José Javier Borjas Ramos[1]
Aidé Sáenz Galindo
Posgrado en Ciencia y Tecnología de Materiales
Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Coahuila
María Guadalupe Neira Velázquez
Ernesto Hernández Hernández
Centro de Investigación en Química Aplicada
Artículo PDF
CienciaCierta #37, Enero-Marzo 2014
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La aplicación del plasma en materiales y biomateriales es muy extensa; por ello, en este artículo sólo se busca dar a conocer esta técnica de tratamiento por la cual se logra cambiar las propiedades superficiales de un material, pero sin afectar las que le caracterizan. Primero empezaremos por la definición del plasma: En 1879, Crookes lo definió como el cuarto estado de la materia; y en 1929, Tonks y Langmuir utilizaron la palabra para describir el cuarto estado de la materia durante sus estudios de oscilaciones en descargas eléctricas (Nasser, 1971).
El plasma es un gas parcialmente ionizado compuesto de diversas partículas, tales como iones, electrones, especies neutras y excitadas, además de radiación ultravioleta (UV) y ultravioleta visible (UV Visible). Se caracteriza por presentar una carga eléctrica neta igual a cero. Es un estado adicional de la materia que surge de la ionización de átomos y moléculas de un gas, de ahí que sea denominado como el cuarto estado de la materia. La ionización de un gas puede ocurrir cuando sus moléculas son expuestas a campos eléctricos, energía calorífica alta o radiación de alta energía (Manolache, 2004). Como resultado de esta exposición, se registra un incremento en los niveles de energía de las partículas, de tal manera que sus electrones pueden ser liberados generando así la formación de especies activas.
Un elemento en estado gaseoso no es capaz de conducir electricidad, a menos que sea disociado, ionizado o excitado. Cuando el gas es alterado por cualquiera de estos procesos es cuando se genera el plasma, el cual regresará a su estado gaseoso original cuando se deja de aplicar esa excitación o ionización, produciendo una recombinación de los elementos que fueron separados durante el proceso (Yasuda, 1985).
Fig. 1. A. Reactor de plasma de acero inoxidable con mirilla de cuarzo para la detección de especies formadas. B. Reactor de plasma de vidrio pyrex con tapas de aluminio y acoplado inductivamente.
Algunas aplicaciones en materiales y biomateriales
El campo de aplicación de plasmas fríos en procesos industriales es muy diverso. Algunas de estas aplicaciones son: síntesis de nanopartículas, modificación de superficies, limpieza, esterilización, erosión, producción de injertos y polimerización.
En la medicina, el plasma en frío es ampliamente utilizado para el desarrollo de biomateriales con la finalidad de modificar superficialmente materiales metálicos y poliméricos, con el único propósito de hacerlos compatibles con el organismo del ser humano; por ejemplo, las prótesis de rodilla, cadera y arteriales (Mantovani, Castonguay, Pageau, Fiset y Laroche, 1999; Chevallier et al., 2001). También se emplean en el desarrollo de implantes oculares (figura 2).
La respuesta celular a los biomateriales poliméricos es de suma importancia en la aplicación de este tipo de implantes. En una persona con visión normal, la luz pasa a través de la córnea y el cristalino transparente antes de llegar a la retina. La opacidad de la córnea o el cristalino puede dar lugar a ceguera monocular, lo cual causa que las córneas o lentes de origen natural necesiten ser remplazados quirúrgicamente por una prótesis o lente intraocular, respectivamente (Lloyd, Faragher y Denyer, 2001). El fracaso de un implante puede ocurrir debido a un debilitamiento en la interfaz del receptor-implante, a menudo causado por la pobre adhesión celular (Ilhan-Sarac y Akpek, 2005). Por ello existe una gran necesidad de disponer de un implante con una superficie que sea capaz de promover la unión de las células, logrando así la aceptación del organismo hacia este “cuerpo extraño”. Los lentes de contacto de uso común generalmente están modificados por plasma, mediante el cual se aplica una película transparente, ultradelgada y biocompatible en su superficie, lo que brinda un mayor confort al usuario.
Fig. 2. A. Prótesis arterial. B. Prótesis ocular. C. Prótesis de cadera. D.. Prótesis de rodilla.
En la industria textil es de gran utilidad el uso de la tecnología de plasma (Nahed y Reda, 2010). Las telas y tejidos pueden ser tratados superficialmente injertando grupos químicos de tipo polar, lo que permite obtener productos que pueden ser teñidos más fácilmente; además, también se pueden injertar grupos de tipo no polar, dando como resultado productos impermeables, debido a que, después del tratamiento, estos adquieren un carácter más hidrófobo, tal como lo muestra la figura 3. Éste frecuentemente es medido por ángulo de contacto con agua: entre mayor sea éste, la superficie es más hidrófoba (Hung et al., 2009).
Fig. 3. Tela antes (A) y después (B) del tratamiento por plasma.
En el desarrollo de materiales nanocompuestos, el plasma frío se ha empleado para modificar superficialmente nanopartículas que se usan como refuerzo. El objetivo principal es mejorar la dispersión de éstas y lograr una mayor interacción nanopartícula-matriz polimérica. Como resultado de esta interacción se obtiene una mayor transferencia de carga de la matriz polimérica (que es la parte menos fuerte del nanocompuesto) hacia las nanopartículas de refuerzo (que es la parte realmente fuerte del nanocompuesto). La figura 4 muestra los resultados del módulo elástico –o de Young– de un nanocompuesto de polietileno de alta densidad (PEAD) y nanofibras de carbón (NFC) al 3% en peso. El PEAD puro presenta un módulo elástico de 1.38 GPa; el nanocompuesto PEAD/NFC-nt (no tratado por plasma) muestra un módulo de 1.61 GPa; mientras que el PEAD/NFC-t (tratado con plasma de etileno) presenta un módulo de 1.83 GPa, lo cual representa 33.3% de mejora respecto al PEAD puro (Borjas, 2012).
Fig. 4. Módulo elástico del PEAD puro y de los nanocompuestos PEAD/NFC-nt y PEAD/NFC-t.
Comentarios finales
Sin mencionar las ventajas y bondades que ofrece la técnica del plasma, en este artículo sólo se abordaron tres de sus aplicaciones. Sin embargo, el uso de plasma frío es bastante versátil y de gran utilidad en algunos sectores de la industria textil, médica, militar, desarrollo de materiales y cerámicos –por mencionar algunos–, ya que permite tratar superficialmente diversos materiales y biomateriales, dando como resultado productos de características especiales, logrando así un mayor aprovechamiento de las cualidades que poseen.
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Referencias
Borjas, J. (2012). Estudio de la modificación superficial de nanofibras de carbón mediante plasma de etileno para la obtención de nanocompuestos de polietileno/nanofibras de carbón (Tesis de maestría). Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo, Coahuila.
Chevallier, P., Castonguay, M., Turgeon, S., Dubrulle, N., Mantovani D., McBreen P. … Laroche, G. (2001). Ammonia RF – Plasma on PTFE surfaces: chemical characterization of the species created on the surface by vapor – Phase chemical derivatization. Journal Physis Chemistry, 105, 12490-12497.
Hung, W., Cheng, P., Chieh, S., Taut, J., Yuan, Ch. y Nan, K. (2009). UV-curable PDMS-containing PU system for hydrophobic textile surface treatment. Journal Polymers Research, 16, 601-610.
Ilhan-Sarac, O. y Akpek, E. (2005). Current concepts and techniques in keratoprosthesis. Curr. Opin. Ophthalmol. 16(4), 246-50.
Lloyd, A., Faragher, R. y Denyer, S. (2001). Ocular biomaterials and implants. Biomaterials, 22(8), 769-85.
Manolache, S. (2004). Macromolecular plasma-chemistry: an emerging field of polymer science. Polymer Science, 29, 815–885.
Mantovani, D., Castonguay, M., Pageau, J., Fiset, M. y Laroche, G. (1999). Ammonia RF-plasma treatment of tubular ePTFE vascular prostheses. Plasmas and polymers, 4(2-3), 159-182.
Nahed, A. y Reda, E. (2010). The use of new technologies in cloration of textile fibers. Journal Material Science, 45, 1143-1153.
Nasser, E. (1971). Fundamental of gaseous Ionization and plasma electronics. Nueva York: Wiley Intersciences.
Neira, G., Hernández, E., Hernández, C. y Zamarrón, M. (2013). Generación de productos de alto valor agregado a partir del H2S empleando plasma de radio frecuencia (Reporte técnico). Saltillo: CIQA.
Yasuda, H. (1985). Plasma polymerization. Estados Unidos de América: Academic Press INC.
[1] Autor para correspondencia: javier.borjas@ciqa.edu.mx
