Tema 7: Biomateriales metálicos

Question 1

Introducción

Answer 1

-El 75% de los elementos de la tabla periódica son metales, pero pocos de ellos se pueden utilizar como biomateriales por problemas de biocompatibilidad.
-Algunos, a pesar de ser esenciales, si aparecen en cantidad excesiva o escasez, pueden ser un problema para el organismo
-Los más utilizados como biomateriales son: Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Mo y Ni

Question 2

Acero

Answer 2

-Es una aleación de Fe-C con un contenido máximo de C del 2% en masa
-El principal problema es que se corroe fácilmente, por lo que no se puede usar como biomaterial

Question 3

Acero inoxidable

Answer 3

-Es un acero con Cr, mínimo 10-12% en masa
-El Cr “evita” la corrosión, por lo que se puede utilizar como biomaterial

Question 4

Algunos tipos de acero inoxidable

Answer 4

-Acero inox 18-8: 18%Cr y 8%Ni, el primer acero que se utilizó para implantes
-Acero inox AISI 316L: El más utilizado actualmente, L=Low carbon, tiene peores prop mecanicas que el 316 pero mejor comportamiento a corrosión (mejor biocompatibilidad), el Ni puede dar problemas de alergia
-Aceros inox con poco Ni: suteníticos con poco Ni, se busca cambiar el Ni por otros gammagenos (Mn o N)

Question 5

Aplicaciones del acero inox

Answer 5

-Dispositivos mecánicos: Placas, tornillos,…
-Implantes ortopédicos: Vástago para prótesis de cadera
*La aplicación de aceros inox se ha visto un poco relegada por problemas de fatiga y corrosión

Question 6

Fabricación de aceros inox

Answer 6

-Trabajable en frío: Con un tratamiento posterior de recocido para relajar tensiones residuales
-Soldable: Se pueden unir piezas para ar geometrías complejas
-Tratamientos superficiales químicos y residuales: para ar un buen acabado
-Pasivación: crenado una capa que protege al material de posteriores corrosiones

Question 7

Desventajas de los aceros inox

Answer 7

-Alta densidad y rigidez
-No es bioactivo
-Corrosión galvánica (en contacto con otros metales)
-Propiedades bajas de rozamiento y desgaste

Question 8

Aleaciones de Co-Cr

Answer 8

En general son materiales con muy buenas propiedades
Las más frecuentes son:
-F-75 (CoCrMo)
-F-90 (CoCrWNi)
-F562 (CoCrNiMo)
-F563 (CoCrNiMoWFe)

Question 9

Fabricación de las aleaciones de Co-Cr y diferencias

Answer 9

Fabricación:
-Moldeo: Para geometrías complicadas. F-75. Para implantes dentales
-Forja: deformar la pieza hasta lograr la forma deseada. F-90. Stems
Diferencias:
-En moldeo buenas prop mec, pero mejor en forja
-Moldeo permite geometrías complicadas, pero no es trabajable y es difícil e mecanizar
-Las de forja contienen Ni, lo que puede dar alergia

Question 10

Propiedades de las aleaciones de Co-Cr

Answer 10

-Alta rigidez, resistencia a corrosión salina, fatiga y desgaste
-Se pueden pulir
-Se utilizan donde haya que resistir cargas altas y haga falta alta resistencia al desgaste

Question 11

Ventajas y desventajas de las aleaciones de Co-Cr

Answer 11

Ventajas:
-Muy buenas propiedades mecánicas
-Resistente a corrosión marina
-Alta resistencia en fatiga y durabilidad
-Alta resistencia al desgaste
Desventajas:
-Caras
-Alta densidad y rigidez
-Pobres propiedades tribológicas contra si mismo
*Piezas por moldeo no se pueden trabajar en frio y el mecanizado es complicado
*Piezas por forja tienen mucho Ni y son difíciles de trabajar

Question 12

Aleaciones de Ti

Answer 12

-Tienen alta resistencia a corrosión (mejor cuanto más puro), pero propiedades mecánicas pobres.
-Para mejorar las propiedades mecánicas se añaden aleantes, lo que empeoran la resistencia a corrosión
-El grado nos indica la pureza de la aleación, siendo 1 más Ti y 4 menos Ti. La presencia de impurezas aumenta la resistencia a tracción y el límite elástico

Question 13

Tipos de aleaciones de Ti

Answer 13

-Tipo alpha: Red HCP, muy resistente y dúctil
-Tipo beta: Red BCC, más resistente, menos dúctil
-Tipo alpha+beta: Responde a tratamientos térmicos, alto límite a fatiga, la más común es Ti6Al4V. Como tienen tanto fase alpha como beta, puede cambiar de HCP a BCC

Question 14

Propiedades de las aleaciones de Ti

Answer 14

-Es biocompatible
-Buena resistencia a corrosión
-Densidad media (la mitad que el acero)
-Buena rigidez/módulo elástico: similar a la del hueso, lo que facilita la absorción ósea
-Buena tenacidad: facilita la detección de grietas
-Muy reactivo: Muy bioactivo
-Baja resistencia al desgaste: es lo único malo, pero se puede mejorar con un tratamiento superficial de TiN

Question 15

Aplicaciones de las aleaciones de Ti

Answer 15

Se utiliza mucho en medicina (1000 ton/año)
-Reemplazo de huesos y articulaciones
-Fijación de fracturas óseas
-Implantes dentales
-Dispositivos cardiovasculares
-Instrumental quirúrgico
-Prótesis externas

Question 16

Nitinol

Answer 16

Es una aleación de Ni y Ti (aprox 50-50%) con memoria de forma

Question 17

Aplicaciones del Nitinol

Answer 17

-Stents
-Válvulas cardiovasculares
-Brackets y alambres dentales
-Superelasticidad

Question 18

Tipos de memoria de forma:

Answer 18

Simple:
-La austenita se forma y se enfría con una geometría, la cual es la forma a recordar
-La martensita se deforma a bajas temperaturas
-Al aumentar la temperatura, se vuelve a la forma original
Doble:
-Después de varios ciclos simples
-El material es capaz de recordar ambas formas

Question 19

Fases estables del Nitinol en función de la temperatura

Answer 19

La memoria de forma del nitinol se debe a que puede tener dos fases estables en función de la temperatura:
-A baja T (T ambiente): la fase estable es la martensítica, con menor límite elástico, menor dureza y menor resistencia
-A alta T: La fase estable es la austenítica, con mejores propiedades mecánicas

Question 20

Proceso de cambio de fase debido a la temperatura

Answer 20

Si tenemos la pieza de nitinol es fase autenítica (la fase a recordar) a una T>Af (temperatura final de transformación austenítica), y lo enfriamos a una T<Mf (temperatura final de transformación martensítica) se obtiene la pieza en fase martensítica. Si deformamos mecánicamente, con deformaciones permanentes, la pieza en fase martensítica, y luego la calentamos a una T>Af, el material recupera la fase austenítica (la forma inicial)