uso de metales en los biomateriales

Biomateriales METALES

1. Introducción

2. Proceso de Fabricación de Implantes Metálicos

1. Aceros Inoxidables

2. Aleaciones de Cobalto

3. Aleaciones de Titanio

3. Microestructuras y Propiedades de Implantes Metálicos

1. Aceros inoxidables

2. Aleaciones de Cobalto

3. Aleaciones de Titanio

4. Aleaciones para aplicaciones dentales

5. Otros Metales

4. Corrosión

5. Nanopartículas Metálicas

6. Referencias

CONTENIDO

Se usan metales por sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y resistencia a corrosión.

Sustituyentes pasivos de tejido duro (implante de cadera).

Auxiliares en regeneración de fractura (placas, tornillos)

Implantes dentales.

Implantes activos (cánula vascular, alambre guía de catéter, alambre de ortodoncia)

INTRODUCCIÓN

Metales Enlace metálico no direccionado

Alta densidad

Altos puntos de fusión

Alta capacidad de deformación plástica.

Estructuras cristalinas

La biocompatibilidad de un implante metálico es de alta

importancia debido a que estos pueden corroerse en un

ambiente in vivo , generando la degradación y debilitación del

implante además de efectos nocivos en los tejidos y órganos a

su alrededor por los productos de degradación.

INTRODUCCIÓN

5

20

23

0

5

10

15

20

25

1980 2000 2005

Estimado de Valor de

Biomateriales en el Mercado

Mundial

Billones de Dólares

INTRODUCCIÓN

1.4

0.34 0.266

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Estimado de Uso de Metales

en Estados Unidos para

Biomateriales (2000)

Billones de Dólares

De las 3.6 millones de operaciones ortopédicas que se realizan cada año en Estados Unidos, 4 de cada 10 involucra el uso de materiales metálicos (2004):

Reducción abierta de una fractura y fijación interna.

Instalación o remoción de una fijación interna sin la reducción de una fractura.

Artroplastia de rodilla o tobillo.

Reemplazo de cadera.

INTRODUCCIÓN

Objetivo:

En vista el amplio uso de

metales, se pretende describir

la composición, estructura y

propiedades de los metales con

aplicaciones biomédicas.

Extracción del Mineral

•Separación/Concentración

•Extracción química

•Refinación

•Obtención de aleaciones

Producción en Bulto

•Moldeado

•Forjado

•Rolado

•Producción de polvos

•Tratamientos térmicos

Presentaciones generales de proveedor

•Láminas

•Barra

•Alambres

•Barra

•Polvos

Forma Preliminar de

implante

•Preparaciones de superficie

•Recubrimientos porosos

•Nitridacióm

•Pulido

Implante Final

PROCESOS DE FABRICACIÓN DE

IMPLANTES METÁLICOS

Aceros Inoxidables (S.S.)

Los tratamientos térmicos no deben inducir la precipitación de cromo ni óxido superficial.

Los S.S. austeníticos no pueden ser endurecidos por calor, se procede a trabajo en frío.

Los S.S. Austeníticos no pueden ser trabajados en frío sin tratamientos térmicos intermedios.

Los S.S. austeníticos pueden ser ablandados con recocido.



Acabado espejo o mate

Limpieza

Desengrasado

Pasivación con HNO 30%

Lavado

Esterilizado

Empaque

Aleaciones de Cobalto-Cromo

Tienden a sufrir endurecimiento por deformación dificultando el maquinado, por lo que se recurre a moldeo con moldes de cera.



Molde de cera

Recubrimiento con refractario

Separación de cera (100-150 ºC)

Eliminación de trazas de cera por temperatura

Vertido de metal fundido (molde: 800-1000 ºC, fundido: 1350-1400 ºC)

Aleaciones de Titanio

Es muy reactivo en altas temperaturas y tiende a

reaccionar con el oxígeno, haciendo que el metal se

vuelva frágil.

Se requiere atmósfera inerte o al vacío.

Se debe trabajar a temperaturas menores de 925 ºC

Se recurre al maquinado con piezas muy resistentes

y filosas.

Se usa maquinado electroquímico como alternativa.



Aceros Inoxidables (S.S.)

Se prefieren austeníticos por su alta resistencia a corrosión AISI 316 (ASTM F745) o AISI 316L (ASTM 138).

Se usa el 316 (0.08C %wt y 316L 0.03 C %wt), 316L fue diseñado para una mejor resistencia a la corrosión en presencia de iones Cl -.

La ASTM recomienda 316L para uso como implantes.

MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE


Principio Teórico

• El Ni retiene fase austenítica, γ (fcc) a temperatura ambiente aumentando resistencia a corrosión.

• La disminución en C en la aleación 316L aumenta resistencia a corrosión.

• El Cr permite crear una capa pasivadora.

• El Mo evita corrosión por picadura.

Susceptibles a corrosión por espacios confinados, se recomienda

sea usado en implantes temporales .



Material Designación ASTM Designación AISI Composición (%wt)

Elemento Min Max

Acero Inoxidable

F55 (barra, alambre) 316 Low vaccum melt Fe 60 65

F56 (lámina, tira)

316L

Cr 17 20

F138 (barra, alambre) Ni 12 14

F139 (lámina, tira) Mo 2 3

Mn - 2

Cu - 0.5

C - 0.03

N - 0.1

P - 0.025

Si - 0.75

S - 0.01

Acero Inoxidable F745

Fe 60 69

Cr 17 20

Ni 11 14

Mo 2 3

C - 0.06

P - 0.045

Si - 1

S - 0.03



Especificaciones (ASTM)

• Fase austenita (FCC) sin ferrita (BCC).

• Libre de carburos precipitados.

• Libre de inclusiones o impurezas.

• Tamaño de grano #6.

• Trabajo en frío 30%.

• Textura

Material Designacion ASTM Condición Modulo de Young

(Gpa) Límite Elástico

(Mpa) Límite Plástico

(Mpa) Límite de fatiga (10^7

ciclos, R:-1c) (Mpa)

Acero Inoxidable

F745 Recocido 190 221 483 221-280

F55-F56-5168-

5139

Recocido 190 331 586 241-276

30% trabajo en

frío 190 792 930 310-448

Forjado en frío 190 1213 1351 820



Aleaciones de Cobalto-Cr

Se distinguen dos tipos de aleaciones principales:

Aleación CoCrMo que se moldea; aplicaciones dentales

Aleación CoNiCrMo que se forja en caliente; aplicaciones de implante

con carga grande (cadera, rodilla).

La ASTM distingue 4 tipos de aleaciones para uso biomedico:

Aleación CoCrMo (F75), moldeado

Aleación CoCrWNi (F90), forjado

Aleación CoNiCrMo (F562), forjado

Aleación CoNiCrMoFe (F563), forjado

Solamente dos de los 4 tipos de aleación se usan en

extensamente (CoCrMo, CoNiCrMo)

CoCrMo (F75) CoCrWNi (F90) CoNiCrMo (F562) CoNiCrMoWFe (F563)

Elemento Min Max Min Max Min Max Min Max

Cr 27 30 19 21 19 21 18 22

Mo 5 7 - - 9 10.5 3 4

Ni - 2.5 9 11 33 37 15 25

Fe - 0.75 - 3 - 1 4 6

C - 0.35 0.05 0.15 - 0.025 - 0.05

Si - 1 - 1 - 0.15 - 0.5

Mn - 1 - 1 - 0.15 - 1

W - - 14 16 - - 3 4

P - - - - - 0.015 - -

S - - - - - 0.01 - 0.01

Ti - - - - - 1 0.5 3.5

Co Balance





CoCrMo F75 •Resistene a ambientes con iones Cl-.

•Debido a que se usa método de moldeado con cera, se deben aplicar tratamientos térmicos para homogenizar las fases y tensión intergranular.

•También se usa moldeado con polvos.

CoCrWNi F90 •Se usa Ni y W para hacerlo mas maquinable y facilitar su fabricación.

•En estado recocido, las propiedades mecánicas son semejantes al F75.

•Trabajado en frío al 44%, las propiedades mecánicas se duplican.

CoNiCrMo F562 •Tiene múltiples fases en su microestructura.

•Puede ser procesado por tratamientos térmicos y trabajo en frío para control de microestructura.

•Tiene una combinación de Co FCC y Co HCP que le otorga alta dureza.

Propiedad CoCrMo (F75) CoCrWNi (F90)

CoNiCrMo (F562)

Recocido en

solución Trabajo en frío

y añejado

Límite Plástico (Mpa) 655 860 793-1000 1793 min

Límite Elástico (Mpa) 450 310 240-655 1585

Elongación (%) 8 10 50 8

Resistencia a la fatiga 310 - - .



Aleaciones de Titanio

Se distinguen 4 grados de Ti

puro para aplicación biomédica

además de la aleación Ti6Al4V.

Los grados se distinguen por el

contenido de impurezas, el

oxígeno afecta la ductilidad y

resistencia a la tensión.

Material con baja densidad.

No es recomendable para

tornillos y placas.



Titanio

•Alótropo

•HCP 882 ºC (α)

•BCC <882ºC (β)

•Al estabiliza fase α.

•V estabiliza fase β.

Elemento Grado 1 Grado 2 Grado 3 Grado 4 Ti6Al4V

N 0.03 0.03 0.05 0.05 0.05

C 0.1 0.1 0.1 0.1 0.08

H 0.015 0.015 0.015 0.015 0.0125

Fe 0.2 0.3 0.3 0.5 0.25

O 0.18 0.25 0.35 0.4 0.13

Ti Balance



Propiedad Grado 1 Grado 2 Grado 3 Grado 4 Ti6Al4V

Limite Plástico (MPa) 240 345 450 550 860

Límite Elástico (Mpa) 170 275 380 485 795

Elengación (%) 24 20 18 15 10



Ti grado 4 F67 •Se usa en implantes dentales.

•Tiene una sola fase (α).

•Tamaños de grano 10-150 μm.

•Se trabaja en frío 30%.

•TiO2 lo protege de corrosión, hay preocupación por liberación al cuerpo.

Ti6Al4V F136 •Aleación α-β.

•Microestructura depende de tratamiento térmico y trabajo mecánico hasta llegar a una matriz α con regiones β en límite de grano.

•Se tiene problemas en la adhesión de recubrimientos.

Aleaciones de TiNi

Tienen hasta un 54%wt de Ni

Tienen la característica efecto de memoria,

es decir vuelve a su forma original cuando es

deformado.

Tienen superelasticidad.

Aplicaciones potenciales:

Alambre para ortodoncia

Guías para cateter

Cánula vascular

Contractores como componentes en corazón

artificial

Aun se trabaja en la biocommpatibilidad del

material



Aleaciones para Aplicaciones Dentales

Amalgamas: Aleación de Hg líquido con otros metales (Sn, Ag, Cu, Zn para rellenar caries.

Oro: Presentan durabilidad, estabilidad, resistencia a la corrosión, también son usadas para tapar caries.

Otros metales

Tántalo: Altamente biocompatible, tiene bajas propiedades mecánicas y alta densidad.

Grupo del platino: Resistentes a la corrosión, tienen bajas propiedades mecánicas.





Metales y sus Aplicaciones

Material Aplicación

316L SS

Placas craneales

Placas para fractura

Fixturas para espina dorsal

Protesis de ligamentos

Cánulas Cateters

Co-Cr

Reconstrucción orbital Implantes dentales Placas para fractura Válvulas de corazón

Fixturas para espina dorsal Protesis de ligamentos

Ti, TiNi, Ti6Al4V

Placas craneales Reconstrucción orbital

Reconstrucción maxilofacial Implantes dentales Alambres dentales

Placas para fractura Protesis de ligamentos

Cánulas Cateters

Los f luidos en el cuerpo son un medio agresivo para los metales: Agua

O2

Proteínas

Iones

Sangre

La resistencia a la corrosión es un factor importante a considerar para la biocompatibi l idad .

Evitar la unión de dist intos metales, y así evitar corrosión galvánica.

Es importante considerar las interacciones con super fic ie .

Los esfuerzos residuales en aleación así como los cic los y cargas pueden acelerar el proceso de corrosión induciendo una fal la en el material .

CORROSIÓN

Diagramas de Pourbaix

Gráfica de regiones de

corrosión, pasivación e

inmunidad en función del

potencial de electrodo y

pH.

Derivadas de la ecuación

de Nernst y de la

solubilidad de los

productos de degradación

y las constantes de

equilibrio de la reacción.

Dependiendo de la

localización del material,

su comportamiento es

distinto.

CORROSIÓN

Corrosión

• [M+n]> 10^6M

Inmunidad

• Corrosión es energéticamente imposible

• Protección catódica

Pasivación

• Equilibrio entre metal y productos de degradación >10^6M

Curvas de Polarización

Indican la tasa de

corrosión del implante

metálico.

Es posible calcular el

número de iones

liberados por unidad de

tiempo.

CORROSIÓN

Tipo de Corrosión Material Implante

Picadura 304 SS,

Aleaciones de

Co

Ortopédico/

Dental

Espacios confinados 316L SS Placas para

heso y tornillos

Corrosión por fatiga 316 SS,

CoCrNiFe Cemento óseo

Escamas Ti6Al4V, CoCr Esfera de

prótesis de

cadera

Galvánica

304SS/316SS,

CoCr+Ti6Al4V,

316SS-Ti5Al4V,

316ss-CoCrMo

Implante

dental,

tornillos,

tuercas

Lixiviación Selectiva Hg-Au Implantes

dentales

CORROSIÓN

Estándares

ASTM Especificaciones

ASTM G

61-86,

ASTM G 5-

94

Corrosión en Biomateriales

Metálicos

ASTM G71-

81 Corrosión Galvánica en

electrolitos

ASTM

F746-87

Corrosión por picadura o

espacios confinados en

materiales quirurgicos e

implantes metálicos

ASTM

F2129-01 Mediciones de polarización

potenciodinámica cíclica

CORROSIÓN

Efecto de productos de Corrosión en Implantes Metálicos

Metal Efecto de productos de corrosión

Ni Dermatitis

Co Anemia B

Cr Ulceras, sistema nervioso central

Al Epilepsia, Alzheimer

V Tóxico en estado elemental

La nanotecnología tiene gran potencial en el área biomédica en

distintos campos:

Sensores de actividad metabólica

Liberación de fármacos

Imagenología

Ingeniería de tejido

Transporte de macromoléculas

Nanomaterial : Material que es menor o igual a 100 nm por lo

menos en una dimensión. Los nanomateriales tienen

propiedades distintas a los materiales en bulto.

NANOPARTÍCULAS METÁLICAS

Cobre

Se han buscado distintas aplicaciones:

Imagenología por medio de Resonancia Magnética y

Tomografía por Emisión.

Electrodos para medición de glucosa, amino ácidos y ácido

uréico.

Liberadores de fármaco.

Agentes antitumorales.

Agentes antibacteriales.


Plata

Se han buscado aplicaciones en el área de:

Detección de virus

Detección de cáncer

Inhibición bacteriana en:

Matrices Poliméricas para tratamiento de lesiones

Catéter vascular

Prótesis vasculares

Catéter urinario

Catéter para drenaje ventricular

Cemento óseo

Ligamentos artificiales

Hilo de sutura

Complemento de otros desinfectantes


Limitaciones

•Control de procesos

•Estabilidad de los materiales

•Toxicología

•Desconocimiento en impacto en salud

•Desconocimiento en impacto ambiental

•Aspectos bioéticos

•Falta de regulación


Kumar, Challa. Metall ic Nanomaterials Vol 1. Wiley -VCH 1st Ed. Winhem, 2009.

Ratner, Buddy D. Biomaterials Science, An Introduction to Materials in Medicien. Elsevier 2nd Ed. California, 2004.

Bronzino Joseph D. Biomedical Engineering Fundamentals. CRC Press, 3rd Ed. Boca Ratón, Fl, 2006.

Hansen C. Douglas. Metal Corrosion in the Human Body:

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Geetha Manivasagam. Biomedical Implants: Corrosion and its Prevention - A Review. Benthan Science Publishers. http://www.benthamscience.com/open/rptcs/articles/V002/40RPTCS.pdf 4 de abril del 2013.

REFERENCIAS

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uso de metales en los biomateriales

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