Materiales metálicos en biomedicina

[pic 1][pic 2][pic 3][pic 4]

Materiales metálicos en biomedicina

Ciencia de los materiales

Estela Corbalán Vilaplana | 2018-2019 | 21/02/2019

ÍNDICE

1. Introducción                                                                                                        2
   
2. Características materiales en biomedicina                                               3
   
3. Composición, estructura y propiedades de los materiales metálicos
   3.1 Clasificación de los diferentes materiales                                                            3
   

3.2 Materiales metálicos utilizados                                                                           6

3.3 Aplicaciones en la biomedicina y ejemplos                                                        9

1. Conclusiones                                                                                                      11

1. Bibliografía                                                                                                         12

1. INTRODUCCIÓN.

En este trabajo se realiza el estudio dedicado a los diferentes metales aplicados en el mundo de la medicina, más bien conocida esta rama como biomedicina.

Por un lado, la biomedicina se define como el estudio de los aspectos biológicos de la medicina y la aplicación de los principios de la ingeniería, siendo su objetivo  investigar los mecanismos moleculares, bioquímicos, celulares y genéticos de las enfermedades humanas, a partir de la comprensión de las bases moleculares de las dentistas patologías, como las enfermedades infeccionas, inmunes o neurodegenerativas, entre otras.

Los materiales usados para usos biomédicos se conocen como biomateriales, considerando cualquier material como “biomaterial” si ha sido diseñado para actuar con sistemas biológicos con el fin de aumentar o sustituir algún tejido, órgano o función del cuerpo.

Este tipo de material se puede clasificar de diversas formas: según su composición química, en biometales, biopolímeros, biocerámicos, biocompuestos y semiconductores. Según origen: naturales y sintéticos.

Los materiales metálicos han sido utilizados como implantes desde hace más de 100 años atrás, cuando se aplicó por primera vez en 1895, como fijación de fracturas de hueso, una placa de metal.

Debido a esta técnica aplicada, con el tiempo fueron surgiendo imprevistos como problemas en la resistencia a la corrosión. A partir de entonces, los implantes metálicos fueron experimentando gran desarrollo y uso clínico, como sería, por ejemplo, el acero inoxidable.

En biomedicina, depende de la aplicación de los implantes, el acero inoxidable sigue siendo el más utilizado en la aleación de todas las divisiones que van desde los implantes cardiovasculares a otorrinolaringología.

Sin embargo, cuando el implante requiere alta resistencia al desgaste, tales como articulaciones artificiales, las mejores aleaciones con las de CoCrMo, los cuales se explicarán más adelante.

2. CARACTERÍSTICAS.

Las características o requerimientos exigidos por el cuerpo humano para una articulación artificial hacen que las propiedades de los materiales utilizados en prótesis sean muy restrictivas.

Por esta razón, se requieren materiales biocompatibles; es decir, materiales que produzcan un grado mínimo de rechazo en el cuerpo humano. Además, los fluidos corporales son altamente corrosivos, y las aleaciones metálicas deben ser resistentes a la corrosión, químicamente estables o inertes y finalmente que no contengan o generen ningún tipo de toxicidad.

Además de la biocompatibilidad, otra característica a tener en cuenta es la biofuncionalidad, es decir, la capacidad de desempeñar la función para la que ha sido creado. Esta condición se clasifica en las propiedades mecánicas (utilidad, tiempo de vida, etc.), densidad y peso adecuado y finalmente en el diseño adecuado y adaptabilidad.

Y por última condición; la bioactividad. Basada en la integración de moléculas biológicas, regeneración del tejido y finalmente la capacidad de responder a señales provenientes del medio induciendo una respuesta específica del tejido biológico circundante.

3. COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y PROPIEDADES.

    3.1 Clasificación de los diferentes elementos.

En biomedicina, los diferentes tipos de materiales aplicados se pueden clasificar de diversas formas: según su composición química; en biometales, biopolímeros, biocerámicos, biocompuestos y semiconductores.
Según origen: naturales y sintéticos.

Otro aspecto que se debe considerar son las propiedades mecánicas, las cuales son de suma importancia en la selección de materiales para prótesis, debido a que el sistema músculo-esquelético, junto con el movimiento, genera fuerzas considerables para las prótesis.

A continuación se adjunta una tabla en la cual podemos observar las propiedades mecánicas de diferentes elementos.

[pic 5]

Tabla 1. Propiedades mecánicas de materiales aplicados en biomedicina.

Como podemos observar en la Tabla 1, los materiales metálicos presentan buenas propiedades mecánicas (resistencia, tenacidad.....) respecto a otros materiales como los polímeros y cerámicos.  Esto hace que sean los materiales más adecuados para ciertas aplicaciones estructurales, como las prótesis articulares, placas de osteosíntesis, tornillos de fijación y/o implantes dentales, entre otras.

Por otro lado, hay que tener en cuenta que no todos los materiales metálicos son aceptados biológicamente por parte de los tejidos que están en contacto con ellos, y los estudios de biocompatibilidad son fundamentales para la selección de los que se pueden utilizar como biomateriales.

Además, los materiales metálicos implantables, deben presentar una buena resistencia a la corrosión, ya que si se produce la oxidación del metal por el ambiente hostil del cuerpo humano, además de que el implante se debilita, se produce una liberación de productos de corrosión a los tejidos circundantes que producen efectos no deseables.

En definitiva, los metales y aleaciones que cumplen los requisitos anteriormente citados y que son por tanto los más comúnmente utilizados en aplicaciones clínicas como implantes, se muestran en la Tabla 2.

[pic 6]

Tabla 2. Tipo de materiales metalicos utilizados generalmente como prótesis.

Como se puede observar, los materiales metálicos más utilizados están basados en aleaciones hierro, cobalto y titanio. Los elementos de aleación están disueltos como soluciones sólidas y les proporcionan mejoras ante la corrosión, el desgaste o bien las propiedades mecánicas.

Algunos elementos en estado puro, como el cobalto, el níquel o el vanadio, son en general tóxicos y en muchas ocasiones producen reacciones alérgicas. Sin embargo, estando aleados como soluciones sólidas la cantidad de iones que se liberan en el medio fisiológico es insignificante y por tanto no suponen riesgo.

Estas familias de metales utilizados, se caracterizan por tener una excelente resistencia a la corrosión, debido a que en la superficie se forma una capa de óxido inerte que inhibe el ataque del medio fisiológico al metal y le confiere una extraordinaria protección. En ocasiones, se favorece mediante tratamientos químicos o electroquímicos el crecimientos de esta capa de óxido y de esta manera se garantiza el buen comportamiento de la misma. Las composiciones químicas, las microestructuras, y las propiedades mecánicas de estas aleaciones están descritas en las normas nacionales e internacionales para asegurar unas especificaciones mínimas y de esta manera garantizar un buen comportamiento a largo plazo.

Mientras el titanio comercialmente puro tiene su aplicación principalmente en implantes dentales, el resto de aleaciones suelen utilizarse para prótesis articulares, debido a sus mejores propiedades mecánicas. En estas prótesis en muchas ocasiones las aleaciones metálicas se combinan con otro tipo de materiales, poliméricos o cerámicos; como es el caso de las prótesis de cadera o rodilla.

  3.2 Materiales metálicos utilizados.

A continuación, una vez introducido el tema y teniendo en cuenta todas las características y criterios aplicados en la recerca de los materiales metálicos aplicados en la biomedicina, se muestra a continuación una serie de metales caracterizados y seguidamente las técnicas y funciones aplicadas para éste en la vida cuotidiana.

• Vitallium o aleaciones de cromo-cobalto:

En la década de 1920 se desarrolló la aleación Vitallium, que fue el primer biomaterial metálico aleado con características mecánicas de biocompatibilidad y de resistencia a la corrosión, aceptables para aplicaciones en prótesis quirúrgicas.

La composición química de esta aleación se basa en cobalto (65 por ciento de Co, 30 por ciento de Cr y 5 por ciento de Mo). Dentro de las aplicaciones en el campo medicinal, se ha utilizado en el desarrollo de nuevas aplicaciones ortopédicas, como clavos, tornillos y fijadores de huesos fracturados, además de varios tipos de implantes de reemplazo articular, como cadera, rodilla, hombro, codo, entre otras.

...