• Rebeca Guiza Méndez. Residente del 6° semestre de la especialidad en ortodoncia.
  
  
• Maria de la Luz Vargas Purecko. Profesor e investigador de la especialidad en ortodoncia. Jefa de la división de estudios de posgrado e investigación. Facultad de odontología UMSNH. México
  
  
• Ignacio Mejía Granados. Profesor e investigador titular del Instituto de investigaciones metalúrgicas de la UMNSH. México

INTRODUCCION:
Entre la amplia variedad de materiales disponibles comercialmente (incluidos metales, aleaciones, cerámicos, etc.), sólo un número limitado pueden ser empleados como biomateriales en medicina y odontología. La razón para esto es que los biomateriales deben satisfacer dos requerimientos importantes: (a) biofuncionalidad, y (b) biocompatibilidad. La biofuncionabilidad se refiere a la capacidad de los biomateriales para desempeñar las funciones deseadas durante un periodo esperado en el cuerpo. La biocompatibilidad es la capacidad de los materiales para no presentar toxicidad durante el periodo implantando. Debido a estas demandas tan rigurosas, muy pocos materiales han sido calificados para ser empleados como implantes (Fe-Cr-Ni, Co-Cr y Ti-Al-V). (1)

Sin embargo, las aleaciones con memoria de forma (AMF) han sido introducidas recientemente en el campo de la medicina y odontología, ya que tienen funciones únicas tales como el efecto memoria de forma, superelasticidad y capacidad de amortiguamiento. De entre decenas de aleaciones con memoria de forma, se encuentran las aleaciones Níquel Titanio (Ni-Ti) que son consideradas las mejores debido a su excelente estabilidad mecánica, resistencia a la corrosión, biofuncionalidad y biocompatibilidad. En odontología, un ejemplo de aplicación muy exitoso son los arcos de alambre de Ni-Ti los cuales usan la superelasticidad caracterizada por un esfuerzo constante bajo carga o descarga. Estas aleaciones presentan propiedades mecánicas únicas e ideales para la práctica de la mecanoterapia ortodóntica, ya que presentan un rango idealmente amplio de deformación efectiva correspondiente a la zona de fuerza óptima. En el caso de las aleaciones Ni-Ti la fuerza constante ejercida puede ser ajustada sobre un amplio rango mediante cambios en la fabricación y factores metalográficos tales como el tratamiento termomecánico y composición química. (2,3)

Esta nueva generación de aleaciones con memoria de forma y que se conocen como superelásticos tienen una temperatura de transición mucho mas baja (ligeramente inferior o ligeramente superior a la temperatura bucal) Hay alambres de Ni-Ti superelásticos con distintos grados de rigidez. Para que la comparación de la rigidez sea realista se debe efectuar a la temperatura bucal porque algunos alambres parecen tener menos fuerza por ser parcialmente martensíticos a temperatura ambiente; la fuerza aumenta a medida que se produce una transformación de fase a la temperatura de la boca. Aunque la temperatura de transición final de algunos alambres de NI-Ti superelásticos es inferior a la temperatura bucal otros no quedan plenamente activados hasta que alcanzan o superan los 37°c


ANTECEDENTES
Aleaciones con Memoria de Forma
La primera observación recordada acerca de transformaciones de aleaciones con memoria fue vivida por Chang y Read en 1932. Ellos notaron una reversibilidad de transformación en AuCd con observaciones metalográficas y cambios de resistencia y, en 1951 el efecto de memoria de forma fue observado en varias barras de AuCd. En 1938 la transformación fue observada en latón (CuZn). Sin embargo, no fue sino hasta 1962 cuando Buehler y asociados descubrieron el efecto en el equiatómico niquel-titanio (Ni-Ti) marcando el comienzo serio de la investigación tanto en la metalúrgica como en potenciales usos. En 1965 la primera serie de aleaciones metálicas de níquel y de titanio fueron producidas por el Laboratorio de Ordenance Naval. En el plazo de 10 años un buen número de productos estaba en el mercado y el entendimiento del efecto era mucho más avanzado. El estudio de estas aleaciones inteligentes ha continuado incrementándose desde entonces y más productos que usan estos materiales salen al mercado cada año.(4)

Las aleaciones que recuerdan la forma, sobrellevan una transformación de fase en su estructura cristalina cuando son enfriados desde una forma fuerte a altas temperaturas (Austenita) hasta otra forma débil a baja temperatura (Martensita). Esta inherente transformación de fase es la base de las propiedades particulares, sobre todo, recordar la forma y superelasticidad. En la mayoría de los casos, el efecto de la memoria es de un camino. Esto es, luego de enfriarse, la aleación no sobrelleva ningún cambio en su forma, aunque la estructura cambie a martensita. La martensita es deformada en gran porcentaje, sin embargo, dicha deformación es retenida hasta que el material se calienta, que es cuando se produce la recuperación de la forma. Luego del reenfriamiento, el material no recupera la forma espontáneamente, pero debe ser deformada deliberadamente si se quiere recobrar la forma deseada.

Es posible en algunas aleaciones causar una memoria de dos caminos. Eso es, que el cambio de forma ocurra tanto enfriando como calentando. La cantidad de veces que se puede cambiar de forma es significativamente menor que la que se obtiene en aleaciones con una única memoria, y muy poca tensión es generada por la aleación cuando trata de asumir la forma de baja temperatura. El cambio de forma al calentarlo puede aún proporcionar gran fuerza, como la de la memoria de un camino (4,5). Si bien fue el acero el primer material en el que se observo este tipo de transformación, no es el único en el que ocurre, y tal proceso cobra particular significación cuando se observa en aleaciones no ferrosas como níquel-titanio, en lo que se traduce en el efecto memoria de forma. Además, en estas aleaciones es posible obtener la transformación martensitica no solo mediante cambios de temperatura sino también por esfuerzo mecánico (4,5)

Los primeros pasos reportados a través del descubrimiento de memoria en la forma fueron hechos en 1930. De acuerdo a Otsuka y Wayman (1998), A. Olander descubrió el comportamiento pseudoelástico de la aleación Au-Cd en 1932.

Greninger y Mooradian (1938) observaron la formación y dispersión de la fase martensitica por disminución e incremento de la temperatura de la aleación de zinc y cobre. El fenómeno básico en el efecto de la memoria gobernado por el comportamiento termoelástico de la fase martensitica fue reportado en la década pasada por Kurdjumoy y Khandros y también por Chang y Read. En los comienzos de 1960 Buehler y sus colaboradores de la Naval Ordenance laboratory de los Estados Unidos de Norte America descubrieron el efecto de memoria en la forma en una aleación de Ni-Ti el cual puede ser considerado un precursor en el campo de los materiales de memoria en su forma (Buehler otros 1967). Esta aleación fue llamada nitinol. Desde aquel tiempo se han realizado investigaciones exaustivas para elucidar los mecanismos de su comportamiento básico. Los primeros esfuerzos para explotar el potencial del Ni-Ti como un material de implante fueron hechos por Johnson y Alicandrien (1976) y otros (6,7,8,9)

Las aleaciones con memoria de forma (AMF) presentan un comportamiento completamente distinto al de los materiales usuales. Por ejemplo, mientras que se considera que la gran mayoría de los metales comienzan a deformarse plásticamente a partir de un 0.2% de elongación cuando son sometidos a un ensayo de tensión, las aleaciones con memoria de forma policristalinas pueden ser deformadas hasta un 5% sin llegar a su plasticidad. Una aleación metálica posee memoria de forma si después de una deformación permanente a baja temperatura, esta recupera su forma inicial con un simple calentamiento. El efecto de memoria de forma esta ligado a una transformación martensitica displasiva, que se produce entre una temperatura baja a la cual el material es deformado y una temperatura alta a la cual el material recupera su forma inicial. Otras de las propiedades encontradas en este tipo de aleaciones son el efecto superelástico, el efecto cauchótico y una capacidad elevada de amortiguamiento. Existen un gran número de sistemas de aleación susceptibles de presentar el efecto de memoria de forma, sin embargo, las más utilizadas son las de la familia Ni-Ti y las de base Cu, siendo las de la familia Ni-Ti las que presentan mayores ventajas como mayores propiedades mecánicas, mejor resistencia a la corrosión o su biocompatibilidad. Sus aplicaciones incluyen activadores eléctricos y térmicos, aparatos médicos, motores, procesadores de soldadura especiales etc. (7,10,11,12)

De entre las diferentes aleaciones de memoria de forma, la aleación equiatómica de níquel y titanio, presenta notables características tanto desde el punto de vista de la transformación austenita-martensita, propiedades termo-mecánicas que de ellas se derivan: memoria de forma de un camino, de dos caminos, superelasticidad y anelasticidad. La combinación de estas propiedades junto a su biocompatibilidad ha permitido su aplicación tanto al campo de la industria como al de la medicina (8,19,20,21,22,23)


MATERIALES Y METODOS
Para el estudio se emplearon alambres Termoactivados Ni-Ti de 0.016 X 0 .022 mm. de marcas comerciales, tales como: 3M, TP y GAC. Se realizó un análisis de fluorescencia y difracción de rayos X y las muestras fueron atacadas siguiendo las recomendaciones de reactivos específicos para el revelado de la naturaleza química de la microestructura de aleaciones de Ni Ti. Para el análisis de microscopía óptica de reflexión se sometieron los alambres a una preparación metalográfica consistente en lijado y pulido empleando las técnicas de ataque por inmersión y de swabing y posteriormente fueron observadas en un microscopio óptico de reflexión. Para el análisis por microscopía óptica de barrido las muestras fueron preparadas de la misma manera con el objetivo de caracterizar la microestructura de soporte, determinar la morfología, estimar el tamaño del grano y el grado de porosidad. Al final se realizó un sobreataque con una fórmula química que consiste en una combinación de 20 ml. de agua destilada mas 10 ml. de ácido clorhidrico mas 0.1 grs. de metabisulfito de potasio mas 0.05 grs. de cloruro férrico, durante 15 segundos y con una técnica de ataque por inmersión. (19,20) (Fórmula 11)


RESULTADOS Y DISCUSION
Resultados de Fluorescencia de Rayos X
Los elementos químicos presentes para las tres marcas de alambres objeto de estudio determinados por fluorescencia de rayos X por arriba del 1% son el níquel y el titanio. Este resultado garantiza que se trata de una aleación binaria de niquel titanio. Algunas impurezas no pueden ser detectadas por esta técnica. TABLA 1

En los resultados de difracción de rayos X de las diferentes muestras se corrobora que se trata de la aleación NiTi con estructura del tipo CsCl, sistema cúbico centrado en el cuerpo BCC (B2) correspondiente a la fase denominada Austenita. Los tres materiales presentan los mismos picos en el difractograma, lo cual significa que presentan la misma estructura cristalina.


RESULTADOS DE MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO

Análisis de Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS).
Esta técnica de microanálisis químico esta basada en la excitación y análisis del espectro de RX, producido por un haz de electrones, mediante la dispersión o separación del espectro en los componentes individuales.

Este análisis fue llevado a cabo en un espectrómetro de energía dispersiva (EDS), que se encuentra acoplado al microscopio electrónico de barrido.

Para el análisis EDS de las probetas se observaron y se analizaron en condición de pulido sin ataque, se introdujeron las probetas con alambres y la parte de resina se cubrió con aluminio para evitar la interferencia.

Para la observación de la morfología de la estructura se realizo un ataque químico con el reactivo # 11, al llevar al microscopio las pruebas de alambres atacados la estructura no se reveló, por lo que se realizó un sobreataque con el mismo reactivo, obteniendo mejores resultados ya que carcomió los granos del material dejando a la vista los limites de grano y la gran cantidad de impurezas presentes en el material, los alambres se introdujeron de manera individual para poder ser atacados, y ya atacados, se llevaron al MEB donde se introdujo una muestra de cada alambre. Con los límites que se observaron después del ataque se determina la forma de los granos los cuales son granos ovalados (alargados) orientados al eje longitudinal del alambre. Fig. 5,6,7

Discusión EDS
En la Matriz se verifica que se trata de una aleación NiTi, con la presencia de O y Cu así como la fase austenita.

Se analizaron algunas partículas en las cuales se detectó la presencia de C, Ti, V, Al.

En los distintos alambres existió variedad de impurezas contenidas lo cual nos arroja que: la mayor presencia de impurezas fue detectada en T.P, en segundo término GAC y el material con menor cantidad de impurezas fue 3M.


CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos de los diferentes procedimientos experimentales empleados para el análisis de los alambres termoactivados de diferentes marcas comerciales (TP,GAC y 3M) conducen a las siguientes conclusiones:

1. Mediante la técnica de fluorescencia de rayos X se determinó que los elementos químicos presentes en los alambres termoactivados de las tres marcas comerciales, por arriba del 1% son exclusivamamente Níquel y Titanio, lo cual garantiza que se trata de una aleación binaria de Ni Ti.
   
   
2. Mediante la técnica de difracción de rayos X, se determinó que los alambres termoactivados de las tres marcas presentan una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, BCC (B2) de tipo CsCI, correspondiente a la fase denominada austenita.
   
   
3. Se estableció una fórmula química capaz de revelar los límites de grano, fases presentes e impurezas contenidas en la aleación Ni Ti la cual consiste en una combinación de: 20 ml. de agua destilada mas 19 ml. de ácido clorhidrico mas o.1 grs. de metabisulfito de potasio mas 0.05 grs. de cloruro férrico.
   
   
4. En general, el tipo de aleación estudiada presenta grandes dificultades para revelar íntegramente la microestructura presente mediante microscopía óptica de reflexión. En cualquier caso, evidencias de forma de grano ligeramente alargado en sentido logitudinal del alambre y presencia de segundas fases precipitadas, fueron observadas.
   
   
5. Mediante microscopía electrónica de barrido se determinó que en la matriz de austenita se presentan impurezas y segundas fases precipitadas. Así, es característica la presencia de oxigeno y cobre en la matriz; carbono, vanadio y aluminio en las segundas fases precipitadas.
   
   
6. El alambre que presenta menor cantidad de impurezas, tamaño de grano mas fino y mejores propiedades mecánicas acuerdo con los estudios realizados es el de marca 3 M.
   
   
7. La presencia de impurezas de carbono esta asociada a la formación de precipitados de carbono de titanio (TiC), las cuales repercuten negativamente sobre las propiedades mecánicas de alambre y alteran la temperatura de transformación martensítica con los consecuentes resultados en la práctica clínica.