Más baratas, más resistentes, menos tóxicas: las nuevas aleaciones se muestran prometedoras en el desarrollo de miembros artificiales

25 de noviembre de 2022

de 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 modelar miembros artificiales, en particular rodillas y caderas, y dientes. Es menos probable que se oxide que otros metales y, como ha demostrado la investigación, es más compatible con el cuerpo humano que, por ejemplo, los aceros inoxidables y los materiales a base de cobalto.

Pero hay un gran problema: el titanio no es barato. Es difícil obtener datos precisos, pero el costo promedio conservador de las prótesis a base de titanio es de entre US$3.000 y US$10.000. Eso es costoso para la mayoría de las personas y prohibitivo para la mayoría de las personas en países de ingresos medios y bajos como los de África.

Nuevamente, los datos son escasos, pero un estudio reciente sobre África subsahariana (excluyendo 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 mayores de 65 años, la demanda de implantes aumentará; este grupo de edad es propenso a enfermedades como la osteoporosis y la artrosis.

Es por eso que estamos trabajando para producir materiales a base de titanio más baratos que se puedan usar 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 de los humanos.

Descubrimos que las nuevas aleaciones mostraban una oxidación insignificante en la solución. Las nuevas aleaciones, que son un poco más baratas que la aleación de grado comercial, se desempeñaron tan bien como ella, y una aleación incluso la 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 los fluidos corporales.

Sin embargo, cuando el titanio se usa 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 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 principales. 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, los iones se liberan 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 a Ti-6Al-4V para fabricar nuevos materiales a base de titanio. También excluimos el aluminio y reemplazamos el vanadio por completo con hierro para fabricar otro material más económico a base de titanio.

Luego investigamos si estos nuevos materiales de implante se degradarían rápidamente cuando se sumergieran en el fluido corporal humano. Usamos una solución llamada Hanks Balanced Salt Solution que contiene los principales ingredientes del fluido corporal humano. Comparamos los nuevos materiales de titanio con el Ti-6Al-4V de grado comercial que se usa comúnmente.

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

Las aleaciones sin vanadio y aluminio funcionaron bien, lo que significa que son potencialmente más seguras que 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 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 costos final si se usaran estas aleaciones. Pero, simplemente alterando los materiales de partida como lo hicimos nosotros, reemplazando el aluminio y el vanadio total o parcialmente con hierro, se pueden lograr ahorros de costos de hasta un 10%.

A partir de 2030 y más allá, más adultos mayores residirán en países en desarrollo como los del continente africano. A medida que aumenta esta población, la demanda de prótesis también puede aumentar. Por eso es tan importante identificar materiales asequibles y seguros. Nuestra investigación es un paso prometedor hacia el cumplimiento 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 de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.