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 cargas dinmicas. Aunque a veces se usan metales puros, las mezclas de metales llamadas aleaciones permiten mejorar determinadas propiedades o mejores combinaciones de propiedades.Las configuraciones electrnicas de los metales que forman parte de esta aleacin son:Ti (z=22) [Ar] 3d2 4s2Ni (z=28) [Ar] 3d8 4s2Esta aleacin cuenta con enlaces de tipo metlico, debido a que sus dos componentes son metales, por tanto presenta una elevada conductibilidad trmica y elctrica.PropiedadesUnas de las caractersticas ms relevantes de las aleaciones con memoria de forma es que las propiedades varan dependiendo de la fase existente (martensita o austenita).Adems, la resistencia al desgaste es un parmetro muy importante en el campo de los biomateriales utilizados como implantes.El hecho de que las aleaciones NiTi tengan una gran deformacin elstica es una ventaja respeto a la resistencia al desgaste. As, con una tensin de 400-500 MPa (tensin que sufre el femoral), el implante constituido por NiTi no puede deformarse plsticamente. Con lo cual, no habr fallo por desgaste.A continuacin una tabla con unos valores caractersticos de las propiedades mecnicas de la aleacin en funcin de su fase.Propiedades fsicasPunto de fusin1300C

Densidad6,45 g/cm3.

Conductividad trmica

Austenita0,18 W/cm *C

Martensita0,086 W/cm *C

Coeficiente de expansin trmica

Austenita11,0 E-6/C

Martensita6,6 E-6/C

Calor especfico0,2 cal/g*C

Performance de corrosin***Excelente

Propiedades elctricas y magnticasResistividad (resistencia= resistividad * longitud / rea de seccin transversal)

AustenitaAprox. 100micro-ohms*cm

MartensitaAprox. 80micro-ohms*cm

Permeabilidad magntica< 1,002

Susceptibilidad magntica3,0E6 emu/g

Propiedades mecnicasMdulo de Young (punto de ruptura de la probeta)****

AustenitaApr. 83 Gpa (12E6 psi)

MartensitaApr. 28a41Gpa (4E6 a 6E6 psi)

Fuerza de rendimiento

Austenita195 a 690 Mpa

Martensita70 a 140 Mpa

Mayor fuerza de tensin

Endurecindose5 a 10%

Recocido total25 a 50%

Habilidad de trabajo en calienteBastante bueno

Habilidad de trabajo en froDificultoso debido al trabajo rpido de endurecimiento

Habilidad mecnicaDificultosa, tcnicas abrasivas preferentemente

Propiedades qumicasLa aleacin NiTi es muy conocida por su buena resistencia a la corrosin. Segn algunos autores, de todas las aleaciones con memoria de forma, el NiTi es el que tiene el mejor comportamiento a la corrosin., aunque la capa de oxido protectora formada principalmente por xidos de titanio puede romperse y permitir la formacin de picaduras. Sin embargo se puede aumentar la resistencia a la corrosin haciendo varios tratamientos superficiales (qumicos trmicos).Estructura cristalogrficaLa estructura cristalina caracterstica de la fase austentica en las AMF de NiTi se llama estructura B2 y corresponde a una estructura cbica centrada en el cuerpo, donde los tomos de Ni ocupan el centro de la red, mientras que los tomos de Ti estn alrededor.La estructura cristalina ms comn de la fase martenstica es una estructura compleja monoclnica, llamada B19 (con a=2.889 , b=4.120 , c=4.622 ; = =90 y =96.8).

Diagrama de fasesLas aleaciones con memoria de forma NiTi son compuestos intermetlicos basados en la composicin equiatmica (50% atmico de Ti y de Ni). Estas aleaciones siguen presentando propiedades de memoria de forma en un rango aproximado de entre 49% hasta 52% atmico de Ni. Dependiendo de la historia termomecnica del material, este porcentaje puede aumentar un poco ms.

Los materiales con memoria de forma presentan dos fases diferentes. A baja temperatura, la fase se denomina martensita y a alta, austenita. En la fase martensita el material es ms maleable y fcil de trabajar que en la de austenita.Calentando el material hasta una temperatura en la que todo l sea austenita, le podemos dar la forma que queremos que recuerde posteriormente. Despus se enfra hasta que todo el material se haya transformado en martensita. Esta transformacin ocurre sin que se produzca cambio de la forma del material, pero como esta fase es muy maleable la forma se puede cambiar fcilmente. Esta nueva forma se mantiene mientras el material no se vuelva a calentar. Este cambio de forma se debe a los defectos cristalinos conocidos como dislocaciones, cuando la dislocacin es muy grande pasa de una deformacin elstica a ser una deformacin plstica. Durante esta deformacin plstica el material permanece maclado. Al calentar de nuevo y volverse a producir la transformacin a austenita, el material vuelve a recuperar la forma que tena inicialmente. Este comportamiento es el que se conoce como materiales con memoria de forma de un camino y es el ms simple.

Evidentemente, las temperaturas a las que se producen estas transformaciones varan en funcin del tipo de aleacin y este comportamiento puede modificarse mediante adecuados tratamientos trmicos y mecnicos del material.

Desde el punto de vista de la estructura atmica, la transformacin de austenita en martensita se produce en dos etapas. 1.- Aparece un desplazamiento de los tomos que en principio podra hacer pensar en un cambio de forma exterior de la pieza. Esto no ocurre porque la martensita se adapta a la forma inicial de la austenita por un mecanismo de auto acomodo, denominado maclado.Este proceso implica el establecimiento dentro de la martensita de regiones separadas por fronteras, denominadas fronteras de macla, en donde la disposicin de los tomos de una regin es la imagen reflejada de la regin adyacente. Si la martensita se deforma a continuacin por aplicacin de una fuerza o una carga, las fronteras se desplazan, creciendo unas regiones a costa de otras: es lo que se denomina desmaclado. Este proceso se traduce en un cambio de forma exterior de la pieza.2.- El calentamiento posterior de esta martensita deformada por desmaclado total o parcial slo tiene una posibilidad de pasar a austenita, lo que implica, y esto es lo fundamental, volver tambin a la forma exterior original. En definitiva, calentando la martensita con cualquier grado de desmaclado y con la deformacin que se haya producido, se obtendr siempre la misma fase austentica, con la forma exterior original.

Otro mtodo de obtener martensita sin enfriar la austenita, consiste en someter al material en la fase austenita a una tensin de traccin. Por encima de cierto valor crtico se genera lo que se denomina martensita inducida por tensin (SIM). Este proceso tiene lugar en un determinado rango de temperaturas.Si la temperatura es muy alta, antes de producir la transformacin a martensita deformamos plsticamente el material de forma irreversible.Si la temperatura es muy baja, la martensita es estable trmicamente y por ello cuando dejamos de aplicar la fuerza, el material no cambia de forma porque sigue siendo martensita.En el rango intermedio de temperaturas adecuadas la fase del material es la austenita, con la forma final. Si le aplicamos una tensin tiene lugar la transformacin a martensita. Dadas las propiedades de esta fase, la tensin produce una gran deformacin, que es totalmente recuperable al dejar de aplicar la tensin porque se vuelve a producir la transformacin a austenita ya que la martensita no es estable termodinmicamente a esta temperatura. Al final el material tiene la misma forma que al principio. Este comportamiento se conoce como superelasticidad.

La curva tensin-deformacin del NiTi en la fase martenstica puede dividirse en tres zonas diferentes como se puede ver en la figura.

Curva tensin-deformacin tpica para la aleacin NiTi.Tambin se muestra una grfica tiempo- temperatura de la transformacin del NiTiNOL,

Curvas de contorno de los cambios de la temperatura Af de NiTi por encima del endurecimiento por calor a temperaturas y tiempos especficos.Funcionamiento o aplicacin del material en el dispositivoComo ya se dijo las propiedades que hacen del NiTiNOL una aleacin idnea para las barras para la correccin de la escoliosis, es su memoria de forma, su superelasticidad y su biocompatibilidad. Un material con memoria de forma es capaz de recordar una forma previamente establecida, incluso despus de soportar serias deformaciones, cuando se le somete a un aumento de temperatura. El titanio por si solo tiene un sinfn de aplicaciones en la medicina gracias a su biocompatibilidad, sin embargo el nquel es altamente txico ya que puede liberar iones Ni2+ para evitar alergias u otras reacciones no deseables.Actualmente se llevan a cabo estudios para hacer tratamientos superficiales de oxidacin al NiTiNOL que permitirn que este se recubra con una capa de xido de titanio, que impedira que el nquel se segregara en una cantidad importante.En un tratamiento para la escoliosis se necesita llevar a las vertebras a una mejor posicin o bien, evitar que se sigan moviendo. El NiTiNOL puede ser implantado en el cuerpo humano, gracias a la biocompatibilidad del titanio y los diferentes tratamientos para evitar la liberacin del nquel, sin mayor reaccin y gracias a su memoria de forma controlada por la temperatura puede mover a las vertebras afectadas de una manera gradual hasta una posicin idnea, o en su defecto evitar que estas se muevan de su posicin. ConclusinEl NiTiNOL es un material con propiedades asombrosas, su potencial apenas es aprovechado, pero en el futuro ser un material muy utilizado en una diversa gama de aplicaciones. Aunque ha habido distintos traspis para utilizarlo en aplicaciones biomdicas, se han descubierto y desarrollado distintos procesos y tratamientos para lograr que el NiTiNOL sea til en este campo. En el tratamiento contra la escoliosis este material es lo ms eficaz que hay, pues permite, de forma segura, revertir el efecto de esta enfermedad e impedir que esta siga afectando. Aunque este mtodo es relativamente nuevo se ha consolidado como uno de los ms efectivos y solo el tiempo dir que tanto se desarrollar y servir.BibliografaPginas webhttp://es.wikipedia.org/wiki/Escoliosishttp://www.unizar.es/icma/divulgacion/biomateriales.htmlhttp://herkules.oulu.fi/isbn9514271246/html/x338.htmlhttp://www.scirus.com/srsapp/search?q=nitinol&t=all&sort=0&g=shttp://upcommons.upc.eduhttp://www.ing.unlp.edu.ar

Revistashttp://www.time.com/time/magazine/article/0,9171,838687,00.htmlLibrosDonald R. Askeland & Pradeep P. Phul, Ciencia e Ingeniera de los Materiales, cuarta edicin, editorial Thomson.James F. Shackelford, Introduction to Materials Science for Engineers, 6th Edition.William D. Callister, Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los materiales, Vol. 2, Editorial Revert.