Los metales biomédicos, también conocidos como metales para implantes quirúrgicos, son las aleaciones utilizadas para el diagnóstico, el tratamiento y para sustituir o mejorar la función de los tejidos del cuerpo. El metal fue uno de los primeros materiales médicos utilizados, incluso entre el 400 y el 300 a.C., cuando los fenicios utilizaban alambres para reparar dientes perdidos. En la década de 1930, con el éxito del uso de la aleación de cobalto-cromo, el acero inoxidable y la aleación de titanio en odontología y ortopedia, los materiales biomédicos metálicos han sido un tema candente en el campo de la investigación quirúrgica. En la década de 1970, el éxito de la aplicación de la aleación con memoria de forma Ni-Ti en medicina clínica y el desarrollo de materiales de recubrimiento biomédico sobre superficies metálicas promovieron las aplicaciones de las aleaciones metálicas biomédicas. Los requisitos de los materiales metálicos biomédicos deben ser los siguientes:

  • Buenas propiedades mecánicas

Los materiales metálicos biomédicos deben ser generalmente ligeros, tener una excelente resistencia y tenacidad, bajo módulo elástico, buena resistencia a la fatiga, resistencia a la fluencia y la necesaria resistencia al desgaste y autolubricación. Debido a lesiones, tumores y otros factores, el hueso y la articulación se dañan, es necesario establecer un andamiaje óseo estable con placa de arco, tornillo, hueso artificial y articulación. Estos implantes de larga duración están sometidos a flexiones, compresiones y contracciones musculares, y requieren una gran resistencia y tenacidad.

  • Excelente resistencia a la corrosión

La corrosión de los materiales metálicos médicos está causada principalmente por: corrosión uniforme general: la superficie de los materiales implantados está expuesta al entorno fisiológico humano y se produce una acción electrolítica; corrosión por puntos causada por la mezcla de materiales implantados con impurezas; corrosión intergranular causada por diferentes componentes y propiedades físicas y químicas; corrosión galvánica causada por el uso mixto de materiales con diferente energía de ionización; desgaste y corrosión entre el implante y el tejido humano; corrosión por tensión causada por la concentración de tensión en una parte del material implantado debido a la carga; corrosión por fatiga por fractura de daños en el material implantado, etc.

  • Biocompatibilidad

La biocompatibilidad es un indicador importante para medir la calidad de los materiales. Se refiere a la tolerancia y adaptación mutuas del tejido humano y el material del implante, es decir, si el material del implante causará daños, toxicidad u otros perjuicios al tejido humano. Los materiales biomédicos no deben tener toxicidad, estimulación, carcinogénesis, mutación ni otros efectos en el cuerpo humano. Sin reacción de rechazo en el cuerpo humano; Fuertemente unidos con el hueso circundante y otros tejidos, preferiblemente unidos químicamente y biológicamente activos; Sin hemólisis, reacción de coagulación, es decir, con antitrombótico.

  • Sin magnetismo

Los materiales metálicos no se ven afectados por los campos electromagnéticos ni las tormentas, lo que favorece la seguridad humana.

En comparación con los materiales poliméricos, los materiales compuestos, los materiales híbridos y derivados y otros materiales biomédicos, los materiales médicos metálicos ofrecen alta resistencia, buena tenacidad y resistencia a la fatiga por flexión, excelente rendimiento de mecanizado y otras excelentes propiedades, que han sido los materiales de implante más utilizados en la aplicación clínica. La tecnología de impresión 3D de metal ha hecho que los materiales médicos metálicos se utilicen más ampliamente, los componentes típicos de aplicación incluyen placas de fijación interna de fracturas, tornillos, articulaciones artificiales e implantes dentales de raíz. En la actualidad, los materiales metálicos médicos incluyen principalmente acero inoxidable, aleación de cobalto, aleación de titanio, aleación con memoria de forma, metal precioso y metal puro de tántalo, niobio, circonio, etc.

Acero inoxidable

El acero inoxidable médico es una de las aleaciones biomédicas utilizadas inicialmente, es fácil de procesar, de bajo precio, ofrece buena resistencia a la corrosión y límite elástico y se puede mejorar mediante el procesamiento en frío, evitando la fractura por fatiga. El tipo más utilizado es el acero inoxidable austenítico 304/304L, 316/316L y 317L, que se utilizan para fabricar instrumentos médicos como cuchillos, tijeras, pinzas hemostáticas, agujas, componentes de implantes quirúrgicos como articulaciones artificiales, fijadores internos de fracturas, órtesis dentales, válvulas cardíacas artificiales y otros dispositivos implantados.

La biocompatibilidad del acero inoxidable de uso médico implica la reacción tisular provocada por la disolución de iones metálicos causada por la corrosión o el desgaste tras la implantación del acero inoxidable en el cuerpo humano. Un gran número de datos clínicos demuestran que la corrosión del acero inoxidable de uso médico provoca una mala estabilidad de la implantación a largo plazo, y su densidad y módulo elástico distan mucho de los de los tejidos duros humanos, lo que provoca una mala compatibilidad mecánica. La corrosión puede hacer que iones metálicos como los iones de níquel (el acero inoxidable austenítico médico general contiene aproximadamente 10% de níquel) u otros compuestos precipiten en los tejidos circundantes o en todo el cuerpo, provocando algunas reacciones histológicas adversas como edema, infección, necrosis tisular, dolor y reacciones alérgicas. Estos aceros inoxidables austeníticos han sido sustituidos gradualmente por nuevos aceros inoxidables médicos con y sin níquel.

Aleación de cobalto

La aleación de cobalto es también un material médico metálico utilizado habitualmente en tratamientos médicos. En comparación con el acero inoxidable, la aleación de cobalto médica es más adecuada para la fabricación de implantes de larga duración para el entorno del cuerpo humano, y su resistencia a la corrosión es 40 veces superior a la del acero inoxidable. La primera aleación médica de cobalto fue la aleación de cobalto-cromo-molibdeno (Co-Cr-Mo), y más tarde se desarrollaron y aplicaron la aleación forjada de cobalto-níquel-cromo-aluminio-tungsteno (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) con buen comportamiento a la fatiga y la aleación MP35N de cobalto-níquel-cromo-aluminio con estructura multifásica, que se ha incluido en la norma ISO5582/4. La aleación de cobalto se utiliza principalmente para fabricar prótesis de cadera, rodilla, clavos para hebillas de articulaciones, placas óseas, clavos y agujas.

La aleación de cobalto permanece pasivada en el cuerpo humano, y su película pasivada es más estable que la del acero inoxidable, con mejor resistencia a la corrosión y al desgaste, sin reacción histológica evidente tras su implantación en el cuerpo humano. Pero las aleaciones de cobalto tienen inevitables inconvenientes: son caras; el desgaste y la corrosión hacen que el plasma de Co y Ni se disuelva y cause alergia, o necrosis celular y tisular, lo que provoca dolor y aflojamiento de las articulaciones. En los últimos años, la tecnología de modificación de superficies ha mejorado las propiedades superficiales de la aleación de cobalto y ha mejorado eficazmente su efecto clínico.

Aleación de titanio

La aleación de titanio es uno de los metales más biocompatibles que se conocen gracias a sus incomparables ventajas: peso ligero, no tóxico, no magnético, excelente resistencia al desgaste y a la corrosión. El titanio y las aleaciones de titanio se utilizan principalmente en cirugía plástica, sobre todo para la reconstrucción ósea de extremidades y cráneo, y diversos dispositivos de fijación interna de fracturas, articulaciones artificiales, cráneo y duramadre, válvulas cardíacas artificiales, dientes, encías, anillos de soporte y coronas. La aleación de titanio más utilizada es la aleación de titanio а+β Ti-6A1-4V, que representa más de 80% del mercado mundial de aleaciones de titanio biomédicas, cuya resistencia y propiedades mecánicas pueden mejorarse significativamente mediante el tratamiento con solución de oro y el tratamiento de envejecimiento.

La densidad del titanio y la aleación de titanio es de unos 4,5 g/cm3, casi la mitad de la del acero inoxidable y la aleación de cobalto, más cercana al tejido duro del cuerpo humano, y su biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y resistencia a la fatiga son mejores que las del acero inoxidable y la aleación de cobalto, por lo que es el mejor material médico metálico en la actualidad. La afinidad entre el titanio y la aleación de titanio y el cuerpo humano se deriva de la capacidad de inducir la deposición de iones de calcio y fósforo en el fluido corporal para generar apatita mediante una densa película de pasivación de óxido de titanio (TiO2) en su superficie tras la implantación, mostrando cierta actividad biológica y capacidad de fijación ósea, especialmente adecuada para la implantación ósea. Se ha informado de que el elemento V provoca reacciones malignas en los tejidos y puede tener efectos secundarios tóxicos en el cuerpo humano, mientras que el Al puede causar enfermedades como la osteoporosis y trastornos mentales. Por ello, los científicos especializados en biomateriales están desarrollando actualmente aleaciones de β-titanio con mejor biocompatibilidad y menor módulo elástico.

Aleación de circonio

El material de aleación a base de circonio se utiliza ampliamente como material de sustitución de tejidos duros humanos debido a su bajo módulo elástico, alta resistencia, buena tenacidad, buena resistencia a la corrosión, no tóxico, buena biocompatibilidad y otras ventajas.

El Zr y el Ti pueden disolverse entre sí, lo que indica que tienen propiedades físicas y químicas similares. El Zr suele añadirse a las aleaciones de Ti como elemento de aleación para mejorar sus propiedades mecánicas. En los últimos años, se han desarrollado nuevos materiales de aleación biomédica reforzando la aleación de Zr con elementos de aleación no tóxicos y optimizando sus propiedades.

Aleación con memoria de forma

La aleación con memoria de forma (SMA) es un nuevo tipo de material funcional que puede sufrir una transformación de fase bajo la acción de la temperatura y la tensión. Tiene un efecto de memoria de forma y una pseudoelasticidad de transformación de fase únicos. Se ha descubierto que existen muchos tipos de aleaciones con efecto de memoria de forma, que pueden dividirse en aleaciones de níquel-titanio, aleaciones de cobre y aleaciones de hierro. Entre ellas, las aleaciones de níquel-titanio con memoria de forma se utilizan ampliamente en cirugía plástica y estomatología, como las endoprótesis autoinflables, especialmente las cardiovasculares. La temperatura de recuperación de la memoria de forma de la aleación médica de níquel-titanio con memoria de forma es de 36±2℃, que se ajusta a la temperatura del cuerpo humano y muestra una biocompatibilidad comparable a la de la aleación de titanio. Pero debido a que las aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio contienen una gran cantidad de níquel, los iones de níquel pueden extenderse a los tejidos circundantes y penetrar, causando necrosis celular y tisular si la superficie no se trata adecuadamente.