Abstrac-Se presenta el Ti comercialmente puro y la aleación de Ti-6Al-4V como un biomaterial implementado para la fabricación de implantes para huesos del cuerpo humano, además se muestra una mejora en propiedades y biofuncionalidad de este biomaterial al crearle una microestructura porosa, finalmente se propone un biomaterial alternativo (carburo de silicio biomorfo BioSiC) el cual puede sustituir al titanio poroso en dichas aplicaciones biomédicas.

I. INTRODUCCIÓN

La necesidad de reemplazar partes óseas del cuerpo humano de manera parcial o permanentemente debido a enfermedades o traumas severos ha llevado a crear implantes a base de materiales metálicos y algunas veces cerámicos, los cuales con el transcurrir de los años están presentando una evolución tecnológica cada vez mayor con el objetivo de tener propiedades y una biofuncionalidad semejante al del tejido óseo reemplazado. Un ejemplo de esta evolución se ve reflejado en los implantes creados a base de titanio c.p (comercialmente puro) o aleado como (Ti-A6l-4V) los cuales se les han creado poros en su estructura con el objetivo de parecerse más al hueso sustituido y así cumplir su función a cabalidad, esto es lo que se quiere mostrar en el siguiente paper.

II. ROL DESEMPEÑADO POR EL TITANIO POROSO EN EL CUERPO HUMANO

En el cuerpo humano el titanio poroso tiene como función principalmente el reemplazo de partes óseas las cuales no funcionan correctamente o que dejaron de funcionar, debido a enfermedades como la osteoporosis, artritis y o fracturas de alta gravedad, permitiendo una mayor unión entre el implante-hueso gracias a la osteointegración, osteoconduccíón y el libre acceso del fluido fisiológico, plasma sanguíneo y colonización celular necesario para el crecimiento del hueso, además disminuye el fenómeno de stress shielding gracias a su bajo módulo de Young evitando posibles fracasos del implante como aflojamiento y fracturas. [3] [14] [9]

En la figura 1 se observa una caja intersomática de columna lumbar fabricada con titanio poroso.

III. EVOLUCIÓN TECNOLÓGICA DEL TITANIO

El titanio puro y sus aleaciones aparecieron en 1946 y desde ese momento ya se creía que iba a tener una aplicación bastante elevada en el campo de la medicina más específicamente en el reemplazo de partes óseas debido a sus propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y propiedades biológicas como biocompatibilidad y osteoconductividad.

De 1950 a 1990 fueron desarrolladas la primera generación de aleaciones de Ti α y (β+α) que se caracterizaban por su alto módulo de Young de aproximadamente 110 GPa en las que se encuentra el titanio comercialmente puro (, grado 1-4), Ti-6Al-4V ELI (α+β) grado estándar, la segunda generación se han venido trabajando desde 1990 hasta nuestros días y tienen un módulo de Young más bajo que se encuentra entre (55-90 GPa) en los que se encuentran Ti-13Nb-13Zr (forjada entre otros.

Como se observa las aleaciones de la segunda generación presentan un módulo de Young más bajo que los de la primera generación sin embargo estos presentan una baja resistencia al desgaste, a la fatiga y la fluencia, es por esto que se prefiere trabajar con las aleaciones de titanio de la primera generación más específicamente con el titanio comercialmente puro y Ti-6Al-4V ELI (α+β), sin embargo se hizo necesario trabajar sobre estas aleaciones para disminuir su módulo de Young y aumentar la unión entre el implante-hueso.

Debido a que se necesitaba solucionar los problemas anteriormente dichos se basaron en los estudios realizados por weber y White (1972) sobre implantes porosos para aumentar la osteointegración, por tanto se buscó crear una aleación de titanio porosa para mejorar las propiedades y la fijación del implante, dado que esta fijación entre el implante-hueso se realizaba utilizando tornillos y adhesivos, sin embargo esta unión se mejoró por el crecimiento de tejido óseo a través de una matriz metálica porosa, además se logra reducir el módulo de Young a valores cercanos a los del hueso disminuyendo los problemas asociados al stress shielding y finalmente permite el transporte de líquidos fisiológicos a través de los poros que permiten el crecimiento del hueso.

Para crear este biomaterial de titanio poroso hoy día se siguen creando una serie de procedimientos para su respectiva fabricación

Titanio poroso implementado como biomaterial para el reemplazo de huesos en el cuerpo

humanoWilliam Miguel Ramírez S, Iván Andrés Portillo C

Ingeniería metalúrgica, Universidad Industrial de Santander

Bucaramanga, Colombia

Williamramirez07@gmail.com

Choivan_93@hotmail.com

en donde se varían las propiedades mecánicas controlando la porosidad, el tamaño, forma y distribución de los poros y sobre todo las variables principales en pulvimetalurgÍa como la temperatura de sinterización y la presión de compactación. [9]

IV. FABRICACIÓN DEL TITANIO POROSO

El proceso de fabricación del titanio poroso se puede llevar a cabo por distintos procesos en los cuales se busca tener un buen control sobre la forma, tamaño y profundidad de los poros para así garantizar unas buenas propiedades mecánicas como una buena biofuncionalidad y biocompatibilidad del material.

Entre los procesos empleados con éxito para la fabricación del titanio poroso se encuentran: Metalurgia en polvos, Espaciadores (space-holder), Replicación, Generación de burbujas (por expansión controlada de argón, formación de burbujas en Ti líquido y gel casting), Freeze casting, Prototipado rápido RP y Conversión de un precursor cerámico poroso a espuma metálica de titanio. [9]

Uno de los procesos más utilizados es el método de espaciadores, debido a que me permite obtener piezas porosas de titanio más fácilmente, cuyo control de forma, tamaño y cantidad de poros viene determinado por la geometría, dimensión y volumen de espaciador. [20]

Inicialmente se debe producir el polvo metálico mediante métodos químicos, físicos o mecánicos, el método que se escoja debe estar relacionado con el tipo de aplicación, la estructura y las propiedades deseadas del producto final.

A. Método Químico:

Se clasifica en reducción química y descomposición, estos procesos se basan en reacciones de óxido-reducción de compuestos metálicos o soluciones acuosas (hidrometalurgia), además de la descomposición de los mismos.

B. Método Físico:

Presenta dos métodos electrolítico y la atomización, el método electrolítico es el más utilizado para la producción de polvo de titanio.

C. Método Mecánico:

La conminución1 mecánica es posible por métodos tales como impacto, molienda, corte y compresión, utilizando por ejemplo molinos de bolas.

Teniendo el polvo de titanio se mezcla con el material espaciador previamente seleccionado que para este caso es el bicarbonato de amonio, cuando esta mezcla se encuentra homogénea se continua con la compactación de la misma para obtener material en verde, seguidamente se somete a un calentamiento leve para eliminar el espaciador (aproximadamente 200 °C para el bicarbonato de amonio) finalmente se eleva la temperatura a 1200°C para realizar la sinterización y crear los cuellos que permiten la densificación de la estructura y por lo tanto una mejor integridad estructural. En la figura 1 se muestra en resumen el proceso de fabricación con espaciador polimérico. [9]

Para el proceso descrito en la fig. 2 se debe tener en cuenta: [9]

1) El tamaño de partícula del polvo metálico deberá ser más pequeño (25-85 µm) que el tamaño del polvo espaciador (355-500 µm).

2) La presión de compactación para la mezcla de polvo metálico y espaciador (material en verde) debe ser la adecuada para dar la resistencia mecánica necesaria para mantener la geometría a través del proceso de espumado.

3) En el momento de la sinterización se debe realizar en un horno al vacío debido a la alta reactividad del titanio con el oxígeno a estas temperaturas.

V. BIOCOMPATIBILIDAD DEL TITANIO POROSO

El titanio poroso fue diseñado con el objetivo de crear implantes biomédicos que tengas características semejantes al del tejido Óseo, además que tenga una interacción biológica adecuada generando una mejor biocompatibilidad, que disminuya el stress shielding y permita una mejor osteointegración.

Este material puede cumplir con los requisitos para los que fue creado porque presenta características tanto físicas y químicas que le permiten cumplir con dichos propósitos, entre en los que se encuentran:

A. Propiedades Mecánicas:

Le confiere buena tenacidad para soportar altos esfuerzos y bajo módulo de Young que se aproxima al del hueso disminuyendo la protección de carga (stress shielding) evitando así posibles fallas del implante, estas buenas propiedades son debido a la porosidad que presenta el material permitiéndole disminuir dichas propiedades semejándolas a las del hueso, además le permite un crecimiento de nuevo tejido óseo en su interior (osteointegración).

B. Propiedades Químicas:

Le confieren su biocompatibilidad debido a que cuando el material se encuentra en contacto con fluidos del cuerpo (presencia de oxigeno) sus átomos de la primera capa se oxidan formando iones, pero dichos Iones nunca se desprenden de la segunda capa de átomos no oxidados generando así que el material pase “invisible” frente al sistema de defensa biológico del organismo. [7][9]

Fig. 1 Caja intersomática para columna lumbar [2]

VI. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DEL TITANIO POROSO

A. Ventajas

1) Gracias a la alta osteoconductividad y la presencia de poros en el titanio poroso le permite aumentar la fijación del implante al hueso mediante la osteointegración (crecimiento de tejido óseo hacia el interior del implante).

2) La presencia de poros en el titanio le permite disminuir sus propiedades mecánicas como el módulo de Young, disminuyendo los problemas generados por el apantallamiento de cargas (stress shielding), además variando la cantidad de dichos poros permiten obtener implantes para los distintos huesos del cuerpo humano.

3) Debido a sus propiedades químicas, el titanio poroso presenta una alta biocompatibilidad con el cuerpo humano, pasando desapercibido al sistema de defensa biológico del huésped.

B. Desventajas

1) A pesar de la alta osteointegración del titanio poroso este presenta una leve capa de tejido fibroso el cual está relacionado con eventos de aflojamiento.

2) La alta presencia de poros en el titanio puede ocasionar una elevada concentración de esfuerzos, los cuales sería perjudicial para implantes que se van a someter a esfuerzos altos y constates como la prótesis de cadera.

3) Las prótesis de titanio tienen un costo elevado por lo que la adquisición de este biomaterial por parte de las personas no siempre se puede llevar a cabo. [9][7][2]

VII. AVANCES EN LA BIOFUNCIONALIDAD DE LOS IMPLANTES DE TITANIO POROSO CON RESPECTO A

LAS DE TITANIO CONVENCIONAL.

Aleaciones de titanio convencionales presentan propiedades químicas y físicas óptimas para el desarrollo de implantes óseos, sin embargo presentan la gran desventaja de que su módulo de Young es muy elevado generando problemas en el implante por el stress shielding, además de presentar una baja osteointegración. Es por esto se crea los implantes de titanio poroso, los cuales solucionan estos problemas por la presencia de dichos poros, por ejemplo la disminución del módulo de Young semejándolo al del hueso, aumenta la unión implante-hueso debido al crecimiento del hueso alrededor y dentro del implante, además disminuye la formación de tejido fibroso alrededor del implante.

VIII. MATERIAL ALTERNATIVO QUE PUEDE SUSTITUIR EL TITANIO POROSO.

Fig.2 Proceso de fabricación del titanio poroso mediante el uso de espaciador polimérico [9]

Como se ha venido hablando a lo largo de este paper el titanio poroso cumple con los requerimientos mínimos para ser un sucesor parcial o total del hueso, gracias a sus buenas propiedades mecánicas, alta biocompatibilidad y osteointegración. Sin embargo se está estudiando un nuevo biomaterial que no es metálico sino cerámico que también cumple con los requisitos del hueso nombrados anteriormente y es el carburo de silicio biomórfico (BioSiC).

El carburo de silicio biomórfico es un nuevo biomaterial que se está estudiando para que pueda ser reemplazo de tejido óseo (implantes) y tiene como base principal la madera, la cual presenta buenas propiedades de resistencia, rigidez y ligereza, Además unida a su abundancia en la naturaleza (renovable), bajo coste, variedad y versatilidad la hace la protagonista de este biomaterial. [18]

Básicamente el biomaterial de carburo de silicio biomórfico presenta una microestructura porosa que se crea por la madera precursora, ya que ésta presenta una morfología porosa anisotrópica con una excelente elasticidad, resistencia y tolerancia al daño, y que al pasar a ser cerámico dichas propiedades aumentaran. Existen varios procesos para fabricar el BioSiC como el sinterizado en caliente sin presión, compactado por reacción, etc. Pero el más utilizado es el proceso de pirolisis e infiltración de silicio debido a que presenta ventajas como

bajos costos de fabricación, no requiere de polvos de SiC puros, permite gran variedad de microestructuras y propiedades en función de la madera precursora, entro otros.

A. Proceso de Fabricación del Biosic por Pirolisis e Infiltración de Silicio.

El secado de la madera se realiza a una temperatura de 70°C por 15 horas, seguidamente se realiza la pirolisis en una atm de Ar en donde los polímeros hidrocarbonados poliaromáticos se descomponen completamente y forman carbón, además se pierde un peso aproximado del 70-80% dependiendo de la clase y composición de la madera. La infiltración del silicio se da cuando el líquido se encuentra en contacto con los poros de la preforma del carbón a una temperatura de 1410°C finalmente se retira el exceso de Si líquido. Ver figura 3. [12][18]

B. Propiedades Mecánicas:

Las propiedades mecánicas del BioSiC tienen un valor de resistencia a la compresión entre 160 hasta 210 MPa en la dirección longitudinal, mientras que en la dirección radial los valores fluctúan

entre 120 y 430 MPa y el módulo de Young se encuentra entre 25 y 230 GPa estos valores se adecuan de acuerdo a la cantidad de Si que se haya eliminado de la superficie. Estos valores comparados con los del hueso cortical humano son semejantes La resistencia a la compresión es de 193 MPa en la dirección longitudinal, 133 MPa en la dirección radial y el módulo de Young entre 4 y 30 Gpa. [18]

C. Biocompatibilidad:

En pruebas realizadas in vitro demostraron que no hubo un efecto significativo en la actividad celular en ninguna de las concentraciones a las que se trabajaron, en general se sugiere que el BioSiC está libre de sustancias perjudiciales o al menos contienen una cantidad insuficiente para producir daños considerables en cultivos in vitro.

En pruebas in vivo realizadas en conejos mostraron que hubo crecimiento de hueso alrededor e interior del implante, sin la formación de tejido fibroso en la interfaz de los mismos, además presentó osteointegración y una disminución del stress shielding.

La desventaja que presenta este biomaterial es la posible causa de silicosis, que es una enfermad pulmonar debido a la presencia de silicio en los pulmones, sin embargo se está trabajando en ello para

disminuir el riesgo de desarrollarla. [1][18]

Fig. 3 Proceso de fabricación del carburo de silicio biomorfo por pirolisis e infiltración de silicio. [12]

Fig. 4 Micrografías SEM de SiC biomórfico obtenida a partir de madera Sapeli, imagen superior corte longitudinal e inferior corte transversal. Muestra la porosidad de la madera, la cual permite la microestructura poroso en el BioSiC. [1]

IX. CONCLUSIONES

1. El titanio poroso presenta un gran avance tecnológico para la fabricación de implantes óseos gracias a sus buenas propiedades tanto físicas como químicas, permitiendo aumentar la unión entre implante-hueso disminuyendo el apantallamiento de carga (stress shielding) y generando el crecimiento de tejido óseo en el interior del implante por la presencia de los poros en su microestructura.

2. Controlando la cantidad y el tamaño de los poros en el titanio se pueden realizar implantes para cada tipo de hueso, dado a que todos los huesos no están sometidos a los mismos esfuerzos.

3. Se determinó que el carburo de silicio biomórfico (BioSiC) puede ser un sustituto de los implantes del titanio poroso, debido a que sus propiedades mecánicas son muy similares

a los del hueso humano, además que presenta una elevada osteointegración y sobre todo una excelente biocompatibilidad que es fundamental en el diseño de implantes médicos.

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