Más baratas, más resistentes y menos tóxicas: nuevas aleaciones son prometedoras para el desarrollo de miembros artificiales

Jul 21, 2023

25 de noviembre de 2022

por Michael Oluwatosin Bodunrin, La conversación

El titanio es un metal fuerte, resistente y relativamente ligero. Sus propiedades también han sido bien estudiadas; Los científicos saben mucho al respecto. Todo esto lo convierte en la base ideal para crear miembros artificiales (especialmente rodillas y caderas) y dientes. Es menos probable que se oxide que otros metales y, como han demostrado las investigaciones, es más compatible con el cuerpo humano que, por ejemplo, el acero inoxidable y los materiales a base de cobalto.

Pero hay un problema importante: el titanio no es barato. Es difícil conseguir datos precisos, pero el coste medio conservador de las prótesis a base de titanio oscila entre 3.000 y 10.000 dólares estadounidenses. Eso es caro para la mayoría de la gente y prohibitivo para la mayoría de la gente en países de ingresos medios y bajos como los de África.

Nuevamente, los datos son escasos, pero un estudio reciente sobre el África subsahariana (excluyendo a Sudáfrica, que tiene mejores instalaciones para tales procedimientos que la mayoría de los demás países del continente) encontró que se realizaron 606 reemplazos de cadera y 763 de rodilla entre 2009 y 2018. Es probable que muchas más personas en la región necesiten reemplazos, pero se quedarán sin ellos porque simplemente no pueden pagar el procedimiento. Y, con el aumento de la población mundial de personas de 65 años o más, la demanda de implantes aumentará; Este grupo de edad es propenso a enfermedades como la osteoporosis y la osteoartritis.

Es por eso que estamos trabajando para producir materiales a base de titanio más baratos que puedan usarse para fabricar extremidades asequibles. En nuestra última investigación, mis colegas y yo experimentamos con elementos metálicos como titanio, aluminio, hierro y vanadio para crear nuevas aleaciones. Probamos cada uno en una solución que imita los fluidos corporales humanos.

Descubrimos que las nuevas aleaciones mostraban una oxidación insignificante en la solución. Las nuevas aleaciones, que son ligeramente más baratas que la aleación de calidad comercial, funcionaron tan bien, y una aleación incluso las superó.

El mayor beneficio del titanio para fabricar caderas, rodillas y dientes artificiales es que es seguro para su uso en el cuerpo humano porque no se degrada fácilmente cuando se expone a fluidos corporales.

Sin embargo, cuando el titanio se utiliza en su forma pura, carece de la fuerza y ​​la resistencia al desgaste necesarias para hacer frente a los rigores de la actividad humana.

Por eso se añaden otros elementos metálicos. Los ejemplos incluyen aluminio, vanadio, circonio, tantalio, niobio, molibdeno y hierro. Los científicos utilizan estos y otros elementos para crear nuevas aleaciones que sean más fuertes y resistentes al desgaste.

Actualmente la aleación más utilizada en caderas y rodillas artificiales es Ti-6Al-4V: 90% titanio, 6% aluminio y 4% vanadio. Aunque es eficaz, tiene dos inconvenientes importantes. El primero es el costo. El vanadio es casi tan caro como el titanio. El segundo es la toxicidad: el aluminio y el vanadio son tóxicos en grandes cantidades. Cuando el material se degrada por corrosión, se liberan iones en el cuerpo y pueden causar inflamación crónica. Estos iones también se han relacionado con la enfermedad de Alzheimer.

Para este estudio redujimos la cantidad de aluminio y vanadio que se agregan al Ti-6Al-4V para fabricar nuevos materiales a base de titanio. También excluimos el aluminio y reemplazamos completamente el vanadio con hierro para fabricar otro material más económico a base de titanio.

Luego investigamos si estos nuevos materiales para implantes se degradarían rápidamente al sumergirlos en el fluido del cuerpo humano. Usamos una solución llamada Solución Salina Equilibrada de Hanks que contiene los ingredientes principales del fluido corporal humano. Comparamos los nuevos materiales de titanio con el Ti-6Al-4V de calidad comercial que se usa comúnmente.

Casi todas las nuevas aleaciones tuvieron un mejor rendimiento que el Ti-6Al-4V en la solución salina. Aquellos a los que les fue peor en la solución todavía estaban a la par con el Ti-6Al-4V. Y ninguna de las nuevas aleaciones se degradó más de 0,13 milímetros por año, la tasa de degradación máxima permitida permitida para el material de implante.

Las aleaciones sin vanadio ni aluminio obtuvieron buenos resultados, lo que significa que son potencialmente más seguras que el Ti-6Al-4V porque tienen niveles de toxicidad más bajos.

Y, lo que es más importante, las nuevas aleaciones son más baratas de producir que el Ti-6Al-4V. No estamos trabajando en la fabricación real de miembros artificiales; esta investigación se centra en la composición química de las aleaciones. Por lo tanto, no podemos decir cuál sería el ahorro de costes final si se utilizaran estas aleaciones. Pero, simplemente alterando los materiales de partida como lo hicimos nosotros, reemplazando total o parcialmente el aluminio y el vanadio con hierro, se pueden lograr ahorros de costos de hasta el 10%.

A partir de 2030, más adultos mayores residirán en países en desarrollo como los del continente africano. A medida que esta población aumenta, la demanda de extremidades artificiales también puede aumentar. Por eso es tan importante identificar materiales asequibles y seguros. Nuestra investigación es un paso prometedor hacia el logro de ese objetivo.

Más información: Mogomotsi Leshetla et al, Resistencia a la corrosión de aleaciones de titanio experimentales que contienen hierro expuestas a fluidos corporales simulados, Materiales y corrosión (2022). DOI: 10.1002/maco.202213076

Proporcionado por La Conversación

Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.