Logran mejorar cerámicas al incorporar nanoestructuras de grafeno

Un equipo formado por investigadoras del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Sevilla (US) ha publicado recientemente sus últimas investigaciones sobre la mejora en la resistencia al envejecimiento hidrotermal de cerámicas avanzadas de circona, gracias a la incorporación de nanoestructuras de grafeno, lo que facilitará su utilización como biomaterial.

Las investigadoras coinciden en que la principal limitación para la utilización de las cerámicas avanzadas de circona como biomaterial en prótesis de cadera o rodilla es la ausencia de estabilidad mecánica a largo plazo en medios acuosos como son los fluidos biológicos del cuerpo humano. La degradación a baja temperatura, también conocida como “envejecimiento hidrotermal”, involucra una transformación espontánea de fase cristalina a temperaturas inferiores a 400 ºC y en presencia de agua. Esta transformación de fase de la circona tetragonal a monoclínica progresa desde la superficie en contacto con el agua hacia el interior del material, promoviendo la formación de micro-grietas y aumentando la rugosidad superficial, lo que deteriora significativamente las propiedades mecánicas de la cerámica.

“El hecho de que el grafeno sea impermeable al paso de las moléculas de agua, algo previamente estudiado por otros autores, nos hizo pensar que podría usarse como barrera al paso de humedad a través de la cerámica, lo que modificaría significativamente la resistencia al envejecimiento hidrotermal”, explica Ana Morales Rodríguez, investigadora de la Facultad de Física de la Universidad de Sevilla.

De izquierda a derecha, arriba: Dras. Ángela Gallardo López y Ana Morales Rodríguez, abajo: Dras. Cristina López Pernía y Rosalía Poyato junto a la doctoranda D.ª Carmen Muñoz Ferreiro.

En el estudio ‘Ageing-resistant zirconia/graphene-based nanostructures composites for use as biomaterial’s, publicado en Journal of the European Ceramic Society, el equipo de investigación ha abordado la incorporación a la matriz cerámica de dos nanoestructuras de grafeno diferentes –nanoplaquetas de grafeno exfoliadas y grafeno de pocas capas– y ha realizado ensayos de degradación hidrotermal acelerados en autoclave a 134ºC para analizar el efecto de dichas nanoestructuras en el envejecimiento del material. Los ensayos han concluido que los materiales con grafeno presentan una resistencia significativamente mejorada al envejecimiento, una alta tolerancia al daño y una integridad microestructural muy superior en comparación con la cerámica de circona. Han conseguido un material que resiste más de 500 horas en autoclave sin desarrollar un porcentaje significativo de fase monoclínica y que mantiene una gran integridad microestructural. Además, casi todos los materiales estudiados satisfacen el requerimiento de presentar una fracción de fase monoclínica inferior al 10% tras 5 horas en vapor de agua a 134 ºC establecido en la norma ISO 13356 para ser considerados aptos para su uso en implantes.El estudio ha sido financiado por fondos del VI Plan Propio de la Universidad de Sevilla, el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) y el Ministerio de Ciencia e Innovación.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.11.060