Tema 10. Tendencias actuales de la ciencia de materiales.

Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
Tema 10. Tendencias actuales de la ciencia de materiales.
10.1. Materiales avanzados para ahorro energético. 10.2. Catálisis en la industria del automóvil.
10.3. Biomateriales.
10.1. Materiales avanzados para el ahorro energético. La evolución de los materiales se
puede seguir con tres ejemplos seleccionados. Materiales para un turborreactor, conversión de
energía química en eléctrica y materiales refractarios para recubrimientos del transbordador
espacial.
Materiales para un turborreactor. Un ejemplo ilustrativo donde se puede comprobar la
evolución de los materiales es en el sector de los motores de aviación. En este caso lo importante no
es el precio sino que los materiales satisfagan las prestaciones y demandas que el diseño y las
condiciones de trabajo imponen. De los parámetros del diseño, los más demandantes son la
temperatura de trabajo y la resistencia a los esfuerzos mecánicos que deben soportar sin sufrir
deformación. En la figura 10.1 se dan los valores de la temperatura de trabajo de los diferentes tipos
de motores de aviones. Por ejemplo, los materiales para las paletas de las turbinas eran antes de
forja y hoy se obtienen por fundición (generalmente por solidificación direccional que prolonga la
vida de la paleta y le confiere mayor resistencia). Si el motor trabaja a una temperatura más alta el
rendimiento que se puede obtener es mayor.
Figura 10.1. Evolución de la temperatura de operación
de los motores de aeronaves
Los materiales que componen la turbina a
gas (o turboreactor) están expuestos a las
condiciones
más
extremas:
alta
temperatura, gases corrosivos, vibraciones,
y elevados esfuerzos mecánicos. Además,
en el despegue y aterrizaje (y en las
aceleraciones y desaceleraciones) hay
tensiones cíclicas que pueden conducir al
fallo por fatiga. Aunque el diseño básico de
una turbina es el mismo desde los años 70,
se han creado aleaciones que resisten
mayores esfuerzos a temperaturas más altas.
Las tres partes generales de un turboreactor son el compresor, la cámara de combustión y la
turbina (figura 10.2). El compresor consta de una serie de discos giratorios con álabes. Su función
es succionar el aire hacia el aparato, aumenta su temperatura y presión y lo inyecta en la cámara de
combustión. En esta parte del motor, el aire precalentado a presión se mezcla con el combustible
pulverizado y el conjunto entra en ignición. Los gases generados (más calientes) se expanden y
salen a través de la turbina formada por álabes móviles y estacionarios. La elevada velocidad de los
gases que salen por el exterior empujan la nave hacia delante y parte de esa energía se utiliza para
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accionar el compresor a través del eje central que conecta la turbina con el compresor. Los
materiales componentes de las diferentes piezas deben soportar diferentes condiciones de operación.
Los álabes giratorios deben resistir elevadas cargas mecánicas (por el giro) y no sufrir
termofluencia (tendencia al alargamiento gradual por el efecto combinado del esfuerzo mecánico y
la temperatura). Los componentes de la cámara de combustión deben soportar la corrosión, la fatiga
térmica, y deben ser hechurables y soldables por las forma complicada del diseño (T ∼ 1100 oC,
aunque no deben soportar esfuerzos grandes).
Los componentes de las turbinas deben
soportar cargas mecánicas similares a las
del compresor pero temperaturas muy
superiores, y resistencia a gases corrosivos.
Los materiales más indicados para soportar
las condiciones extremas de la turbinas de
los turborreactores son las superaleaciones
de niquel. Existen superaleaciones basadas
en otro metal como elemento estructural.
Figura 10.2. Componentes de un turborreactor
Las superaleaciones constan de dos o más fases cristalinas y que en el caso de las
superaleaciones de níquel son la γ y γ´. La microestructura de la superaleación son microcristales
casi-cúbicos de fase γ´ en una matriz de fase γ. En cierto modo se puede considerar como un
material compuesto formado por micropartículas metálicas dispersadas en una matriz metálica.
Ambas fases presentan una estequiometría Ni3Al, pero la estructura cristalina de la fase γ´ contiene
átomos de Ni y Al ordenados en la celda unidad mientras que en la fase γ éstos átomos están
desordenados. La gran dureza que presentan las superaleaciones se debe a que las dislocaciones se
anclan en la interfase de los dos constituyentes (se pueden mover a través de la fase γ, pero se
anclan cuando llegan a un microcristal de fase γ´). Generalmente además de Ni y Al, se añade Cr
para proteger la pieza de la corrosión y Ti y W para aumentar más la dureza. Al enfriar la mezcla
líquida, primero solidifica la fase γ (PF mayor) y al enfriar la fase sólida aparece la γ´ segregada
dentro de la matriz metálica. El tamaño final de los microcristales de fase γ´ dependen de la
velocidad de enfriamiento y puede llega a ser el 60 % del volumen de la aleación. A elevada
temperatura, los cristales de la fase γ´ tienden a crecer por lo que se calientan a T más alta que la de
operación y se envejecen a una temperatura inferior. Cuando estas superaleaciones son muy duras,
también son bastante frágiles. Esto significa que al hechurar estos materiales se separan las fases ya
que las fuerzas de cohesión no son muy altas. Un 0.02 % de B en las superaleaciones de Ni mejora
mucho la mecanización y se pasa de frágil a dúctil. La resistencia máxima se consigue a 850 oC, y
la resistencia mecánica es útil hasta ∼ 1000 oC. Los álabes cercanos a la cámara de combustión se
fabrican de esta superaleación.
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Las superaleaciones de níquel tienen limitaciones a temperaturas superiores a 1000 oC y las
piezas del turboreactor sometidas a temperaturas de ∼ 1100 oC se fabrican de superaleación de
cobalto (zonas de la cámara de combustión, álabes de la turbina cercanas a la cámara de
combustión). La resistencia mecánica de las superaleaciones de cobalto es inferior a las de niquel
aunque mantienen su resistencia a temperaturas más elevadas. Cuando el peso es un factor crítico,
se emplean superaleaciones de titanio. En este caso se describen como una fase α precipitada dentro
de una matriz de fase β. La densidad es mucho menor que las superaleaciones basadas en Co y Ni,
sin embargo la resistencia a elevadas temperaturas es bastante menor. Solo se pueden emplear con
garantías de buenas propiedades mecánicas hasta T=½ del PF (temperaturas en grados K), mientras
que las de Ni y Co se pueden utilizar hasta T=7-8/10 del PF. Hay materiales intermetálicos del tipo
TiAl y Ti3Al que prometen buenas prestaciones mecánicas a temperaturas elevadas. Tan importante
como las fases presentes en los materiales y su estequiometría es el procesado del material ya que
altera la microestructura y por tanto las prestaciones.
Conversión de energía química en eléctrica. Es sorprendente la baja eficacia de los sistemas
de conversión de energía. Por ejemplo, se puede analizar el caso de la conversión de la energía del
petróleo en trabajo mecánico en un automóvil. La transformación del crudo bruto en gasolina consta
de varias etapas (en las refinerías) que son bastante eficaces pero se pierde por acumulación un 19
% de la energía contenida en la fuente primaria (queda un 81 %). El motor de combustión interna
tiene una eficacia ∼ 30 %, por lo que el rendimiento acumulado baja al 24 %. Además hay pérdidas
en la transmisión mecánica del motor a las ruedas. En conjunto, para la propulsión de un automóvil
se emplea menos del 10 % de la energía química contenido en el petróleo crudo. Cabe esperar que
mejoras en el diseño con la aportación de nuevos materiales permitan aumentar la eficacia de estas
transformaciones que reduciría el consumo de energía y por tanto las emisiones a la atmósfera.
Para explotar la energía hay que convertirla a una forma “útil” que en la sociedad moderna es
electricidad en la mayoría de los casos. Actualmente en las centrales térmicas, se quema el
combustible (carbón, gasógeno, etc.) se pasa a calor (una forma más degradada de energía) que se
utiliza para, mediante vapor, pasarla a energía mecánica (turbina) y que a su vez se transforma en
electricidad. La segunda ley de la termodinámica establece un límite en la eficacia del proceso, ya
que la fracción máxima de energía calorífica que se puede convertir en trabajo depende
exclusivamente de la temperatura de salida (T2) y de la de entrada (T1). La fracción máxima es 1T2/T1. Por tanto, se debe elevar la temperatura de entrada tanto como sea posible manteniendo baja
la de salida. La temperatura máxima de entrada está limitada por las propiedades/prestaciones de los
materiales que se emplean. Por ejemplo, en una central térmica de carbón la temperatura del vapor
que alimenta las turbinas es 810 K (537 oC) y la de salida es 370 K (97 oC), siendo por tanto, el
rendimiento máximo (ideal) de la conversión el 54 %. En condiciones reales de operación, el
rendimiento es ∼ 35 %. Actualmente se está investigando mucho en materiales que puedan operar a
temperaturas más altas, con fiabilidad, para aumentar el límite termodinámico de eficacia. Nuevos
materiales para las hélices de las turbinas (que operen a mayores temperaturas) pueden ser nitruro
de silicio, Si3N4, y carburo de silicio, SiC. Estos materiales mantienen sus propiedades mecánicas a
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1200 oC, pero son frágiles (poco dúctiles) por lo que se necesita avanzar en su procesado antes de
utilizarlos rutinariamente. Las superaleaciones de Ni-Al (Ni3Al) estudiadas anteriormente ofrecen
buenas perspectivas de operación a altas temperaturas.
Otra forma de ahorro energético es utilizar procesos que sean más eficientes, es decir, cuyo
rendimiento total sea mayor. Las celdas/pilas de combustible convierten directamente la energía
química en energía eléctrica. Un mayor rendimiento también significa menor emisión de gases
contaminantes por unidad de energía producida.
En la figura 10.3 se pueden observar los cinco
tipos de pilas de combustibles comunes que ya
hay comerciales. De abajo hacia arriba se
pueden distinguir: 1) Pilas de combustible
alcalina (AFC del inglés Alkaline Fuel Cell);
2) Pilas de combustible de membrana de
electrolito polimérico (PEMFC del inglés
Polymeric Electrolyte Membrane Fuel Cell); 3)
Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC
del inglés Phosphoric Acid Fuel Cell); 4) Pilas
de combustible de carbonato fundido (MCFC
del inglés Molten Carbonate Fuel Cell); y 5)
Figura 10.3. Esquema con los componentes de cinco
Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC
tipos de pilas de combustible
del inglés Solid Oxide Fuel Cell)
Los electrolitos conductores de la corriente dentro de la pila se ven en la figura 10.3 y pueden
ser cuatro (OH-, H+, CO3= y O=) a temperatura variable desde 70 hasta 1000 oC dependiendo del
electrolito utilizado. Estos sistemas constan de un cátodo, un ánodo y un electrolito. La reacción
global es 2H2 + O2 → H2O, donde el electrolito pasa una de las especies a través de la celda. Se
puede “quemar” hidrógeno o cualquier otro combustible como metano, etc. para generar
electricidad directamente con un rendimiento cercano al 90 %. Se continua investigando en este
sistema de conversión de energía.
10.2. Catálisis en la industria del automóvil. El fenómeno de la catálisis es tan antiguo como
la vida ya que las reacciones bioquímicas que son el fundamento de la vidas están catalizadas por
los enzimas. El primer uso intencionado de la catálisis fue la fermentación del azúcar para dar
bebidas alcohólicas, aunque el término catálisis fue acuñado por Berzelius en 1835. El primer éxito
industrial indiscutible de la catálisis fue la síntesis de NH3 en 1911 a partir de H2 y N2 con un
catalizador eficiente. La principal misión de un catalizador es disminuir la energía de activación de
la reacción no catalizada por lo que aumenta la velocidad de reacción. Sin embargo, la
termodinámica del proceso no se ve afectada por lo que es imposible que una reacción que no es
espontánea se pueda catalizar y que se de. La catálisis se clasifica en homogénea o heterogénea en
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función de las fases presentes. Los catalizadores homogéneos son aquellos en el que el catalizador
se encuentra en el mismo tipo de fase que el sustrato(s)/reactivo(s), por ejemplo líquidos catalizados
por ácidos disueltos. Los enzimas son un caso particular de la catálisis homogénea ya que el
catalizador se encuentra y se comporta como un coloide por lo que está a medio camino entre la
catálisis homogénea y heterogénea. Los catalizadores heterogéneos son aquellos que se encuentra
en un estado diferente al de los reactivos (p. ej. un catalizador sólidos con reactivos líquidos o
gases). Una comparación entre la catálisis homogénea y heterogénea se da en la Tabla 10.1
Tabla 10.1. Características de catalizadores homogéneos y heterogéneos.
Homogéneo
Heterogéneo
Forma física:
Compuesto soluble
Generalmente sólido
Utilización del material:
Separación de productos:
Selectividad:
Temperatura:
Transferencia de calor
Todos los átomos accesibles
Puede ser difícil (no-volátil)
Generalmente buena
Generalmente, T < 250 oC
No hay gradientes de temperatura
Solo átomos superficiales ⇒ S ↑↑
Normalmente fácil
Variable
A menudo alta hasta 1000 oC
Calentamiento local → sinterización
Materiales en catálisis heterogénea. Hay diferentes etapas elementales que se deben dar en
una reacción catalizada heterogéneamente. La secuencia de transformaciones se da en la figura
10.4. La etapa que sea la más lenta se convierte en la limitante de la velocidad global de la reacción.
El la primera (I) los reactivos deben de aproximarse a la superficie del sólido que actúa como
catalizador, y este proceso se conoce como transporte de masa. En la segunda (II), los reactivos
deben ser quimisorbidos en la superficie del catalizador en la forma adecuada con la fuerza óptima,
grande para que haya una buena fracción enlazada pero no demasiado alta como para que no se
rompa esa unión. Solo los átomos, iones o grupos en la superficie accesible del catalizador se unen
a los reactivos y estos se conocen como centros activos o sitios activos (pueden ser una fracción
muy pequeña de la superficie total). En estas circunstancias se da la etapa de reacción catalizada,
III, en la que se obtiene el producto quimisorbido en la superficie del catalizador. Debido a esto se
requiere que el catalizador tenga la máxima superficie accesible. Este debe ser regenerado para que
siga catalizando la reacción por lo que se debe dar un paso (IV) de desorción de los producto(s) y
(V) transporte de los productos lejos de la superficie del catalizador.
Si bien los reactivos, productos o cualquier
contaminante se une demasiado fuerte con el
catalizador se da el envenenamiento y deja de
funcionar ya que no se regenera adecuadamente.
Algunas sustancias se unen irreversiblemente lo que
causa el fallo del catalizador. Un caso típico de autoFigura 10.4. Ciclo catalítico “heterogéneo” para envenenamiento por carbón de coque depositado en el
catalizador en reacciones con hidrocarburos a AT.
la reacción: A + B → C
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En la tabla 10.2 se dan un conjunto amplio de tipos de reacciones catalizadas
heterogéneamente mediante muchos tipos de materiales. Como ejemplo de materiales catalíticos
heterogéneos típicos vamos a estudiar en profundidad las zeolitas
Tabla 10.2. Clasificación de las reacciones catalizadas heterogéneamente
Catálisis en la industria del automóvil. Los motores de combustión interna emiten muchos
productos contaminantes que hay que minimizar debido a que son los responsables más importantes
de la contaminación medioambiental de las ciudades. Los contaminantes más comunes son NOx
(mezcla de NO2 y NO); SOx (principalmente SO2 y SO3) [que son los responsables de la lluvia
ácida ya que generan ácidos nítrico y sulfúrico, respectivamente. Otros contaminantes son el
monóxido de carbono, CO, y los hidrocarburos sin quemar. Debido al bajo contenido en S de los
combustibles actuales, los contaminantes más comunes en los tubos de escape de los coches son
tres: 1) NOx (formado a partir de la oxidación del N2 del aire a la alta temperatura del proceso de la
combustión); 2) El CO formado por oxidación parcial (incompleta) del combustible; y 3) HC
(hidrocarburos sin reaccionar) por una combustión defectuosa. Los catalizadores de tres vías son los
que se utilizan para disminuir la emisión de estos contaminantes. Las reacciones que se utilizan en
el convertidor catalítico para reducirlos son:
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2NO + 2CO → 2CO2 + N2 (1)
CO + ½ O2 → CO2 (2)
CnH2n+2 + (3n+1)/2O2 → nCO2 + (n+1)H2O (3)
Las reacciones (2) y (3) son relativamente fáciles de catalizar y fueron los primeros
catalizadores (de dos vías) introducidos en el mercado del automóvil que eran metales nobles u
óxidos. Aunque el Rutenio catalizaba también la reacción (1) no se introdujo en el mercado porque
daba oxido de rutenio (IV) volátil a altas temperaturas por lo que se volatilizaba el catalizador
siendo además muy tóxico. En estos años 1970-1975 se comenzaron a testear otros compuestos
como algunos óxidos para catalizar estas reacciones.
Los catalizadores actuales catalizan las tres reacciones, por eso se denominan de tres vías. El
rodio es el más efectivo con diferencia. Es bastante más caro que el Pt (∼13 $/g) frente a (∼100 $/g)
para el Rh. Para optimizar los resultados es vital controlar la relación de aire y combustible,
conocido como relación de equivalencia, λ=[aire]/[combustible]. La cantidad estequiométrica de
aire requerida para la combustión completa del combustible inyectado es λ=1. Es importante que el
motor trabaje con λ muy cercano a 1 ya que para valores de λ < 1 se produce mucho HC y CO
mientras que para valores de λ > 1 se produce mucho NOx.
La eficiencia típica en la conversión de las reacciones
(1), (2) y (3) en función de la relación de equivalencia
se da en la figura 10.5. Para valores de λ>1 es difícil
eliminar NOx y para valores de λ<1 es difícil eliminar
HC y CO. Por tanto es necesario controlar la
inyección de aire y combustible con mucha precisión.
La composición de la mezcla aire/combustible que se
introduce en los cilindros se controla electrónicamente
Figura 10.5. Diagrama de conversión de los
contaminantes a través de un catalizador de coche (EMS “engine management system”) que utiliza un
en función de la relación de equivalencia
sensor FSZ para determinar el contenido de O2 en los
gases de salida del motor.
Figura 10.7. Convertidor catalítico de coches
Figura 10.6. Sección esquemática de un
catalizador de cerámica monolítica
Las desviaciones típicas en λ son de ∼ 0.01. Una aceleración rápida conduce a una mezcla
rica en combustible por un periodo de tiempo corto pero el sistema de control electrónico del motor
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responde aumentando la relación de aire (y por tanto de oxígeno). En una desaceleración se produce
el efecto inverso que también se corrige. La forma física en la que se dispone el catalizador en los
tubos de escape (figura 10.6) se detalla esquemáticamente en la figura 10.7. Se trata de una
cerámica monolítica donde se deposita el catalizador (Rh) internamente y hay unos tubos por
donde pasan los gases que salen del motor y donde se dan las tres reacciones antes mencionadas.
10.3. Biomateriales. Uno de los grandes retos que tiene la ciencia de materiales es el
desarrollo de una nueva generación de biomateriales para reparar el cuerpo humano.
Figura 10.8a. Implantes posibles
Figura 10.8b. Algunas partes del cuerpo humano
susceptible de implantes (con los materiales detallados)
Biomateriales se pueden definir como compuestos químicos (orgánicos, inorgánicos, u
organo-inorgánicos) que presentan buenas prestaciones/aplicabilidad en el campo de la medicina.
Más de 40 partes del cuerpo humano se pueden reemplazar por dispositivos denominados
implantes o prótesis (ver figuras 10.8 a y b). Hay que tener en cuenta que los fluidos corporales
son muy corrosivos, y el pH puede cambiar mucho de una zona del cuerpo a otra. Por ejemplo, el
plasma sanguíneo tiene las siguientes concentraciones en iones (mM): Na+ 142, K+ 5, Mg2+ 1.5,
Ca2+ 2.5, Cl- 103, HCO3- 27, HPO42- 1.0, SO42- 0.5. Es sobresaliente la alta concentración de iones
sodio y cloruros lo que hacen el ambiente químico muy agresivo, especialmente para los implantes
metálicos. En la figura 10.8b se detallan parte de la gran cantidad de zonas del cuerpo humano que
pueden ser reemplazadas por biomateriales detallando estos materiales.
Estos implantes se pueden clasificar de acuerdo a la naturaleza de los compuestos químicos
que lo forman: metales, cerámicas, polímeros y materiales compuestos (Figura 10.9a) y como
ejemplo del uso de todos ellos se da un implante de cadera en la figura 10.9b.
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Figura 10.9a. Materiales para implantes
Figura 10.9b. Biomateriales cerámico, metálico y
polimérico para los implantes de cadera
Bio-metales. Solo se utilizan unos pocos metales ya que deben satisfacer una serie de
requisitos: 1) ser tolerados convenientemente por el paciente [las concentraciones de los cationes
metálicos y sus especies químicas derivadas deben ser toleradas por los tejidos químicos
adyacentes]; 2) resistentes a la corrosión [en presencia de los fluidos orgánicos que son muy
agresivos]. 3) Buenas propiedades mecánicas como módulo de elasticidad y resistencia mecánica, y
compatibilidad mecánica con los huesos. Tienen relativamente alto módulo elástico (70-230 GPa) y
su ductilidad (o capacidad para la deformación plástica en general) permite que se obtengan formas
complicadas mediante un abanico de técnicas conformacionales.
Los compuestos metálicos más comunes utilizados en implantes son: 1) aceros inoxidables
(p. ej. AISI 316L, % peso: 67.5 Fe, 18 Cr, 12 Ni, 2.5 Mo, < 0.03 C); 2) aleaciones de cobalto (p.
ej. ASTM F5758, % peso: 35 Co, 35 Ni, 20 Cr, 10 Mo); 3) aleaciones de titanio (p. ej. Ti6Al4V, %
peso: 90 Ti, 6 Al, 4 V); 4) titanio (100 % Ti); 3) aleaciones con memoria de forma (p. ej.
NITINOL, % peso: 50 Ti, 50 Ni); 6) metales nobles (p. ej. Au, Pt, etc.). Todos estas
aleaciones/metales son resistentes a la corrosión en algunos casos debido a la formación de una
capa inerte “pasiva” del óxido del metal. Las aleaciones basadas en el titanio presentan, hoy en día,
el mejor conjunto de prestaciones (mecánicas y frente a la corrosión) de los biometales comunes
para implantaciones endo-óseas. Las aleaciones estudiadas en el tema 3 “con memoria de forma”
son utilizadas en alambres correctores de la posición dental, aunque también se prevé que tengan
otras aplicaciones.
Los usos más comunes de los biometales son en aplicaciones ortopédicas incluyendo
sustituciones óseas (reemplar parte de un fémur o una cadera), fijaciones de fracturas (clavos
internos), fijadores externos, etc. En el campo dental hay muchas aplicaciones como puentes
permanentes y extraibles, prótesis parciales o totales, correctores dentales, etc. Muchos dispositivos
implantables contienen metales como prótesis vasculares, válvulas de corazón, electrodos de los
marcapasos, etc. Otro campo de trabajo importante es el de materiales biomagnéticos que ya se
trataron en el tema de magnetismo.
Bio-cerámicas. La principal ventaja es su baja reactividad química por lo que son
generalmente inertes y biocompatibles. Sin embargo, no todas las biocerámicas son inertes sino que
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algunas, como las que se utilizan en cirugía reconstructiva, son bioactivas. No todas las
biocerámicas son cristalinas y las hay vítreas (amorfas) como el Bioglass® [Na2O-CaO-SiO2-P2O5]
que se une expontáneamente al hueso sin la formación de una capa fibrosa y es un ejemplo típico de
material bioactivo. Este material se usa, p. ej., como hueso artificial en el oído medio. Las
cerámicas bioinertes (o casi inertes) tienen poca o ninguna influencia en los tejidos vivos cercanos.
Ejemplos de estos materiales se dan en la figura 10.8 y cabe destacar los óxidos de aluminio,
circonio y titanio y el hidroxiapatito (Ca5(PO4)3(OH)) que ha sido ensayado como cerámica densa,
porosa e incluso como capa delgada que recubre implantes metálicos para mejorar la biocompatibilidad del implante. Las biocerámicas se usan desde los años 70, en sustituciones óseas con
especificaciones mecánicas no demasiado fuertes. Se utilizan comúnmente en las prótesis dentales
como porcelana o hidroxiapatito que sustituyen los antiguos implantes de metales preciosos como
por ejemplo oro. Es importante destacar que los líquidos en la boca son muy agresivos así como los
ambientes locales en las comidas. Por esto, es un requisito indispensable una gran inercia química
de los materiales que sean destinados en usos dentales.
Es importante comentar la naturaleza de un material compuesto natural como el hueso vivo
que está en constante regeneración. El hidroxiapatito es el componente fundamental (pero no único)
de los huesos vivos y es ∼ el 5 % del peso de una persona. El hueso natural es un material
compuesto que contiene ∼ 80 % de hidroxi-carbonato-apatito y ∼ 20 % de colágeno. Los huesos
naturales son duros y flexibles simultáneamente. Hay que tener en cuenta que, por ejemplo, una
mujer cuando alcanza los 60 años puede haber perdido ∼ 50 % de la masa ósea que tenía es su
juventud. La pérdida de masa ósea en los varones es aproximadamente la mitad que en las mujeres.
Bio-polímeros. Estos pueden ser naturales o sintéticos y se pueden clasificar como
bioestables y biodegradables. Los primeros se pueden utilizar como implantes permanentes para
reemplazar tejidos dañados u órganos.
Polímeros biodegradables se pueden utilizar para uso
temporal como la grapas quirúrgicas autodesprendibles
(puntos hidrolizables) [p. ej. basados en fosfacenos,
colágeno, copolímeros basados en ácidos poliglicólicos/poli-lácticos]. En el Hospital Regional Carlos de
Haya de placas bioasimilables para reconstrucción
maxilofacial de accidentados (motoristas sin casco integral
principalmente) en los que se les implanta
quirúrgicamente unas placas (duras) de poliláctico para
Fig. 10.10. Tornillos para fijación de
que fijen/suelden los huesos, y al ser bioasimilable a
fracturas de poli(L-lactato) reforzado con
medio plazo evita la segunda operación para extraer las
poliéster biodegradable. (Material
placas. Un ejemplo de tornillos biodegradables se da en la
autodesprendible por bio-absorción)
figura 10.10.
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Otros usos que merecen ser destacado es el cemento para huesos basados en la polimerización
del polimetilmetacrilato (PMMA) que aunque presenta algunos problemas de cito-toxicidad y
elevación de temperatura durante la fijación a valores demasiado altos es prácticamente
irremplazable. Actualmente se está investigando mucho en cementos basados en fosfatos cálcicos
CPC “Calcium Phosphate Cements”.
Ejemplos clásicos de usos de biopolímeros son: implantes quirúrgicos como válvulas para el
corazón [siliconas, fosfacenos], reconstrucción maxilo-facial [siliconas, poli-tetrafluor-etileno],
prótesis mamarias [poli-hidroxi-etil-metacrilato, siliconas], cemento para la unión de prótesis
ortopédicas de otros materiales [PMMA], injerto vascular (interno) [PET, siliconas, poli-tetrafluoretileno], catéteres [siliconas, PVC], recubrimiento de injerto vascular [copolímero PS/PP], bolsas de
plasma sanguíneo [poli-uretanos], lentes intraoculares [fosfacenos], lentes de contacto blandas
[poli-hidroxi-etil-metacrilato], lentes de contacto duras [poli-metil-metacrilato], membranas para
diálisis [derivados de la celulosa, policarbonatos, poli-electrolitos/hidrogeles, poli-acrilonitrilo/fibras huecas, alcohol poli-vinílico], tejidos adhesivos [poli-alquil-cianocrilatos], sistemas de
encapsulamiento de medicamentos con aplicación de forma controlada [resinas epoxi, albúmina,
poli-alquil-cianocrilatos, poliamidas, copolímeros basados en ácidos poli-glicólicos/poli-lácticos,
poli-hidroxi-etil-metacrilato, alcohol poli-vinílico], tejidos artificiales (piel artificial), células
artificiales [poliamidas], partes de prótesis de caderas [poli-etileno], materiales para recubrimientos
de heridas/quemaduras [copolímeros basados en PAN, poli-hidroxi-etil-metacrilato, alcohol polivinílico], etc. Ejemplos de usos de polímeros en dispositivos de biomateriales se dan en las figuras
10.11 y 10.12 que son una válvula cardiaca y una cámara sanguínea, respectivamente. En la figura
10.13 se dan varios ejemplos de las estructuras moleculares (y algunos usos) de biopolímeros que
fuero estudiados en el tema 5.
Fig. 10.11. Válvula cardiaca de grafito
con recubrimiento de carbono pirolítico
sostenida por una malla de poliéster
tratada con iones Ag+ (agente
antimicrobiano)
Fig. 10.12. Cámara sanguínea de PU con
platos paralelos de acero 316L.
Componente fundamental de los
dispositivos de asistencia ventricular
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Fig. 10.13. Ejemplo de estructuras moleculares de algunos biopolímeros
Materiales compuestos. Tendones y ligamentos son tejidos conectivos densos constituidos
por una fase proteica (colágeno y elastina) y una fase de polisacáridos. Las propiedades mecánicas
dependen de la relación de estas dos fases y las orientaciones y conformaciones. Desgraciadamente,
la mayoría de las prótesis de ligamentos comerciales fallan mecánicamente debido a la baja
resistencia al esfuerzo mecánico, fatiga y fricción. Prótesis de materiales compuestos basados en
una matriz de poli-hidroxo-etil-metacrilato PHEMA, reforzado con fibras de poli-etilen-tereftalato
PET, se están investigando para simular las propiedades mecánicas de los tendones naturales y
poder reemplazarlos con garantías. Otros materiales compuestos se forman entre la unión de huesocemento-implante. También se pueden entender como materiales compuestos, los implantes
metálicos recubiertos de una capa fina cerámica de hidroxiapatito, TiO2, ZrO2, etc.
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Tabla 10.3. Ejemplo de usos de biomateriales con la localización y etiología correspondiente.
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