¿Es el titanio la única aleación metálica para fabricar prótesis para el cuerpo humano?

El titanio es un elemento químico con símbolo Ti y un número atómico 22. Fue descubierto por el clérigo inglés William Gregor. Su nombre fue acuñado por el químico alemán, Martín Heinrich Klaproth, quién creo el nombre de titanio, a partir de Titán, de la antigua mitología griega.

El titanio es un metal de color plateado, de baja densidad y alta dureza. Es muy resistente a la corrosión de agua dulce, agua de mar, agua regia (disolución altamente corrosiva formada por la mezcla de ácido nítrico concentrado y ácido clorhídrico concentrado, capaz de disolver el oro, el platino y el resto de los metales) y cloro.

En la naturaleza, siempre se encuentra unido a otros elementos, normalmente en el interior de rocas ígneas (o magmáticas, se forman cuando el magma se enfría y se solidifica) y algunos sedimentos derivados de ellas. Uno de los materiales más explotados que contienen titanio es el rutilo (un dióxido de titanio, TiO2); en la Figura 1a se presenta una imagen de polvo de dióxido de titanio obtenida con un Microscopio Electrónico de Barrido (MEB). Asimismo, en la Figura 1b, se presenta un Análisis de Espectroscopia de Rayos X de Energía Dispersiva que permite la caracterización química de la muestra de dióxido de titanio.

Figura 1: (a) Imagen por MEB del polvo de dióxido de titanio (TiO2). (b) Análisis de Espectroscopia de Rayos X de Energía Dispersiva de la muestra de polvo de dióxido de titanio.

Australia es el principal productor de titanio a nivel mundial con una producción estimada de más de 1.5 millones de toneladas en 2021. Sudáfrica y China son los dos siguientes productores de titanio con 1.16 y un millón de toneladas, respectivamente.

El titanio se encuentra entre los diez elementos químicos más abundantes en la naturaleza, por lo tanto no se encuentra amenazado por el momento, lo que permitirá desarrollar nuevas aplicaciones e innovaciones en los sectores mecánico, aeronáutico, energético, químico, automotriz, bioquímico, electrónico manufacturero y biomédico con este elemento químico.

Titanio es considerado como el metal más biocompatible que no es dañino ni tóxico para los tejidos del organismo, hasta el momento no se han reportado reacciones alérgicas del sistema de defensa del cuerpo (inmunitario).

Una de sus cualidades es su resistencia a la corrosión de los fluidos corporales (sangre, saliva, entre otros) debido a la formación de una capa pasiva de oxígeno de titanio en la superficie de la aleación, incrementando su resistencia a la corrosión de forma natural en presencia de oxígeno.

La superficie del titanio permite que los tejidos vivos crezcan (como el hueso) y se adhieran prácticamente anclándose, mostrando una enorme ventaja sobre aceros inoxidables (AISI 304 y AISI 316L) y las aleaciones con base de cobalto (CoCrMo y CoNiCrMo) que requieren el uso de un adhesivo para mantenerse unidos al tejido. Los implantes de titanio, como son piezas de recambio de un hueso de la mandíbula, el talón, tornillos óseos, la cadera (ver Figura 2a), implantes dentales o placas de craneoplastia en cirugía, duran más pero son más costosas y difícil de manufacturar.

Figura 2: (a) Prótesis de cadera en titanio. (b) Imagen por MEB de la capa CoB-Co2B formada a través del tratamiento termoquímico de borurización sobre la superficie de una aleación base cobalto CoCrMo.

En los últimos cinco años, el Grupo de Ingeniería de Superficies de la Escuela Superior de Ciudad Sahagún, de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (UAEH) hemos estado estudiando el endurecimiento superficial de aleaciones base cobalto (CoCrMo) cuya composición química nominal es 0.14% C, 30% Cr, 7% Mo, 1% Ni, 0.75% Fe, 1% Si, 0.25% Mn, utilizadas en el sector biomédico e industrial a través de la aplicación de diversos tratamientos termoquímicos (borurización, nitruración, cementación, boro-nitruración, carboronitruración), que permiten incrementar sustancialmente la dureza superficial, el comportamiento a la fatiga por contacto, la resistencia al desgaste y a la corrosión (tribocorrosión).

En la Figura 2b se presenta un corte transversal de la capa de boruro de cobalto (CoB + Co2B) producto de la aplicación del tratamiento termoquímico de borurización, formada sobre la superficie de una aleación base cobalto CoCrMo, permitiendo elevar los valores de dureza a lo largo de la profundidad de la capa. Para la capa CoB la dureza alcanza 18 GPa, disminuyendo para la capa Co2B a 14 GPa y en el sustrato sin tratamiento a 4 GPa.

La aplicación de estos procesos en aceros grado médico (AISI 304 y AISI 316L) y aleaciones base cobalto (CoCrMo y CoNiCrMo) han despertado un enorme interés, debido a que se consiguen mejores propiedades con un bajo costo de manufactura en comparación con las aleaciones de titanio, lo que permitirá en un futuro fabricar piezas de recambio de un hueso de la mandíbula, talón, hombro, varillas espinales, stents vasculares, rodilla, cadera, implantes dentales, dispositivos de fijación de fractura o placas de craneoplastia en cirugía de bajo costo y con un incremento de tiempo de vida útil.

Por ejemplo, en el caso del reemplazo de cadera fabricada con titanio, tiene un tiempo medio de duración de 15-20 años, por lo que debe reemplazarse con un nueva; pero en personas adultas no es muy recomendable. En ese sentido, la aplicación de los tratamientos termoquímicos pueden ayudar a cubrir esa necesidad para crear prótesis con mayor tiempo de vida útil y un costo mucho más bajo.