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Shape memory biomaterials

Biomateriales con memoria de forma y superelasticidad.

¿Sabía que cada año se implantan en Europa 420.000 prótesis de cadera y 210.000 de rodilla? ¿Existe un material que consiga la unión instantánea de las fracturas y que favorezca la formación de tejido óseo? ¿Se lograrán algún día prótesis inteligentes capaces de adecuar su respuesta a lo que pide en cada momento el aparato locomotor?

La bioingeniería: una ciencia multidisciplinar.

El aumento de la esperanza de vida ha traído consigo una demanda creciente de derivados sanitarios y la aparición y desarrollo de novedosas tecnologías médicas. Todo ello ha dado lugar a la aparición de una disciplina de enorme futuro, la Bioingeniería, que trata de compaginar desarrollos médicos con desarrollos de nuevos materiales y diseños ingenieriles.

La Biomecánica, por ejemplo, se encarga de estudiar el comportamiento mecánico del cuerpo humano, identificando el comportamiento de tejidos y órganos, así como la interacción del cuerpo con distintos tipos de prótesis, implantes y demás elementos artificiales.

Los biomateriales.

Los biomateriales constituyen uno de los avances más importantes en la medicina actual: mejoran la calidad de vida de los pacientes y reducen el tiempo de curación y convalecencia de enfermedades y traumatismos.

Pueden ser un metal, una cerámica o un polímero. La única condición que debe cumplir es que sea biocompatible, esto es, que no produzca rechazo por parte del sistema inmunitario humano. Por otra parte, sus propiedades mecánicas deben ser compatibles con el órgano al que se incorporan. A todo esto hay que añadir que sea fácil de esterilizar, manipular y colocar.

Además de su importancia científica, estas aleaciones poseen numerosas aplicaciones, que van desde la tecnología espacial a la utilización en medicina, pasando por todo tipo de aplicaciones industriales.

La investigación actual se centra en combinaciones metal-metal o cerámica-cerámica con bajos coeficientes de fricción, aceros inoxidables con bajo contenido en níquel, materiales con memoria de forma, polietilenos irradiados con electrones de baja energía, materiales biodegradables con resistencia mecánica controlable…

Un ejemplo multidisciplinar: el desarrollo de prótesis del aparato locomotor.

El envejecimiento promedio de la población en países occidentales, unido a la creciente tasa de accidentes de tráfico, ha disparado el número de intervenciones por fractura que necesitan, en muchos casos, de prótesis o de fijaciones. Conseguir los mejores diseños de prótesis es todo un reto, al igual que estudiar la influencia que tendrán a largo plazo sobre los tejidos circundantes. Esto se realiza mediante programas que simulan el comportamiento del conjunto prótesis-órgano, lo que permite reproducir su evolución a lo largo del tiempo e incluso considerar posibles situaciones futuras: aparición de pérdidas óseas, aflojamiento entre implante y hueso, falta de estabilización de la fractura…

En este sentido, la ?gran pareja? de las prótesis articulares es metal-polietileno, donde el metal es un tipo de acero inoxidable o aleaciones de cobalto-cromo-molibdeno. El polietileno tiene la ventaja de que posee altas prestaciones mecánicas: resistencia a la fatiga, baja fricción, tenacidad y autolubricación.

Materiales con memoria de forma.

Un material con memoria de forma es capaz de recordar una forma previamente establecida, incluso después de soportar serias deformaciones, cuando se le somete a un aumento de temperatura. Esto los hace de mucha utilidad a la hora de diseñar biomateriales que, por ejemplo, deban ocupar un cierto espacio dentro del cuerpo y no se pueden introducir con ese tamaño en el interior del organismo.

El primer material con memoria de forma se descubrió en el U.S. Naval Ordenance Laboratory en 1963: la aleación equiatómica níquel-titanio (NiTi). Investigaciones posteriores han identificado esta propiedad en otras aleaciones, como las de cobre con aluminio, níquel o cinc o las aleaciones de níquel-aluminio. Estos materiales presentan un gran número de aplicaciones industriales.

Física de los materiales con memoria de forma.

Los materiales con memoria de forma presentan dos fases diferentes. A baja temperatura, la fase se denomina martensita y a alta, austenita. En la fase martensita el material es más maleable y fácil de trabajar que en la de austenita.

Calentando el material hasta una temperatura en la que todo él sea austenita, le podemos dar la forma que queremos que recuerde posteriormente. Después se enfría hasta que todo el material se haya transformado en martensita. Esta transformación ocurre sin que se produzca cambio de la forma del material, pero como esta fase es muy maleable la forma se puede cambiar fácilmente. Esta nueva forma se mantiene mientras el material no se vuelva a calentar.

Al calentar de nuevo y volverse a producir la transformación a austenita, el material vuelve a recuperar la forma que tenía inicialmente. Este comportamiento es el que se conoce como materiales con memoria de forma de un camino y es el más simple.

Evidentemente, las temperaturas a las que se producen estas transformaciones varían en función del tipo de aleación y este comportamiento puede modificarse mediante adecuados tratamientos térmicos y mecánicos del material.

¿Cómo se produce ésta transformación?

Desde el punto de vista de la estructura atómica, la transformación de austenita en martensita se produce en dos etapas:

1.- Aparece un desplazamiento de los átomos que en principio podría hacer pensar en un cambio de forma exterior de la pieza. Esto no ocurre porque la martensita se adapta a la forma inicial de la austenita por un mecanismo de autoacomodo, denominado maclado.

Este proceso implica el establecimiento dentro de la martensita de regiones separadas por fronteras, denominadas fronteras de macla, en donde la disposición de los átomos de una región es la imagen reflejada de la región adyacente. Si la martensita se deforma a continuación por aplicación de una fuerza o una carga, las fronteras se desplazan, creciendo unas regiones a costa de otras: es lo que se denomina desmaclado. Este proceso se traduce en un cambio de forma exterior de la pieza.

2.- El calentamiento posterior de esta martensita deformada por desmaclado total o parcial sólo tiene una posibilidad de pasar a austenita, lo que implica, y esto es lo fundamental, volver también a la forma exterior original. En definitiva, calentando la martensita con cualquier grado de desmaclado y con la deformación que se haya producido, se obtendrá siempre la misma fase austenítica, con la forma exterior original.

Superelasticidad.

Otro método de obtener martensita sin enfriar la austenita, consiste en someter al material en la fase austenita a una tensión de tracción. Por encima de cierto valor crítico se genera lo que se denomina martensita inducida por tensión (SIM). Este proceso tiene lugar en un determinado rango de temperaturas.

Si la temperatura es muy alta, antes de producir la transformación a martensita deformamos plásticamente el material de forma irreversible.

Si la temperatura es muy baja, la martensita es estable térmicamente y por ello cuando dejamos de aplicar la fuerza, el material no cambia de forma porque sigue siendo martensita.

En el rango intermedio de temperaturas adecuadas la fase del material es la austenita, con la forma final. Si le aplicamos una tensión tiene lugar la transformación a martensita. Dadas las propiedades de esta fase, la tensión produce una gran deformación, que es totalmente recuperable al dejar de aplicar la tensión porque se vuelve a producir la transformación a austenita ya que la martensita no es estable termodinámicamente a esta temperatura. Al final el material tiene la misma forma que al principio. Este comportamiento se conoce como superelasticidad.

Aplicación de éstos materiales en medicina.

De los materiales que presentan memoria de forma, sólo la aleación basada en níquel-titanio en proporciones equiatómicas es biocompatible, compitiendo con ventaja con otros biomateriales como los aceros inoxidables y las aleaciones de titanio y cromo. Si a esto unimos sus propiedades de memoria de forma, superelasticidad y alta capacidad de amortiguamiento de las vibraciones mecánicas, no resulta sorprendente su utilización en traumatología, estomatología, radiología y ortopedia

Traumatología.

Se fabrican grapas, principalmente con memoria de forma de un camino. Se introducen deformadas (martensita) y, al adquirir la temperatura del cuerpo humano, recuperan la forma previa (austenita), que obliga a recolocar los huesos fracturados, manteniéndolos unidos durante su curación. Antes de implantarse, las grapas deben permanecer a bajas temperaturas. De manera experimental, se han fabricado correctores para deformaciones espinales (por ejemplo escoliosis) basados en la superelasticidad y elementos de sustitución de discos intervertebrales con capacidad de amortiguación.

Estomatología.

Las aplicaciones se centran en los arcos de ortodoncia. En este caso se deforma previamente el material para que, una vez colocado en la boca del paciente, comience a realizar una fuerza constante hasta que se haya conseguido la corrección necesaria (superelasticidad).

Cristales líquidos en la naturaleza.

Radiología Intervencionista.

Fue una de las primeras aplicaciones médicas. Se ideó un filtro para la vena cava con objeto de retener los posibles coágulos de sangre. Este elemento se introduce deformado en el torrente sanguíneo y en la vena recupera su forma de paraguas abierto.

Stents.

Estas endoprótesis son utilizadas para ?abrir? los conductos del cuerpo humano a nivel biliar, esofágico, traqueal o vascular. Se introducen deformados con diámetros reducidos y, por elasticidad recuperan el tamaño y abren la obstrucción. También se ha utilizado el comportamiento de superelasticidad en algunos sistemas de precisión como guías para cateterismo y elementos de agarre para la colocación de “stents” vasculares.

¿Qué hacemos en el ICMA?

Desarrollamos aplicaciones de la aleación de memoria de forma NiTi en Medicina.

En colaboración con Departamentos de Radiología Intervencionista y Centros de Cirugía de Mínima Invasión se están desarrollando stents para aplicaciones colónicas y esofágicas.

De entre las diferentes aleaciones de memoria de forma, utilizamos la aleación de níquel-titanio por sus características tanto desde el punto de vista de la transformación austenita-martensita como de las propiedades termo-mecánicas que de ella se derivan: memoria de forma de un camino, de dos caminos, superelasticidad y anelasticidad. La combinación de estas propiedades junto a su biocompatibilidad ha permitido su aplicación tanto al campo de la Industria como al de la Medicina.

También investigamos en el modelado del material mediante ecuaciones constitutivas que den cuenta de los fenómenos termomecánicos, como primer paso en el diseño de dispositivos. Las aplicaciones en las que se trabaja son stents para colon, ferulajes para articulaciones y anclajes óseos.

Estudiamos cómo mejorar los materiales poliméricos de prótesis articulares.

El polietileno de ultra alto peso molecular (PEUAPM) es el material débil del par metal-polímero o cerámica-polímero en las actuales prótesis de cadera y rodilla. Nuestra investigación se dirige a desarrollar métodos que permitan disminuir el desgaste del material y alargar la vida ?in vivo? de las prótesis. En nuestros laboratorios intentamos estudiar los mecanismos de envejecimiento que se están produciendo en este material. Esta investigación se desarrolla en colaboración con grupos de investigación del Hospital Miguel Servet.

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