Biomateriales metlicosAsignatura: Biomateriales Instructor: Q.F.B. Ernesto A. Beltrn Partida Curso: 2011-2

Introduccin a los Biomateriales y sus Interacciones Las interacciones de biomateriales o dispositivos mdicos con tejidos o fluidos corporales es un rea de crucial importancia para todas las tecnologas medicas.

Algunas aplicaciones de materiales sintticos y materiales naturales modificados en medicina.

El mercado de los biomateriales y los cuidados en salud-hechos y cifras (por ao) (Cantidades en los Estados Unidos-Los nmeros globales son tpicamente 2 3 veces el numero de los E.U.)

Temas integrales al rea de biomateriales. Toxicologa Un biomaterial no debe ser toxico al menos que sea ese el propsito. Principalmente trata de las sustancias que migran haca el exterior del biomaterial. Es razonable decir que un biomaterial no debe brindar nada de su masa al menos que este especficamente diseado para eso. Tambin se realizan mtodos toxicolgicos con la finalidad de evaluar a un biomaterial que se encuentre en desarrollo.

Saneamiento Algunos procesos son invocados cuando un material o dispositivo sana en el interior del cuerpo. El dao al tejido estimulara la reaccin de inflamacin lo que lleva al proceso de saneamiento. Adems, esta reaccin diferir en intensidad y duracin dependiendo de la zona anatmica involucrada.

Requerimientos mecnicos y de rendimientos Cada biomaterial o dispositivo medico requiere de rendimientos mecnicos que origina de la necesidad de efectuar una funcin fisiolgica consistente con las propiedades fsicas del material. Estos requerimientos los podemos dividir en tres categoras: Rendimientos mecnicos Durabilidad mecnica Propiedades fsicas

Rendimientos mecnicos: Las prtesis de caderas deben ser lo suficientemente fuertes y rgidos. Una membrana para dilisis debe de ser fuerte y flexible, pero no elastomrica. Durabilidad mecnica: Un catter debe durar al menos 3 das. Una prtesis de cadera no debe fallar ante cargas pesadas por mas de 10 aos. Propiedades fsicas: las membranas para dilisis deben tener una permeabilidad especifica, los lentes intraoculares deben de tener una refraccin y una claridad especifica.

Biomateriales metlicos El mercado mundial para todos los tipos de biomateriales fue estimado en alrededor de $5 billones a finales de los 80s. El crecimiento para el ao 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 prtesis como cadera y rodilla, en hilos para arreglar fracturas, en tornillos y placas. Tambin han sido utilizados como parte de vlvulas cardiacas artificiales, como stents vasculares y como marca pasos.

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 elctrica y trmica y sus propiedades mecnicas. Algunos metales son utilizados como sustitutos pasivos para el remplazo de tejidos duros cadera y uniones de rodilla, como auxilio a la reparacin de fracturas como placas y tornillos e implantes dentales. Tres grupos de materiales son los que dominan los materiales metlicos: Acero inoxidable 316L Aleaciones a base de Co-Cr Titanio puro-Aleaciones a base de titanio

La primer aleacin metlica 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 metlicos es de considerable inters por que estos implantes se pueden corroer in vivo.

Aceros Inoxidables El primer acero inoxidable utilizado para la fabricacin de implantes fue el 18-8 (tipo 302 en la clasificacin moderna), el cual es mas fuerte y resistente a la corrosin que el acero de vanadio. Despus el acero inoxidable 18-8sMo fue introducido el cual posee un menor porcentaje de molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosin en soluciones de cido clorhdrico. A esta aleacin se le conoce como acero inoxidable 316. Los aceros inoxidables austeniticos, especialmente los tipos 316 y 316L, son los mas ampliamente usados para la fabricacin de implantes.

Estas aleaciones no pueden ser endurecidas por tratamiento trmico si no por trabajo en fro. Este grupo de aceros inoxidables son no magnticos y poseen una mejor resistencia a la corrosin que otros.

Composicin de acero inoxidable 316L [American Society for Testing and Materials, F139-86, p.61, 1992]

El Nquel ayuda a conservar la fase austenica a temperatura ambiente y estimula la resistencia a la corrosin. La cantidad mnima de nquel 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].

Aleaciones de Co-Cr Existen bsicamente dos tipos de aleaciones cobalto-cromo: (1) las aleaciones moldeables CoCrMo y (2) las aleaciones CoNiCrMo el cual es bsicamente forjado. La ASTM recomienda cuatro aleaciones de CoCr para implantes quirrgicos: (1) aleacin moldeable de CoCrMo (F75), (2) aleacin forjada de CoCrWNi (F90), (3) Aleacin forjada de CoNiCrMo (F562), y (4) aleacin forjada de CoNiCrMoWFe (F563).

Composicin Qumica de aleaciones CoCr [American Society for Testing Materials, F75-87, p.42; F90-87, p.47; F562-84,p.150, 1992]

La aleacin CoNiCrMo originalmente llamado MP35N (Stanrd Pressed Steel Co.) contiene aproximadamente 35% de Co y Ni. Esta aleacin es altamente resistente a la corrosin en agua marina (conteniendo iones cloruros). El trabajo en fro incremente la fuerza de la aleacin considerablemente.

Relacin entre la fuerza tensil y la cantidad de trabajo en fro para la aleacin CoNiCrMo [Devine and Wulf, 1975]

Aleaciones de Ti Ti puro y Ti6Al4V Se encontr que el titanio es tolerado por el fmur de gato as como lo es el acero inoxidable y Vitallium. Titanio es mas ligero (4.5g/cm3) y sus propiedades mecnico-qumicas son sus caractersticas mas sobresalientes para su aplicacin como implante. Hay cuatro grados de titanio comercial (cp) utilizados como implantes mdicos.

Gravedad especifica de algunas aleaciones utilizadas como implantes metlicos.

Composicin qumica de Ti y sus aleaciones. (American Society for Testing and Materials, F67-89, p.39; F136-84, p.55, 1992.)

Propiedades mecnicas 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]

La aleacin Ti6Al4V posee aproximadamente la misma fuerza de fatiga (550 MPa) que la aleacin de CoCr, observado despus de pruebas de flexin para fatiga [Imam et al., 1983]. Titanio es un material alotrpico, el cual existe en estructuras hexagonales empaquetadas (hcp, -Ti) a temperaturas superiores a 882C, y una estructura cubica centrada (bcc, -Ti) a temperaturas debajo de esta. La adicin de elementos a las aleaciones de titanio permite que tenga un amplio rango de propiedades: (1) Aluminio tiende a estabilizar la fase , que incrementa la temperatura de transformacin de fase a ; (2) Vanadio estabiliza la fase disminuyendo la temperatura de transformacin de fase a .

La aleacin 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 () brinda una excelente caracterstica de fuerza y resistencia a la oxidacin a altas temperaturas (300~600C). La adicin de una cantidad controlada de estabilizantes causa una mayor fuerza de la fase para persistir por debajo de la temperatura de transformacin, la cual resulta en un sistema de dos fases. A mayores porcentajes de elementos estabilizadores (13%V en aleacin Ti13V11Cr3Al) resulta en una microestructura que es substancialmente el cual puede ser endurecida por tratamiento trmico.

Microestructura de aleaciones de Ti (todas a 500X) [Hille, 1966]. (a) Recocido de aleacin . (b) Ti6Al4V, recocido de aleacin -. (c) Recocido de aleacin . (d) Ti6Al4V, tratado trmicamente a 1650C [Imam et al., 1983].

La superficie de un implante de titanio consiste de una pequea capa de oxido, y el fluido biolgico de molculas de agua, iones disueltos y biomolculas.

(a) Interface entre un implante de titanio y un bioliquido y (b) la interaccin de la superficie celular [Kasemo and Lausma, 1998].

La microestructura de la superficie y su composicin qumica es importante debido a las siguientes razones: 1. Naturaleza fsica de la superficie tanto atmica, molecular, o mayores niveles relativos a las dimensiones pueden ocasionar diferentes reas de contacto con biomolculas, clulas, etc. Las diferentes reas de contacto, puede producir diferentes perturbaciones y diferentes tipos de uniones a unidades biolgicas, lo cual puede influir en su conformacin y funcin. La composicin qumica de la superficie puede producir diferentes tipos de uniones a biomolculas, lo cual puede tambin afectar sus propiedades y funciones. Los metales sometidos en el ambiente experimentan reacciones qumicas en la superficie lo cual causa dificultades para entender la naturaleza exacta de las interacciones. La interaccin superficie tejido es dinmica mas que esttica, se ir desarrollando en nuevas etapas conforme el tiempo pase, especialmente durante el periodo inicial despus de la implantacin.

2.