimensiones. [ 62 ] Los materiales auxéticos suelen resistir las indentaciones gracias a su respuesta a la compresión; al comprimirse, el material auxético se contrae. [ 46 ] Además de la resistencia a la indentación, las investigaciones han demostrado que las espumas auxéticas ofrecen una mejor absorción del sonido y la vibración, una mayor resistencia al cortante y una mayor tenacidad a la fractura. Estas estructuras también presentan flexión sinclástica, lo que facilita su integración en paneles sándwich curvos.

Implantes biomédicos

(a) Parte superior del fémur con inserto de varilla intramedular simulada fabricado en Ti-6Al-4V. (b) Vista en sección transversal que ilustra el núcleo de espuma interno, más poroso, rodeado por una estructura de espuma más densa para lograr compatibilidad de rigidez.

Las aleaciones de titanio son el material de elección para una amplia gama de implantes biomédicos. [ 71 ] Los implantes de aleación de titanio empleados actualmente incluyen: articulaciones de cadera, tornillos óseos, articulaciones de rodilla, fusiones espinales, articulaciones de hombro y placas óseas. [ 8 ] [ 9 ] [ 50 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] Estas aleaciones abarcan desde espumas de titanio comercialmente puro de alta ductilidad con alta conformabilidad, hasta aleaciones termotratables de alta resistencia. El titanio es muy adecuado para su uso en imágenes por resonancia magnética (IRM) y tomografía computarizada (TC), lo que mejora aún más su aplicabilidad para aplicaciones de implantes biomédicos. [ 75 ]

Bioimplantes: microestructura

Los implantes biomédicos deben tener baja densidad para la comodidad del paciente y alta porosidad y área superficial para facilitar la vascularización y el crecimiento de hueso nuevo. [ 76 ] Idealmente, el implante permitirá un flujo de fluido suficientemente fácil para la nutrición celular y la multiplicación de osteoblastos, así como la migración para que la colonización celular del implante se vuelva uniforme. Los poros contenidos dentro de la matriz celular de la espuma imitan la matriz extracelular del hueso, lo que permite que el cuerpo se fije con el implante. La porosidad del implante también promueve la aposición y facilita la vascularización, ya que las células pueden adherirse, reproducirse y formar funciones básicas. Se ha demostrado que un tamaño de macroporo deSe prefiere un tamaño de 200–500  μm para el crecimiento de nuevos tejidos óseos y el transporte de fluidos corporales. El límite inferior está controlado por el tamaño de las células (~20  μm ), y el límite superior está relacionado con el área superficial específica a través de la disponibilidad de sitios de unión. [ 77 ] Los poros más finos ayudan aún más en el crecimiento del tejido y el movimiento del biofluido. [ 78 ] Los poros alargados y anisotrópicos (como los que se pueden obtener mediante la técnica de fundición por congelación) pueden ser beneficiosos en los implantes óseos, ya que pueden imitar aún más la estructura del hueso.

La geometría superficial porosa de la espuma promueve el crecimiento óseo, proporciona anclaje para la fijación y asegura que las tensiones se transfieran del implante al hueso. [ 79 ] La rugosidad superficial en el poro puede mejorar el crecimiento óseo, y un tamaño de celda más grueso facilita un crecimiento tisular más rápido. [ 14 ] Para optimizar la funcionalidad del implante y su capacidad de fusionarse con el hueso, puede ser necesario manipular los métodos de fabricación del material para modificar la estructura porosa de la espuma. Los cambios en la estructura porosa pueden influir directamente en la resistencia del implante, así como en otras propiedades clave.

Bioimplantes: propiedades mecánicas

El hueso esponjoso humano posee una rigidez que oscila entre 12 y 23 GPa; [ 80 ] el control y la modificación cuidadosos de los parámetros de fabricación para lograr resistencias similares son imperativos para la integración práctica. [ 81 ] Predecir correctamente el módulo de Young para las espumas es imperativo para la integración biomédica real; una discrepancia en los módulos de Young entre el implante y el hueso puede resultar en efectos de protección contra el estrés debido a un manejo desproporcionado del estrés. [ 82 ] El implante, que generalmente exhibe un módulo de Young más alto que el hueso, absorberá la mayor parte de la carga. Como resultado de este desequilibrio, la densidad ósea inicial se reducirá, habrá muerte tisular y, eventualmente, falla del implante. [ 83 ]

El hueso natural exhibe la capacidad de ajustar las fibras locales desde las regiones de baja tensión hacia las de alta tensión mediante la distribución de la porosidad, maximizando así la comodidad general. [ 84 ] Mediante análisis de elementos finitos, los investigadores examinaron el efecto del relleno de poros con hueso sobre las propiedades mecánicas. [ 83 ] Concluyeron que el crecimiento óseo mejoró significativamente las propiedades mecánicas, evidenciado por una disminución de la plasticidad localizada y las concentraciones de tensión. En efecto, la espuma de titanio en el estudio permitió que el hueso exhibiera su capacidad natural de ajustar las fibras locales desde las regiones de baja tensión hacia las de alta tensión.

Los experimentos demostraron que las combinaciones aleatorias de tamaño y forma de los poros dan como resultado módulos de Young más bajos. Los modelos teóricos para la cuantificación de los módulos de Young no consideran la distribución aleatoria del tamaño y la forma de los poros, por lo que las mediciones experimentales deben realizarse en presencia de una distribución heterogénea de tamaño y forma de poros. Esta es una limitación de los modelos micromecánicos mencionados anteriormente.

Osteointegración

Los implantes utilizados actualmente requieren mucho tiempo para integrarse con el cuerpo después del procedimiento quirúrgico inicial. Lograr una verdadera adhesión entre el implante y el hueso ha sido difícil y, lamentablemente, las tasas de éxito de la fijación del implante son bajas debido a la falta de osteointegración a largo plazo en el hueso. [ 47 ] [ 50 ] Con un número creciente de personas que requieren implantes ortopédicos, el desarrollo de materiales con potencial estructural y biológico para mejorar la osteointegración es crucial. La utilización de espumas a base de titanio representa una forma de mejorar potencialmente la bioactividad y reducir los efectos de protección contra el estrés de los materiales de bioimplantes empleados actualmente. [ 6 ]

El problema de la osteointegración se comprende mejor examinando el proceso de crecimiento óseo natural. En el cuerpo, los huesos y los tejidos experimentan autorregeneración, y las modificaciones estructurales ocurren normalmente en respuesta a estímulos ambientales. [ 85 ] La osteointegración exitosa ocurre en tres etapas principales que siguen un procedimiento biológico natural determinado: 1) incorporación del implante a la formación ósea, 2) adaptación de la nueva masa ósea para soportar peso y 3) remodelación de la nueva estructura ósea. La primera etapa de este proceso es la más crucial para el éxito general; [ 86 ] el implante y el hueso deben formar una conexión rápida, y este vínculo debe ser fuerte y duradero. Debido a su estructura porosa, un implante de espuma de titanio puede lograr una fijación estrecha con el hueso y disminuirá considerablemente el tiempo de recuperación del paciente. Esencialmente, la espuma se convierte en una matriz extracelular en el cuerpo a medida que el tejido se integra en ella. [ 77 ] Hoy en día, los implantes más comúnmente utilizados para el reemplazo óseo carecen de la capacidad de promover estas características, que se encuentran en el hueso natural y, como resultado, los implantes tienen una vida útil limitada. [ 77 ] Este fenómeno de osteointegración funciona de manera similar a la curación directa de fracturas. Sin embargo, en lugar de que el extremo de un fragmento óseo se vuelva a conectar al hueso, el extremo del fragmento se conecta a la superficie de un implante. [ 86 ] En un estudio sobre interacciones fibroblásticas con aleación Ti6Al4V de alta porosidad , la espuma metálica favoreció la adhesión y proliferación celular, la migración a través de la red porosa y demostró ser capaz de mantener una gran población celular. [ 7 ]

Incremento de la bioactividad mediante recubrimientos

La propensión del titanio a formar una capa de óxido en su superficie previene la corrosión de las superficies que están en contacto con los tejidos humanos porque los óxidos superficiales minimizan la difusión de iones metálicos desde el material a granel hacia la superficie. [ 82 ] Cuando el titanio obtiene un recubrimiento para hacerlo más bioactivo, puede convertir la superficie de titanio ya biocompatible en una interfaz capaz de mejorar la adhesión de osteoblastos y promover la osteointegración. [ 83 ] Hoy en día, la investigación se centra en gran medida en mejorar la tasa de éxito de la integración y utiliza la comprensión del proceso natural de crecimiento y reparación ósea para crear recubrimientos que mejoren el acabado superficial y las propiedades superficiales del implante. Estos ajustes permiten que la estructura artificial imite los materiales biológicos y sea aceptada por el cuerpo con menos efectos secundarios negativos. [ 87 ] [ 88 ] Un estudio clínico y radiográfico de 3 años encontró que los implantes en humanos recubiertos con hidroxiapatita (HA) nanocristalina apoyan la osteointegración. La HA nanocristalina se desarrolló con una gran superficie rugosa de poros interconectados de entre 10 y 20  nm de la matriz de gel de sílice, lo que resultó en una estructura ósea porosa. Las tasas medias de pérdida ósea marginal fueron insignificantes y los valores de la prueba de periodoncia fueron indicativos de una osteointegración sólida. [ 89 ] En efecto, los poros están estructurados de tal manera que pueden retener las proteínas en la superficie del biomaterial. Idealmente, esto permite que el cuerpo inicie la autorreparación, ya que la HA sintética es reconocida como un nanomaterial en el que pueden desarrollarse tejidos vivos. [ 10 ]

Las espumas de titanio pueden recubrirse con HA mediante diversos métodos, como la pulverización por plasma, el método sol-gel y la deposición electroforética. Se ha demostrado que el titanio recubierto con HA presenta una mayor resistencia interfacial en comparación con las espumas de titanio sin recubrimiento. Con el fin de mejorar el crecimiento óseo, Spoerke et al. desarrollaron un método para cultivar organoapatitas en implantes de titanio. Las organoapatitas pueden favorecer el crecimiento óseo en la interfaz del implante. Las espumas se fabricaron mediante un proceso HIP modificado, que aprovecha la naturaleza alotrópica del titanio para crear espumas de mayor porosidad. Experimentos previos in vitro con la espuma de organoapatita-titanio arrojaron resultados prometedores, incluyendo la posibilidad de que el tejido que crece dentro de estos poros recubiertos mejore la vida útil de la espuma mediante la reducción de los efectos de protección contra el estrés. [ 40 ]

Estudios con animales

En el laboratorio, el material de injerto óseo nanocristalino sintético en ratones ha mostrado crecimiento de tejido fibroso vascularizado, lo que resultó en una mejor cicatrización. Además, se observaron nuevos vasos sanguíneos al quinto día después de la implantación, y el implante mostró una alta densidad vascular funcional. [ 78 ] En un estudio que examinó las epífisis femorales de conejos en dos a ocho semanas de cicatrización, se comparó el contacto hueso-implante con el crecimiento óseo dentro de las cámaras para cuatro superficies de implante diferentes. Los investigadores encontraron que los materiales sustitutos del hueso pueden mejorar la aposición ósea sobre el titanio. [ 90 ]

Véase también

  • Crecimiento óseo en espuma de titanio NRC en YouTube
  • Investigación experimental de una espuma de titanio a bajas y altas velocidades de deformación en YouTube
  • Una novedosa espuma de titanio para soporte de carga ortopédica en YouTube
  • Nuevas espumas de titanio para implantes dentales más exitosos ( en YouTube)
  • Espuma metálica – Innovation Nation en YouTube

Referencias

  1. 1 2 3 A. Ermachenko, RY Lutfullin, R. Mulyukov (2011). "Tecnologías avanzadas de procesamiento de aleaciones de titanio y sus aplicaciones en la industria" . Rev. Adv. Mater. Sci . 29 : 68–82 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  2. ↑ K. Hurysz, J. Clark, A. Nagel, C. Hardwicke, K. Lee, J. Cochran, T. Sanders (1998). " Espumas de esferas huecas de acero y titanio" . Archivo de la Biblioteca de Actas en Línea de la MRS . 521. doi : 10.1557/PROC-521-191 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  3. 1 2 A. Salimon, Y. Brechet, M. Ashby, A. Greer (2005). "Aplicaciones potenciales para espumas metálicas de acero y titanio". Journal of Materials Science . 40 (22): 5793– 5799. Bibcode : 2005JMatS..40.5793S . doi : 10.1007/s10853-005-4993-x . S2CID 136624748 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  4. ↑ L. Gauckler, M. Waeber, C. Conti, M. Jacob-Duliere (1985). "Espuma cerámica para la filtración de metal fundido". JOM: Journal of the Minerals, Metals and Materials Society . 37 (9): 47– 50. Bibcode : 1985JOM....37i..47G . doi : 10.1007/BF03258640 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ↑ LP Lefebvre, J. Banhart, DC Dunand (2008). "Metales porosos y espumas metálicas: estado actual y desarrollos recientes" . Advanced Engineering Materials . 10 (9): 775–787 . doi : 10.1002/adem.200800241 . S2CID 4669155 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  6. 1 2 J.R. Bush, BK Nayak, LS Nair, MC Gupta, CT Laurencin (2011). "Mejora del bioimplante mediante nanotextura autoensamblada inducida por láser ultrarrápido en titanio". Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials . 97 (2): 299– 305. doi : 10.1002/jbm.b.31815 . PMID 21394901 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  7. 1 2 N. Cheung, I. Ferreira, M. Pariona, J. Quaresma, A. Garcia (2009). "Características de la fusión y dirección de crecimiento de la solidificación con respecto a la gravedad que afectan el coeficiente de transferencia de calor interfacial de las piezas fundidas en frío". Materials & Design . 30 (9): 3592– 3601. doi : 10.1016/j.matdes.2009.02.025 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  8. 1 2 F.B. Christensen (2004). "Fusión espinal lumbar. Resultados en relación con los métodos quirúrgicos, la elección del implante y la rehabilitación postoperatoria". Acta Orthopaedica Scandinavica . 75 (313): 2– 43. doi : 10.1080/03008820410002057 . PMID 15559781 . 
  9. 1 2 F.B. Christensen, M. Dalstra, F. Sejling, S. Overgaard, C. Bünger (2000). "La aleación de titanio mejora la fijación de tornillos pediculares óseos: resultados mecánicos e histomorfométricos de la aleación de titanio frente al acero inoxidable" . European Spine Journal . 9 (2): 97– 103. doi : 10.1007/s005860050218 . PMC 3611362. PMID 10823424 .  {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  10. 1 2 3 R. Kanaparthy, A. Kanaparthy (2011). "El rostro cambiante de la odontología: nanotecnología" . Revista Internacional de Nanomedicina . 6 : 2799–804 . doi : 10.2147/IJN.S24353 . PMC 3224707. PMID 22131826 .  
  11. ↑ J. Banhart (2001). "Fabricación, caracterización y aplicación de metales celulares y espumas metálicas". Progress in Materials Science . 46 (6): 559– 632. doi : 10.1016/S0079-6425(00)00002-5 .
  12. 1 2 M.F. Ashby (21 de junio de 2000). Espumas metálicas: una guía de diseño . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0750672191.
  13. 12Li , JC ; Dunand, DC (2011). "Propiedades mecánicas de las espumas de titanio liofilizadas direccionalmente". Acta Materialia . 59 (1): 146– 158. Bibcode : 2011AcMat..59..146L . doi : 10.1016/j.actamat.2010.09.019 .
  14. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ye, B.; Dunand, DC (2010). "Espumas de titanio producidas por replicación en estado sólido de polvos de NaCl". Materials Science and Engineering A . 528 (2): 691– 697. doi : 10.1016/j.msea.2010.09.054 .
  15. ↑ Fife, JL; Li, JC; Dunand, DC; Voorhees, PW (2009). "Análisis morfológico de poros en espumas de titanio fundidas por congelación direccional". J. Mater. Res . 24 (1): 117– 124. Bibcode : 2009JMatR..24..117F . doi : 10.1557/JMR.2009.0023 . S2CID 4675061 . 
  16. 1 2 3 Gibson, LJ (2003). "Sólidos celulares" . Boletín MRS . 28 (4): 270– 271. doi : 10.1557/mrs2003.79 .
  17. 1 2 Luyten, J.; Mullens, S.; Thijs, I. (2010). "Diseño con poros: síntesis y aplicaciones" . KONA Powder and Particle Journal . 28 : 131–142 . doi : 10.14356/kona.2010012 .
  18. ↑ P. Kelly, D. Nowell (2000). "Fisuras tridimensionales con zonas plásticas de tipo Dugdale". International Journal of Fracture . 106 (4): 291– 309. doi : 10.1023/A:1026557509000 . hdl : 2292/26988 . S2CID 119606757 . 
  19. ↑ M. Barrabés, A. Michiardi, C. Aparicio, P. Sevilla, JA Planell, FJ Gil (2007). "Espumas de níquel-titanio oxidadas para reconstrucciones óseas: caracterización química y mecánica". Journal of Materials Science: Materials in Medicine . 18 (11): 2123– 2129. doi : 10.1007/s10856-007-3012-y . PMID 17619983 . S2CID 45982017 .  {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  20. 1 2 3 4 D.C. Dunand (2004). "Procesamiento de espumas de titanio". Advanced Engineering Materials . 6 (6): 369– 376. doi : 10.1002/adem.200405576 . S2CID 15118192 . 
  21. ↑ L.-P. Lefebvre, E. Baril (2008). "Efecto de la concentración y distribución de oxígeno en las propiedades de compresión de las espumas de titanio" . Advanced Engineering Materials . 10 (9): 868– 876. doi : 10.1002/adem.200800122 . S2CID 137583252 . 
  22. 1 2 N. Jha, D. Mondal, J. Dutta Majumdar , A. Badkul, A. Jha, A. Khare (2013). "Espuma de titanio de celda abierta altamente porosa utilizando NaCl como agente espaciador temporal mediante la ruta de metalurgia de polvos". Materials & Design . 47 : 810–819 . doi : 10.1016/j.matdes.2013.01.005 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  23. ↑ J. Luyten, S. Mullens, I. Thijs (2010). "Diseño con poros: síntesis y aplicaciones" . KONA Powder Part J. 28 : 131–142 . doi : 10.14356 /kona.2010012 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  24. ↑ Maiti, S.; Gibson, L.; Ashby, M. (1984). "Diagramas de deformación y absorción de energía para sólidos celulares". Acta Metallurgica . 32 (11): 1963– 1975. doi : 10.1016/0001-6160(84)90177-9 .
  25. 1 2 3 4 Z. Esen, Ş. Bor (2007). "Procesamiento de espumas de titanio mediante partículas espaciadoras de magnesio". Scripta Materialia . 56 (5): 341– 344. doi : 10.1016/j.scriptamat.2006.11.010 . hdl : 11511/65704 .
  26. ↑ R. Rice (1996). "Evaluación y extensión de modelos de propiedades físicas-porosidad basados ​​en el área sólida mínima". Journal of Materials Science . 31 (1): 102– 118. Bibcode : 1996JMatS..31..102R . doi : 10.1007/BF00355133 . S2CID 135887825 . 
  27. ↑ R. Rice (1993). "Comparación de las relaciones entre la concentración de tensiones y la porosidad basadas en el área sólida mínima". Journal of Materials Science . 28 (8): 2187– 2190. Bibcode : 1993JMatS..28.2187R . doi : 10.1007/BF00367582 . S2CID 136620777 . 
  28. 1 2 Shbeh, MM; Goodall, R. (2017). "Titanio poroso de celda abierta". Advanced Engineering Materials . 19 (11) 1600664. doi : 10.1002/adem.201600664 . S2CID 136469942 . 
  29. ↑ X. Wang, X. Wei, C. Wen, F. Han (2011). "Fabricación y caracterización de titanio microporoso". Powder Metallurgy . 54 (1): 56– 58. Bibcode : 2011PowM...54...56W . doi : 10.1179/174329009X409660 . S2CID 136865153 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  30. 1 2 3 4 5 N. Tuncer y G. Arslan (2009). "Diseño de propiedades compresivas de espumas de titanio". Journal of Materials Science . 44 (6): 1477– 1484. Bibcode : 2009JMatS..44.1477T . doi : 10.1007/s10853-008-3167-z . S2CID 136890473 . 
  31. 1 2 3 4 Davis, N.; Teisen, J.; Schuh, C.; Dunand, D. (2001). "Espumado en estado sólido de titanio mediante expansión superplástica de poros llenos de argón". Journal of Materials Research . 16 (5): 1508– 1519. Bibcode : 2001JMatR..16.1508D . doi : 10.1557/JMR.2001.0210 . S2CID 4605521 . 
  32. ↑ Elzey, D.; Wadley, H. (2001). "Los límites de la formación de espuma en estado sólido". Acta Materialia . 49 (5): 849– 859. Bibcode : 2001AcMat..49..849E . doi : 10.1016/S1359-6454(00)00395-5 .
  33. ↑ Lefebvre, LP; Baril, E. (2008). "Efecto de la concentración y distribución de oxígeno en las propiedades de compresión de las espumas de titanio" . Advanced Engineering Materials . 10 (9): 868– 876. doi : 10.1002/adem.200800122 . S2CID 137583252 . 
  34. 1 2 Callister, WD; Rethwisch, DG (2006). Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción (7.ª ed.). Wiley Nueva York. ISBN  9780471736967.
  35. 1 2 3 4 Leyens, C.; Peters, M. (2003). Titanio y aleaciones de titanio . Wiley. doi : 10.1002/3527602119 . ISBN 9783527305346.
  36. ↑ Zhang, L.; Zhao, Y. (2008). "Fabricación de metales porosos de alto punto de fusión mediante un proceso de sinterización de carbonato perdido a través de una ruta de descomposición". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte B: Revista de Fabricación de Ingeniería . 222 (2): 267– 271. doi : 10.1243/09544054JEM832 . S2CID 54888392 . 
  37. 1 2 Kennedy, A.; Asavavisitchai, S. (2004). "Efectos de la adición de partículas de TiB 2 en la expansión, estructura y propiedades mecánicas de espumas de Al PM". Scripta Materialia . 50 (1): 115– 119. doi : 10.1016/j.scriptamat.2003.09.026 .
  38. 1 2 3 Sharma, M.; Gupta, G.; Modi, O.; Prasad, B. (2013). "Espuma de titanio procesada por PM: influencia de la morfología y el contenido de agente espaciador en la microestructura y las propiedades mecánicas". Metalurgia de polvos . 56 (1): 55– 60. Bibcode : 2013PowM...56...55S . doi : 10.1179/1743290112Y.0000000036 . S2CID 138665118 . 
  39. ↑ Murray, N.; Dunand, D. (2003). "Evolución de la microestructura durante la formación de espuma en estado sólido de titanio". Composites Science and Technology . 63 (16): 2311– 2316. doi : 10.1016/S0266-3538(03)00264-1 .
  40. 1 2 Spoerke, ED; Murray, NG; Li, H.; Brinson, LC; Dunand, DC; Stupp, SI (2005). "Un andamio de espuma de titanio bioactivo para la reparación ósea". Acta Biomaterialia . 1 (5): 523– 533. doi : 10.1016/j.actbio.2005.04.005 . PMID 16701832 . 
  41. ↑ Murray, N.; Schuh, C.; Dunand, D. (2003). "Espumado en estado sólido de titanio por superplasticidad de tensión interna inducida por hidrógeno". Scripta Materialia . 49 (9): 879– 883. doi : 10.1016/S1359-6462(03)00438-X .
  42. ↑ Zhao, Y.; Sol, D. (2001). "Un novedoso proceso de sinterización-disolución para la fabricación de espumas de Al". Scripta Materialia . 44 (1): 105– 110. doi : 10.1016/S1359-6462(00)00548-0 .
  43. 1 2 3 4 Wen, C.; Yamada, Y.; Shimojima, K.; Chino, Y.; Hosokawa, H.; Mabuchi, M. (2002). "Nueva espuma de titanio para ingeniería de tejido óseo". Journal of Materials Research . 17 (10): 2633– 2639. Bibcode : 2002JMatR..17.2633W . doi : 10.1557/JMR.2002.0382 . S2CID 136524498 . 
  44. 1 2 Jha, N.; Mondal, D.; Majumdar, JD; Badkul, A.; Jha, A.; Khare, A. (2013). "Espuma de titanio de celda abierta altamente porosa utilizando NaCl como agente espaciador temporal mediante la ruta de metalurgia de polvos". Materials & Design . 47 : 810– 819. doi : 10.1016/j.matdes.2013.01.005 .
  45. ↑ Imwinkelried, T. (2007). "Propiedades mecánicas de la espuma de titanio de poro abierto". Journal of Biomedical Materials Research Part A . 81 (4): 964– 970. doi : 10.1002/jbm.a.31118 . PMID 17252551 . 
  46. 1 2 3 4 5 Mansourighasri, A.; Muhamad, N.; Sulong, AB (2012). "Procesamiento de espumas de titanio utilizando almidón de tapioca como agente espaciador". Journal of Materials Processing Technology . 212 (1): 83– 89. doi : 10.1016/j.jmatprotec.2011.08.008 .
  47. 1 2 Ryan, G.; Pandit, A.; Apatsidis, DP (2006). "Métodos de fabricación de metales porosos para su uso en aplicaciones ortopédicas". Biomaterials . 27 (13): 2651– 2670. doi : 10.1016/j.biomaterials.2005.12.002 . PMID 16423390 . S2CID 26103817 .  
  48. 1 2 3 Tuncer, N.; Arslan, G.; Maire, E.; Salvo, L. (2011). "Investigación del efecto del tamaño del espaciador en la arquitectura y las propiedades mecánicas del titanio poroso". Materials Science and Engineering: A . 530 : 633– 642. doi : 10.1016/j.msea.2011.10.036 .
  49. 1 2 3 4 Sharma, M.; Gupta, G.; Modi, O.; Prasad, B.; Gupta, AK (2011). "Espuma de titanio mediante metalurgia de polvos utilizando partículas de urea acicular como agente espaciador". Materials Letters . 65 (21): 3199– 3201. doi : 10.1016/j.matlet.2011.07.004 .
  50. 1 2 3 4 5 Bansiddhi, A.; Sargeant, T.; Stupp, S.; Dunand, D. (2008). "NiTi poroso para implantes óseos: una revisión" . Acta Biomaterialia . 4 (4): 773– 782. doi : 10.1016/j.actbio.2008.02.009 . PMC 3068602. PMID 18348912 .  
  51. 1 2 O. Smorygo, A. Marukovich, V. Mikutski, A. Gokhale, GJ Reddy, JV Kumar (2012). "Espumas de titanio de alta porosidad mediante el método de compactación con soporte espaciador recubierto de polvo". Materials Letters . 83 : 17– 19. doi : 10.1016/j.matlet.2012.05.082 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  52. ↑ Bansiddhi, A.; Dunand, DC (2007). "Espumas de NiTi con memoria de forma producidas por replicación en estado sólido con NaF". Intermetallics . 15 (12): 1612– 1622. doi : 10.1016/j.intermet.2007.06.013 .
  53. ↑ Aydoğmuş, T.; Bor, Ş. (2009). "Procesamiento de aleaciones porosas de TiNi utilizando magnesio como agente espaciador". Journal of Alloys and Compounds . 478 (1): 705– 710. doi : 10.1016/j.jallcom.2008.11.141 . hdl : 11511/64605 .
  54. 1 2 Kim, SW; Jung, H.-D.; Kang, M.-H.; Kim, H.-E.; Koh, Y.-H.; Estrin, Y. (2013). "Fabricación de un andamio de titanio poroso con estructura porosa controlada y forma final utilizando magnesio como espaciador". Materials Science and Engineering: C . 33 (5): 2808– 2815. doi : 10.1016/j.msec.2013.03.011 . PMID 23623100 . 
  55. 1 2 Tuncer, N.; Arslan, G.; Maire, E.; Salvo, L. (2011). "Influencia de la relación de aspecto celular en la arquitectura y la resistencia a la compresión de las espumas de titanio". Materials Science and Engineering: A . 528 (24): 7368– 7374. doi : 10.1016/j.msea.2011.06.028 .
  56. ↑ Amigó Borrás, V.; Reig Cerdá, L.; Busquets Mataix, DJ; Ortiz, J. (2011). "Análisis de la resistencia a la flexión del titanio poroso procesado mediante el método del espaciador". Powder Metallurgy . 54 (1): 67. Bibcode : 2011PowM...54...67A . doi : 10.1179/174329009X409697 . hdl : 10234/36628 . S2CID 46268575 . 
  57. 1 2 Scotti, K.; Dunand, D. (2018). "Fundición por congelación: una revisión del procesamiento, la microestructura y las propiedades a través del repositorio de datos abiertos Freeze Casting.net " . Progress in Materials Science . 94 : 243–305 . arXiv : 1710.00037 . doi : 10.1016/j.pmatsci.2018.01.001 . ISSN 0079-6425 . S2CID 119017068 .  
  58. ↑ Jung, H.; Yook, S.; Jang, T.; Li, Y.; Kim, H.; Koh, Y. (2013). "Fundición por congelación dinámica para la producción de andamios de titanio (Ti) porosos". Mater. Sci. Eng. C . 33 (1): 59– 63. doi : 10.1016/j.msec.2012.08.004 . PMID 25428042 . 
  59. ↑ Yook, S.; Jung, H.; Park, C.; Shin, K.; Koh, Y.; Estrin, Y.; Kim, H. (2012). "Reverse freeze fund: A new method for fabricating highly porous titanium andaffolds, with aligned large pores". Acta Biomater . 8 (6): 2401– 2410. doi : 10.1016/j.actbio.2012.03.020 . PMID 22421310 . 
  60. ↑ Chino, Y.; Dunand, DC (2008). "Espuma de titanio direccionalmente congelada con poros alineados y alargados". Acta Mater . 56 (1): 105– 113. Bibcode : 2008AcMat..56..105C . doi : 10.1016/j.actamat.2007.09.002 .
  61. ↑ Y. Zhao, T. Fung, L. Zhang, F. Zhang (2005). "Proceso de sinterización de carbonato perdido para la fabricación de espumas metálicas". Scripta Materialia . 52 (4): 295– 298. doi : 10.1016/j.scriptamat.2004.10.012 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  62. 1 2 3 Yang, Shu; Qi, Chang; Wang, Dong; Gao, Renjing; Hu, Haitao; Shu, Jian (2013). "Estudio comparativo de la resistencia balística de paneles sándwich con espuma de aluminio y núcleos de panal auxético" . Avances en ingeniería mecánica . 5 589216. doi : 10.1155/2013/589216 .
  63. ↑ Finnegan, K.; Kooistra, G.; Wadley, HN; Deshpande, V. (2007). "La respuesta a compresión de núcleos sándwich de celosía piramidal de compuesto de fibra de carbono". International Journal of Materials Research . 98 (12): 1264– 1272. Bibcode : 2007IJMR...98.1264F . doi : 10.3139/146.101594 . S2CID 40205598 . 
  64. ↑ Park, S.; Russell, B.; Deshpande, V.; Fleck, N. (2012). "Respuesta compresiva dinámica de panales cuadrados compuestos". Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 43 (3): 527– 536. doi : 10.1016/j.compositesa.2011.11.022 .
  65. ↑ Zok, F.; Rathbun, H.; He, M.; Ferri, E.; Mercer, C.; McMeeking, R.; Evans, A. (2005). "Rendimiento estructural de paneles sándwich metálicos con núcleos de panal cuadrados". Philosophical Magazine . 85 ( 26–27 ): 3207–3234 . Bibcode : 2005PMag...85.3207Z . doi : 10.1080/14786430500073945 . S2CID 53499985 . 
  66. 1 2 Rathbun, H.; Radford, D.; Xue, Z.; He, M.; Yang, J.; Deshpande, V.; Fleck, N.; Hutchinson, J.; Zok, F.; Evans, A. (2006). "Rendimiento de vigas sándwich con núcleo de panal metálico bajo carga de choque" . International Journal of Solids and Structures . 43 (6): 1746– 1763. doi : 10.1016/j.ijsolstr.2005.06.079 .
  67. ↑ Moongkhamklang, P.; Elzey, DM; Wadley, HN (2008). "Estructuras reticulares compuestas de matriz de titanio". Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 39 (2): 176– 187. doi : 10.1016/j.compositesa.2007.11.007 .
  68. ↑ Moongkhamklang, P.; Deshpande, V.; Wadley, H. (2010). "La respuesta a compresión y cizallamiento de estructuras reticulares compuestas de matriz de titanio". Acta Materialia . 58 (8): 2822– 2835. Bibcode : 2010AcMat..58.2822M . doi : 10.1016/j.actamat.2010.01.004 .
  69. ↑ Alderson, A.; Rasburn, J.; Ameer-Beg, S.; Mullarkey, PG; Perrie, W.; Evans, KE (2000). "Un filtro auxético: un filtro sintonizable que muestra selectividad de tamaño mejorada o propiedades de desincrustación". Industrial & Engineering Chemistry Research . 39 (3): 654– 665. doi : 10.1021/ie990572w .
  70. ↑ Scarpa, F.; Ciffo, L.; Yates, J. (2004). "Propiedades dinámicas de espuma auxética de celda abierta de alta integridad estructural". Smart Materials and Structures . 13 (1): 49– 56. Bibcode : 2004SMaS...13...49S . doi : 10.1088/0964-1726/13/1/006 . S2CID 250861020 . 
  71. 1 2 Elias, C.; Lima, J.; Valiev, R.; Meyers, M. (2008). "Aplicaciones biomédicas del titanio y sus aleaciones". JOM . 60 (3): 46– 49. Bibcode : 2008JOM....60c..46E . doi : 10.1007/s11837-008-0031-1 . S2CID 12056136 . 
  72. ↑ Agins, H.; Alcock, N.; Bansal, M.; Salvati, E.; Wilson, P.; Pellicci, P.; Bullough, P. (1988). "Desgaste metálico en prótesis totales de cadera de aleación de titanio fallidas" . J Bone Joint Surg . 70 (3): 347– 356. doi : 10.2106/00004623-198870030-00005 .
  73. ↑ Long, M.; Rack, H. (1998). "Aleaciones de titanio en el reemplazo total de articulaciones: una perspectiva de la ciencia de los materiales". Biomaterials . 19 (18): 1621– 1639. doi : 10.1016/S0142-9612(97)00146-4 . PMID 9839998 . 
  74. ↑ DD Deligianni, N. Katsala, S. Ladas, D. Sotiropoulou, J. Amedee, Y. Missirlis (2001). "Efecto de la rugosidad superficial de la aleación de titanio Ti–6Al–4V en la respuesta de las células de la médula ósea humana y en la adsorción de proteínas". Biomaterials . 22 (11): 1241– 1251. doi : 10.1016/S0142-9612(00)00274-X . PMID 11336296 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  75. ↑ Malik, A.; Boyko, O.; Aktar, N.; Young, W. (2001). "Estudio comparativo del perfil de imágenes de RM de tornillos pediculares de titanio". Acta Radiologica . 42 (3): 291– 293. doi : 10.1080/028418501127346846 . PMID 11350287 . S2CID 42403449 .  
  76. ↑ J. Jakubowicz, G. Adamek, M. Dewidar (2013). "Espuma de titanio hecha con sacarosa como agente espaciador" . Journal of Porous Materials . 20 (5): 1137– 1141. doi : 10.1007/s10934-013-9696-0 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  77. 1 2 3 C. Wen, M. Mabuchi, Y. Yamada, K. Shimojima, Y. Chino, T. Asahina (2001). "Procesamiento de Ti y Mg porosos biocompatibles". Scripta Materialia . 45 (10): 1147– 1153. doi : 10.1016/S1359-6462(01)01132-0 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  78. 1 2 K. Abshagen, I. Schrodi, T. Gerber, B. Vollmar (2009). "Análisis in vivo de la biocompatibilidad y vascularización del sustituto sintético de injerto óseo NanoBone®". Journal of Biomedical Materials Research Part A . 91 (2): 557– 566. doi : 10.1002/jbm.a.32237 . PMID 18985779 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  79. ↑ Oh, I.-H.; Nomura, N.; Masahashi, N.; Hanada, S. (2003). "Propiedades mecánicas de compactos de titanio poroso preparados mediante sinterización de polvo". Scripta Materialia . 49 (12): 1197– 1202. doi : 10.1016/j.scriptamat.2003.08.018 .
  80. ↑ Greiner, C.; Oppenheimer, SM; Dunand, DC (2005). "Alta resistencia, baja rigidez, NiTi poroso con propiedades superelásticas". Acta Biomaterialia . 1 (6): 705– 716. doi : 10.1016/j.actbio.2005.07.005 . PMID 16701851 . 
  81. ↑ Aly, MS (2010). "Efecto del tamaño de poro en el comportamiento a la tracción de espumas de Ti de celda abierta: resultados experimentales". Materials Letters . 64 (8): 935– 937. doi : 10.1016/j.matlet.2010.01.064 .
  82. 1 2 Murr, LE; Gaytan, SM; Martinez, E.; Medina, F.; Wicker, RB (2012). " Implantes ortopédicos de próxima generación mediante fabricación aditiva utilizando fusión por haz de electrones" . International Journal of Biomaterials . 2012 : 1–14 . doi : 10.1155/2012/245727 . PMC 3432366. PMID 22956957 .  
  83. 1 2 3 Li, H.; Oppenheimer, SM; Stupp, SI; Dunand, DC; Brinson, LC (2004). "Efectos de la morfología de los poros y el crecimiento óseo en las propiedades mecánicas del titanio microporoso como material de implante ortopédico" . Materials Transactions . 45 (4): 1124– 1131. doi : 10.2320/matertrans.45.1124 .
  84. ↑ Y. Conde, A. Pollien, A. Mortensen (2006). "Gradualización funcional de núcleos de espuma metálica para vigas sándwich ligeras con límite de fluencia" . Scripta Materialia . 54 (4): 539– 543. doi : 10.1016/j.scriptamat.2005.10.050 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  85. ↑ DW Hutmacher (2000). "Andamios en ingeniería de tejidos óseos y cartilaginosos". Biomaterials . 21 (24): 2529– 2543. doi : 10.1016/S0142-9612(00)00121-6 . PMID 11071603 . 
  86. 1 2 S.N. Khan, M. Ramachandran, SS Kumar, V. Krishnan, R. Sundaram (2012). "Oseointegración y más: una revisión de la literatura". Indian Journal of Dentistry . 3 (2): 72– 76. doi : 10.1016/j.ijd.2012.03.012 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  87. ↑ M. Lutolf, J. Hubbell (2005). "Biomateriales sintéticos como microambientes extracelulares instructivos para la morfogénesis en ingeniería de tejidos". Nature Biotechnology . 23 (1): 47– 55. doi : 10.1038/nbt1055 . PMID 15637621. S2CID 6706970 .  
  88. ^ Z. Tang, NA Kotov, S. Magonov, B. Ozturk (2003). "Nácar artificial nanoestructurado". Materiales de la naturaleza . 2 (6): 413– 8. Bibcode : 2003NatMa...2..413T . doi : 10.1038/nmat906 . PMID 12764359 . S2CID 6192932 .  {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  89. ↑ F. Heinemann, T. Mundt, R. Biffar, T. Gedrange, W. Goetz (2009). "Estudio clínico y radiográfico de 3 años de implantes colocados simultáneamente con aumentos del piso del seno maxilar utilizando una nueva hidroxiapatita nanocristalina". Journal of Physiology and Pharmacology . 60 : 91–97 . PMID 20400800 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  90. ↑ BM Willie, X. Yang, NH Kelly, J. Merkow, S. Gagne, R. Ware, TM Wright, MP Bostrom (2010). "Oseointegración en un nuevo implante de espuma de titanio en el fémur distal de un conejo" . Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials . 92 (2): 479– 488. doi : 10.1002 / jbm.b.31541 . PMC 2860654. PMID 20024964 .  {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )