Nickel Titanium

En 1962, se hace el descubrimiento de una aleación de níquel y titanio (NiTi) en el Naval Ordanance Laboratory (ahora Naval Surface Warfare Center). William J. Buehler y sus colaboradores, en los cuales destaca Frederick Wang desarrollaron una aleación que cuenta con un efecto memoria de forma, el cual en la actualidad se mantiene como la aleación más comercial y más extendida gracias a su estabilidad al ciclado, biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y capacidad de recuperación a grandes deformaciones.

Primero se explicará que son las aleaciones con un efecto memoria de forma, las cuales se les denomina SMA por sus siglas en inglés “Shape Memory Alloy”, son aleaciones metálicas que después sufrir una deformación aparentemente plástica, vuelven a su forma original cuando son sometidas a altas temperaturas, estos pueden ser deformados hasta casi un 10% pero al aplicar un calentamiento en un determinado rango de temperaturas recuperan su forma original. Los efectos anteriormente mencionados son llamados Memoria de forma térmica (Efecto Memoria de Forma) y Memoria de forma Elástica (Superelasticidad), estos efectos son provocados por un cambio de fase llamado Transformación Martensítica Termoelástica. Las aplicaciones de los comportamientos mencionados son el generar un fuerza o movimiento (Efecto de Memoria de Forma) o almacenar energía (Superelasticidad).

Transformación Martensítica

Las transformaciones de estado de los sólidos son de dos tipos:

-Difusión: Formación de una nueva fase moviendo átomos aleatoriamente a distancias relativamente grandes por un amplio rango de difusión, se requiere una migración atómica. Ésta transformación depende del tiempo y la temperatura.

-Desplazamiento: Reordenación de átomos para llegar a una nueva estructura cristalina más estable, él cual es independiente al tiempo y movimiento de la interfase. También se llaman Transformaciones Atérmicas ya que sólo depende de la temperatura y no de la cantidad de tiempo de esa temperatura.

La principal característica de la martensita es que se forma enfriando. Aumenta una fracción de volumen a medida que la temperatura se reduce. Debido a la ausencia de difusión se hereda la composición y ordenación atómica de la fase madre con una fracción de volumen independiente del tiempo.

La acomodación de la estructura es la segunda parte de la transformación la cual es producida por el paso anterior. La martensita de los aceros implica un cambio de volumen y forma, mientras que aleaciones con memoria de forma sólo tienen cambio de forma.

El rango de temperaturas en el que se producen y se terminan las transformaciones martensítica y austenítica son las temperaturas Ms, Mf y Af, las cuales también se les denominan temperaturas características o de transformación.

La temperatura de inicio de la transformación martensítica (Ms) comienza en el proceso de enfriamiento y termina a medida que decrece a una temperatura cercana a la temperatura final de transformación martensítica (Mf).

En el proceso de calentamiento la aleación alcanza la temperatura As, a esto se le llama la formación de la fase austenítica, en el cual se comienza a formar una estructura cristalina cúbica centrada en las caras, la cual se termina de formar alrededor de Af.

Figura 1. Cambios en las propiedades de una aleación SMA en una transformación martensítica.

La aleación se recupera completamente de una deformación, cuando se calienta más allá de Af, obteniendo así el efecto de memoria de forma.

Se define pico de austenita (Ap) y de martensita (Mp) como aquella temperatura donde el 50% del material ya se ha transformado.

Figura 2. Descripción macroscópica del proceso de memoria de forma

El punto de inflexión es entre As y Af, en el cual casi el 50% de la aleación original y está recuperada, llegando a Af su recuperación esta completada. La memoria de forma sólo puede ser reactivada una vez, por eso se le suele llamar efecto memoria de forma simple, aunque existe el doble efecto memoria de forma que existe en otras aleaciones.

Aplicaciones en la Biomedicina

Ésta aleación es la más usada en aplicaciones biomédicas debido a sus propiedades mecánicas, químicas y biológicas. Sus aplicaciones se pueden dividir en: ortopedia, cirugía vascular y odontología.

Debido a que es una aleación que se une químicamente por un enlace intermetálico al titanio, tiene una reacción muy baja en sensibilidad con los pacientes. También por su buena resistencia a la corrosión, disolución y descomposición.

Cirugía cardiovascular:

Stents: Son los implantes que ayudan a mantener abiertas a las arterias coronarias cuando sufren de alguna obstrucción, los cuales son insertados por medio de un catéter, el cual mantiene al implante a una temperatura debajo de As hasta el momento del despliegue, cabe destacar que como se había mencionado antes, que es la temperatura de formación de la transformación martensítica, así que cuando sale del catéter, su temperatura cambia por lo tanto su forma también.

Figura 3. Stent coronario

Ortopedia

Placas  de osteosíntesis:  Se utilizan para la recuperación a una fractura, ya que el material cuenta con memoria de forma que junto a una compresión continua puede hacer que el hueso se regenere más rápidamente.

Clavos de fijación intramedular: Su fin es fijar los huesos fracturados de la cavidad medular. Éste material es el adecuado ya que con su efecto de memoria de forma puede sacarse cuando el hueso se halla regenerado sin dañar la estructura, ya que al momento de enfriarlo su diámetro disminuirá y al calentarse recuperará su forma original y fijará el hueso.

Grapas  de fijación ósea: Se utilizan para juntar partes de huesos fracturados. Igual que los clavos se utiliza ésta aleación por su efecto memoria. Se fabrican las grapas en estado austenítico, pero al momento de aplicarle esto al paciente tiene que ser en estado frío, esto para que la grapa se deforme y pueda insertarse en el hueso sin aplicar fuerza alguna, y posteriormente calentarse con el calor del cuerpo para que pueda recuperar su forma original.

Espaciadores  para   la   columna vertebral: Se utilizan para tratar la estenosis de la columna lumbar, que es cuando hay un estrechamiento del canal de la médula espinal. Utilizan el mismo sistema de las grapas, se insertan fríos para que estén deformados y así poder insertarse sin aplicar alguna fuerza y con el calor del cuerpo recuperan su forma original y crean una compresión continua.

Varillas de Harrington: Se utilizan para tratar la escoliosis, que es cuando la columna sufre una deformación, en vez de estar recta, ésta curva parecida a la forma de una “s”. De igual manera utilizan el mismo sistema que se mencionó anteriormente, se insertan en estado frío para que con el calor del cuerpo éstas regresen a su forma original y realicen una compresión continua en las vértebras con el fin de corregir la curvatura.

Figura 4. Funcionamiento de las grapas de fijación osea.

Figura 5. Espaciadores para tratar la estenosis. En forma original (izquierda) y deformado (derecha).

Figura 6. Varilla de Harrington

Ortopedia

Frenos Implantes Orales Filtro de Nitinol Simon (SNF): Se utiliza para atrapar coágulos de sangre en la vena cava. Como

se mencionó anteriormente se inserta frio y regresa a su forma original al momento de calentarse con la temperatura corporal.

Anclas de sutura ósea Mitek: Proporcionan una fijación estable en los tendones, ligamentos y otros tejidos blandos al hueso.

Figura 7. Filtro de Nitinol Simon en su forma original (izquierda) y su mecanismo (derecha).

También se utiliza en prótesis de mano, su utilización es a lo que se denomina “Músculos de Alambre”, para trabajarlo el músculo normalmente está estirado debido a la acción de un peso o un resort y al momento en el que se aplica temperatura o una corriente eléctrica, el musculo se contrae y lo hace con mucha fuerza. Estos alambres son del grueso de un cabello, tienen la capacidad para levantar casi un kilo y pueden contraerse hasta un 8% de su longitud con una rapidez de hasta 0.1 segundos. Y como se había mencionado se necesita asegurar la evacuación del calor en el músculo para que el musculo pueda volver a su forma original.

Figura 8. Prótesis de mano

Referencias

Díaz del Castillo Rodríguez Felipe “Nitinol, Un biomaterial con memoria de forma” (2011) Laboratorio de Tecnología de Materiales UNAM

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/Nitinol_un%20biomaterial.pdf

Cano Sánchez Andrés “Estudio e Implementación de actuadores basados en Aleaciones SMA” (2010) Universidad Carlos III de Madrid