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Universidad Politcnica de PachucaIngeniera Mecatrnica

Barras de NiTinol para la correccin de la escoliosis

Andrs Alan Medina Barrales0931104493Ciencia de los MaterialesMaricela Villanueva Ibez06 de agosto de 2010Aplicacin: barras para la correccin de la escoliosis.Material de estudio: NiTiNOL (NiTi).IntroduccinLa siguiente investigacin est centrada en el uso del NiTiNOL, una aleacin de nquel y titanio que presenta caractersticas como memoria de forma, superelasticidad y biocompatibilidad, en el tratamiento de la escoliosis, una enfermedad congnita que afecta la columna vertebral de quienes la padecen y hace que esta tome una curvatura muy pronunciada. En la primera parte de esta investigacin se describir mas a detalle lo que es la escoliosis y se mencionarn los tratamientos que actualmente se utilizan para est enfermedad, tambin se dar un concepto general del NiTiNOL y se describirn distintas pruebas y estudios que se han realizado con este material en el tratamiento de la escoliosis.Despus de esto har un estudio de este material en el que se incluirn datos tales como el tipo de material que es, las configuraciones electrnicas de los metales que conforman esta aleacin, el tipo de enlaces que presenta, sus propiedades mecnicas y qumicas, estructura cristalogrfica, diagrama de fases y se explicar el funcionamiento de los materiales con memoria de forma entre otros datos.En el siguiente apartado se dar una explicacin de porque el NiTiNOL es un material ideal para el tratamiento de una enfermedad como la escoliosis. Se dar tambin una conclusin acerca de todo lo visto en esta investigacin que incluir la opinin personal del autor.Por ltimo se incluye la bibliografa utilizada para la redaccin de este estudio acerca del NiTiNOL, para que el lector pueda hacer una investigacin mas profunda acerca del tema si as lo desea.

Marco terico, antecedentes o revisin bibliogrficaEl nitinol es el ejemplo ms conocido de las llamadas aleaciones con memoria de forma. Aunque los cientficos conocan algunas propiedades de este tipo de materiales desde 1932, las primeras aplicaciones prcticas no comenzaron a desarrollarse hasta 30 aos ms tarde. En los laboratorios de la marina de los EE.UU. William Beuhler descubri una aleacin de nquel (Ni) y titanio (Ti) que presentaba estas propiedades, en un programa de investigacin encaminado a la obtencin de una aleacin con alta resistencia a la corrosin. El equipo de investigadores que lo descubri bautiz el nuevo material con el nombre de NiTiNOL (acrnimo de Ni-Ti-Naval Ordnance Laboratory). Se trata de una aleacin de nquel y titanio en proporciones casi equimolares y que tiene propiedades de memoria de forma espectaculares. La memoria de forma se manifiesta cuando, despus de una deformacin plstica, el material recupera su forma tras un calentamiento suave. El nombre de este material se ha convertido en sinnimo de este tipo de aleaciones, al igual que el tefln lo es del politetrafluoroetileno.Por otra parte escoliosis es la deformidad de la columna vertebral caracterizada por una curvatura mayor de 10 en el plano frontal o coronal.Escoliosis (en griego: el sentido de skolisis condicin "torcida", de skolios, "torcida")[] es una condicin mdica en la que la columna vertebral de una persona se curva de lado a lado. Aunque, es una compleja deformidad tridimensional, en una radiografa, visto desde atrs, la columna vertebral de una persona con una escoliosis tpica puede verse ms como una "S" o una "C" que una lnea recta. Generalmente se clasifican en congnita (causada por anomalas vertebrales presentes al nacer), idioptica (de causa desconocida, sub-clasificado como infantil, juvenil, adolescente o adulto segn la fecha de inicio se produjo) o neuromusculares (habiendo desarrollado como un sntoma secundario de otra condicin, como la espina bfida, parlisis cerebral, la atrofia muscular espinal o trauma fsico). Esta condicin afecta a aproximadamente 7 millones de personas en los Estados Unidos.

El tratamiento mdico tradicional de la escoliosis es complejo y est determinado por la gravedad de la curvatura y la madurez esqueltica, que en conjunto ayudan a predecir la probabilidad de progresin.Las opciones convencionales son, en orden:1. Observacin2. Fisioterapia3. Bracing4. CirugaUn creciente cuerpo de investigacin cientfica pone de manifiesto la eficacia de los programas de tratamiento especializado de terapia fsica, que puede incluir la retirada del cors. []El debate en la comunidad cientfica sobre si la terapia quiroprctica y fsicos pueden influir en la curvatura escoliosis es complicado en parte por la variedad de los mtodos propuestos y empleados: algunos son compatibles con ms de investigacin que otros.Una de las opciones en desarrollo para el tratamiento de este padecimiento es el uso de materiales con memoria de forma, en especial del NiTiNOL.A continuacin se presentan imgenes de las barras de NiTiNOL, estas se colocan en la curva de la columna para corregir los errores en esta. A) a la izquierda se observa una barra en su forma original y a la derecha una en estado deformado. B) se observa un proceso fcil para cambiar la forma de la barra, sumergindola en agua tibia.

Aqu puede observarse como est implantada una barra de NiTiNOL en la columna de un paciente con escoliosis.Los primeros estudios preliminares acerca del uso del NiTiNOL en el tratamiento de la escoliosis se llevaron a cabo con la instrumentacin de Dwyer y el alambre de NiTiNOL con una temperatura de transicin por debajo de la temperatura corporal (Baumgart et al. 1978). En China, las barras de NiTiNOL se implantaron en 26 pacientes con escoliosis, las barras se calentaban con esponjas calientes. Una buena correccin de la escoliosis y ninguna complicacin fueron reportadas. (Lu et al. 1986.) En un estudio experimental seis cabras con escoliosis experimentales fueron tratadas con barras de NiTiNOL (Sanders et al. 1993). La barra, que ya haba arreglado curvas en ambos extremos para evitar la rotacin, fue, despus del enfriamiento, ajustada a la curva escolitica y asegurada a la parte cncava de la columna con cables de proceso transespina. El implante fue activado por calor con una induccin de radiofrecuencia de 450 kHz. Se report una buena correccin de la escoliosis. (Sanders et al. 1993.)En 1997, se introdujo un nuevo dispositivo de NiTiNOL para la correccin de la escoliosis (Veldhuizen et al. 1997). En este sistema, la varilla de NiTiNOL tena una seccin cuadrada de 6,35 mm y estaba apoyada en sus extremos y en el medio. Anclas de dos clases se utilizan para asegurar la barra a las vrtebras: un ancla basada en una configuracin de tornillo pedculo y un ancla basada en ganchos en forma de garra. Despus de la implantacin, el sistema era activado por el calentamiento de la varilla con un dispositivo de calefaccin especial basado en calentamiento resistivo de alta frecuencia. Este dispositivo permite al cirujano programar la temperatura deseada, y el dispositivo de calentamiento automticamente calienta la barra a esta temperatura (un poco por encima de la temperatura corporal). La temperatura aplicada a la barra en operacin determinar las fuerzas de correccin. En un estudio de cadver, la accin del dispositivo se ha invertido para inducir una curva escolitica en vez de corregirla, y el sistema pareca funcionar bien. (Veldhuizen et al. 1997.) ltimamente, fue reportado un estudio experimental en el que se utiliza este dispositivo en seis cerdos (Wever et al. 2002). La accin del dispositivo fue, una vez ms, invertida. Inmediatamente despus de la ciruga, las radiografas mostraron escoliosis correspondiente a la curvatura original de la varilla, y esta curva se mantuvo constante durante el seguimiento de tres y seis meses, tras lo cual el dispositivo casi se ha cubierto con hueso recin formado. Los autores esperaban que el dispositivo tambin tuviera la capacidad para corregir la curva escolitica, pero se necesitan extensas pruebas en el sistema antes de realizar los ensayos clnicos. (Wever et al. 2002.). Lo que hace del NiTiNOL un material ideal para esta aplicacin biomdica son sus tres caractersticas principales: memoria de forma, superelasticidad y biocompatibilidad.Estudio del material propuestoEn el principio de los aos sesenta, Buehler et al. [Bgw63]; [Bwa67] del U.S. Naval Ordnance Laboratory descubrieron que aleaciones equiatmicas de NiTiNOL exhiban propiedades interesantes de memoria de forma y de superelasticidad. Desde entonces, estas aleaciones denominadas Nitinol (NiTi Naval Ordnance Laboratory) se han estudiado intensivamente.Las aleaciones de NiTi son fabricadas a partir de piezas de Ti y Ni puros. Se funden y cuelan tres veces seguidas, para asegurar una mezcla adecuada, dentro de un horno de arco con atmsfera controlada de argn.

Horno de arco en el cual se fabrican distintas aleaciones de NiTi.

Se obtienen cilindros de NiTi de distintas composiciones y fases.

Cilindros de NiTi obtenidos por colada en atmsfera controlada.

A continuacin, estos cilindros de NiTi sufren un tratamiento de homogeneizacin a 1100C en atmsfera de argn, con una rampa de calentamiento de 3 horas, durante 6 horas, seguido de un enfriamiento lento, en atmsfera de argn.Finalmente, para estabilizar la fase a temperatura ambiente y las propiedades de memoria de forma, se llevan los cilindros a 800C durante 10 minutos. Se templan en agua fra y se recocen a 500C durante una hora, con enfriamiento al aire.El NiTiNOL es una aleacin de Nquel y Titanio, por tanto entra dentro de la clasificacin de metales y aleaciones. Esta clasificacin incluye aceros, aluminio, magnesio, zinc, hierro colado, titanio, cobre y nquel. En general los metales tienen buena conductividad elctrica y trmica. Los metales y las aleaciones tienen una resistencia relativamente alta, gran rigidez, ductilidad o deformabilidad y buena resistencia a los choques trmicos. Tienen utilidad especial en aplicaciones estructurales o bajo c