MOOC Biomateriales 8.3: Biomateriales Metálicos NiTinol y Magnesio
Summary
TLDREste video del curso de introducción a los biomateriales se enfoca en dos materiales metálicos: el nitinol y el magnesio. El nitinol, una aleación de níquel y titanio, muestra memoria de forma y superelasticidad, lo que lo hace ideal para aplicaciones como stents y prótesis dentales. El magnesio, biodegradable y similar al hueso en propiedades, tiene usos limitados debido a su rápida corrosión en el cuerpo. La lección también menciona espumas metálicas, que facilitan la integración ósea y disminuyen la rigidez de los implantes.
Takeaways
- 😀 El nitinol es una aleación de níquel y titanio (50% cada uno), conocida por su memoria de forma y descubierta en el laboratorio de la marina norteamericana.
- 🔍 El nitinol puede existir en dos fases estables dependiendo de la temperatura: la fase monoclínica (martensítica) a bajas temperaturas y la fase cúbica (austenítica) a altas temperaturas.
- 🌡️ La transición entre fases se puede detectar mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC), donde se observan cambios en la cantidad de calor absorbido durante el cambio de fase sin variación de temperatura.
- 🔥 La memoria de forma del nitinol permite que el material recuerde su forma en la fase austenítica y la recupere con un cambio de temperatura, lo que se demuestra en aplicaciones como stents y prótesis dentales.
- 🔁 El nitinol también muestra una doble memoria de forma, recordando ambas, la forma austenítica y la martensítica después de ser deformada, lo que se puede utilizar en aplicaciones biomédicas.
- 📈 El nitinol exhibe superelasticidad, permitiendo deformaciones grandes y completamente recuperables, útil en aplicaciones donde se requieren cambios de forma significativos.
- 🛡️ El magnesio es un material biodegrable y absorbible en el cuerpo, con propiedades mecánicas similares al hueso y que favorece la formación de hueso.
- 🚫 Sin embargo, el magnesio se corrompe rápidamente en el cuerpo, lo que puede causar problemas de salud y disminuir sus propiedades mecánicas antes de que el cuerpo se reparte.
- 🛠️ Para mejorar la estabilidad del magnesio en el cuerpo, se pueden aplicar recubrimientos como hidroxiapatita o aleaciones con otros elementos para reducir la corrosión.
- ⚖️ Las espumas metálicas, que son materiales con poros, pueden mejorar la integración y compatibilidad mecánica con el hueso y los tejidos corporales.
Q & A
¿Qué es el nitinol y qué le confiere su propiedad de memoria de forma?
-El nitinol es una aleación de níquel y titanio, con un 50% de cada metal. Su propiedad de memoria de forma se debe a su capacidad de tener dos fases estables, la monoclínica a bajas temperaturas y la cúbica a altas temperaturas, lo que le permite recordar y recuperar una forma determinada previamente a una cierta temperatura.
¿Cuál es la diferencia entre la fase martensítica y la fase austenítica del nitinol?
-La fase martensítica es la fase estable del nitinol a bajas temperaturas, con una estructura monoclínica y propiedades mecánicas más bajas. La fase austenítica, por otro lado, es la fase estable a altas temperaturas, con una estructura cúbica y mejores propiedades mecánicas.
¿Cómo se pueden detectar los cambios de fase en el nitinol?
-Los cambios de fase en el nitinol se pueden detectar mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC), que muestra un cambio brusco en la cantidad de calor absorbido por la muestra en relación con una muestra de referencia durante el cambio de fase.
¿Qué temperaturas definen el inicio y el fin de la transformación de fase del nitinol?
-La temperatura Ms marca el inicio de la formación de martensita y el inicio de la transformación de fase, mientras que la temperatura Mf indica el final de esta transformación. Para la transformación de martensita a austenita, las temperaturas correspondientes son As y Af.
¿Qué es la memoria de forma simple y cómo funciona en el nitinol?
-La memoria de forma simple es la capacidad del nitinol para recordar una forma dada en la fase austenítica y recuperarla después de ser deformado y enfriado a una temperatura donde se mantiene la fase martensítica, al ser calentado nuevamente.
¿Qué es la doble memoria de forma y cómo se produce en el nitinol?
-La doble memoria de forma es un efecto por el cual el nitinol puede recordar y recuperar dos formas diferentes, una en la fase austenítica y otra en la fase martensítica, después de haber sido sometido a un ciclo de deformación, enfriamiento y calentamiento repetidamente.
¿Qué es la superelasticidad y cómo se relaciona con el nitinol?
-La superelasticidad es la capacidad de un material para soportar grandes deformaciones elásticas recuperables. En el caso del nitinol, se produce cuando el material en fase austenítica se encuentra cerca de la temperatura de transformación a martensita y es deformado, provocando el cambio de fase y una gran deformación con poca variación en la tensión.
¿Cuáles son algunas de las aplicaciones del nitinol en el campo biomédico?
-El nitinol se utiliza en aplicaciones biomédicas como stents para lavas sanguíneos, prótesis valvulares cardiacas, brackets dentales y otros dispositivos implantables que pueden beneficiarse de su memoria de forma y superelasticidad.
¿Qué ventajas ofrece el magnesio como biomaterial?
-El magnesio es un biomaterial biodegradable y absorbible en el cuerpo, con propiedades mecánicas similares al hueso y una densidad cercana a la del hueso, lo que lo hace compatible con el tejido óseo y favorable para la osteointegración.
¿Por qué no se utiliza más comúnmente el magnesio como biomaterial a pesar de sus ventajas?
-A pesar de sus ventajas, el magnesio no se utiliza comúnmente debido a su rápida corrosión en los fluidos corporales, lo que puede llevar a concentraciones altas de magnesio en el cuerpo y a una degradación rápida de sus propiedades mecánicas antes de que el hueso se reparte o se integre.
¿Cómo se pueden mejorar las propiedades del magnesio para su uso como biomaterial?
-Se pueden mejorar las propiedades del magnesio como biomaterial mediante la recubrimiento con hidroxiapatita para disminuir su detección por el cuerpo y la corrosión, o mediante la aleación con otros elementos para modificar sus propiedades de corrosión y controlar la velocidad de disolución.
¿Qué son las espumas metálicas y cuáles son sus ventajas como biomateriales?
-Las espumas metálicas son materiales que contienen poros o agujeros, lo que reduce su rigidez y mejora la compatibilidad mecánica con los tejidos del cuerpo. Además, los poros facilitan la integración del tejido óseo y la adaptación del implante en el cuerpo.
¿Cómo se equilibra la cantidad de poros en las espumas metálicas para no comprometer las propiedades mecánicas del implante?
-Se debe equilibrar el tamaño, número, forma y conectividad de los poros en las espumas metálicas para no comprometer las propiedades mecánicas del implante, asegurando al mismo tiempo una buena integración biológica y adaptación a las propiedades de los tejidos del cuerpo.
Outlines
🤖 Introducción a Biomateriales Metálicos: El Nitinol
El primer párrafo introduce el curso de biomateriales y se centra en dos materiales metálicos, el nitinol y el magnesio. El nitinol es una aleación de níquel y titanio (NiTi) con memoria de forma, descubierta en un laboratorio de la marina norteamericana. Se describe cómo esta propiedad se debe a su capacidad de tener dos fases estables dependiendo de la temperatura: la fase martensítica a bajas temperaturas y la fase austenítica a altas temperaturas. La transición entre fases se detecta mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC), mostrando un cambio brusco en las propiedades mecánicas y dimensiones del material.
🔍 Funcionamiento y Propiedades del Nitinol
Este párrafo detalla cómo el nitinol cambia su longitud y volumen con la temperatura debido a su capacidad de memorizar y recuperar su forma en la fase austenítica. Se explica el concepto de memoria de forma simple y se muestra un ejemplo práctico de un bracket dental que recupera su forma inicial después de ser deformado y calentado. Además, se menciona la 'doble memoria de forma', donde el material puede recordar y recuperar dos formas distintas dependiendo de la temperatura a la que se someta.
🛠 Aplicaciones y Características del Nitinol en Biomateriales
El tercer párrafo explora las aplicaciones del nitinol en biomateriales, destacando su densidad, temperatura de fusión y cómo sus propiedades mecánicas varían según la fase austenítica o martensítica. Se discuten aplicaciones como 'stents' en el tratamiento de obstrucción vascular, donde la memoria de forma del nitinol permite su despliegue una vez en su posición deseada dentro del cuerpo. También se mencionan otras aplicaciones en prótesis valvulares cardiacas y brackets dentales.
🌟 Propiedades y Desafíos del Magnesio como Biomaterial
El cuarto párrafo introduce el magnesio como un biomaterial biodegradable y absorbible en el cuerpo, destacando su solubilidad y su presencia en los fluidos corporales. Se comparan las propiedades mecánicas del magnesio con las del hueso, destacando su similitud y su potencial para favorecer la integración ósea. Sin embargo, también se discuten los desafíos relacionados con la corrosión rápida del magnesio en el cuerpo, que puede llevar a problemas de exceso de magnesio y disminución rápida de sus propiedades mecánicas.
🛡 Estrategias para Mejorar la Estabilidad del Magnesio y Otros Biomateriales
El último párrafo aborda estrategias para mejorar la estabilidad y utilidad del magnesio como biomaterial, como la recubrimiento con hidroxiapatita o la aleación con otros elementos para disminuir la corrosión. También se menciona el uso de espumas metálicas, que son piezas con poros que reducen la rigidez y facilitan la integración con los tejidos corporales. Se destaca la importancia de equilibrar las propiedades mecánicas del implante con su capacidad de integración biológica.
Mindmap
Keywords
💡Biomateriales metálicos
💡Nitinol
💡Memoria de forma
💡Superelasticidad
💡Magnesio
💡Corrosión
💡Stents
💡Propiedades mecánicas
💡Hidroxiapatita
💡Espumas metálicas
Highlights
El nitinol es una aleación de níquel y titanio con memoria de forma, conocido por su capacidad de recordar y recuperar su forma original.
Las propiedades mecánicas del nitinol varían según la fase (austenítica o martensítica), lo que permite su aplicación en biomateriales.
El cambio de fase en el nitinol se detecta a través de calorimetría diferencial de barrido (DSC), mostrando una diferencia en el calor absorbido durante el proceso.
El nitinol muestra una 'histeresis' en el cambio de fase, lo que indica una tendencia a mantener su estado actual hasta un punto crítico.
La memoria de forma del nitinol se basa en su capacidad para recordar la forma en la fase austenítica y recuperarla a través de un cambio de temperatura.
El nitinol puede sufrir deformaciones plásticas en la fase martensítica, pero recuperar su forma original al calentarse y volver a la fase austenítica.
Existe un efecto de 'doble memoria de forma' en el nitinol, permitiendo que el material recuerde y recupere dos formas diferentes según la temperatura.
La 'superelasticidad' del nitinol permite deformaciones grandes y completamente recuperables, útil en aplicaciones donde se requieren cambios de forma significativos.
El magnesio es un biomaterial biodegradable y absorbible en el cuerpo humano, con propiedades mecánicas similares al hueso.
A pesar de sus propiedades favorables, el magnesio se disuelve rápidamente en los fluidos corporales, lo que limita su uso en implantes a largo plazo.
Las espumas metálicas, como las de tántalo, ofrecen una alternativa para mejorar la integración ósea y reducir la rigidez de los implantes metálicos.
El uso de hidroxiapatita en la superficie de implantes de magnesio puede reducir su corrosión y permitir una disolución controlada del material.
El aleado de magnesio con otros elementos puede mejorar su resistencia a la corrosión, manteniendo sus propiedades mecánicas durante el tiempo necesario para la reparación ósea.
Los stents de nitinol se utilizan en angioplastias para mantener los vasos sanguíneos dilatados, aprovechando su memoria de forma y superelasticidad.
El nitinol también se utiliza en prótesis valvulares cardiacas y brackets dentales debido a sus propiedades de memoria de forma y superelasticidad.
El equilibrio entre la cantidad de poros en las espumas metálicas y sus propiedades mecánicas es crucial para garantizar la integración y la funcionalidad del implante.
Transcripts
Hola, bienvenidos a otro vídeo del curso de introducción a los biomateriales
Este es el último vídeo del módulo 8: Biomateriales metálicos
y en este vídeo nos vamos a dedicar a explicar dos materiales metálicos interesantes
el nitinol y el magnesio
El nitinol es el principal ejemplo de las aleaciones con memoria de forma
El nitinol es una aleación de níquel y titanio de ahí viene el nombre NiTi
prácticamente al 50% cada uno de ellos 50% níquel, 50% titanio
Las siglas NOL vienen del laboratorio de la marina norteamericana donde se descubrió este material
y desde entonces se conoce como nitinol
Además del nitinol, estas aleaciones de níquel y titanio, también hay aleaciones de base cobre
que tienen memoria de forma, pero nos vamos a dedicar a hablar sobre todo del nitinol
Tener memoria consiste que este material puede tener dos fases estables
dependiendo de la temperatura a la que esté
A baja temperatura, podríamos decir a temperatura ambiente
La fase estable es una fase que se conoce como fase monoclínica, las redes monoclínicas
es una especie de caja de zapatos un poco inclinada
es una fase que se conoce con el nombre de fase martensítica
Es una fase que tiene menor límite elástico
menor resistencia, menos dureza. Es una fase que tiene propiedades mecánicas más bajas
que la fase de alta temperatura que es la fase austenítica
esta es una fase en la que la red es cúbica
y que tiene mejores propiedades mecánicas que la fase martensítica
Consiste en que si subimos de temperatura cambiamos de una fase a otra
Esto se puede ver con un ensayo de calorimetría diferencial de barrido
el típico, por sus siglas en inglés, DSC
Si partimos de una pieza de nitinol
de una temperatura elevada, fijaos en esta gráfica
vamos pintando temperatura frente al calor absorbido por la muestra
respecto a una muestra de referencia... No vamos a entrar en detalle de cómo se hace
una calorimetría diferencial de barrido
pero si partimos del material en una temperatura más o menos elevada
estará en una fase austenítica
Si vamos enfriando, vamos por aquí seguimos en fase austenítica
Sucede que la cantidad de calor absorbida
para bajar su temperatura es la misma o es proporcional
a la cantidad de calor absorbida, o mejor dicho, cedida para bajar la temperatura
de la muestra de referencia
Lo que pasa es que cuando sucede un cambio de fase
lo que pasa por aquí, empieza un cambio de fase
pues esa cantidad de calor también, ya no es la misma, porque el cambio de fase necesita
calor por sí mismo sin que la temperatura se modifique durante el cambio de fase
de esa manera se detectan dónde están los cambios de fase en los materiales
Esa temperatura donde comienza el cambio de fase que se llama Ms
's' viene de 'start' en inglés, comienzo de la formación de martensita
comenzaría esa temperatura, correspondería a por aquí, la que sea
y terminaría esa transformación de fase, a esta temperatura
corresponde a un valor que llamamos Mf, 'f' de 'fin'
de final de la transformación a martensita
De manera que cuando sigamos enfriando el material, estamos por aquí, ya tenemos la fase martensítica
Si ese material, ese nitinol en fase martensítica, lo calentamos, pasamos a la rama de abajo
Al calentarlo llega un momento en que a una determinada temperatura
comienza la transformación a fase autenítica
y eso se conoce como 'As'
's' de nuevo 'start', comienzo de la transformación a fase austenítica
y terminará ese cambio de fase en la temperatura 'Af'
como vemos, no son iguales ni la 'Ms' ni la 'Af', ni mucho menos, hay una cierta histéresis
Es decir, el material tiende a quedarse como está hasta que ya no puede quedarse como está
Es decir, si el material, si partimos de fase austenítica
y estamos a esta temperatura seguimos en fase austenítica
Sin embargo, si partimos de parte martensítica y llegamos más o menos a la misma temperatura
pues estamos prácticamente en fase martensítica
Es decir, hay una cierta histéresis, una cierta tendencia del material a quedarse como está
Aquí tenéis entonces, todas las instrucciones de las siglas 'Ms', 'Mf', etcétera
y claro, si el material está por encima de la temperatura sub-f
sabemos que está en fase austenítica, que está por debajo de 'Mf'
estará en fase martensítica
Otra cosa que sucede al cambiar de fase es un cambio brusco en las propiedades
Si pintamos frente a la temperatura
una propiedad, por ejemplo una cosa que se ve muy bien es la longitud, el tamaño
longitud, volumen... cualquier cosa que pintemos en el eje de las 'Y'
Si partimos de la fase austenítica, que es la fase cúbica
y vamos enfriando, lo que sucede, si nos fijamos en la longitud
es que se va reduciendo la longitud a medida que enfriamos
por el coeficiente de dilatación térmica del material
A medida que lo enfriamos va disminuyendo su longitud, si lo calentásemos aumentaría
¿Pero qué pasa? que llega a una temperatura, que será la 'Ms' en la que comenzará el sambio de fase
en ese cambio de fase, el cambio de tamaño, de longitud, es más brusco
Cambia la pendiente y es mucho más brusco hasta que
ya de nuevo tenemos otra vez todo el material en la misma fase, en este caso fase martensítica
si siguiéramos enfriando, seguiría otra vez sobre una linea recta disminuyendo su longitud
Si hacemos, en cambio a la inversa, calentamos desde fase martensítica
De nuevo, subiremos por aquí
aumentando la longitud de la pieza a medida que aumenta la temperatura
hasta que llegamos a la temperatura en la que empieza la transformación a fase austenítica
De esa manera se cambia bruscamente
el volumen, la dimensión o lo que sea del material
hasta que ya se ha producido todo el cambio de fase
y ya tenemos fase austenítica, y seguiríamos aumentando su tamaño
según la recta correspondiente a la fase austenítica
¿En qué consiste la memoria de forma?
Consiste en que de alguna manera
'Shape memory alloy" SMA si lo véis en algún texto en inglés
se conoce SMA a las aleaciones con memoria de forma
El material de alguna manera es capaz de recordar la forma que tiene en fase austenítica
y con un cambio de temperatura puede recuperarla
¿Cómo funciona esto?
supongamos la temperatura crece en la transparencia hacia arriba
Si partimos de una temperatura superior a 'Af' estamos en fase austenítica
A eso le damos forma al material, la que sea
Tenemos material en fase austenítica y esa es la forma a recordar
Lo que hacemos luego es que enfriamos esa pieza y se mantiene esa forma
A lo mejor cambia un poco el volumen, pero poco
ese es un primer paso, el enfriamiento
y entonces ya tenemos el material a temperatura, por ejemplo, ambiente
con fase martensítica
Si ahora lo que hacemos es podemos deformar este material
y lo que hacemos es cambiarle mucho la forma Podríamos llegar incluso
aparentemente a darle unas deformaciones plásticas
es decir, que el material, cuando soltamos o quitamos la carga no recupera la forma inicial
se queda deformado, eso entonces es elemento deformado y estaría en fase martensítica
La gracia que tiene esto, se puede hacer en cualquier material
la gracia que tienen las aleaciones con memoria de forma es que si ahora calentamos
el material recupera por si solo la forma que tenía en fase austenítica
Por supuesto dentro de unos límites.
Podremos llegar a romper el material si hacemos demasiada fuerza
A continuación os muestro un ejemplo de cómo se hace con un material de nitinol
Aquí tenemos una pieza de nitinol utilizada en odontología
Vamos a ver el ejemplo de memoria de forma, aquí en directo
¿Qué sucede? ahora mismo esta pieza está en fase martensítica
porque está a temperatura ambiente. Toda la pieza está en fase martensítica
y esta forma se le ha dado en fase austenítica
posteriormente se ha enfriado y se mantiene esta forma
si ahora deformamos esta pieza en fase martensítica, por ejemplo así
esto esta duro, hay que apretar bastante, hay que hacer fuerza
Le damos una deformación, vais a ver que aparentemente
sería una deformación plástica, queda dañado, por así decir, el material
Esto si fuera otro tipo de material sería un daño en el material
sin embargo, calentándolo conseguimos que esta zona que se ha deformado tanto
no vamos a decir plásticamente porque no
se ha deformado tanto en fase martensítica
cuando la caliente pasará a fase austenítica y recuperará la forma inicial
Ahí lo véis
Ahora mismo pasó a fase austenítica recupera la forma
y ahora al quitar la llama se está enfriando y pasando otra vez a fase martensítica
Ya lo tenemos otra vez frio y en fase martensítica y con la forma inicial
Además de, como hemos visto, esta memoria de forma que tiene el material
esto se conoce como memoria de forma simple o simple memoria de forma
Si le das forma en fase austenítica, cuando calientas
recupera la forma que tenía en fase austenítica
simplemente por el cambio de fase
¿Por qué se recupera esa forma? porque se produce el cambio de fase de martensita a austenita
En ese cambio de fase se reordenan un poco los átomos, se recolocan
en la posición que tenían originalmente y por eso recupera la forma
¿Qué sucede? que hay otra propiedad interesante, hay otra característica interesante
que es la doble memoria de forma
y es que si repetimos este mismo proceso de la misma manera
de dar forma en austenita, deformar, enfriar, calentar
volvemos a enfriar, volvemos a enfriar, volvemos a calentar para que recupere...
y hacemos ese ciclo muchas veces
al final lo que hace el material es que acaba recordando ambas formas
tanto la que tiene en alta temperatura en fase austenítica
como la que tiene en baja temperatura tras haber sido deformado en fase martensítica
y ese es el efecto que se conoce como doble memoria de forma
Cuando calentamos tenemos fase austenítica
y tenemos la forma que tiene en fase austenítica
y al enfriar de forma natural, él solo
se deforma y obtiene la forma que tiene en fase martensítica
esto sería el efecto de doble memoria de forma
Además de poder recuperar grandes deformaciones
fijaos que las deformaciones que hemos visto son grandes
Tiene, por el mismo efecto del cambio de fase
tiene otra propiedad interesante que se conoce como super-elasticidad
y es que es capaz de tener deformaciones muy grandes de hasta el 10% de ese orden
y ser deformaciones totalmente recuperables
esto en un metal son deformaciones muy grandes como sabéis
¿Cómo sucede esto? sucede que si tenemos el material en fase austenítica
es decir, a una temperatura tal en el que la fase estable sea la austenita
pero cerca de comenzar la transformación a martensita
a temperatura austenita pero suficientemente baja como para estar cerca
de que se transforme a martensita
podemos provocar ese cambio de fase
no solo con calor, con energía térmica sino también con energía mecánica
es decir, mediante tensiones, serían las tensiones, la energía mecánica
La que daría ese salto energético suficiente para provocar el cambio de fase
y es ese cambio de fase durante la carga
la que va a hacer que aparentemente el material alcance unos valores de deformación muy altos
y además sean recuperables, porque si cambio de fase es completamente reversible
aquí tenéis una gráfica tensión-deformación de un nitinol. Un esquema de cómo sería
una curva tensión-deformación de un material con memoria de forma
en el que se ha producido este cambio de fase
este efecto de super-elasticidad
Partiríamos, como digo, de cero tensión y cero deformación en este punto y en fase austenítica
Entonces empezamos a deformar el material
y lo que sucede es que se deforma de manera elástica, lineal
y si en algún momento descargamos volveremos a bajar por la misma recta
Hasta aquí no hay nada novedoso
Pero llega a un valor sucifientemente alto
en el cual la energía mecánica que le hemos metido al material es suficientemente alta
como para que se produzca ese cambio de fase
y comienza el cambio de fase a martensita
y durante ese cambio de fase lo que sucede es que con muy poca tensión
o a penas sin variar la tensión, se está cambiando la fase del material
se están moviendo los átomos y por lo tanto se está deformando el material mucho
fijaos aquí como las deformaciones crecen mucho sin apenas aumentar las tensiones
Esto sucede hasta que todo el material está en fase martensítica
y por lo tanto, si seguimos deformando
volveríamos a tener el módulo de elasticidad que es diferente al de la austenita
pero sería otro metal elástico y lineal
Si desde ese punto volvemos a bajar
bajaríamos más o menos por el mismo sitio esto lo separo aquí esquemáticamente
y bajaríamos, descargaríamos de forma lineal, de forma elástica
hasta que la energía ya no es suficiente
para mantener esa fase martensítica recordemos que esa fase martensítica
a esa temperatura a la que estamos trabajando es inestable
De manera que cuando las tensiones son suficientemente bajas
se empieza a producir el cambio de fase de vuelta a la austenita
de nuevo se recuperan esas deformaciones se producen grandes deformaciones
sin apenas modificación del valor de la tensión hasta que ya de nuevo todo el material
termina en fase austenítica en ese punto y el resto de la descarga
se bajaría por la misma recta de descarga de la fase de subida de la fase austenítica
Es decifr, la clave es que las tensiones mecánicas
provocan también el cambio de fase a martensita
y al quitar esas tensiones mecánicas se vuelve a recuperar la fase austenítica
Aquí os pongo una tabla de las propiedades más interesantes del nitinol
Una densidad del orden de 6400Kg el metro cúbico
La temperatura de fusión de unos 1300 ºC
y las propiedades mecánicas dependen de la fase, claro
no tienen la misma estructura, una es una monoclínica y otro es una estructura cúbica
Por lo tanto, tanto módulo elástico, como límite elástico, como alargamiento en rotura
son diferentes en la fase austenítica y martensítica
Vemos ahí que la rigidez es del orden de 70 GPa en la fase austenita
y solo 30 en la fase martensítica
¿Qué aplicaciones tienen estos materiales? Son aplicaciones muy interesantes
que veremos en otro vídeo, por ejemplo en la aplicación como 'stents'
Los stents son estos elementos que tienen aspecto como de jaula, esta fotografía que tenemos aquí
como muelles... La idea es que estos stents se meten en el interior de los vasos sanguíneos
y se utilizan cuando un vaso sanguíneo se encuentra obstruido
porque haya placas de ateroma, por ejemplo, arteriosclerosis
y digamos, hay poco hueco para que pase la sangre
una solución es meter en el interior de este vaso sanguíneo
este stent, estos elementos metálicos llamados 'stents'
y ponerlos en la posición donde está esa obstrucción
y que se despliegue, se abra este muelle, este tubo
esto abre el vaso y permite el paso de la sangre en su interior
Claro, el hecho de utilizar materiales ... Se pueden hacer stents de muchos metales
pero utilizar nitinol tiene la ventaja de la recuperación de la memoria de forma
Puedes darle una forma de estar muy apretadito para que quepa por los vasos sanguíneos
fácilmente hasta llegar a donde tiene que ser deplegado
y cuando llega a donde tiene que ser desplegado
suministrarle calor o energía de alguna manera, permitirle que se depliegue y recupere la forma
inicial que sería abierto
Veremos que esto tiene otras ventajas incluso
Ese mismo efecto se puede considerar útil también para prótesis valvulares cardiacas
protesis que sean implantables via cataterismo o mediante un cateterismo transapical
Es lo mismo, tratar de introducir el elemento lo más pequeño posible
y cuando llegues al sitio, que se expanda
y el efecto de memoria de forma, o incluso la superelasticidad viene muy bien
porque esas deformaciones tienen que ser muy grandes
Lo mismo con los brackets dentales
la pieza que os he enseñado aquí en directo de cómo se deformaba y recuperaba la forma
de hecho es una pieza para un bracket dental
Se puede poner la pieza y que con la memoria de forma que recupere la forma que así apriete
y tienda a mover los dientes a la posición deseada
y por último tres transparencias hablando del magnesio
será el último material metálico del que vamos a hablar en este curso
El magnesio es un material que es biodegradable y absorbible en el cuerpo
ya está presente en el cuerpo en gran cantidad es el cuarto catión más común
que tenemos en el cuerpo. Es muy soluble en los fluidos corporales
y de hecho, los excesos se eliminan por la orina
favorece el crecimiento de hueso... Es decir, el magnesio es un elemento
que está habitualmente en el cuerpo, tiene que estar en el cuerpo, es necesario
Además, las propiedades mecánicas del magnesio
que como metal son muy similares al hueso
más similares que los metales más tipicamente usados, que son
como hemos visto, el acero inoxidable, las aleaciones de cobalto-cromo y el titanio
Aquí hemos puesto una tabla comparando
esos cuatro metales, el titanio, el cobalto-cromo
y acero inoxidable con el magnesio y las propiedades que tendría el hueso
Digamos que la densidad del magnesio es casi la misma que la del hueso
que sin embargo los otros metales es el doble o cuatro veces superior
El módulo de elasticidad es algo mayor que el del hueso, el doble o así, pero aun así más cercano
mucho más próximo que cualquiera de los otros tres metales
y límite elástico y la tenacidad son suficientemente buenos
mecánicamente es un material estupendo para ser sustitutivo del hueso
Además, como el magnesio favorece la fabricación de hueso
pues el magnesio favorece la incorporación de calcio en el hueso
Por lo tanto, el tener una pieza de magnesio
favorecería la osteointegración y la formación de hueso
Según esto, entonces, según esta transparencia sin más
el magnesio es el mejor material para sustituir hueso
y sin embargo no es así, no es el que más se usa
que como os he dicho, son los otros tres, el acero inoxidable, el cobalto-cromo y el titanio
y esto es principalmente porque se produce una corrosión muy rápida
dentro de los fluidos corporales. Es decir, el magnesio se disuelve
se corroe, se disuelve muy rápidamente en los fluidos que tengamos en el cuerpo
Entonces esto va a producir dos efectos negativos
Uno, el primero es que vamos a tener concentraciones altas de magnesio en el cuerpo
Esto lo que hce es que perjudica, vimos en uno de los vídeos anteriores
qué problemas puede causar el exceso de magnesio
Os lo recuerdo aquí, dificulta la neurotransmisión
dificulta la transmisión de información entre las neuronas
Esto puede producir parálisis, puede producir dificultades respiratorias, puede producir infarto
que no solamente estamos hablando de elementos del sistema nervioso central
sino también de elementos que nosotros no controlamos
Eso es un primer efecto negativo en el cuerpo
Luego hay otro efecto de la rápida disolución del magnesio
y es en el propio elemento, en la propia pieza de magnesio que introducimos en el cuerpo
y es que si se disuelve muy rápidamente sus propiedades mecánicas van a empeorar demasiado
deprisa, quizá más rápido de lo que debe
antes de que, por ejemplo, se hayan soldado las dos piezas de hueso
que estemos queriendo unir con ello
Antes de que el cuerpo haya podido reparar el daño
que haya y por el cual hayamos introducido ese magnesio
Entonces ambos problemas son importantísimos
y eso limita mucho la utilización del magnesio
Por lo tanto, si el problema principal es ese
pues tratemos de evitarlo ¿Cómo se puede evitar? medidas para disminuir
esta disolución de magnesio en el cuerpo
pues una es tratando del cuerpo no vea que hay magnesio, es decir, recubrirlo, taparlo
bien con un anonizado, con hidroxiapatita
es complicado pero se pueden pegar capas de hidoxiapatita alrededor
y la hidroxiapatita hace que lo detecta el cuerpo como propio y así no disuelve el magnesio
Otra forma de arreglar esto es alearlo, es decir
meterle elementos que modifiquen sus propiedades a corrosión en el cuerpo, en suero salino
y por lo tanto disminuya la velocidad de corrosión de ese magnesio
Porque el hecho en sí de que se disuelva no es malo siempre y cuando pudiéramos controlar
o podamos controlar la velocidad de disolución
Si esa velocidad de disolución y la desapaición del magnesio
no es demasiado alta, pues ese magnesio en exceso se puede ir eliminando sin problema
y además las propiedades mecánicas van disminuyendo
a la vez que las propiedades mecánicas del propio hueso que está siendo reparado vayan aumentando
y poco a poco, esto sería ideal, que la prótesis que estamos poniendo vaya siendo
totalmente disuelta por el cuerpo, sin tener que retirarla
eso sí, despacito y sin haber generado ningún problema antes
Este era el último tipo de material que veíamos, os dije
simplemente comentaros el hecho de que es importante también
una aplicación interesante son las espumas metálicas
esto no es un tipo de material, muchos tipos de metales
se pueden fabricar en forma de espumas
básicamente la idea es, con el metal, en vez de fabricar una pieza maciza
fabricar la pieza con muchos poros, con muchos agujeros
¿Esto qué ventajas va a tener?
va a tener que los poros al final lo que hacen es un material compuesto metal-aire
y por lo tanto vas a bajar mucho la rigidez del material
que en general es interesante en el caso de los metales
porque en general casi todos tienen más rigidez que el hueso
o que los tejidos del cuerpo, por tanto el bajarlo es interesante
porque hay que tener mayor compatibilidad mecánica
entre los elementos del cuerpo y los metales
Además de eso, estos poros
son huecos o espacios en los que se pueden introducir las células de nuestro cuerpo
crecer tejido de nuestro cuerpo dentro y de esa manera
permitir la integración de la prótesis en el propio cuerpo
hay casas comerciales que fabrican material
espumas metálicas de tántalo para prótesis de cadera
como véis aquí esto sería una prótesis de cadera
y en esta zona de aquí utiliza tántalo
poroso para facilitar esa osteointegración
Qué sucede con los poros en las espumas metálicas
porque hay que hacer un equilibrio entre las propiedades que tenga el implante
y que van a ser cada vez peores a medida que hagamos poros
y la integración biológica y el ajuste a las propiedades de los tejidos del cuerpo
si estamos hablando del hueso, pues del hueso
que cuantos más poros, más nos iremos acercando
Pero si ponemos demasiados poros y dañamos demasiado en implante
puede ser que mecánicamente nos falle entonces hay que hacer un equilibrio
entre el tamaño, numero, forma de poros y conectividad de los mismos
y las propiedades que queremos obtener
Yo creo que con esto tenemos una idea bastante buena de
los materiales metálicos empleados como biomateriales
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