Reactivos y materiales

Se utilizan los siguientes reactivos: ácido acético glacial al 100% (Marca Merck), hidróxido de sodio (Sigma Aldrich). Los polímeros policaprolactona, quitosano de conchas de camarón grado práctico y colágeno de piel de becerro Bornstein y Traub tipo I (Sigma Aldrich). Y los materiales como Discos de Ti6Al4V.

Preparación superficial del Ti6Al4V

Para el proceso de preparación superficial y limpieza, se implementaron los métodos señalados por la norma ASTM E3-11: primero el desbaste con papel de carburo de silicio número 120, 320, 400, 600, 1000 y 1500 en medio húmedo y posteriormente, el pulido en el paño con alúmina 3 μm durante 180 s a 15.71 rad/s rotando la probeta en sentido contrario al giro del disco para obtener una superficie con apariencia de espejo.

Luego, con base a la norma ASTM E 407-E07 se pulió químicamente en solución (10% HF, 45% HNO3 y 45% agua desionizada) durante 10 segundos, se mantuvo en el baño ultrasónico con etanol y agua desionizada para finalmente secar con aire caliente.

Tratamiento alcalino y térmico

Las condiciones de aplicación para los tratamientos alcalino y térmico, se implementaron tras la revisión de investigaciones preliminares, en las cuales se establecieron las condiciones más favorables para la activación superficial referidas a tiempo, temperatura y concentración del medio, para el tratamiento alcalino y la temperatura de tratamiento térmico sobre el Ti6Al4V[13].

Por consiguiente, el tratamiento alcalino se realizó al Ti6Al4V en una solución al 5 molar de hidróxido de sodio durante 3 días a 353.15 K; seguidamente, los discos metálicos se lavaron con abundante agua destilada y se secaron a 313.15 K durante 20 h.

También, se hizo el tratamiento térmico a 873.15 K durante 1 h para la conformación de la capa de hidrogel de Na2TiO3, en donde se implementó una velocidad de calentamiento de 4.636 K/s y el enfriamiento lento en el horno hasta temperatura ambiente.

Preparación de mezclas poliméricas

Se tomó como referencia la mezcla binaria de policaprolactona-quitosano y se prepararon dos soluciones adiciones con variaciones de colágeno.

Para la condición II y III que corresponden a las mezclas de policaprolactona/ quitosano/ colágeno (P/Q/C), se parte del 86.66% en volumen del total de la solución correspondiente a la solución de (P/Q) (condición I), más el 13.33% en volumen restante correspondiente a una solución de colágeno que varía su concentración, tal como se videncia a continuación:

Figura 1 Esquema para la preparación de la condición I. 

Figura 2 Esquema para la preparación de la condición II y III. 

Deposición de recubrimientos poliméricos

Mediante la técnica de Dip Coating se obtuvieron los respectivos recubrimientos para cada condición o tipo de mezcla polimérica; a una velocidad controlada de 1mm/s (ascenso-descenso) y 20 segundos en estado inmerso entre cada una de las 5 capas depositadas sobre el Ti6Al4V previamente tratadas alcalina y térmicamente. Además, durante la deposición de cada capa polimérica, se secó secuencialmente durante 1800 s a 313.15 K y 1800 s al aire para propiciar la eliminación del solvente.

Caracterización de los minerales

Los equipos de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM, por sus siglas en inglés) modelo Quanta 650 FEG y SEM Carl Zeizz EVO MA10, permitieron realizar el estudio morfológico del Ti6Al4V tratado alcalina y térmicamente, además de sus respectivas modificaciones superficiales tras la deposición de los diferentes recubrimientos poliméricos de las condiciones I, II y III. Las imágenes SEM se obtuvieron de manera inmediata a la fabricación de los recubrimientos y posteriormente a 21 días de inmersión en Fluido Corporal Simulado (SBF, por sus siglas en inglés) (8.035 g de NaCl, 0.355 g de NaHCO₃, 0.225 g de KCl, 0.231 g de K₂HPO₄∙3H₂O, 0.311 g de MgCl₂∙6H₂O, 39 mL de 1M-HCl, 0.292 g de CaCl₂, 0.072 _g de Na₂SO₄, 5.118 g de Tris, 0-5 mL de 1 M HCl) ^[14]. Las condiciones implementadas por los equipos SEM corresponden a magnificaciones de 5000X, presión de 70 Pa, 10.000 V, señal de electrones secundarios con un detector EDAX Apolo X (resolución 1.26 eV Mn K α) para el análisis complementario de composición química elemental por Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS, por sus siglas en inglés).

En la determinación de la topografía y los principales parámetros de rugosidad superficial se utilizó el equipo de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM, por sus siglas en inglés) modelo Nx10 de Park Systems y el software de control ProScan 19 y el Software para el tratamiento de imagen XEI versión 1.8.2.

El espectrómetro 8400 Shimadzu se implementó para obtener los respectivos perfiles espectrales en un intervalo de 4000 cm-1 y 250 cm-1, para lo cual se retiraron y obtuvieron los polvos de los diferentes recubrimientos poliméricos.

El equipo de ángulo de contacto marca Dataphysics modelo OCA15 y el software SCA20 se utilizaron para determinar la tendencia a la mojabilidad como parámetro importante en los mecanismos de interacción entre las fases sólida y líquida; bajo operación automática se dejó caer una gota de volumen correspondiente a 0.001 m3 de solución SBF a una temperatura de 3310.15 K, una velocidad de 0.005 m3/s sobre una superficie de 0.0003 m2, lo suficiente para permitir la expansión de la gota; se promediaron los valores de los ángulos de contacto derecho e izquierdo.

Para la caracterización electroquímica a cero días de inmersión en SBF y a 21 días de exposición en soluciones SBF se estudió los fenómenos de adsorción de calcio a diferentes concentraciones e implementó la técnica de Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS, por sus siglas en inglés) que permite obtener información de los recubrimientos poliméricos y del Ti6Al4V mediante la generación de circuitos equivalentes en los programa Zview y Zplot, que reflejan las variaciones de impedancia en función de las estructuras físicas y a los procesos químicos que ocurren.

Para la caracterización electroquímica, se utilizó un montaje que consta de un potenciostato/galvanostato GAMRY 600 controlado por un ordenador, una incubadora GAMRY y la celda corrosión plana de vidrio con tres electrodos: electrodo de referencia Ag/AgCl, contraelectrodo de grafito, termómetro y los electrodos de trabajo, que en este caso fueron los diferentes discos de Ti6Al4V después del tratamiento alcalino-térmico y con los recubrimientos poliméricos.

Las condiciones de trabajo bajo las cuales se operó el sistema corresponden a un potencial sinusoidal de 0.005 V, tiempo de estabilización de la celda 1800 s, rango de frecuencias 100000 - 0.01 Hz, densidad de datos 10 puntos por década, temperatura de la solución SBF 310.15 K, área expuesta de 7.85E-7 m2.

Como ensayo complementario para la cuantificación del calcio adsorbido por los diferentes recubrimientos poliméricos, se utilizó el equipo de Adsorción Atómica Agilent Technologies 200 Serie AA, el cual dispuso de un límite de detección de 1.25E-3 mol/m3 de calcio por el método de llama. Las soluciones SBF utilizadas se preparan de manera similar al procedimiento mencionado por Kokubo y Takadama variando la cantidad de CaCl₂ ^[14].

Caracterización morfológica y semicuantitativa del Ti6Al4V con tratamiento alcalino-térmico

En la Figura 3 se observa la imagen SEM del Ti6Al4V posterior a la inmersión en solución de NaOH al 5 molar durante 3 días a 353.15 K y tratados térmicamente a 873.15 K.

Figura 3 Imagen SEM de la superficie del Ti6Al4V después del tratamiento alcalino-térmico a 5000x. 

La Figura 3 muestra una estructura de red porosa formada sobre la superficie del Ti6Al4V, la cual incrementa de manera significativa el área superficial, las fuerzas de adhesión entre el Ti6Al4V con los recubrimientos poliméricos y los posibles sitios óptimos para el anclaje de los fosfatos de calcio durante pruebas de inmersión en SBF ^[15].

De acuerdo con los resultados de EDS de la Tabla 1, se identifica de manera semicuantitativa la presencia de elementos como el titanio, oxígeno y sodio en mayor cantidad sobre la superficie del Ti6Al4V, lo cual es un indicativo de la posible formación del hidrogel de titanato de sodio y sodio residual reportado por otros autores^[13].

Tabla 1 Composición elemental del Ti6Al4V después de tratamiento alcalino y térmico. 

Caracterización composicional de los recubrimientos poliméricos

En la Figura 4 se muestra el espectro IR del recubrimiento polimérico de policaprolactona-quitosano (condición I) y los espectros de los recubrimientos con adiciones de colágeno (condición II y III) obtenidos a partir de la deposición por Dip Coating. En la Tabla 2, se resumen las comparaciones de los estiramientos registrados para los diferentes recubrimientos poliméricos de colágeno y Estiramientos -CH₂ simétrico de la policaprolactona y el estiramiento CH-R del quitosano a 2854 cm ^-1 , 2856 cm ^-1 y 2851 cm ^-1 para cada uno de los recubrimientos contenidos en la Figura 4^{[16,17,18,19]}.

Figura 4 Espectro IR de los recubrimientos poliméricos. - Recubrimiento Policaprolactona-Quitosano (condición I) - Recubrimiento Policaprolactona-Quitosano-Colágeno (condición II) - Recubrimiento Policaprolactona-Quitosano- Colágeno (condición III). 

Tabla 2 Comparación de los grupos funcionales de los reactivos con los diferentes recubrimientos polimérico de policaprolactona-quitosano y colágeno. 

Para el caso de los recubrimientos con adiciones de colágeno (condiciones II y III) se identifican varios solapes, como por ejemplo a 1652 cm-1 para la Amida I y a 1552 cm-1 para la Amida II entre los enlaces del quitosano y el colágeno, como también a 1240 cm-1 y 1238 cm-1 los solapes entre los enlaces de la policaprolactona estiramiento COC asimétrico y del colágeno la Amida III estiramiento N-H y CH2 de la glicina[²⁰].

Caracterización morfológica de los recubrimientos poliméricos

En la Figura 5 a) b) c) se observan las superficies de los recubrimientos poliméricos, en los cuales la estructura de red porosa obtenida mediante tratamiento alcalino y térmico se conserva después de la deposición de las capas poliméricas, lo cual implica una mayor posibilidad de engrosamiento de la red porosa que previamente se obtuvo.

Figura 5. Imágenes SEM de los recubrimientos poliméricos: a) policaprolactona-quitosano (condición I), b) policaprolactona-quitosano-colágeno (condición II), c) policaprolactona-quitosano-colágeno (condición III). 

Por otra parte los contrastes de color claros a oscuros en unas zonas más que en otras de la figura 5 c) sugieren la deposición del colágeno de manera discontinua ^[21] y se ha relacionado con la presencia elemental de más carbono y oxígeno^[22].

Para analizar de una manera más efectiva las mediciones de rugosidad, los parámetros de respuesta se detallan en la Tabla 3, los cuales guardan relación con las micrografías por AFM de la Figura 6 corresponden a la superficie del Ti6Al4V después del tratamiento alcalino-térmico con los diferentes recubrimientos poliméricos en una zona de 100 μm2.

Tabla 3 Valores de rugosidad del Ti6Al4V antes y después del tratamiento alcalino-térmico y los diferentes recubrimientos poliméricos a 100 μm2. 

Figura 6 Micrografías por AFM 3D y 2D: a) policaprolactona-quitosano (condición I), b) policaprolactona-quitosano-colágeno (condición II), c) policaprolactona-quitosano-colágeno (condición III). 

En el caso del Ti6Al4V asumido como referencia, se observa una superficie de baja rugosidad con valores de rugosidad promedia Ra de 0.0174 μm, valores negativos de asimetría Rsk de -0.5646 μm, máxima profundidad de valles del perfil de rugosidad Rv de 0.0992 μm, máxima altura de picos del perfil de rugosidad Rp de 0.1181 μm y los valores de Kurtosis Rku alrededor de 4.0396, lo que indica una distribución de picos más pronunciada que la típica distribución gaussiana correspondiente a una superficie sin textura definida en términos de las irregularidades en las amplitudes ^[23].

Así mismo, se observó que el tratamiento alcalino-térmico proporcionó un aumento de la rugosidad superficial promedia a 0.0856 μm y al hacer las deposiciones de los diferentes recubrimientos se encontró que para las mezclas poliméricas se sigue una tendencia creciente en los registros de rugosidad; de esa manera, los valores fueron mayores para los recubrimientos poliméricos con mezcla de los tres polímeros y mayor contenido de colágeno, es decir, el recubrimiento de policaprolactona-quitosano-colágeno (condición III), en el cual fue visible el efecto reportado en otras investigaciones, donde el colágeno en contacto con el quitosano incrementa la rugosidad superficial debido a que el colágeno disminuye el papel filmogénico del quitosano y la miscibilidad de los dos polímeros se ve favorecida por el carácter hidrofílico que los caracteriza^[9].

Los valores de asimetría Rsk son negativos para el caso del Ti6Al4V sin modificación y los recubrimientos de policaprolactona-quitosano-colágeno (condición II y III) lo que indica que existió una mayor distribución de valores hacia la izquierda de la media, caso contrario para los recubrimientos restantes con valores positivos que indicaría mayor distribución hacia la derecha de la media.

Adicional, los valores de Kurtosis Rku se mantienen cercanos a 3 para la mayoría de los recubrimientos, indicando una tendencia gaussiana con numerosas irregularidades que no marcan una tendencia definida a excepción de los altos valores de Kurtosis Rku encontrados para el caso de la superficie del Ti6AL4V, el cual también poseen altos valores de Rsk que pronuncian su carácter no gaussiano. Finalmente los valores de máxima altura de picos Rp aumentan tras el tratamiento alcalino-térmico al Ti6Al4V y se pronuncian con la deposición de los recubrimientos de policaprolactona-quitosano y colágeno hasta 0.941 μm y 0.8444 μm; mientras, las profundidades máximas de valles Rv del perfil de rugosidad correspon den a la mezcla polimérica de policaprolactona-quitosano-colágeno (condición III) con valores de 1.1961 μm.

Caracterización de la mojabilidad de los recubrimientos poliméricos

En la Tabla 4, se observan los valores promedios de las mediciones de ángulo de contacto para el Ti6Al4V antes y después del tratamiento alcalino-térmico y los diferentes recubrimientos poliméricos de manera posterior a un tiempo de estabilización de 600 runs durante las cuales se registraron ligeras evoluciones del ángulo de contacto en retroceso; parte de estas variaciones de deben a la influencia de diferentes factores como: las superficies absorbentes o porosas lo que guarda relación con la rugosidad de los recubrimientos, la compatibilidad química asociada a las posibles interacciones en el límite líquido y sólido, los cambios en la temperatura del fluido, la transferencia de energía mecánica, entre otras^[24].

Tabla 4 Ángulos de contacto del Ti6Al4V antes y después del tratamiento alcalino-térmico y los diferentes recubrimientos poliméricos. 

Para el Ti6Al4V antes de modificarse por algún tratamiento se obtuvo un ángulo de contacto promedio de 76.1° lo que sugiere un comportamiento entre hidrofóbico e hidrofílico reportado por la literatura^[26], si fuera el caso que los ángulos de contacto superase los 90° se diría que las superficies son hidrofóbicas, es decir, con poca mojabilidad^[25].

Para del Ti6Al4V después de tratamiento químico-alcalino se evidencia un mejoramiento en la mojabilidad de la superficie debido a la estructura porosa que disminuyó el ángulo de contacto hasta 20.35°.

Posteriormente con la deposición de los diferentes recubrimientos poliméricos se obtuvieron valores de mojabilidad de 21.5° para el recubrimiento polimérico binario de policaprolactona-quitosano, lo cual implica un mejoramiento en la tendencia hidrofílica debido a la mayor rugosidad promedia y la disminución del efecto filmogénico del quitosano al mezclarse; mientras que las adiciones de Colágeno en los recubrimientos de las condiciones II y III pronunciaron aún más los ángulos de contacto acercándolos a 10.1° y 17.05° respectivamente, precisamente por la propiedad hidrofílica del reactivo agregado.

Evaluación electroquímica de los recubrimientos poliméricos

Para simular la interacción biológica con el cuerpo se analizan las propiedades electroquímicas del Ti6Al4V y cada uno de los diferentes recubrimientos a cero días de inmersión en SBF mediante la técnica EIS. En las figuras 7 a) y b) referidas al módulo y el ángulo de fase de Bode respectivamente, se dividió el eje horizontal de la frecuencia Hz en tres regiones: 1.00E5-1.00E2 (altas frecuencias), 1.00E2-1.00E0 (medias frecuencias), 1.00E0-1.00E-2 (bajas frecuencias).

Figura 7 Diagrama del Ti6Al4V y los diferentes recubrimientos poliméricos a cero dias de inmersión: a) módulo de Bode, b) ángulo de Bode, c) Nyquist ( -Ti6Al4V sin modificación, - Ti6Al4V con tratamiento alcalino-térmico, - Recubrimiento de Policaprolactona-Quitosano (condición I), - Recubrimiento de Policaprolactona-Quitosano-Colágeno (condición II), - Policaprolactona-Quitosano-Colágeno (condición III) ). 

Para el caso del Ti6Al4V se registran valores altos de impedancia como se muestra en la Figura 7 a), lo cual se asocia con el sustrato y la formación de una película de óxido pasiva, compacta y delgada de TiO₂ como se ha reportado por otros autores, esta capa tiende a ser estable durante las primeras 24 h de exposición del sustrato en SBF^[27] y por esa razón la respuesta es muy cercana a un único comportamiento capacitivo como lo ilustra la figura 7 b) donde el ángulo de fase se define en un único domo muy cerca de los -90° con un amplio rango de frecuencias e impedancias reales e imaginarias de la Figura 7 c).

Para el Ti6Al4V después de tratamiento alcalino-térmico, se observa en la Figura 7 b) una respuesta muy cercana a un único comportamiento capacitivo en la zona de altas y medias frecuencias, lo cual se relaciona con la capa porosa de Na₂TiO₃ formada sobre la superficie del Ti6Al4V^[13], mientras a bajas frecuencias se evidencia la formación de un domo de menor tamaño referido a la película de óxido formada sobre el Ti6Al4V; lo anterior también se evidencia en la figura 7 a), en la cual se adiciona un cambio de pendiente en la zona de bajas frecuencias respecto al Ti6Al4V sin modificación y en la figura 7 c), dada la definición de dos domos.

Para los recubrimientos poliméricos se observa en la figura 7 c) la presencia de un domo capacitivo o una forma de radio semicircular acompañada de una larga prolongación recta en la región de bajas frecuencias, muy similar al comportamiento reportado por otros autores sobre polímeros de carácter protectores^[32,33]. El semicírculo imperfecto está asociado a un comportamiento no ideal en cada uno de los diferentes recubrimientos poliméricos, lo cual también guarda relación con la Figura 7 c) en donde las inclinaciones de las pendientes de las gráficas del módulo se encuentran desviadas de -1 y se relacionan con las variaciones de rugosidad en las superficies^[34].

Los ángulos de inclinación de la prolongación recta a bajas frecuencias varía entre 50° y 65° aproximadamente, lo cual sugiere la existencia de un proceso de difusión a través de los poros de la interfase definida por cada polímero y el Na₂TiO₃ acoplados ^[35,36]; este acople entre el Na₂TiO₃ y cada uno de los diferentes recubrimientos se corrobora con el comportamiento observado en la figura 7 a), en la cual se conservan los mismos cambios de pendientes asociados al Ti6Al4V después de tratamiento alcalino-térmico, sin embargo, ahora con mayores valores de impedancia y con un único domo en la región de altas, medias e incluso parte de las bajas frecuencias en la figura 7 b).

Los elementos de los circuitos equivalentes asociados a la Figura 8 se explican a continuación; Rsol: resistencia de la solución, CPEb: elemento de fase constante asociado al TiO₂, Rb: resistencia asociado al TiO₂, CPEp: elemento de fase constante asociado al recubrimiento (sólo Na₂TiO₃ o polímero- Na₂TiO₃ acoplados), Rp: resistencia asociado al recubrimiento (sólo Na₂TiO₃ o polímero- Na₂TiO₃ acoplados), Wo: Warburg asociado al efecto de los recubrimientos poliméricos hacia el sustrato.

Figura 8 Circuitos equivalentes obtenidos para el Ti6Al4V a cero días de inmersión en SBF a) sin modificación superficial b) después de tratamiento alcalino-térmico c) recubierto por los diferentes polímeros  

El circuito equivalente mostrado en la Figura 8 a), presenta altos valores de resistencia a la transferencia de carga (Tabla 5), aproximadamente de 1.844E6 Ω cm² ± 6.628% referida a la capa de TiO₂ formada sobre el Ti6Al4V al entrar en contacto con el SBF y que determina la resistencia a la corrosión del biomaterial^[27]. Lo reportado por otros autores para tiempos prolongados de inmersión del sustrato de Ti6Al4V es el aumento en la densidad de la capa compacta y la formación adicional de una capa porosa^[28,29] de naturales química aún no definida pero con indicios de prolongación de TiO2 hacia ésta^[30]; además, con tiempos de inmersión superiores a 10 días se empieza a fragilizar y ocasiona caídas en los altos valores de impedancia^[27].

Tabla 5 Parámetros de circuitos equivalentes para las probetas a cero días de inmersión en SBF. 

En la Figura 8 b) se observa la simulación mediante circuitos equivalentes del Ti6Al4V después de tratamiento alcalino-térmico a cero días de inmersión en SBF ^[31], de esa manera se obtienen los valores de resistencia asociados a la capa porosa de titanato de 11363 Ω cm2 ± 2.2766% y valores de resistencia relativos a la capa de oxido de 90145 Ω cm2 ± 15.825% (tabla 5); la disminución en el valor de la resistencia a la transferencia de carga para la capa de óxido puede ser debido a la disolución parcial de la película pasiva tras la participación del TiO2 en las reacciones de formación del titanato hidratado TiO2 + OH-- → HTiO-3 . n H2O como primera etapa de la formación del Na2TiO3 ^[11].

Tras la simulación mediante circuitos equivalente para los recubrimientos poliméricos a cero días de inmersión en SBF se considera un modelo aproximado y común, ver la Figura 8 c), donde la Rp se relaciona con las reacciones generadas a través del recubrimiento polimérico unido al Na2TiO3 poroso que proporcionan un valor de protección a la superficie del Ti6Al4V, mientras, la W establecida como la impedancia de Warburg se asocia al contacto de la solución y el sustrato metálico^[33] como también hace referencia al transporte de masa o la difusión de especies electroactivas a través de los poros o los defectos del recubrimiento hacia el Ti6Al4V^[34].

De manera consecuente se identifica un aumento en los valores de Rp respecto al valor del Na2TiO3 debido al reforzamiento que cumple cada polímero al ser depositados sobre la estructura porosa preliminar (Tabla 5); así mismo, se observa un aumento en los valores de Rp al adicionar a la mezcla binaria de policaprolactona y quitosano hasta 15834 Ω cm ² ± 5.7382%; y finalmente la Rb relacionada con la resistencia del Ti6Al4V, manifiesta variaciones asociadas al efecto de los diferentes recubrimientos poliméricos con las adiciones de colágeno que aumentan hasta valores de 61965 Ω cm ² ± 9.8536% y 58531 Ω cm ² ± 6.1277%.

Evaluación de la capacidad de adsorción de calcio para los recubrimientos poliméricos

Para estudiar el efecto de cada uno de los recubrimientos polimérico y además la influencia de las variaciones en la concentración de calcio de las soluciones SBF sobre la capacidad de adsorción de la superficie, se obtuvieron simulaciones de circuitos equivalentes y los datos termodinámicos que se asocian a los procesos de adsorción; cabe recordar que se utilizaron elementos de fase constante (CPE) en lugar de capacitores puros, lo cual resulta pertinente ya que proporciona un mayor grado de ajuste del Chi-Squared del orden de 10-4 como se observa en la Tabla 6.

Tabla 6 Paramentros de circuitos equivalente para las probetas a 21 días de inmersión en soluciones SBF con diferentes concentraciones de calcio. 

Para el Ti6Al4V con tratamiento alcalino-térmico se obtiene el circuito de la figura 9 a), el cual consta de tres resistencias y dos elementos de fase constante, donde R_s es la resistencia del electrolito SBF que debido a la migración de iones presenta un comportamiento óhmico, R_p es la resistencia total a la transferencia de carga de adsorción de calcio y de degradación en la interfase porosa electrolito-recubrimiento polimérico a altas frecuencias, R_b es la resistencia total a la transferencia de carga de adsorción a bajas frecuencias, CPE_p es la capacitancia a altas frecuencias asociada a la interfase porosa electrolito-recubrimiento polimérico y CPE_b es la capacitancia a bajas frecuencias asociada a los procesos de carga de adsorción en la interfase electrolito-Ti6Al4V.

Figura 9 Circuitos equivalentes para simular la adsorción de calcio a diferentes concentraciones en SBF, durante 21 días para: a) Ti6Al4V con modificación alcalino-térmica, b) y c) recubrimiento de policaprolactona-quitosano d) recubrimiento de policaprolactona-quitosano-colágeno (condición II y III). 

Para simular el circuito equivalente de los recubrimientos binarios de policaprolactona-quitosano se obtuvo el diseño de la Figura 9 b) y c), en los cuales se observa el cambio de la configuración en paralelo a serie entre los elementos del circuito equivalente; además, la presencia de dos resistencias R_s y R_p, dos elementos de fase constante CPE_p y CPE_m, en donde CPE_m se relaciona con la capacitancia de los precipitados o el calcio adsorbido en los poros del recubrimiento polimérico entre la interfase electrolito-recubrimiento polimérico y electrolito-Ti6AL4V y por último el elemento Warburg.

Ahora, para los recubrimientos con mezclas poliméricas con adiciones de colágeno predominó el circuito equivalente observado en las Figura 9 d), básicamente consta de una configuración que define la presencia de tres interfases con los siguientes elementos: cuatro resistencias R_s, R_p, R_b y R_m, esta última es la resistencia a la transferencia de carga debido a la formación de una monocapa de precipitados con calcio en la interfase electrolito-monocapa a altas frecuencias y tres elementos de fase constante CPE_p, CPE_b y CPE_m, este último que es la capacitancia a altas frecuencias asociada a la interfase electrolito-monocapa.

Los cambios observables entre los valores de las resistencias de la Tabla 5 y la Tabla 6, indican la formación de una monocapa de precipitados relacionada previamente a la aparición de CPE_m y R_m; los valores de R_p aumentan tras la inmersión durante 21 días en solución SBF posiblemente por la alta interacción de disolución y precipitación de la misma monocapa y además los valores de Rb siguen la misma tendencia debido a la precipitación de calcio en los poros que definen la interfase electrolito-Ti6Al4V. En la Figura 10 se evidencia el resultado EDS sobre los precipitados, con picos pronunciados de calcio y fosforo que guardan relación con lo mencionado por otros autores, en cuanto a las morfologías de tipo globular que caracterizan las formaciones de apatitas ^[13].

Figura 10 Precipitados globulares después de 21 días de inmersión en SBF, sobre el Ti6Al4V recubierto de policaprolactona-quitosano-colágeno (condición III). 

Se ha demostrado en investigaciones previas que existe una proporcionalidad directa entre la concentración superficial saturada de apatita Γ [mol.cm-2] y 1/ Rb, es decir, el inverso de la resistencia a la transferencia de carga del sustrato de Ti6Al4V, la cual se utiliza como una medida de la velocidad de reacción y de la cantidad de iones adsorbidos en la superficie^[37].

La adsorción de calcio puede ser descrita mediante la ecuación de Langmuir (1) y por tal razón los valores de concentración de calcio en moles/L utilizadas durante la preparación de las diferentes soluciones de SBF y los valores de R_b se ajustaron a la isoterma de Langmuir.

Donde, C [mol/L] es la concentración de calcio en el equilibrio, Γ [mol/L] es la cantidad de calcio adsorbida en el equilibrio o concentración superficial de calcio, Γ_max [mol/L] es la capacidad máxima de adsorción de calcio correspondiente a la formación de una monocapa de apatita que cubre los sitios activos de la superficie del recubrimiento y B_ads [L /mol] es el coeficiente de adsorción que representa la afinidad de los iones de calcio hacia los sitios de adsorción de la superficie ^[38]. B_ads y Γ_max se obtienen respectivamente a partir del intercepto y la pendiente de la curva C/Γ versus C de la Figura 11; finalmente como el B_ads se encuentra relacionado con la afinidad del calcio para ser adsorbido a cierta temperatura, se puede obtener la energía libre de adsorción mediante la ecuación (2).

Figura 11 Ajuste de datos experimentales a la isoterma de Langmuir a) Ti6Al4V con modificación alcalino-térmica, b) recubrimiento de policaprolactona-quitosano (condición I), c) recubrimiento de policaprolactona-quitosano-colágeno (condición II), d) recubrimiento de policaprolactona-quitosano-colágeno (condición III). 

Donde, ΔG_ads [J/mol] es la energía libre, R es la constante de los gases 8,31434 [J/mol*K], T es la temperatura 310.15 [K] y la constante 55.5 [mol/dm ³ ] es la concentración molar del agua, la cual es una aproximación válida para la solución fisiológica^[39].

En la Tabla 7 se observan los valores de la energía libre de adsorción o adsorción iónica espontánea para el caso de los recubrimientos con mezclas de polímeros que adicionan el colágeno a la mezcla previa de policaprolactona-quitosano (condición II y III) se evidencia una mayor tendencia al favorecimiento en la irreversibilidad de la reacción de disolución-precipitación de apatita frente a la mezcla binaria (condición I), lo cual guarda relación con la formación de las monocapas de precipitados^[40].

Tabla 7 Datos termodinámicos del proceso de adsorción. 

En cuanto al B_ads que se relaciona con la afinidad de Los iones de calcio hacia los sitios de adsorción de la superficie, se encontró que las mayores tendencias de adsorción de iones en la superficie para los recubrimientos fue congruente con las tendencias de los valores de energía libre de adsorción más espontáneos; esta afinidad depende de características superficiales del material, tales como porosidad, energía libre, grupos funcionales, carga superficial, entre otros.

Finalmente, por medio de la técnica de adsorción atómica AA se calculó de forma directa la cantidad total de calcio adsorbida para cada condición de recubrimiento en las condiciones iniciales de concentración de calcio de las soluciones SBF; obteniéndose registros de variaciones similares para todos los recubrimientos dentro de un rango de concentraciones totales adsorbidas de 0.002215 moles/L y 0.00323575 moles/L; sin embargo, los recubrimientos con mezclas poliméricas con adiciones de colágeno, presentaron los mayores valores de adsorción total de calcio de 0.00258825 moles/L y 0.00323575 moles/L respecto a la mezcla binaria con 0.002215 moles/L; de esta manera se secundan las tendencias sobresalientes de los recubrimientos con mezclas poliméricas que adicionaron el colágeno frente a la formación de las monocapa de precipitados de calcio asociada a los elementos CPE_m y R_m, los respectivos aumentos en la R_b y los valores superiores en los ∆G_ads frente al recubrimiento binario.