Modificación de superficies de polímeros con haces de iones pesados

Un polímero es una sustancia compuesta por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros, que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Las interacciones existentes entre estas grandes cadenas hacen que los materiales poliméricos presenten propiedades físicas y químicas muy diferentes a las que poseen aquellos constituídos por moléculas más sencillas.

La irradiación de polímeros con el objeto de producir materiales avanzados, los cuales responden a distintos requerimientos, es un campo en permanente desarrollo. Por ejemplo, las irradiaciones utilizando radiación gamma o electrones de altas energías constituyen actualmente técnicas convencionales utilizadas a nivel comercial. No así es la aplicación de iones pesados con estos mismos fines ya que obtener y manipular haces de iones es más complejo y por lo tanto más costoso. Los iones pesados son átomos más o menos grandes a los que les faltan o sobran electrones y por lo tanto están cargados electricamente.

Luego del descubrimiento de los materiales poliméricos se hizo evidente que eran muy sensibles a todo tipo de radiación. Se observó una degradación de los mismos al iluminarlos con luz y con radiación ultra violeta, también con rayos gamma y con partículas energéticas cargadas, como electrones e iones. Los cambios producidos en el material no necesariamente tienen un carácter negativo, muchas de las nuevas propiedades que presentan los polímeros irradiados hacen que sean aptos para diversas aplicaciones tecnológicas. Esto incrementó el interés de los investigadores que iniciaron estudios sistemáticos en este campo. Desde las décadas del 50 y 60, muchos científicos se dedicaron a estudiar los procesos radioquímicos generados en los polímeros luego de irradiarlos con rayos gamma y electrones.

A diferencia de las radiaciones gamma, que afectan el material como un todo, o la irradiación con un haz de electrones, los cuales penetran unos pocos milímetros de profundidad con una dirección errática, los iones pesados depositan una altísima densidad de energía en un rango de sólo unos pocos micrones. Debido a este hecho se inducen cambios físico-químicos muy complejos en la superficie del material irradiado.

El polietileno de ultra alto peso molecular -UHMWPE- constituye un excelente biomaterial, ya que es biocompatible y por lo tanto no es rechazado por el cuerpo después de su implantación. Su estructura única le da excelentes propiedades, tales como bajo coeficiente de fricción al rozar contra una superficie metálica, excelente resistencia al desgaste y dureza. Debido a estas características el UHMWPE ha sido elegido como el material para las prótesis de cadera y rodilla utilizándolo durante más de 30 años.

Uno de los efectos producidos en el UHMWPE por la irradiación con iones pesados es el aumento local del peso molecular mediante la ligadura de cadenas poliméricas adyacentes -crosslinking-, originando un aumento de la dureza superficial del material. A diferencia de otro tipo de radiación, la acción del ion pesado es muy eficiente y localizada en la formación de crosslinking y el efecto contrario, el corte de cadenas -scission- es muy reducido en el caso particular del UHMWPE. Lograr una mejora en la resistencia al desgaste de los materiales utilizados en el reemplazo total de articulaciones mediante técnicas de ingeniería de superficies permite aumentar la vida útil de estas prótesis y por lo tanto evitar intervenciones quirúrgicas necesarias para su reemplazo.

En este estudio se determinó que existe un número particular e iones por unidad de área, denominado fluencia óptima, para a cual se maximiza la formación de dobles enlaces entre carbonos de una misma cadena polimérica en el UHMWPE. Esta fluencia óptima depende fuertemente no sólo del material irradiado sino también de las características de la radiación utilizada, como el tipo de ion y su energía. Este comportamiento se había encontrado previamente al estudiar la resistencia al desgaste de este mismo material al irradiarlo. Se observó una mejora en la resistencia al desgaste que aumenta con a radiación hasta un cierto valor, y luego disminuye si se continua irradiando aun más. A partir del modelado y del estudio cuidadoso de la forma de las curvas experimentales de la formación de los enlaces dobles carbono-carbono -la unión básica para formar las cadenas poliméricas- en función de la fluencia, se obtuvo información relevante sobre los efectos producidos por el ión en el polímero a nivel microscópico.

Verónica Chappa: Unidad de Actividad Física, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional de Energía Atómica y Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Nacional de La Plata.

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CienciaNet consultó a Guillermo Marti del Centro Atómico Constituyentes (CNEA), quien comenta “El estudio encarado por Verónica Chappa como tema de su tesis doctoral resulta particularmente interesante, porque en este trabajo, centrado en el estudio de las interacciones de iones pesados con la materia, además de ser muy original, utiliza una herramienta (el acelerador de iones pesados TANDAR), generalmente pensada y usada para hacer investigación básica, para desarrollar una moderna aplicación tecnológica. Por otra parte, en la misma, se balancean perfectamente aspectos teóricos y experimentales de las reacciones con iones pesados y el desarrollo del código específico de análisis de datos obtenidos en base a la técnica denominada ERDA, es un aporte significativo que puede encontrar en el futuro otras aplicaciones importantes.” Guillermo Marti fue uno de los jurados del trabajo de Verónica Chappa.

Trabajo original: Este estudio forma parte de la tesis defendida por la autora de esta nota el 27 de marzo de 2007 en la Facultad de Ciencias Exactas
(UNLP), para optar al grado de Doctor. Título: “Aplicación de haces de iones pesados en el análisis y modificación de la superficie de materiales”,
Director: Gerardo García Bermúdez, Copias de la tesis pueden solicitarse
directamente por email a su autora, Contacto: V. Chappa (Email:
chappa@tandar.cnea.gov.ar)

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