Biomateriales metálicos Asignatura: Biomateriales Instructor: Q.F Q.F.B. .B. Ernesto Er nesto A. Beltrán Partida Curso: Curs o: 2011-2 2011 -2
Introducción a los Biomateriales B iomateriales y sus Interacciones Interacciones •
Las Las in inte terraccio accione ness de bioma biomate teri riale aless o di disp spos ositi itivo voss médic médicos os co con n tejidos o fluidos corporales es un área de crucial importancia para todas las tecnologías medicas.
Algunas aplicaciones de materiales sintéticos y materiales naturales modificados en medicina.
El mercado de los biomateriales y los cuidados en salud-hechos y cifras (por año) (Cantidades en los Estados Unidos-Los números globales son típicamente 2 – 3 veces el numero de los E.U.)
Temas integrales al área de biomateriales. •
Toxicología –
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Un biomaterial no debe ser toxico al menos que sea ese el propósito. Principalmente trata de las sustancias que migran hacía el exterior del biomaterial. Es razonable decir que un biomaterial no debe brindar nada de su masa al menos que este específicamente diseñado para eso. También se realizan métodos toxicológicos con la finalidad de evaluar a un biomaterial que se encuentre en desarrollo.
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Saneamiento –
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Algunos procesos son invocados cuando un material o dispositivo sana en el interior del cuerpo. El daño al tejido estimulara la reacción de inflamación lo que lleva al proceso de saneamiento. Además, esta reacción diferirá en intensidad y duración dependiendo de la zona anatómica involucrada.
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Requerimientos mecánicos y de rendimientos –
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Cada biomaterial o dispositivo medico requiere de rendimientos mecánicos que origina de la necesidad de efectuar una función fisiológica consistente con las propiedades físicas del material. Estos requerimientos los podemos dividir en tres categorías: •
Rendimientos mecánicos
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Durabilidad mecánica
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Propiedades físicas
Rendimientos mecánicos: Las prótesis de caderas deben ser lo suficientemente fuertes y rígidos. Una membrana para diálisis debe de ser fuerte y flexible, pero no elastomérica. Durabilidad mecánica: Un catéter debe durar al menos 3 días. Una prótesis de cadera no debe fallar ante cargas pesadas por mas de 10 años. Propiedades físicas: las membranas para diálisis deben tener una permeabilidad especifica, los lentes intraoculares deben de tener una refracción y una claridad especifica.
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Biomateriales metálicos –
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El mercado mundial para todos los tipos de biomateriales fue estimado en alrededor de $5 billones a finales de los 80 ’s. El crecimiento para el año 2000 fue de $20 billones y fue esperado que para el 2005 se excedieran los $23 billones. Los metales han sido utilizados casi exclusivamente en prótesis como cadera y rodilla, en hilos para arreglar fracturas, en tornillos y placas. También han sido utilizados como parte de válvulas cardiacas artificiales, como stents vasculares y como marca pasos.
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Los metales puros son algunas veces utilizados, mientras que las aleaciones (metales conteniendo dos o mas elementos) frecuentemente proveen mejoras a las propiedades de los materiales. Los metales son utilizados como biomateriales por su excelente conductividad eléctrica y térmica y sus propiedades mecánicas. Algunos metales son utilizados como sustitutos pasivos para el remplazo de tejidos duros cadera y uniones de rodilla, como auxilio a la reparación de fracturas como placas y tornillos e implantes dentales. Tres grupos de materiales son los que dominan los materiales metálicos: •
Acero inoxidable 316L
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Aleaciones a base de Co-Cr
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Titanio puro-Aleaciones a base de titanio
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La primer aleación metálica desarrollada para humanos fue el “acero de vanadio” el cual fue usado para la manufactura de placas para fractura de huesos (placas de Sherman) y tornillos. La biocompatibilidad de los implantes metálicos es de considerable interés por que estos implantes se pueden corroer in vivo.
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Aceros Inoxidables –
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El primer acero inoxidable utilizado para la fabricación de implantes fue el 18-8 (tipo 302 en la clasificación moderna), el cual es mas fuerte y resistente a la corrosión que el acero de vanadio. Después el acero inoxidable 18-8sMo fue introducido el cual posee un menor porcentaje de molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión en soluciones de ácido clorhídrico. A esta aleación se le conoce como acero inoxidable 316. Los aceros inoxidables austeniticos, especialmente los tipos 316 y 316L, son los mas ampliamente usados para la fabricación de implantes. Estas aleaciones no pueden ser endurecidas por tratamiento térmico si no por trabajo en frío. Este grupo de aceros inoxidables son no magnéticos y poseen una mejor resistencia a la corrosión que otros.
Composición de acero inoxidable 316L
[American Society for Testing and Materials, F139-86, p.61, 1992]
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El Níquel ayuda a conservar la
fase austenica a temperatura ambiente y estimula la resistencia a la corrosión. –
La cantidad mínima de níquel para mantener la fase austenica es de aproximadamente 10%.
Efecto de los contenidos de Ni y Cr en la fase austenica del acero inoxidable conteniendo 0.1% C [Keating, 1956].
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Aleaciones de Co-Cr –
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Existen básicamente dos tipos de aleaciones cobalto-cromo: (1) las aleaciones moldeables CoCrMo y (2) las aleaciones CoNiCrMo el cual es básicamente forjado. La ASTM recomienda cuatro aleaciones de CoCr para implantes quirúrgicos: (1) aleación moldeable de CoCrMo (F75), (2) aleación forjada de CoCrWNi (F90), (3) Aleación forjada de CoNiCrMo (F562), y (4) aleación forjada de CoNiCrMoWFe (F563).
Composición Química de aleaciones CoCr [American
Society for Testing Materials, F75-87, p.42; F90-87, p.47; F562-84,p.150, 1992]
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La aleación CoNiCrMo originalmente llamado MP35N (Stanrd Pressed Steel Co.) contiene aproximadamente 35% de Co y Ni. Esta aleación es altamente resistente a la corrosión en agua marina (conteniendo iones cloruros). El trabajo en frío incremente la fuerza de la aleación considerablemente.
Relación entre la fuerza tensil y la cantidad de trabajo en frío para la aleación CoNiCrMo [Devine and Wulf, 1975]
Aleaciones de Ti
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Ti puro y Ti6Al4V Se encontró que el titanio es tolerado por el fémur de gato así como lo es el acero inoxidable y Vitallium. Titanio es mas ligero (4.5g/cm3) y sus propiedades mecánico-químicas son sus características mas sobresalientes para su aplicación como implante.
Hay cuatro grados de titanio comercial (cp) utilizados como implantes médicos. •
Gravedad especifica de algunas aleaciones utilizadas como implantes metálicos.
Composición química de Ti y sus aleaciones. (American Society for Testing and Materials,
Propiedades mecánicas de Ti y sus aleaciones (ASTM F136) [American Society for
Testing and Materials, F67-89, p.39, F136-84, p.55, 1992 and Davidson et al., 1994]
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La aleación Ti6Al4V posee aproximadamente la misma fuerza de fatiga (550 MPa) que la aleación de CoCr, observado después de pruebas de flexión para fatiga [Imam et al., 1983]. Titanio es un material alotrópico, el cual existe en estructuras hexagonales empaquetadas (hcp, α-Ti) a temperaturas superiores a 882°C, y una estructura cubica centrada (bcc, β-Ti) a temperaturas debajo de esta. La adición de elementos a las aleaciones de titanio permite que tenga un amplio rango de propiedades: (1) Aluminio tiende a estabilizar la fase α , que incrementa la temperatura de transformación de fase α a β; (2) Vanadio estabiliza la fase β disminuyendo la temperatura de transformación de fase α a β.
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La aleación α posee una microestructura en fase sencilla la cual promueve una buena soldabilidad. El efecto estabilizante del alto contenido de aluminio en estos grupos de aleaciones (α) brinda una excelente característica de fuerza y resistencia a la oxidación a altas temperaturas (300~600°C). La adición de una cantidad controlada de estabilizantes β causa una mayor fuerza de la fase β para persistir por debajo de la temperatura de transformación, la cual resulta en un sistema de dos fases. A mayores porcentajes de elementos estabilizadores β (13%V en aleación Ti13V11Cr3Al) resulta en una microestructura que es substancialmente β el cual puede ser endurecida por tratamiento térmico.
Microestructura de aleaciones de Ti (todas a 500X) [Hille, 1966]. (a) Recocido de aleación α. (b) Ti6Al4V, recocido de aleación α-β. (c) Recocido de aleación β. (d) Ti6Al4V, tratado
térmicamente a 1650°C [Imam et al., 1983].
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La superficie de un implante de titanio consiste de una pequeña capa de oxido, y el fluido biológico de moléculas de agua, iones disueltos y biomoléculas.
(a) Interface entre un implante de titanio y un bioliquido y (b) la interacción de la superficie celular [Kasemo and Lausma, 1998].
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La microestructura de la superficie y su composición química es importante debido a las siguientes razones:
1.
Naturaleza física de la superficie tanto atómica, molecular, o mayores niveles relativos a las dimensiones pueden ocasionar diferentes áreas de contacto con biomoléculas, células, etc. Las diferentes áreas de contacto, puede producir diferentes perturbaciones y diferentes tipos de uniones a unidades biológicas, lo cual puede influir en su conformación y función.
2.
La composición química de la superficie puede producir diferentes tipos de uniones a biomoléculas, lo cual puede también afectar sus propiedades y funciones.
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Los metales sometidos en el ambiente experimentan reacciones químicas en la superficie lo cual causa dificultades para entender la naturaleza exacta de las interacciones. La interacción superficie tejido es dinámica mas que estática, se irá desarrollando en nuevas etapas conforme el tiempo pase, especialmente durante el periodo inicial después de la implantación.
