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Uso de metales en el area de biomaterialesAceros inoxidablesAleaciones de Co-CrAleaciones de Ti
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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.
PROCESOS DE FABRICACIÓN DE
IMPLANTES METÁLICOS
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.
PROCESOS DE FABRICACIÓN DE
IMPLANTES METÁLICOS
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.
PROCESOS DE FABRICACIÓN DE
IMPLANTES METÁLICOS
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
IMPLANTES METÁLICOS
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 .
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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 - - .
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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.
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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.
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE
IMPLANTES METÁLICOS
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.
NANOPARTÍCULAS METÁLICAS
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
NANOPARTÍCULAS METÁLICAS
Limitaciones
•Control de procesos
•Estabilidad de los materiales
•Toxicología
•Desconocimiento en impacto en salud
•Desconocimiento en impacto ambiental
•Aspectos bioéticos
•Falta de regulación
NANOPARTÍCULAS METÁLICAS
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:
The Ultimate Bio-Corrosion Scenario. The Electrochemical Society. http://www.electrochem.org/dl/interface/sum/sum08/su08_p31-34.pdf 4 de abril del 2013.
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