Análisis y caracterización bio-tribológica de líquido sinovial con aditivos de grafeno, Ti3C2Tx y su híbrido

Abstract

Se realizan más de 800000 operaciones de reemplazo articular de rodilla al año en Estados Unidos, con un tiempo promedio de vida del sistema protésico de 15 años. La causa principal del reemplazo es la falla en la capacidad aséptica de la rodilla al desgastarse la prótesis y acumular material particulado. Para solucionar estos problemas, estudios recientes sugieren utilizar nanomateriales 2D, capaces de reducir significativamente el roce y desgaste, en combinación con la matriz protésica o como aditivos al líquido sinovial (LS), siendo así capaces de modificar estas propiedades en sistemas en movimiento. El efecto aumenta si estos se aplican como híbridos, al ser capaces de combinar y potenciar las propiedades fisicoquímicas de los nanomateriales que los componen mediante efectos sinérgicos. En este sentido, esta memoria tiene como objetivo general analizar y caracterizar el efecto de fricción y desgaste del LS con aditivos de grafeno (G), Ti3C2Tx, y su híbrido G/Ti3C2Tx. Para lograrlo, se estudió la afinidad de los nanomateriales al LS, la dispersión y estabilidad de las soluciones, los comportamientos de fricción, desgaste y los mecanismos involucrados. Se utilizaron técnicas como WLI, análisis de forma de gota y microscopía óptica. Como resultados se obtuvieron reducciones estables de 5 % del coeficiente de fricción (COF) para grafeno; y para el Ti3C2Tx y el híbrido de hasta 25 %. Las condiciones de las reducciones fueron altamente específicas y no se presentaron tendencias aplicables a los 3 materiales. Se obtuvo, para el grafeno, una mayor sensibilidad en 2 mg/mL, para el aditivo de Ti3C2Tx en 0.5 mg/mL y para el aditivo híbrido en 10 mg/mL. El grafeno presentó los menores tiempos de running in, y en consecuencia, mayor estabilidad, en 0.5N y en 10 mg/mL; el Ti3C2Tx en 0.25N y 2 mg/mL; y el híbrido en 0.5N y 0.5 mg/mL. Las reducciones de desgaste volumétrico fueron de hasta 48 % para el aditivo de grafeno; de hasta 55 % para el aditivo de Ti3C2Tx y de hasta 78 % para el aditivo híbrido, presentando todos tendencias a reducir el desgaste bajo condiciones específicas ante incrementos de fuerza o concentración. Se obtuvieron aumentos en la cantidad y opacidad del manchado por óxido al incrementar la fuerza para todas las concentraciones en los tres nanomateriales. A 0.25N el grafeno y Ti3C2Tx reducen el óxido y el híbrido lo incrementa respecto al LS sin aditivos. A 0.5N no hay tendencias comunes. A 1N todos los materiales reducen el óxido hasta 2 mg/mL y luego lo incrementan significativamente.