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Mayo de 2017 Página 1 de 2

Tecnologías para el diseño de material de osteosíntesis a la medida

Ing. Andrés Torres Velásquez

La tecnología 3D introducida en la década de 1980 ha evolucionado, y ahora se está utilizando para la creación de productos de uso final en todas las industrias.

Las endoprótesis son la solución a las diferentes patologías articulares del ser humano estimándose en 600.000 remplazos al año en Estados Unidos y 100.000 en Europa. Las endoprótesis más comunes son las de cadera y rodilla, utilizándose en la mayoría de los casos para el tratamiento de la artritis y la artrosis entre otras enfermedades. La prótesis total de rodilla TKR comenzó a ser utilizada hace aproximadamente sesenta años, siendo los principales modelos la Polycentric, The Freeman-Swanson, Geomedic y la Duo Conylar.

En la actualidad, las prótesis más populares pertenecen a las dos grandes compañías fabricantes de prótesis, la LCS, de DePuy, y la Triathlon Knee System, de Stryker; la característica principal de estas prótesis es la utilización de aleaciones de titanio (Ti6Al4V) y cobalto (CoCrMo) en sus componentes. Otro material es el polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) que disminuye la fricción de los componentes; igualmente el diseño de contornos anatómicos para permitir la preservación o no de los ligamentos cruzados y la incorporación de varios grados de libertad con el fin de reproducir de la manera más fiel los movimientos de la rodilla, mejorando así el confort del paciente.

Para definir correctamente un material para ser utilizado en cualquier aplicación industrial, es necesario especificar su dureza, resistencia, módulo de elasticidad, entre otras propiedades. En cuanto a los materiales que tendrán una utilización o aplicación medica es necesario definir además su bio-compatibilidad. Una de las características más importantes de un material es el módulo de Young o módulo de elasticidad el cual es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. En el caso de las prótesis, las propiedades mecánicas del implante son aun uno de los problemas no resueltos ya que el hueso posee un módulo de elasticidad que varía según el tipo de tejido, la región, la dirección de las fibras y las características del paciente, siendo, según algunos autores, de 15-20 GPa en el hueso cortical y de 0,75-10 GPa en el hueso trabecular; al comparar el módulo de elasticidad con el de un implante de aleación de titanio el cual  puede llegar a 35 Gpa, es decir, una rigidez mucho mayor, estructuralmente este sugiere una problemática compleja. Otro de los puntos a analizar es como el hueso puede continuar con sus propiedades mecánicas con el transcurso del tiempo, si se tiene en cuenta que al colocar la prótesis se interrumpe el flujo normal de nutrientes en el hueso y si se utiliza o no cemento para adherir la prótesis, lo cual podrá tener gran influencia en la transmisión de cargas provenientes de las actividades comunes del paciente, como caminar o subir escalones.

La historia de las endoprótesis ha estado ligada a la selección correcta del material con que se construye la prótesis, comenzando desde el marfil, posteriormente el acero inoxidable y las aleaciones que hoy en día son utilizadas como las de cobalto-cromo-molibdeno, las aleaciones de titanio Ti6Al4V y los cerámicos. Tal y como se explicaba anteriormente, aún persisten problemas relacionados con la diferencia de propiedades mecánicas, y por ello la ingeniería de materiales continúa en la búsqueda de posibles sustitutos, que permitan un mejor acercamiento a las propiedades del hueso o mejorar la relación hueso-huésped sin que se pierda la resistencia mecánica y biocompatibilidad.

Uno de los más prometedores materiales que aún se encuentran en fase de experimentación son los compuestos o composites. Un material compuesto o un composite es un sistema de materiales constituido por una mezcla o combinación de dos o más micro o macro constituyentes que difieren en forma y composición química y que son, esencialmente, insolubles entre sí. La propiedad más importante de los materiales compuestos es que están constituidos por dos o más materiales distintos y al combinarse se forma un material compuesto cuyas propiedades son superiores a las de sus componentes. Los materiales compuestos han demostrado su excelente desempeño en diferentes sectores como el aeronáutico, automotriz, construcción civil, deportes de alto rendimiento, entre otros. Lo anterior se ha logrado por la excelente relación peso-resistencia de los materiales compuestos, lográndose comparar al acero si se tiene en cuenta su densidad y propiedades mecánicas.

El material compuesto se compone de una matriz, un reforzante y una interfaz entre ambos. La matriz es el cuerpo del material compuesto y al estar en contacto directo con el medio ambiente debe responder ante las exigencias térmicas y químicas. El reforzante le impone las características específicas al material compuesto, generalmente mecánicas, aunque a veces también físicas (térmicas  y eléctricas). La interfaz es la región donde se desarrolla la unión entre reforzante y matriz y la que permite obtener un material compuesto consolidado.

De acuerdo con lo anterior, existe una gran variedad de materiales compuestos que se clasifican según la matriz y el reforzante. Con relación a la matriz se encuentran: composites poliméricos o plásticos reforzados, composites metálicos y composites cerámicos. Según el reforzante se clasifican en: composites enfibrados y composites particulados.


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Acerca del autor

Ing. Andrés Torres Velásquez

Ingeniero mecánico de la Universidad Nacional de Colombia. Especialista en Ingeniería Biomédica de la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB), de Medellín, Colombia. Magister en Ingeniería del Dpto. de Ing. Biomédica de la UPB. Profesor de Ing. Biomédica del Convenio Universidad EIA-Universidad CES. Coordinador de la línea Biomecánica e Ing. de Rehabilitación. Coordinador del Centro de Ingeniería y Tecnología de Rehabilitación CITeR.
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