I. Definición y aplicaciones de materiales metálicos médicos
Los materiales metálicos médicos, también conocidos como materiales metálicos para implantes quirúrgicos, se utilizan principalmente para diagnóstico, tratamiento y reemplazo o mejora de tejidos en el cuerpo humano. En los últimos 20 años, si bien el desarrollo de materiales médicos metálicos ha sido más lento que el de los materiales biomédicos, como polímeros, compuestos, híbridos y derivados, ofrecen numerosas propiedades irremplazables que otros materiales médicos no pueden igualar, incluida alta resistencia, buena tenacidad, resistencia a la fatiga por flexión y excelentes propiedades de procesamiento. Son los materiales para implantes que soportan carga-más utilizados en aplicaciones clínicas. Con el desarrollo de la tecnología de impresión 3D de metal, los materiales médicos metálicos han adquirido una aplicación más amplia, y las aplicaciones más importantes incluyen placas de fijación de fracturas, tornillos, articulaciones artificiales e implantes dentales.
II. Materiales médicos metálicos de uso común
Los principales materiales metálicos utilizados en aplicaciones médicas clínicas incluyen acero inoxidable, aleaciones de cobalto, aleaciones de titanio, aleaciones con memoria de forma, metales preciosos y metales puros como tantalio, niobio y circonio.
1. Acero inoxidable
El acero inoxidable médico (acero inoxidable como material biomédico) es una aleación a base de hierro-, resistente a la corrosión-y una de las primeras aleaciones biomédicas desarrolladas. Se caracteriza por la facilidad de procesamiento y el bajo costo. Dejar que el trabajo en frío dé forma al acero inoxidable no solo aumenta el límite elástico sino que también endurece la aleación contra la oxidación, lo que a su vez reduce las probabilidades de que se produzca una fractura por fatiga. Cuando se observa la microestructura, los aceros inoxidables se alinean como grados austeníticos, ferríticos, martensíticos o endurecidos-por precipitación. No sorprende que estos aceros se hayan convertido en equipos estándar en el mundo médico; los encontrará forjados en cuchillos quirúrgicos, el sub-riel de una hoja de tijera, las mandíbulas de un hemostato y el cuerpo de una aguja hueca. Más allá de los instrumentos manuales, los aceros inoxidables también sirven en aplicaciones implantables, incluidas articulaciones artificiales, fijadores de placas y tornillos, soportes de arcos de ortodoncia y carcasas de válvulas de dispositivos mecánicos de válvulas cardíacas. Entre estos métodos de utilidad, dominan los grados austeníticos de 316L y 317L, que tienen un contenido de carbono extra-bajo para minimizar la precipitación de carburos en los límites del grano. Las especificaciones escritas para estas aleaciones se publicaron por primera vez en la revisión de 1987 de la norma ISO para materiales metálicos implantables, ISO 5832 e ISO 7153. Siguiendo el corpus internacional, en 1990 se redactó una norma nacional en mi país, GB 12417, que se adoptó en 1991.
La biocompatibilidad y los problemas relacionados del acero inoxidable médico se refieren principalmente a reacciones tisulares causadas por la disolución de iones metálicos debido a la corrosión o el desgaste después de la implantación. Numerosos datos clínicos demuestran que la corrosión del acero inoxidable médico da como resultado una mala estabilidad del implante a largo plazo-. Además, su densidad y módulo elástico difieren significativamente de los del tejido duro humano, lo que resulta en una mala compatibilidad mecánica. La corrosión puede provocar que iones metálicos u otros compuestos entren en los tejidos circundantes o en el cuerpo en su conjunto, lo que puede provocar reacciones histológicas adversas como edema, infección y necrosis tisular, lo que provoca dolor y reacciones alérgicas. En particular, la disolución de iones de níquel del acero inoxidable puede provocar cambios patológicos graves (el acero inoxidable médico austenítico de uso común contiene aproximadamente un 10 % de níquel). En los últimos años, se han desarrollado y aplicado gradualmente aceros inoxidables médicos con bajo contenido de -níquel y sin níquel-.
2. Aleaciones de cobalto
Las aleaciones de cobalto (aleaciones a base de Co-como materiales biomédicos) también se utilizan habitualmente en aplicaciones médicas. En comparación con el acero inoxidable, son más adecuados para fabricar implantes-de larga duración sujetos a cargas exigentes en el cuerpo, con una resistencia a la corrosión 40 veces mayor que el acero inoxidable. La primera aleación de cobalto-metal diseñada específicamente para la medicina fue cobalto, cromo y molibdeno, una mezcla que se enfría hasta formar una estructura austenítica estable. Luego, a finales de la década de 1970, surgió una oleada de nuevas opciones, en particular un mutante forjado de cobalto, níquel, cromo, aluminio y tungsteno-que muestra una resistencia superior a la fatiga, y la variante MP35N, que conserva el núcleo de cobalto, níquel, cromo y aluminio pero se austeniza termomecánicamente hasta formar una compleja microestructura multifásica. Desde entonces, la matriz austenítica magra en cobalto y las variantes de cobalto-níquel se han destacado en la ingeniería protésica.Dan forma a los vástagos y copas de las caderas artificiales a base de Mo-cobalto y cromo, a las superficies articuladas de las rodillas de aleación de cobalto y cromo y a los dispositivos de sujeción ortopédicos, que incluyen placas para fracturas inestables, tornillos de tránsito-para costuras y clavos-para huesos ajustados a presión. Actualmente, las aleaciones fundidas de cobalto-cromo-aluminio son las más utilizadas y están incorporadas a la norma ISO 5582/4. En 1990, mi país lo incluyó en la norma nacional GB12417.
Las aleaciones de cobalto suelen permanecer en un estado pasivo dentro del cuerpo humano y rara vez se corroen. En comparación con el acero inoxidable, su película pasiva es más estable y-resistente a la corrosión. También ofrecen la mejor resistencia al desgaste de todos los materiales metálicos médicos y, en general, se cree que no producen reacciones histológicas perceptibles después de la implantación. Sin embargo, debido a su alto costo, las articulaciones de cadera artificiales hechas de aleaciones de cobalto exhiben una alta tasa de aflojamiento in vivo debido a la liberación de iones Co y Ni causada por el desgaste y la corrosión del metal. Además, los elementos precipitados de Co y Ni presentan desafíos biológicos, como una alergenicidad grave, que puede causar fácilmente necrosis celular y tisular in vivo, provocando dolor, aflojamiento de las articulaciones y hundimiento. En consecuencia, su aplicación ha sido limitada. En los últimos años, se han utilizado técnicas de modificación de superficies para mejorar las propiedades superficiales de las aleaciones de cobalto, mejorando efectivamente su eficacia clínica.
3. Aleaciones de titanio
Las aleaciones basadas en Ti-como materiales biomédicos se encuentran entre los metales más biocompatibles conocidos. Desde la década de 1940, el titanio y las aleaciones de titanio han ido ganando aplicación en la medicina clínica. En 1951, los humanos comenzaron a utilizar titanio puro para fabricar placas y tornillos para huesos. A mediados de la década de 1970, el titanio y las aleaciones de titanio comenzaron a tener una aplicación médica generalizada, convirtiéndose en uno de los materiales médicos más prometedores. Actualmente, el titanio y las aleaciones de titanio se utilizan principalmente en ortopedia, particularmente en la reconstrucción de extremidades y cráneo. Se utilizan para fabricar diversos dispositivos de fijación de fracturas, articulaciones artificiales, casquetes craneales y duramadre, válvulas cardíacas artificiales, dientes, encías, anillos de retención y coronas. La aleación de titanio más utilizada en aplicaciones médicas es la TC4 (Ti-6Al-4V). Esta aleación tiene una estructura + bifásica a temperatura ambiente. Su resistencia y otras propiedades mecánicas se pueden mejorar significativamente mediante el tratamiento con solución y el envejecimiento.
La densidad del titanio y sus aleaciones es de aproximadamente 4,5 g/cm³, aproximadamente la mitad que la del acero inoxidable y las aleaciones de cobalto, acercándose a la del tejido duro humano. Además, su biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y resistencia a la fatiga superan a las del acero inoxidable y las aleaciones de cobalto, lo que los convierte actualmente en los mejores materiales médicos metálicos. La afinidad del titanio y sus aleaciones por el cuerpo humano se debe a la densa película de pasivación de óxido de titanio (TiO2) en sus superficies que, después de la implantación, induce la deposición de iones de calcio y fósforo en los fluidos corporales para formar apatita. Estos presentan un cierto grado de bioactividad y unión ósea, lo que los hace especialmente adecuados para la implantación intraósea. Sin embargo, las desventajas del titanio y sus aleaciones son su baja dureza y su escasa resistencia al desgaste. Si se produce desgaste, primero se destruye la película de óxido, seguido de la liberación de productos de corrosión de partículas de desgaste que ingresan al tejido humano. En particular, el tóxico vanadio (V) en la aleación Ti-6Al-4V puede provocar el fallo del implante. Para mejorar la resistencia al desgaste del titanio y sus aleaciones, se puede utilizar la aminación iónica a alta temperatura o la implantación de iones para mejorar la resistencia al desgaste de su superficie. En los últimos años, se han desarrollado algunas nuevas aleaciones de titanio (principalmente aleaciones de tipo), todas las cuales se centran en reducir elementos que son dañinos para el cuerpo humano, mejorando efectivamente la biocompatibilidad de las aleaciones de titanio.
4. Aleaciones con memoria de forma
La investigación sobre aleaciones médicas con memoria de forma (SMA) como materiales biomédicos comenzó en la década de 1970 y rápidamente obtuvo una aplicación generalizada. El SMA más utilizado en la práctica clínica es el SMA de níquel-titanio. La temperatura de recuperación de la memoria de forma de los SMA médicos es de 36 ± 2 grados, lo que coincide con la temperatura del cuerpo humano y demuestra una biocompatibilidad comparable a la de las aleaciones de titanio. Sin embargo, debido a que los SMA contienen una gran cantidad de níquel, un tratamiento superficial inadecuado puede hacer que los iones de níquel se difundan y penetren en los tejidos circundantes, provocando necrosis celular y tisular. Los AME médicos se utilizan principalmente en cirugía plástica y odontología. Los stents autoexpandibles, en particular los stents cardiovasculares, son un excelente ejemplo de su aplicación.
5. Metales preciosos y metales puros: tantalio, niobio y circonio
Los metales preciosos médicos se refieren al oro, la plata, el platino y sus aleaciones utilizados como materiales biomédicos. Los metales preciosos tienen una excelente biocompatibilidad, una fuerte resistencia a la oxidación y la corrosión, una estabilidad física y química única, excelentes características de procesamiento y no-tóxicos para los tejidos humanos. Se utilizan en restauraciones dentales, reparaciones craneales, dispositivos electrónicos implantables, prótesis neuronales, dispositivos de estimulación del nervio auricular y diafragmático, dispositivos del nervio visual y electrodos de marcapasos.
El tantalio para restauraciones dentales tiene una excelente estabilidad química y resistencia a la corrosión fisiológica. El óxido de tantalio esencialmente no se absorbe y no-tóxico. El tantalio se puede combinar con otros metales sin dañar la película de óxido de la superficie. En la práctica clínica cotidiana, parece posible unir metales evitando la rotura de la capa continua de óxido que pasiva sus superficies. Debido a que el tantalio, el niobio y el circonio exhiben perfiles de microestructura y reactividad estrechamente alineados con los del titanio, se han evaluado para diversas aplicaciones de implantes, que van desde injertos óseos instrumentados y raíces dentales atornilladas-hasta secciones de bisagra de dentaduras postizas removibles, stents vasculares de pared delgada-y el amplio espectro de dispositivos como corazones artificiales totales con temperatura-modulada. No obstante, la búsqueda de estos metales en la práctica habitual sigue estando limitada; su refinamiento inherente y su economía de fabricación los posicionan mucho más allá de los presupuestos de la mayoría de los márgenes de implantes.
