Nerly Deyanira Montañez Supelano1,2*; Leidys Rosio Solares Navarro2
1 Grupo de Sistemas y Tecnologías Biomédicas. Universidad Manuela Beltrán,
Calle 33 Na 27-62 Bucaramanga Colombia.
*nerly.montanez@virtualumb.com
2 Semillero de Investigación en Biomateriales
e Ingeniería de Tejidos (Biocell). Universidad Manuela Beltrán,
Calle 33 Na 27-62 Bucaramanga Colombia.
Fecha Recepción: 18 de agosto de 2013
Fecha Aceptación: 15 de octubre de 2013
Este artículo tiene como objetivo principal describir el desarrollo de un prototipo de hueso humano (costilla cortical), a partir de tacuaras de guadua; género de plantas representativo de los bosques andinos de países iberoamericanos y asiáticos, y la evaluación de las propiedades mecánicas que este material cuenta para el desarrollo de un biomaterial. Se describe el tratamiento de la materia prima para el desarrollo del prototipo y las caracterizaciones de tipo mecánico a partir de pruebas de tracción, compresión y dureza. Este trabajo muestra las propiedades mecánicas estáticas de un biomaterial creado a partir de ramas de guadua y resina cobaltada, su comportamiento frente a diferentes cargas y su posible utilización para el diseño de prótesis. Los resultados mostraron que el material en estudio se puede catalogar como un material linealmente elástico, con una dureza de 17,2HV, que comparada con la dureza de un hueso real se considera como una dureza media, y con una deformación similar a la del hueso real seco de 2,75±0,72%. Adicionalmente, el material mostró un valor máximo de esfuerzo a la tracción de 11,98±2,57MPa, el cual se encuentra dentro del rango de 8-50MPa, correspondiente a hueso real trabecular.
Palabras clave: Biomateriales, propiedades mecánicas, materiales naturales, guadua.
The main objective of this paper is to describe the development of a prototype of human bone (cortical rib), tacuaras from bamboo; plant genus representative of Andean forests of Latin American and Asian countries, and the evaluation of the mechanical properties of this material for the development of a biomaterial. The treatment of the raw material for prototype development and mechanical characterizations from tensile, compression and hardness are shown here. This work shows the static mechanical properties of a biomaterial created from bamboo branches and cobalted resin, their response to different loads and their possible use for the design of prostheses. The results show that the material under test can be classified as linear elastic material, with a hardness of 17.2HV, which compared with an actual bone hardness is considered as a medium hardness and with a deformation similar to bone dry real 2.75 ± 0.72%. Additionally, the material shown a maximum tensile stress of 11.98 ± 2.57MPa, which is between the range of 8-50MPa, corresponding to real trabecular bone.
Keywords: Biomaterials, mechanical properties, natural materials, bamboo.
Algunos de los biomateriales utilizados para llevar
a cabo implantes protésicos o injertos óseos
causan una variedad de efectos secundarios
ocasionados por la calidad del material empleado
en la construcción de este tipo de implantes. Los
materiales de uso actual son fabricados a partir de
cerámicas, metales y diversos tipos de aleaciones
artificiales, los cuales la mayoría generan
reacciones en el organismo, el cual en muchos
casos no asimila correctamente el cuerpo extraño
implantado, generando infecciones, inflamaciones
y diversidad de traumas.
En las últimas décadas ha existido la necesidad
de búsqueda de nuevos materiales para el
desarrollo de prótesis y material de reemplazo
de partes óseas. El uso de materiales naturales
ha sido cada vez mayor, debido a la constante
búsqueda de propiedades fisicoquímicas que se
pueden asemejar a las propiedades del hueso real
humano.
En este trabajo se investigó un material catalogado
en la literatura como el acero vegetal, la guadua,
un material único, debido a las propiedades de
flexibilidad, durabilidad, fácil manejo y accesibilidad
[1]. Todas estas propiedades físicas, biológicas y
mecánicas mencionadas hacen tentativo el uso
de este material en el campo de los biomateriales
para en un futuro utilizar la guadua como materia
prima en el desarrollo de prótesis y reemplazos
óseos. Sin embargo, estudios de compatibilidad de
este material con células no ha sido estudiado, y
no se encuentra amplia información de pruebas de
biocompatibilidad. Se han hecho estudios de tipo
mecánico que evalúan la posibilidad de que este
material sea usado como refuerzo en materiales
compuestos [2] y para aplicaciones de tipo civil [3].
Con este estudio se busca caracterizar inicialmente
la guadua desde el punto de vista mecánico,
buscando contribuir en el estudio de nuevos
materiales a partir de materias primas vegetales
que puedan ser implementados en el diseño
de dispositivos protésicos que cumplan con los
requerimientos físicos y de bajo costo, para que
de esta forma sean accesibles a la población que
lo requiera.
Se seleccionó un total de 5kg de tacuaras de
guadua en estado de madurez (ramas secas de
más de cuatro años de edad), obtenidos de la sede
recreacional Cajasan Campoalegre, kilómetro 13
vía Piedecuesta, Santander. De la edad y el grado
de lignificación (madurez) de la guadua, depende
su resistencia física y su máxima dureza, que la
adquiere entre los 4 y 6 años de edad [2,3].
Las tacuaras se sometieron a trituración y
pulverización. Para la etapa de trituración se usó
un molino de disco y cuchillas. El proceso de
tamizaje para separación de las partículas secas
se llevó a cabo de acuerdo a la norma ASTM
D422 [4], en un sistema vibratorio RO-TAP, con
malla #100, obteniendo partículas de 150μm. En
la Figura 1 se muestra el primer procedimiento de
pulverización y tamizado llevado a cabo al material
de estudio.
El prototipo de hueso escogido (costilla cortical) se realizó usando un negativo en venda de yeso antiadherente con un modelo de hueso real del laboratorio de Anatomía de la Universidad Manuela Beltrán (UMB). En la Figura 2 se muestra la costilla real. El negativo se dejó secar aproximadamente durante 12h, luego de transcurrido el tiempo, se llenó el negativo con el material pulverizado, preparado con resina cobaltada y catalizador met-peróxido (peróxido de metil etil cetona) al 30%v. Se usó 10ml de resina cobaltada y 10 gotas de catalizador por cada kg de material pulverizado.
Las cantidades de resina y catalizador se
encontraron por medio de pruebas preliminares
que se llevaron a cabo modificando la proporción
de resina cobaltada de 5, 10 y 15ml y catalizador
con 10 y 20 gotas, combinando las cantidades
en un total de 6 pruebas. La mejor consistencia
de material fue con 10ml de resina y 10 gotas de
catalizador. A 2h del llenado se retiró el prototipo
y se dejó secar a temperatura ambiente durante
12h.
Se llevó a cabo el ensayo de dureza Vickers de
acuerdo a la norma ASTM E92 [3] en un durómetro
Vickers con un identador de diamante y carga
variante entre 1 y 120kgf.
Las pruebas de tracción y compresión se llevaron
a cabo en una máquina de ensayos universal del
Laboratorio de Caracterización de Materiales de
la Universidad Santo Tomás de Bucaramanga. La
velocidad de carga para ambos ensayos fue de
0,05mm/min.
En la Figura 3, se muestran los moldes y el llenado de
los mismos. Se usó Met-Peróxido como catalizador,
el cual garantiza un fraguado mucho más rápido,
después de aproximadamente 20m se desmoldaron
las probetas y se dejaron secar durante un día; se
pasaron por una pulidora vertical para asegurar la
obtención de una superficie totalmente uniforme.
De esta manera se garantiza una mejor calidad de
las probetas para las pruebas mecánicas estáticas.
En las Figuras 4 y 5 se muestra el producto de
la mezcla de la resina cobaltada con las ramas
de guadua y las probetas terminadas que se
sometieron a los diferentes ensayos mecánicos.
La guadua se encuentra conformada por una fibra
única, que en su estructura interna posee capas
gruesas y delgadas con diferente orientación,
conocidas como fibras internas, intermedias y
exteriores con una resistencia a la tensión de
708, 706 y 578MPa, respectivamente [2], y con
una resistencia promedio a la tensión de 610MPa,
rodeada por una matriz con una resistencia a la
tensión de 50MPa [3]. Con el proceso trituración
y pulverización, se busca que la resistencia a la
tensión o tracción sea un promedio entre la tensión
soportada por la fibra y la soportada por la matriz.
Se llevó a cabo el ensayo de tracción, compresión
y dureza a las muestras de la Figura 5. En la Tabla 1 se muestra la comparación de los resultados
obtenidos con ramas de guadua frente a los
obtenidos con hueso real trabecular y cortical de
varios autores [7-12].
Los resultados obtenidos de las probetas
expuestas a los ensayos mecánicos sugieren
que el prototipo de ramas de guadua tiene un
máximo esfuerzo a la tracción más cercano al
de hueso trabecular que cortical, así como el
módulo elástico de compresión y tensión. El valor
de deformación total para el prototipo en estudio
se encuentra dentro del rango encontrado por
otros autores [7-9] relativos a hueso trabecular.
Con los valores obtenidos de máxima carga
a la tracción, deformación, dureza y modulo
elástico, se evidencia que el material tiene un
comportamiento frágil, susceptible a la fuerza
aplicada de tensión pero con una ductilidad
mayor a la del hueso real cortical.
En las Tablas 2, 3 y 4, se muestran los
diferentes resultados obtenidos en las pruebas
mecánicas de compresión, tracción y dureza,
respectivamente, evidenciando los resultados
de las diferentes probetas expuestas a diferente
carga aplicada.
En las Figuras 6 y 7 se muestran las probetas al
final de los ensayos de tracción, compresión y
dureza respectivamente.
Las propiedades mecánicas difieren en dos
tipos de hueso, el hueso trabecular y el hueso
cortical. Estas diferencias se deben básicamente
a la densidad y porosidad de cada estructura
del hueso. El hueso trabecular tiene una
alta porosidad que le permite tener una alta
deformación con respecto al hueso cortical pero
menor capacidad a la tracción [7]. La muestra de
guadua pulverizada y resina cobaltada tiene un
valor bajo de esfuerzo máximo a la tracción, sin
embargo presenta un alto valor de deformación,
comportamiento que se asemeja al del hueso
trabecular, observando la Tabla 2.
El máximo esfuerzo de tracción para una costilla
humana presenta un valor de 124,3 ± 35,4MPa,
el prototipo de hueso diseñado a partir de
ramas de guadua mostró un valor promedio
de 11,98 ± 2,57MPa; comparando estos dos
resultados se obtiene una diferencia significativa
alta, sin embargo si se observan los valores
correspondientes a hueso trabecular, el valor
obtenido para el prototipo de ramas de guadua se
encuentra dentro del rango 8-50MPa.
En cuanto al porcentaje de deformación total, los
resultados muestran que una costilla humana
tiene un índice de deformación de 2,68 ± 1,4%
y el prototipo estudiado 2,75 ± 0,72%, lo cual
indica que esta propiedad contribuye a que el
biomaterial tenga mayor deformación con relación
a la carga aplicada y el área de la muestra; pero
menor dureza debido a la pulverización de la fibra
y matriz que lo componen y al proceso que se
sometió con la agregación de la resina cobaltada.
Con respecto al porcentaje de deformación para
cada probeta (Tabla 3) se observa que la relación
área-carga aplicada es uno de los factores que
afecta el valor de deformación total, ya que a
menor carga aplicada con un área de probeta
menor, se encuentra el valor máximo para
porcentaje de deformación.
Ahora, comparando el porcentaje de deformación
en los ensayos de compresión y tracción (Tablas
2 y 3), se presenta una mayor deformación para
las probetas ensayadas en compresión, resultado
que va en concordancia con los mostrados en
hueso cortical humano por Hansen et al., en donde
concluyen de acuerdo a ensayos de compresión
y tracción, que el hueso humano tiene mayor
capacidad de contraer que de ceder [13].
La dureza (Tabla 4) se trabajó en escala de Vickers
y los resultados obtenidos experimentalmente
con el biomaterial utilizado muestran una dureza
de 17,2HV, que comparada con la de una costilla
humana, es casi la mitad. Esto se atribuye
probablemente a la adición de la resina cobaltada
y el peróxido de metil etil cetona, para formar las
probetas, lo que hace que disminuya la dureza de
la muestra.
En la Figura 8 se muestra el resultado del ensayo de compresión para la probeta 1, en donde la variable fue la carga y el área transversal de la muestra; este ensayo se realizó para determinar la resistencia del material a la deformación ante el esfuerzo de compresión realizado por la máquina universal.
A un punto de esfuerzo de 25MPa, se presenta el punto de fluencia, lo que indica que el material presenta una fluencia considerable sin que aumente la carga debido a la composición química y biológica de la guadua. Este material se puede catalogar como linealmente elástico.
La curva tiende a aplanarse lo que conlleva a un
incremento en el esfuerzo. El material mostró una
mayor porción de la curva elástica que plástica,
lo que sugiere que en la zona plástica, el cambio
en el esfuerzo es menor, y por consiguiente la
estructura de la guadua no tiene una capacidad
alta de deformación en compresión. Este mismo
comportamiento se mostró para las otras dos
cargas probadas en las probetas 2 y 3. Se
encuentra un esfuerzo máximo real que el material
puede soportar, el cual es de 36,55MPa a una
carga aplicada de 3375N con una carga máxima
de 11478,10N.
Las probetas 1 y 3, tienen áreas de 314,08 y de
349,03mm2, respectivamente. Para una diferencia
de carga de 1965,63N, el esfuerzo y el esfuerzo
máximo tienen unas desviaciones estándar de
3,22 y 0,42, respectivamente, lo cual indica que
la prueba de compresión se llevó a cabo en forma
estándar. A la probeta 2 se le realizó la prueba de
compresión a un área menor de 177,1mm2, dando
como resultado un esfuerzo mayor, lo cual está
en concordancia con los datos anteriores ya que
a una carga alta y a un área menor, el esfuerzo
será mayor.
Según el ensayo de tracción y la figura mostrada
(Figura 9), la probeta 2 de guadua presenta un
comportamiento que tiende más a un material
frágil, que a un material dúctil.
Esto se debe principalmente a que la estructura
de la guadua no permite deformación mayor. No
hubo encuellamiento de las muestras al momento
de la prueba, medida que indica la poca ductilidad
del material.
Si se compara la propiedad de ductilidad de
un hueso real con el del material estudiado, se
encuentra que la ductilidad del hueso es alta,
debido a la disposición especial de las fibras
de colágeno y de los cristales de hidroxiapatita
alrededor y en el mismo [14]. Debido a esto
y que el material ensayado no contiene otros
materiales como proteínas y otro tipo de cerámico
es que se presenta la diferencia. Sin embargo,
la guadua como material soporte con otros
materiales posiblemente mejore esta propiedad.
Adicionalmente la superficie de la muestra
contiene cierta morfología similar a la del hueso,
de tipo poroso, lo que permite pensar en este
material para diseño de superficies que permitan la
introducción en los poros de otros materiales como
hidroxiapatitas sintéticas o fosfatos tricálcicos
para que las respuestas del tejido circundante a
la inserción de una prótesis o implante ortopédico
sea favorable, ya que esta respuesta se encuentra
determinada por la topografía del material además
de la estimulación mecánica a la cual está sometido
el material [15].
Este trabajo de investigación permitió determinar
que el biomaterial realizado a partir de ramas
de guadua trituradas y pulverizadas, resina
cobaltada y met-peróxido cumple solamente con la
propiedad mecánica de porcentaje de deformación
comparado con el expuesto por costilla humana.
En cuanto al comportamiento general de la
muestra obtenida de guadua, el material tuvo
un comportamiento más frágil pero con cierta
deformación similar a la de un hueso real, debido a
los componentes de la guadua, la fibra y la matriz.
Para las demás propiedades mecánicas en estudio,
dureza, máximo esfuerzo de tracción y módulo
elástico, el prototipo de guadua se aproximó a los
valores de dureza, tracción y módulo elástico de
hueso trabecular, lo que conlleva a pensar en este
material como soporte de otros materiales como
materiales cerámicos, que le confieren valores más
altos en las propiedades mecánicas anteriormente
mencionadas para cumplir satisfactoriamente con
un material pensado para prótesis ortopédicas.
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