¿Qué son las aleaciones de titanio biomédicas y para qué se utilizan?

Las aleaciones de titanio biomédicas se utilizan en implantes y dispositivos médicos porque combinan biocompatibilidad, resistencia a la corrosión, resistencia mecánica útil y una densidad relativamente baja. El titanio comercialmente puro y el Ti-6Al-4V son materiales consolidados, mientras que se están estudiando aleaciones β de menor módulo de elasticidad para reducir la diferencia de rigidez con respecto al hueso. A continuación se comparan sus usos y la elección de materiales.

¿Qué es una aleación de titanio biomédica?

Los materiales biomédicos interactúan con los sistemas biológicos para diagnosticar, tratar, reparar o sustituir tejidos y órganos, o para mejorar su funcionamiento. Entre ellos se incluyen los metales médicos, los polímeros y las cerámicas. Los metales revisten especial importancia en los productos ortopédicos y cardiovasculares. El titanio presenta una respuesta biológica favorable, una buena compatibilidad con los tejidos y carece de comportamiento magnético inherente, lo que favorece su amplio uso en el ámbito médico.

Las aleaciones biomédicas de titanio combinan biocompatibilidad, prestaciones mecánicas, resistencia a la corrosión y baja densidad. Su elevada resistencia y un módulo de elasticidad relativamente bajo pueden reducir el efecto de pantalla de tensiones y favorecer la consolidación ósea. El titanio es bioinerte y resistente a la corrosión en entornos fisiológicos. Su densidad es aproximadamente 56% la del acero inoxidable, lo que reduce el peso del implante. El desarrollo ha avanzado desde el titanio comercialmente puro y el Ti-6Al-4V hasta aleaciones modificadas y aleaciones de titanio β de bajo módulo.

Clasificación y propiedades mecánicas

Las aleaciones de titanio biomédicas se clasifican, según su microestructura, en aleaciones α, α+β o β. El titanio comercialmente puro y el Ti-6Al-4V siguen siendo muy utilizados en el ámbito clínico. Las aleaciones β de menor módulo de elasticidad y con una biocompatibilidad mejorada constituyen uno de los principales ejes de investigación.

Las aleaciones de segunda y tercera generación suelen tener un módulo de elasticidad más bajo y contienen cantidades cada vez mayores de niobio. El Ti-35Nb-7Zr-5Ta y los sistemas relacionados de Ti-Nb-Ta-Zr se encuentran entre los materiales con menor módulo de elasticidad que figuran en esta tabla. El módulo de elasticidad indicado es de 55 GPa para el Ti-35Nb-7Zr-5Ta, frente a los aproximadamente 30 GPa del hueso. Las aleaciones β superelásticas de Ti-Nb han sido objeto de un estudio especialmente exhaustivo.

Entre las nuevas aleaciones β se incluyen los sistemas Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr y Ti-Ta. Los elementos potencialmente nocivos V, Al, Ni y Cr se sustituyen cada vez más por Nb, Zr, Ta, Sn, Pt y Mo, que son biocompatibles. Las aleaciones de Ti-Nb ofrecen un módulo de elasticidad bajo, evitan el uso de aluminio y vanadio, y son objeto de numerosos estudios como metales de uso médico.

Propiedades biomédicas

Alta resistencia específica

Las aleaciones de titanio tienen una densidad cercana a los 4,51 g/cm³, aproximadamente 60% la del acero. El titanio puro se aproxima a la resistencia del acero común, mientras que las aleaciones de titanio de alta resistencia superan a muchos aceros estructurales. Su elevada relación resistencia-densidad permite fabricar componentes resistentes, rígidos y ligeros. Las aleaciones α médicas convencionales pueden provocar el fenómeno de «protección contra tensiones» debido a su mayor módulo de elasticidad. La aleación, la deformación plástica y el tratamiento de solución pueden modificar la estructura cristalina y reducir el módulo de elasticidad del implante.

Resistencia a la corrosión

Las aleaciones de titanio superan al acero inoxidable en ambientes con aire húmedo y agua de mar, y resisten la corrosión por picaduras, el ataque ácido y la corrosión bajo tensión. También resisten los álcalis, los cloruros, los compuestos orgánicos clorados, el ácido nítrico y el ácido sulfúrico, aunque su rendimiento es inferior en algunos medios reductores o que contienen cromatos.

1. El Ti-39Nb presenta un comportamiento de degradación por corrosión en solución salina fisiológica comparable al del titanio puro y ofrece un rendimiento considerablemente mejor en entornos que contienen fluoruro.
2. El Ti-10Nb-10Zr presenta un buen comportamiento en NaCl 3,5% y en saliva artificial, con una tasa de degradación especialmente baja en la saliva artificial.
3. Las aleaciones Ti-26Nb-4Zr-3Mn y Ti-26Nb-4Zr-5Mn presentan altos potenciales de corrosión y bajas densidades de corriente en la solución de Hank, lo que indica una buena resistencia a la corrosión.