La historia del titanio y los dispositivos médicos
¿Cómo se descubrió el titanio?
En 1791 William Gregor, un químico, paseaba por el cauce de un río cuando notó que la arena negra, que cubría las orillas del río, era atraída a magnetos. Decidió estudiar las propiedades de esa arena y así descubrió un nuevo material, la ilmenita. Procedió a estudiar las propiedades de este material y logró extraer hierro utilizando ácido hidroclórico. El residuo era un polvo de óxido de un metal que no lograba identificar.
Este extraño metal fue descubierto simultáneamente por otros químicos durante la misma década. Fue en 1795 que Martin Klaproth nombró el metal como titanio en honor a los titanes griegos.
El titanio es un elemento muy popular en diversas aplicaciones, principalmente por su alta fuerza específica. Ésta es una medida de fuerza de un material entre su densidad, en pocas palabras: qué tanto resiste por unidad de peso. El titanio es alrededor del 60% más denso que el aluminio, pero el doble de fuerte. El titanio es 1.6 veces más denso que el aluminio, pero es 2 veces más fuerte.
A pesar de ser un elemento relativamente común, el titanio, es caro. El costo por tonelada métrica del hierro y aluminio es de 85 y 1,500 dólares respectivamente, mientras que el titanio tiene un costo de 4,500 dólares. Este precio es resultado directo del complicado proceso que es el refinamiento del elemento.
¿Cómo se obtiene el titanio?
El titanio se encuentra principalmente en forma de dióxido de titanio, una molécula de titanio con dos oxígenos unidos a ella. En la década de los cuarentas, se desarrolló un proceso para lograr refinar el material. A este proceso se le conoce como el proceso de Kroll.
Este proceso comienza con la transformación de dióxido de titanio a cloruro de titanio. Esto se logra combinando el dióxido de titanio con cloruro y energía en forma de calor. Esto se debe de hacer en lotes no muy grandes para evitar que el titanio se contamine, dada su alta reactividad con el oxígeno.
El segundo paso es limpiar el cloruro de titanio de cualquier impuridad restante mediante la destilación. De ahí pasa a otro contenedor con magnesio líquido a una temperatura de 1,300 K en una atmósfera de argón puro. Mediante una reacción de reducción, se forma titanio y cloruro de magnesio. Esta reacción es extremadamente lenta, tomando de 2 hasta 4 días. Finalmente, mediante otro proceso de destilación, se remueve el cloruro de magnesio dejando atrás el titanio puro.
Ahora, si el titanio no fuera altamente reactivo con el oxígeno, simplemente se calentaría y comprimiría en láminas. En vez, dentro de un horno de arco al vació, el material es calentado eléctricamente mediante un electrodo y comprimido hasta formar los lingotes de titanio.
¿En qué se usa el titanio?
El titanio empezó a ser utilizado durante la guerra fría para el desarrollo de aeronaves, esto gracias a su proporción de resistencia-peso. En la actualidad, el titanio se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, desde su utilización en pigmentos blancos hasta en las fórmulas de los bloqueadores de piel. Una de sus aplicaciones más importantes e interesantes es en la industria médica, esto gracias a su biocompatibilidad.
La biocompatibilidad se define como la habilidad de un material para desempeñarse dentro de un huésped para una aplicación específica. Entiéndase como la capacidad de introducir un material en un organismo y que éste no tenga reacciones adversas.
Es la combinación de la resistencia a la corrosión, biocompatibilidad y sus atributos mecánicos que hacen del titanio un material muy relevante en la industria de dispositivos médicos.
Una aplicación muy conocida del titanio es en los implantes ortopédicos. Las propiedades mecánicas de este metal se asemejan un poco a las del hueso. Como resultado, las cargas a las que la articulación es sometida se distribuyen de manera más homogénea entre el hueso y el titanio. También es ampliamente utilizado en implantes dentales gracias a su habilidad inherente de osteo-integrarse.
Dispositivos implantables, como marcapasos o implantes cocleares, también se benefician de la biocompatibilidad del titanio. Si bien los circuitos y la parte funcional del dispositivo no son de titanio, todo esto está recubierto en un cascarón de titanio.
A pesar de su tardío descubrimiento, a mediados del siglo XVIII, el titanio fue revolucionario. Empezó como un material esencial para el desarrollo de aeronaves, como el SR71, y rápidamente fue encontrando aplicaciones en la arquitectura, joyería, industria, medicina e incluso en el manejo de desechos nucleares.
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Referencias
Barksdale, J., 1968. The encyclopedia of the chemical elements. Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation, pp.732-38.
Brunette, D.M., Tengvall, P., Textor, M. and Thomsen, P. eds., 2012. Titanium in medicine: material science, surface science, engineering, biological responses and medical applications. Springer Science & Business Media.
Ratner, B.D., Hoffman, A.S., Schoen, F.J. and Lemons, J.E., 2004. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. Elsevier.
Titanium - The Metal That Made The SR-71 Possible. 2020. [video].