Materiales para implantes ortopédicos y de columna vertebral

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INTRODUCCIÓN

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Los dispositivos ortopédicos y para la columna vertebral requieren materiales capaces de soportar cargas mecánicas, resistir la corrosión y el desgaste, y satisfacer las necesidades de fabricación de los fabricantes de implantes e instrumentos. Stanford Advanced Materials (SAM) suministra materiales metálicos, cerámicos y poliméricos en formatos adecuados para la reconstrucción articular, la fijación traumatológica, los sistemas para la columna vertebral y la investigación en regeneración ósea.

Aplicaciones ortopédicas y matriz de materiales

El material adecuado depende del componente, el entorno de carga, el proceso de fabricación y el rendimiento requerido en cuanto al contacto con el hueso o la visualización por imagen.

Aplicación	Materiales y formas recomendadas	Función típica	Factores clave de selección
Reconstrucción articular	Varillas, barras, láminas o polvo de aleación de titanio; CoCr; Ta poroso; UHMWPE; circonio o alúmina	Piezas estructurales, sistemas de articulación, interfaces porosas y pares de desgaste	Carga, fatiga, módulo, par de desgaste, estado de la superficie y proceso de fabricación
Fijación traumatológica	Alambre, varilla, placa y lámina de titanio para uso médico; formas de acero inoxidable o CoCr	Placas, tornillos, varillas, clavos, alambres y componentes de fijación	Grado, resistencia, capacidad de flexión o conformabilidad, dimensiones, tolerancias y acabado
Sistemas para la columna vertebral	Barras y placas de titanio o CoCr; ta esferoidal; PEEK; HA y biocerámicas	Jaulas, varillas, placas, elementos de fijación, recubrimientos y rellenos	Rigidez, fatiga, visualización por imagen, porosidad, adhesión del recubrimiento y método de esterilización
Regeneración ósea	Polvos de HA, TCP alfa o beta y fosfato cálcico bifásico; biocerámicas porosas	Recubrimientos, andamios, rellenos y formulaciones de investigación	Fase, relación Ca/P, pureza, tamaño de partícula, morfología, porosidad y objetivo de reabsorción

Campos de especificación de materiales recomendados

Grupo de materiales	Información mínima para la consulta	Datos opcionales específicos de la aplicación
Titanio y aleaciones	Grado; forma; dimensiones; tolerancia; estado de la superficie; cantidad	Condiciones de fatiga o mecánicas; proceso de mecanizado; norma exigida
Tantalo	Pureza o grado; forma densa o porosa; dimensiones; cantidad	Porosidad, rango de poros, arquitectura y proceso de unión o recubrimiento previsto
Ácido hialurónico y fosfatos de calcio	Composición y fase; pureza; tamaño de partícula; cantidad	Morfología, relación Ca/P, cristalinidad, porosidad y método de recubrimiento o sinterización
Polímeros y compuestos	Tipo de polímero; grado; forma; dimensiones; cantidad	Peso molecular, refuerzo, exposición a la esterilización y proceso de fabricación

Equilibrio entre carga, fatiga, rigidez, desgaste e imagenología

Los sistemas ortopédicos y espinales plantean varias exigencias contrapuestas a los materiales. Una alta resistencia puede permitir un componente más pequeño, pero la rigidez puede afectar a la transferencia de carga, y las consideraciones de visualización pueden influir tanto en el material como en la geometría. Las aleaciones de titanio se consideran ampliamente para componentes de fijación y de columna vertebral, ya que combinan resistencia a la corrosión, una relación resistencia-peso útil y un módulo elástico inferior al de las aleaciones de cobalto-cromo. El CoCr puede ser preferible cuando se requiere una mayor rigidez o resistencia al desgaste. Los aceros inoxidables, los polímeros y las cerámicas desempeñan funciones adicionales en función de si el componente es temporal, soporta carga, es articulado, aislante o está destinado a permanecer visible en las pruebas de imagen.

Por lo tanto, la selección del material debe realizarse a nivel de componente y no a nivel de sistema. Una barra espinal, una jaula intercorporal, un tornillo óseo, una superficie de apoyo articular y un instrumento quirúrgico pueden pertenecer al mismo ámbito clínico, pero no deben compartir una especificación genérica. El diseñador debe definir el modo de carga previsto, el entorno de fatiga, el par de desgaste, la rigidez admisible, las prioridades de visualización, la geometría del componente y el proceso de fabricación. Estos parámetros determinan si el material de partida debe ser alambre, barra, placa, polvo, material poroso, una forma cerámica o una pieza polimérica.

Tratar los recubrimientos porosos y los fosfatos de calcio como variables de diseño independientes

Los metales porosos y los materiales de fosfato de calcio suelen analizarse conjuntamente porque ambos pueden aparecer en una interfaz de contacto con el hueso, pero no desempeñan la misma función. Una estructura porosa de titanio o tantalio puede proporcionar una arquitectura metálica tridimensional y contribuir a soportar la carga mecánica. La hidroxiapatita, el fosfato tricálcico y el fosfato de calcio bifásico son materiales cerámicos utilizados en aplicaciones de recubrimiento, andamios, rellenos e investigación. Su química de fases, su comportamiento de disolución o reabsorción y sus requisitos de procesamiento difieren.

En el caso de los metales porosos, hay que definir el material base, las dimensiones generales, la porosidad total, el rango de tamaño de los poros, la arquitectura y la función mecánica de la estructura. En el caso de un polvo de fosfato cálcico, hay que definir la composición, la pureza de fase, la relación Ca/P cuando sea relevante, la distribución del tamaño de las partículas, la morfología y el método previsto de recubrimiento, formulación o sinterización. En el caso de un componente recubierto, deben tenerse en cuenta conjuntamente el sustrato, la preparación de la superficie, el método de recubrimiento, el espesor y la evaluación de la adhesión. Especificar únicamente «tantalio poroso» o «polvo de HA» deja sin definir gran parte de la intención del diseño.

Adaptar el material de partida a la vía de fabricación

La forja, el mecanizado, la fabricación aditiva, la pulverización por plasma, la deposición electroforética y el sinterizado cerámico requieren características diferentes de la materia prima. Las especificaciones de las barras o placas metálicas suelen centrarse en el grado, las dimensiones, la tolerancia, las propiedades mecánicas y la superficie. El polvo para la fabricación aditiva requiere controles sobre el tamaño de las partículas, la morfología, la composición química y la manipulación. En el caso del polvo biocerámico, hay que añadir la composición de fases, la cristalinidad y el historial térmico, ya que estos factores pueden influir en el comportamiento del recubrimiento o del sinterizado.

Durante las primeras fases de desarrollo, un plano y las propiedades objetivo pueden ser suficientes para identificar los productos candidatos. Antes de un suministro repetido, la especificación de compra debe indicar la norma del material o el rango de composición interna, la forma del producto, las dimensiones críticas, los requisitos de superficie o porosidad, el método de inspección, la cantidad y la documentación. SAM puede revisar los formularios de stock y personalizados para la planificación de prototipos y producción, mientras que el fabricante de dispositivos ortopédicos sigue siendo responsable de validar el componente procesado, la respuesta biológica, la esterilización y el rendimiento del dispositivo acabado.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se utiliza ampliamente el titanio en dispositivos ortopédicos y espinales?

El titanio y determinadas aleaciones de titanio combinan resistencia a la corrosión, una relación resistencia-peso favorable y un módulo de elasticidad inferior al de las aleaciones de cobalto-cromo. El grado y la forma requeridos dependen del componente y del proceso de fabricación.

¿Cuándo se considera el uso de tantalio poroso?

El tantalio poroso puede considerarse para estructuras que soportan carga o arquitecturas en contacto con el hueso en las que se desea una alta porosidad y una estructura metálica tridimensional. La estructura porosa, las propiedades mecánicas y el procesamiento del componente deben especificarse y validarse.

¿Cuál es la diferencia entre la hidroxiapatita y el fosfato tricálcico?

Ambas son biocerámicas de fosfato cálcico, pero su química de fases y su comportamiento de reabsorción difieren. La selección debe tener en cuenta la composición, la pureza de las fases, el tamaño de las partículas, la morfología y si el material se utilizará en un recubrimiento, un andamio, un relleno o una formulación.

¿Se pueden suministrar materiales ortopédicos para la fabricación aditiva?

Es posible que haya disponibles determinados polvos de titanio, cobalto-cromo y cerámica para el procesamiento aditivo o basado en polvo. Especifique la aleación, la distribución del tamaño de las partículas, la morfología, la composición química, la cantidad y el proceso previsto.

¿Qué debe incluirse en una solicitud de información sobre componentes ortopédicos?

Incluya la aplicación, el plano, el material y el grado, la forma, las dimensiones, la tolerancia, los requisitos de superficie o porosidad, la cantidad, la especificación aplicable y los documentos necesarios.

Solicite materiales para su aplicación

Póngase en contacto con SAM indicando su aplicación ortopédica o espinal, el plano y las especificaciones del material para identificar las formas disponibles en stock u opciones de suministro a medida.

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