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METALES EN APLICACIONES BIOMÉDICAS
Lima, junio del 2014
Dr. Ingº FORTUNATO ALVA DAVILA
BIOMETALES
Los metales tienen muchas aplicaciones biomédicas.
Las aplicaciones son:
Para sustituir tejidos dañados o defectuosos a
fin de establecer 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 al tejido
biológico dañados, restablecen las funciones o
están en contacto constante con los fluidos
corporales, se conocen como biomateriales, o,
como en este caso nos enfocamos en los metales, a
los cuales se les llaman biometales.
BIOMETALES
BIOMETALES
Los biometales se usan más a menudo en
aplicaciones estructuralmente importantes, como
implantes y dispositivos de fijación para
diversas articulaciones (como la cadera,
rodilla, hombro, tobillo o muñeca) y para los
huesos del cuerpo.
BIOMETALES
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.
La principal característica de un biometal es su
biocompatibilidad, la cual se define como
estabilidad química, resistencia a la corrosión.
La segunda característica importante es que sea
capaz de soportar tensiones grandes y variables
(cíclicas) en el ambiente altamente corrosivo del cuerpo
humano.
BIOMETALES
La importancia de la capacidad del metal para
soportar cargas puede ser apreciada si se toma en
cuenta que la persona promedio puede experimentar
entre 1 y 2,5 millones de ciclos de tensión en su
cadera cada año.
Esto se traduce en un total entre 50 y 100 millones
de ciclos de tensión en un período de 50 años.
Por lo tanto, el biomaterial debe ser fuerte y
resistente a la fatiga y al desgaste en un
ambiente altamente corrosivo.
¿Qué metales satisfacen esas condiciones?.
Los metales puros como Pt, Ti y Zr tienen altos
niveles de biocompatibilidad.
Los metales como Fe, Al y Ag tienen una
biocompatibilidad moderada.
Algunos aceros inoxidables y aleaciones de
Cobre-Cromo, tienen también una compatibilidad
moderada.
BIOMETALES
En la práctica, los metales se usan más a menudo en el
cuerpo humano para aplicaciones que soporten
cargas con los aceros inoxidables.
Las aleaciones a base de cobalto y las aleaciones
de titanio. Estos metales tienen características
aceptables en términos de biocompatibilidad y
soporte de cargas; sin embargo, ninguno de ellos
tiene todas las características necesarias para una
aplicación específica.
BIOMETALES
BIOMETALES
d) ACEROS INOXIDABLES
En aplicaciones ortopédicas, el acero inoxidable
austenítico 316L (18 Cr, 14 Ni, 2,5 Mo-F138) es el
que se usa más a menudo.
Este metal tiene aceptación porque es relativamente
barato y se puede moldear fácilmente con las
técnicas existentes para moldear metales.
ACEROS INOXIDABLES
La principal desventaja es que, no es apropiado
para uso prolongado a causa de su limitada
resistencia a la corrosión dentro del cuerpo
humano.
Las aplicaciones más eficaces se tiene, en tornillos
para hueso, placas, clavos intramedulares para
huesos y otros dispositivos de fijación temporal.
BIOMETALES
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BIOMETALES
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 (ASTM F 75),
(2) aleación forjada Co-20 Cr-15 W-10 Ni (ASTM F 90),
(3) aleación fundida Co-28 Cr-6 Mo tratada
térmicamente (ASTM F799) y
(4) aleación forjada Co-35 Ni-20 Cr-10 Mo (ASTM F 562).
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ALEACIONES DE TITANIO
Cada aleación tiene características mecánicas y de
moldeo que son atractivas para diferentes aplicaciones.
Estas aleaciones tienen una notable resistencia a la
corrosión, aun en algunos ambientes agresivos
como el del cuerpo humano.
La resistencia de estas aleaciones a la corrosión
es superior, tanto a la del acero inoxidable como
a las aleaciones cobalto-cromo.
BIOMETALES
BIOMETALES
ALEACIONES DE TITANIO
Su resistencia a la corrosión se debe a la capa
protectora de oxido TiO2 a menos de 535 ºC.
Desde el punto de vista ortopédico, la excelente
biocompatibilidad del titanio, su alta resistencia a
la corrosión y su bajo módulo de elasticidad.
El titanio comercialmente puro(CP-F67) es un metal de
solidez baja y se usa en las aplicaciones ortopédicas
que no requieren alta resistencia, como tornillos y
grapas para cirugía espinal.
BIOMETALES
ALEACIONES DE TITANIO
Las principales desventajas de las aleaciones de titanio
en aplicaciones ortopédicas es, su baja 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
cadera y rodilla, a menos que reciban un tratamiento
superficial mediante procesos de implantación iónica.
BIOMETALESALGUNOS PUNTOS A CONSIDERAR SOBRE LA APLICACIÓN ORTOPEDICA DE LOS METALES
Entre las propiedades críticas de los implantes
ortopédicos figuran:
Un alto límite elástico (para resistir la deformación
plástica bajo carga),
La resistencia a la fatiga (para resistir cargas
cíclicas),
La dureza (para resistir el desgaste cuando la
articulación está dañada).
ALGUNOS PUNTOS A CONSIDERAR SOBRE LA APLICACIÓN ORTOPEDICA DE LOS METALES
Un bajo modulo de elasticidad (para lograr la
proporcionalidad en el soporte de la carga entre el
hueso y el metal).
Antes de una fractura todas las fuerzas actuantes (de
músculos, tendones y huesos) están en equilibrio.
Después de la fractura, ese equilibrio se pierde y se
necesita una operación para unir al componente
fracturado a implantes ortopédicos y estabilizar la
fractura.
BIOMETALES
ALGUNOS PUNTOS A CONSIDERAR SOBRE LA APLICACIÓN ORTOPEDICA DE LOS METALES
Para entender mejor, el módulo de elasticidad del hueso
(en la dirección que soporta la carga) es de casi 17 GPa (2,5 x
106 psi). En comparación, los módulos de elasticidad del
titanio, el acero inoxidable y las aleaciones a base de
cobalto son 110, 190 y 240 GPa, respectivamente. Considere
una situación en la que el eje tibial (la tibia es uno de los
huesos largos que están debajo de la articulación de la rodilla)
se ha roto en una fractura simple transversal.
BIOMETALES