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Nueva aleación de metal superelástico flexible y resistente se muestra prometedora en aplicaciones biomédicas

Un grupo de investigación ha revelado un biomaterial a base de cromo-cobalto que imita la flexibilidad de los huesos humanos y posee una excelente resistencia al desgaste. El nuevo biomaterial podría usarse para implantes como reemplazos de articulaciones de cadera o rodilla y placas óseas, aliviando los problemas asociados con los materiales de implantes convencionales.

Los detalles de su investigación se publicaron en la revista Advanced Materials el pasado 9 de mayo de 2022.

Con el aumento de la población de personas mayores en todo el mundo, ha aumentado la necesidad de biomateriales mejorados que puedan reemplazar o apoyar los huesos dañados. Para este propósito, los metales son ampliamente utilizados debido a su resistencia y ductilidad. Sin embargo, como consecuencia de su fuerza, su flexibilidad disminuye.

Monocristales de las aleaciones flexibles y tenaces a base de CoCr. ©Xiao Xu et al.

Hasta la fecha, la mayoría de los biomateriales metálicos son más rígidos que los huesos humanos, y usarlos como implantes conduce a la atrofia ósea, una condición en la que la densidad ósea se reduce debido a la descomposición de la sustancia y la estructura ósea. Mientras tanto, los biomateriales con una flexibilidad elevada pierden su resistencia al desgaste.

Aunque los materiales superelásticos hechos de aleaciones de níquel-titanio (Ni-Ti), que se usan comúnmente en stents y alambres de ortodoncia, mantienen una alta flexibilidad y la capacidad de recuperarse de la tensión, el Ni es un elemento alérgico. Las aleaciones libres de Ni no han replicado la superelasticidad de las aleaciones de Ni-Ti, lo que las hace poco prácticas.

El grupo de investigación, compuesto por investigadores de la Escuela de Graduados de Ingeniería y el Instituto de Investigación de Materiales (IMR) de la Universidad de Tohoku, el Centro J-PARC, la Agencia de Energía Atómica de Japón y la Academia Checa de Ciencias, se centró en reducir la brecha del módulo de Young entre implantes metálicos y huesos humanos. Cuando un material es flexible, tiene un módulo de Young bajo. Cuando es rígido, tiene un módulo de Young alto.

El nuevo biomaterial a base de Co-Cr no solo tiene un módulo de Young bajo (10-30 GPa) similar al de los huesos humanos, sino que también tiene una alta resistencia al desgaste, lo que altera la relación de compensación de los biomateriales metálicos convencionales. Estas aleaciones también muestran una enorme tensión superelástica recuperable de hasta el 17,0 %, el doble que la del Ti-Ni comercial. ©Takumi Odaira et al.

Usando una técnica de tratamiento térmico cíclico, los investigadores prepararon con éxito monocristales grandes de varios centímetros de tamaño. La aleación de Co-Cr-Al-Si (CCAS) desarrollada demostró una tasa de recuperación de la deformación del 17 %, el doble que las aleaciones comerciales con memoria de forma de Ti-Ni. Además, el módulo de Young del CCAS era extremadamente bajo, asemejándose a la flexibilidad de los huesos humanos.

En el futuro, el grupo de investigación espera explorar por qué su CCAS logró las propiedades superiores que logró. Hacerlo podría conducir al desarrollo de materiales de próxima generación con propiedades aún mejores.

Más información: Universidad de Tohoku

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