Metales en aplicaciones biomédicas: biometales

Los metales se usan ampliamente en muchas aplicaciones biomédicas. Ciertas aplicaciones son específicas para sustituir tejidos dañados o defectuosos a fin de restablecer una función, por ejemplo las aplicaciones ortopédicas en las que parte o la totalidad de un hueso o articulación es sustituida o reforzada con aleaciones de metal. En las aplicaciones de odontología, los metales se usan como material de relleno para obturaciones, en tornillos de soporte para implantes dentales y como material de sustitución dental. Las aleaciones de metal, que sustituyen a los tejidos biológicos dañados, restablecen las funciones o están en contacto constante o intermitente con los fluidos corporales, se conocen colectivamente como biomateriales o como en este caso nos enfocamos en los médicos, se llaman biometales. Claro está que los metales que se usan en instrumentos médicos, dentales y quirúrgicos así como los metales que se usan en prótesis externas , no se clasifican como biomateriales porque no están expuestos a los fluidos corporales de manera continua o intermitente. En esta sección analizan los biometales que se usan a menudo en aplicaciones estructurales importantes, como implantes y dispositivos de fijación para diversas articulaciones (como la cadera, rodilla, hombro tobillo o muñeca) y para los huesos del cuerpo.

Los biometales tienen características específicas que los hacen apropiados para ser aplicados al cuerpo humano. El ambiente interno del cuerpo es altamente corrosivo y puede degradar al material implantado (ortopédico o dental) lo cual daría lugar a la liberación de moléculas o iones dañinos. Así pues la principal característica de un biometal es su biocompatibilidad, la cual se define como estabilidad química resistencia a la corrosión y no ser carcinogénico ni toxico cuando se usan en el cuerpo humano. Una vez que la biocompatibilidad del metal ha sido establecida, la segunda característica importante es que sea capaz de soportar tensiones grandes y variables (cíclicas) en el ambiente altamente corrosivo del cuerpo humano. La importancia de la capacidad del metal para soportar cargas puede ser apreciada si se considera que la persona promedio puede experimentar entre 1 y 2.5 millones de ciclos de tensión en su cadera cada año (a causa de sus actividades normales diarias). Esto se traduce en un total de 500 y 100 millones de ciclos de tensión en un periodo de 50 años. Por lo tanto un biomaterial debe ser fuerte y resistente a la fatiga y el desgaste en un ambiente altamente corrosivo.

LOS METALES

Los metales puros como el Co, Cu Ni son considerados tóxicos en el cuerpo humano por otra parte los metales puros como el Fe, Al, Au, Ag tienen una biocompatibilidad moderada, algunos aceros inoxidables y aleaciones de Co-Cr tienen también una compatibilidad moderada.

En la práctica los metales que se usan más a menudo en el cuerpo humano para aplicaciones que soporten cargas son los aceros inoxidables, las aleaciones a base de cobalto y de titanio.

ACEROS INOXIDABLES

Se analizaron los ferriticos, martensiticos y austeniticos. En las aplicaciones ortopédicas, el acero inoxidable austensinico 316L (18 Cr,14 Ni,2.5Mo-f138) es el que se usa más a menudo.

Este metal tiene aceptación por que es relativamente barato y se puede moldear fácilmente con las técnicas existentes para moldear metales. El tamaño de gramo ASTM apropiado es de 5 o más fino. El metal se usa con frecuencia en el estado trabajando en frio a 30 por ciento para mejorar su elasticidad, resistencia a la rotura y resistencia a la fatiga, en comparación con el estado reconocido. La principal desventaja es que este metal no es apropiado para uso prolongado a causa de su limitada resistencia a la corrosión dentro del cuerpo humano. En consecuencia las aplicaciones más eficaces las encuentras en tornillos para huesos placas clavos intramedulares para huesos y numerosos tornillos fueron utilizados con propósitos de estabilización. Estos se quitan después de una rehabilitación.

Aleaciones a base de cobalto

En los implantes ortopédicos se utilizan principalmente cuatro tipos de aleaciones a base de cobalto 1) aleación fundida Co-28 Cr-6 Mo (ASTM75), 2) aleación forjada Co-20Cr-15W10 Ni (ASTM F 90), 3) aleación fundida Co-28Cr-6 Mo tratada térmicamente (ASTM F 799) y 4) aleación forjada Co-35Ni-20Cr-10 No (ASTM F 562). Como en el caso de los aceros inoxidables, el alto porcentaje de Cr contenido en estas aleaciones promueve la resistencia a la corrosión mediante la formación de una capa pasiva. Se debe señalar que la resistencia a la corrosión de estas aleaciones, a largo plazo es muy superior a la del acero inoxidable. La aleación F75 es una aleación fundida que produce un tamaño de grano grueso y también tiende a crear una microestructura nucleada (una estructura no equilibrada). Estas dos características son indeseables en las aplicaciones por que dan por resultado un componente débil. La aleación F799 tiene una composición similar a la de la aleación F75 pero se forja para darle su forma final en una seria de pasos. Las primeras etapas del forjado se realizan en caliente para permitir el flujo significativo y las etapas finales se realizan en frio para darles endurecimiento. Esto mejora las características de resistencia de la aleación en comparación con la F75. La aleación F90 contiene un nivel significativo de Ni y W para mejorar sus características de maquinado y fabricación.

En el estado reconocido sus propiedades corresponden a las de F75 pero con 44% de trabajo en frio su elasticidad, resistencia a la rotura y resistencia a la fatiga casi duplican a la F75 sin embargo hay que tener cuidado para lograr que las propiedades sean uniformes en todo el componente porque de lo contrario esta propenso a fallas. Finalmente la aleación F562 posee por amplio margen la combinación mas eficaz de dureza ductilidad y resistencia a la corrosión.

Esta aleación esta trabajada en frio y endurecida por envejecimiento hasta un límite elástico superior a 1795 Mpa se usan en dispositivos de fijación permanente y en componentes de articulaciones.

Aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio incluso las alfa, las beta y las alfa-beta comercialmente puras, fueron descritas. Cada aleación tiene características mecánicas y de moldeo que son atractivas para diferentes aplicaciones. Lo cierto es que estas aleaciones tienen una notable resistencia a la corrosión. La resistencia de estas aleaciones a la corrosión superior tanto a la del acero inoxidable como a la de las aleaciones de cobalto-cromo. Su resistencia a la corrosión proviene de su capacidad para formar una capa protectora de Oxido TiO2 a menos de 535 °c. Desde el punto de vista ortopédico, la excelente biocompatibilidad del titanio, su alta resistencia a la corrosión y su bajo modulo de elasticidad son sumamente deseables. El titanio comercialmente puro (CP-f67) es un metal de solidez relativamente baja y se usa en las aplicaciones ortopédicas que no requieren alta resistencia, como tornillos, grapas para cirugía espinal. Las aleaciones alfa contienen al (estabilizador alfa), Sn, y/o Zr no puede endurecerse apreciablemente por tratamiento calórico y, por lo tanto no ofrecen ventajas significativas sobre las aleaciones CP en las aplicaciones ortopédicas. Las aleaciones alfa-beta contienen tanto estabilizadores alfa (A1), como beta (V o Mo). En consecuencia, una mezcla de las fases alfa y beta coexiste a temperatura ambiente. El tratamiento por solución puede aumentar la resistencia de esas aleaciones entre 30 y 50 % en comparación con el estado reconocido algunos ejemplos de aleaciones de aleaciones alfa-beta utilizadas en aplicaciones ortopédicas son Ti-6 Al-4 V(F1472), Ti-6 Al-6 Al-7 Nb y Ti-5 Al-2.5 Fe. La aleación F1472 es la más común de las aplicaciones ortopédicas, como el remplazo de articulaciones completas. Las otras dos aleaciones se usan en vástagos femorales de cadera placas tornillos varillas y clavos. Las aleaciones beta (que contiene principalmente estabilizadores beta) son excelentes para la forja por qué no se endurecen por deformación. Sin embargo pueden ser tratados por la solución y envejecidas hasta alcanzar niveles de resistencia más elevados que los de las aleaciones alfa-beta. De hecho entre todas las aleaciones de titanio utilizadas para fabricar implantes ortopédicos, las aleaciones beta son las que contienen el modulo de elasticidad más bajo. Las propiedades mecánicas de las aleaciones para aplicaciones ortopédicas, las principales desventajas de las aleaciones de titanio en aplicaciones ortopédicas es su mala resistencia al desgaste y su alta sensibilidad a las grietas. Debido a su mala resistencia al desgaste no se deben usar en superficies de articulaciones como las de la cadera y rodilla a menos que reciban un tratamiento superficial mediante proceso s de implantación iónica.

En las propiedades críticas de los implantes ortopédicos figuran un alto limite elástico (para resistir la deformación plástico bajo carga), la resistencia a la fatiga (para resistir cargas cíclicas), La dureza para resistir el desgaste cuando la articulación está dañada y curiosamente un bajo modulo de elasticidad para lograr la proporcionalidad en el soporte de la carga entre el hueso y el metal.

Para entender esto con claridad considere que esto antes de una fractura todas las fuerzas actuantes de músculos tendones huesos están en equilibrio después de la fractura ese equilibrio se pierde y se necesita una operación para unir el componente fracturado junto con todos sus fragmentos. A implantes ortopédicos y estabilizar la fractura si la fractura se reconstruye perfectamente el hueso seguirá siendo capaz de soportar una porción significativa de la carga y el implante actuara principalmente como la estructura en torno a la cual el hueso fracturado se reconstruye.

Smith, Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, cuarta edición, impreso en España editorial Mcgraw-Hill interamericanan,2006, pags 1032