CONDICIONES QUE DEBEN SATISFACER LAS ALEACIONES EMPLEADAS PARA IMPLANTES ORTOPÉDICOS Y DENTALES

 

Material proporcionado por:

Andres Ozols
Facultad de Ingiería - U.B.A.

Aleaciones Implantables

Procesado de aleaciones

  • Recocido
  • Trabajado en frío
  • Trabajado en caliente
  • Calentamiento

Acero

  • Aceros inoxidables
  • Procesado de acero inoxidable
  • Propiedades de aceros inoxidables

Aleaciones Cobalto- Cromo

  • Aleaciones de Cobalto- Cromo
  • Procesado de Aleaciones de Cobalto- Cromo
  • Propiedades de Aleaciones de Cobalto- Cromo

Titanio y Aleaciones de Titanio

  • Titanio y Aleaciones de Titanio
  • Procesado de Aleaciones de Titanio
  • Propiedades de Aleaciones de Titanio

Aleaciones de Titanio-Níquel

  • Aleaciones de Titanio-Níquel

Aleaciones para restauraciones dentales

  • Amalgamas
  • Aleaciones de Oro

Otras Aleaciones

Aleaciones Implantables

Las aleaciones empleadas para implantes ortopédicos y dentales deben satisfacer las condiciones siguientes:

  • Resistentes a la corrosión.
  • Tener propiedades mecánicas adecuadas para la aplicación específica.
  • Resistentes a la fatiga para las aplicaciones de cargas cíclicas.

Los tipos de aleaciones más empleadas para implantes ortopédicos son:

  • Aceros inoxidables
  • Aleaciones de cobalto-cromo
  • Aleaciones de titanio

Procesado de las aleaciones- recocido

  • Procesado de las aleaciones- recocido

Las propiedades de una aleación pueden ser modificadas por medio de un procesado que cambie sus granos o la estructura de las fases.
Recocido: consiste el calentamiento por encima de una dada temperatura de modo de permitir su recristalización. El proceso depende de:
La temperatura de recristalización.
El tiempo que determina la fracción de material recristalizada a una dada temperatura.
Los materiales con más dislocaciones (altas energías) debido al trabajado en frío pueden recristalizarse e menor temperatura.
Las dislocaciones removidas disminuyen la tenacidad.

Procesado de las aleaciones - trabajado en frío

Es el trabajo que produce deformación mecánica por debajo de la temperatura de recristalización.

  • La deformación mecánica a temperaturas normales incrementa la tenacidad del material y dureza
  • La cantidad de trabajo en frío es igual al porcentaje de deformación plástica sufrida (definida por la disminución del área de la sección transversal).
  • El endurecimiento por deformación reduce la ductilidad.
  • El trabajado enfrío reduce la cantidad de deformación plástica que el material puede tener en un procesado ulterior, requiriendo más energía.
  • El trabajado en frío y el recocido se repiten en ciclos para asistir a la prodfucción.

Procesado de las aleaciones - trabajado en caliente

Es el trabajo que produce deformación mecánica por encima de la temperatura de recristalización.

  • La aleación permanece dúctil durante el procesado
  • Las posibilidades de agrietamiento y fractura se reducen.
  • No se introduce dislocaciones permanentes.

Procesado de las aleaciones - calentamiento

Aumento de la tenacidad por tratamiento térmico.

La precipitación o endurecimiento por envejecido pueden incrementar la tenacidad de las aleaciones.

El material es rápidamente enfriado desde una fase simple hasta una estructura multifásica, permitiendo la formación de pequeñas partículas de una segunda fase.

Esas partículas dispersas uniformemente en la primaria impiden el movimiento de las dislocaciones aumentando la tenacidad del material.

También, el calentamiento puede disminuir la tenacidad de la aleación por efecto del crecimiento de los granos.
Las temperaturas altas permiten la difusión de los átomos, los que tienden a moverse desde las superficies más conexas de granos pequeños a las menos convexas de granos grandes.
El crecimiento de los granos no es reversible por disminución de la temperatura, pero la recristalización permite la refinación del tamaño de grano.

Aceros inoxidables

La evolución del uso de aceros

El acero de vanadio.

El acero 302 más tenaz y resistente a la corrosión.

El acero 316 con adición de molibdeno mejora la resistencia a la corrosión en agua salina.

El acero 316L con una reducción del contenido de carbono desde 0.08 % a 0.03 % (en peso) para la mejora de la resistencia la corrosión en un medio salino.

El cromo es el componente mayoritario de los aceros inoxidables.

Las aleaciones de cromo pueden ser pasivadas para alcanzar una excelente resistencia a la corrosión.

La oxidación forma una película sobre la superficie del metal, sellándola y protegiéndola de la oxidación ulterior.

La mínima concentración de cromo para producir esos es del 11 % (en peso).

Actualmente, los aceros para implantes más usados son los 316 y 316L.

La clase de aceros austeníticos contiene hierro de estructura fcc.

Estas aleaciones no endurecen por tratamiento térmico, pero si por trabajado en frío.

Aceros no magnéticos

Aleaciones que contienen hierro, cromo, níquel, molibdeno, mangeneso, silicio, carbono, fósforo y azufre.
Esos últimos cuatro elementos son trazas con una concentración máxima de 0.75 % cada uno.

Procesado del acero inoxidable

El trabajado en frío de los aceros produce su rápido endurecimiento, de modo que se requieren tratamientos térmicos intermedios para reblandar al acero.

El calentamiento extremo puede provocar la formación de carburo de cromo en los bordes de grano que pueden inducir corrosión.

Los tratamientos térmicos deben ser hechos cuidadosamente.

Las soldaduras deben ser evitadas.

Las escamas de óxido resultantes sobre la superficie del metal deben ser removidas por tratamiento químico ácido o por arenado.

Finalizado el trabajado en frío y tratamiento térmica.

La superficie es pulida y limpiada.

El metal es pasivado con ácido nítrico.

El implante de acero es lavado, empaquetado y esterilizado.

Propiedades del acero

Esas propiedades satisfacen las normas ASTM.
El módulo de elasticidad es de 210 GPa y no cambia con la resistencia a la rotura.

Aleaciones de Cobalto-Cromo

Son utilizadas dos tipos de composiciones

Las aleaciones CoCrMo utilizadas frecuentemente en piezas coladas.

Material usado desde hace muchos años en restauraciones dentales.

Aleaciones empleadas en articulaciones artificiales.

Tienen buena resistencia a la corrosión.

Las aleaciones CoNiCrMo utilizadas normalmente como piezas forjadas.

Empleados especialmente en vástagos de implantes altamente cargados tales caderas y rodillas.

Resistencia elevada a la corrosión en medio salino y carga.

El trabajado en frío puede incrementar la tenacidad en más de un 100 % , pero no resulta práctico par el uso en estructura grandes como implantes de cadera.

Resistencia al desgaste con el mismo metal y otros materiales pobre.

Resistencia a la fatiga y tenacidad mayores al CoCrMo

Aleación buena para componente de vida útil prolongada.

El cobalto y cromo son los elementos mayoritarios, formando una solución sólida con hasta un 65 % (en peso) de Co.

El molibdeno promueve la formación de granos pequeños.

Procesado de aleaciones de Cobalto-Cromo

CoCrMo

Coladas en moldes, principalmente hechos a partir de modelos de cera.

La temperatura del molde durante la colada (800 - 1000°C) determina el tamaño de grano del material solidificado.

Los granos grandes debilitan a la aleación a altas temperaturas. En cambio, los carburos precipitados permiten que sea menos frágiles.

CoNiCrMo

Estas aleaciones son forjadas en caliente para modelarlas por deformación plástica sin producirles grietas.
Los materiales calentados requieren menos energía para su deformación.

La aleación en caliente es modelada por compresión empleando moldes.

Propiedades de Aleaciones Cobalto-Cromo

Esas propiedades satisfacen las normas ASTM.

El módulo de elasticidad es de 220-234 GPa y no cambia con la resistencia a la rotura.

Titanio y Aleaciones de Titanio

Tienen una relación de tenacidad-peso elevada.

La densidad es de 4.5 g/cm3 es menor que la del acero 316 SS (7.9 g/cm3), o de las aleaciones CoCrM (8.3 g/cm3) y CoNiCrMo (9.2 g/cm3).

Los distintos grados del titanio se clasifican de acuerdo a las impurezas que incluyen.

Los niveles de pureza se controlan cuidadosamente.

El contenido de oxígeno afecta severamente la ductilidad y tenacidad. A mayor concentración el material es más tenaz y duro.

La aleación de titanio más empleada contiene aluminio, y vanadio según la composición:Ti6A14V .

El aluminio incrementa la temperatura de la transformación entre las fases alfa y beta.

El vanadio disminuye esa temperatura.

La aleación puede ser bien soldada.

Tiene alta tenacidad.

Es resistente a la oxidación a temperaturas altas.

Tiene una estructura de una sola fase a temperaturas bajas que no puede ser tratada térmicamente.

Las aleaciones con la fase beta son más tenaces que las de fase alfa.

Las aleaciones con las fases alfa + beta, obtenidas por tratamiento térmico de las soluciones beta, son más tenaces que las aleaciones alfa+beta recocidas.

Propiedades de Aleaciones de Titanio

El módulo de elasticidad es aproximadamente de 110 Gpa.

Las impurezas en el titanio determinan su tenacidad. Esta puede extenderse desde valores menores a los del acero inoxidables o de las aleaciones de CoCr o igualarlos.

La tenacidad a deformaciones de corte es baja.

La aleación tiende a deslizarse con dificultad sobre el mismo material y otras aleaciones.

El titanio se pasiva al estar expuesto a un medio fisiológico por la formación de una capa superficial de óxido.

Procesado de Aleaciones de Titanio

Estas aleaciones son muy reactivas con el oxígeno a altas temperaturas.

Reaccionan muy fácilmente con el oxígeno.

Las altas temperaturas de procesado hacen indispensable el empleo de atmósferas inertes o de vacío.

El trabajado en caliente o el forjado debe ser conducido a temperaturas menores a 925°C.

Los problemas del mecanizado aparecen debido a la reactividad del titanio con los otros metales empleados como herramientas o moldes.

Esas dificultades se pueden minimizar utilizando herramientas filosas a velocidades de corte bajas.
El mecanizado electroquímico es otra forma para evitar problemas.

Aleaciones de Níquel-Titanio

Materiales que exhiben la propiedad conocida como efecto de memoria de forma (EMF).

Efecto se manifiesta cuando la aleación, sometida a una deformación plástica, recupera su forma original cuando es calentada.

Estas aleaciones son empleadas para construir arcos de alambre de ortodoncia, clips para aneurismas intracraneales, músculos artificiales contraíbles para un corazón artificial e implantes ortopédicos.

El diseño de esas piezas requiere del conocimiento preciso de las propiedades termomecánicas de las aleaciones de Ni-Ti.

Materiales que tienen módulos de elasticidad bajos (aprox. 30 GPa) pera alta tenacidad.

Aleaciones para restauraciones dentales

Amalgamas

Aleaciones formadas con mercurio.

El mercurio mezclado con plata y estaño forma un material de consistencia plástica, a temperatura ambiente, que endurece con el transcurrir del tiempo.

La aleación sólida está compuesta por:

65 % plata (mínimo).

29 % de estaño.

2 % de zinc.

3 % de mercurio (máximo).

Ese material al combinarse con mercurio forma la amalgama compuesta por:

45 - 55 % mercurio.

35 - 45 % plata.

15 % estaño.

La tenacidad del material crece con el tiempo.

El 25 % de la tenacidad final se alcanza al cabo de 1 hora.

El 100 % de la tenacidad final se obtiene tras un día.

Aleaciones de Oro

Materiales estables y resistentes a la corrosión.

Son usados en rellenos dentales por medio de:

Colado

  • Impresión de cera tomada de la cavidad dental y usada para construir la restauración.
  • El cobre y platino aleados mejora su tenacidad.
  • La concentración elevada de oro disminuye la tenacidad del material restringiendo su uso a zonas libres de tensiones.
  • La aleación con baja concentración de oro es empleada en coronas y otras zonas sometidas a tensiones elevadas.

Martillado

  • Láminas de oro son aplicadas en capas y soldadas juntas empleando presión a temperatura ambiente.
  • El oro puro es muy dúctil y solo puede ser usada en zonas libres de tensiones.

Otras Aleaciones

Tantalio

Metal biocompatible.
La baja relación tenacidad-densidad que restringe la su uso como alambres de suturas.

Platino y otros metales nobles

Materiales resistentes a la corrosión y de propiedades mecánicas pobres.

Estos metales son empleadas en aleaciones frecuentemente destinadas electrodos de marcapasos.