MOOC Biomateriales 8.3: Biomateriales Metálicos NiTinol y Magnesio

Summary

Este 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

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🤖 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.

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🔍 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.

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🛠 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.

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🌟 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.

20:14

🛡 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.

Keywords

💡Biomateriales metálicos

Biomateriales metálicos son materiales que se utilizan en medicina y odontología para la construcción de implantes y dispositivos médicos. En el video, se discuten dos de estos materiales específicos: el nitinol y el magnesio, destacando sus propiedades y aplicaciones en el cuerpo humano.

💡Nitinol

El nitinol es una aleación de níquel y titanio que posee memoria de forma, lo que significa que puede recordar y recuperar su forma original después de ser deformado. Es un ejemplo principal de biomaterial metálico en el video, utilizado en aplicaciones como stents y brackets dentales.

💡Memoria de forma

La memoria de forma se refiere a la capacidad de un material para recordar y recuperar su forma original después de ser deformado. En el contexto del video, el nitinol muestra esta propiedad, lo que la hace ideal para usos en implantes y dispositivos que necesiten cambiar de forma en el cuerpo.

💡Superelasticidad

La superelasticidad es una propiedad que permite a un material someterse a deformaciones elásticas muy grandes sin sufrir daño plástico. El nitinol mencionado en el video exhibe esta propiedad, lo que le permite absorber grandes fuerzas sin perder su integridad estructural.

💡Magnesio

El magnesio es un biomaterial metálico biodegradable y absorbible en el cuerpo, siendo el cuarto catión más común en el cuerpo humano. Aunque posee propiedades mecánicas similares al hueso, su rápida corrosión en los fluidos corporales limita su uso en implantes.

💡Corrosión

La corrosión es el proceso por el cual un material, como el magnesio en este video, se disuelve o se deteriora en un entorno específico, como los fluidos corporales. En el caso del magnesio, su rápida corrosión puede resultar en problemas de exceso de magnesio en el cuerpo y empeorar las propiedades mecánicas del implante.

💡Stents

Los stents son dispositivos metálicos en forma de jaula o muelle que se colocan dentro de los vasos sanguíneos para mantenerlos dilatados y permitir el flujo sanguíneo. El nitinol, debido a su memoria de forma, es un material ideal para stents que pueden ser desplegados en el interior de los vasos sanguíneos.

💡Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de un material se refieren a sus características como la rigidez, el módulo elástico y la resistencia a la deformación o rotura. En el video, se comparan las propiedades mecánicas del nitinol y el magnesio con las del hueso, destacando cómo estas propiedades son cruciales para la integración y el rendimiento de los implantes en el cuerpo.

💡Hidroxiapatita

La hidroxiapatita es un recubrimiento que se puede aplicar sobre implantes metálicos para mejorar su integración en el cuerpo y reducir su corrosión. En el video, se sugiere que recubrir el magnesio con hidroxiapatita puede ayudar a controlar su disolución en los fluidos corporales.

💡Espumas metálicas

Las espumas metálicas son una forma de fabricar biomateriales metálicos con una estructura porosa. Esto reduce la rigidez del material y permite la integración de células y tejido del cuerpo, mejorando la compatibilidad mecánica y la osteointegración de los implantes.

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