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En la figura se esquematiza la unión que puede producirse
entre dos sólidos en movimiento relativo, donde por practicidad
no se consideran varios tratamientos y postulados tribológicos.
Esta unión se genera debido al contacto directo de los cuerpos
a través de una sustancia intersticial (una película
líquida, gas, etc.) o por un efecto de un campo eléctrico
o magnético. El efecto de la sustancia intersticial es tratado
como una fuerza de reacción en mecánica y la proyección
de la fuerza en el plano tangente de los cuerpos en contacto es
conocida como la fuerza de fricción.
El mayor problema de la Tribología Humana es la fricción
entre los cuerpos, la cual tiene como consecuencia un desgaste.
La lubricación, es un instrumento para controlar los dos
problemas anteriores.
Base teórica de la Tribología Humana.
El primer problema surge al determinar la carga que actúa
en los cuerpos en contacto. La carga FR puede ser descrita como
la suma de la fuerza del músculo FL y la carga externa FV:
El valor de la carga debe de ser determinado de acuerdo a la acción
específica a realizar. El siguiente dominio del problema
tiene que ver con el contacto y las condiciones de contacto: como
interpretar las áreas de contacto, la distribución
de presiones, tensiones, etc. dentro del biotribosistema. Es posible
ser restringido a la fórmula general de la componente tangencial
(fuerza de fricción) de la resistencia al movimiento del
medio (viscosidad) actuando en un sujeto biológico:
Donde FF _ fuerza de fricción; FN _ componente normal de
la carga; F0- componente de la fuerza de fricción independiente
de la carga; FT- fuerza de fricción en movimiento en el medio;
AR- área de contacto en movimiento en el medio; n- viscosidad
dinámica del fluido; dv/dz _ gradiente de velocidad en la
dirección de la superficie de contacto.
La cuestión ahora es: las cantidades físicas en las
que estamos interesados deben de ser correctamente definidas y exactamente
medidas si se quiere entender el comportamiento del biotribosistema.
Modelos matemáticos prácticos acerca de biotribosistemas
son escasos aún.
Intereses de la Tribología Humana
Los principales intereses de la Tribología Humana son:
 La tribología
de las articulaciones, principalmente las diartrosis.
Tribología
y factibilidad de los sistemas de trasplante artificial,
Investigación
y evaluación de características tribotécnicas
de biomateriales e implantes.
Diferentes
combinaciones y formas de fricción de tejidos suaves: inter
tejidos, tejido con un cuerpo sólido; fricción al
cortar los tejidos.
Problemas de
fricción en el globo ocular,
Problemas de
fricción y desgaste a nivel celular.
Tribología de las articulaciones
Las articulaciones naturales son sin duda alguna, el biotribisistema
más estudiado del cuerpo humano. Las diartrosis son las más
estudiadas en el campo de la Ingeniería Biomédica.
El extremo de cada hueso está cubierto por una capa protectora
de cartíago articular que reduce los esfuerzos de contacto
en la unión, protege las superficies del hueso de los esfuerzos
de impacto, y minimiza la fricción y desgaste en la articulación.
El lubricante natural, llamado líquido sinovial, es un fluido
viscoso, compuesto en parte por una cadena molecular polisacárida
llamada hialuronidato, que cumple con tres tareas principalmente;
lubrica las superficies articulares, transporta nutrientes a las
células cartilaginosas (condrocitos), y transporta productos
de desecho fuera del cartílago.
El cartílago es un material complejo que está formado
por materiales sólidos y líquidos. La parte sólida
está compuesta principalmente por una red de fibras colágenas
y otras moléculas. Esta red atrapa el agua en el material
y lo almacena como un gel; este gel se presuriza al aplicarse una
carga en la articulación y permite al cartílago resistir
cargas relativamente grandes. Además, la red de colágeno
forma una superficie ideal para el deslizamiento.
Cuando existe considerable movimiento relativo de la articulación,
las superficies son separadas por una película de fluido
en un régimen hidrodinámico de lubricación.
Bajo este régimen, la viscosidad del líquido sinovial
tiende a ser el factor más importante para determinar el
desgaste y la fricción. Cuando las velocidades de deslizamiento
son relativamente bajas, las superficies estarán en contacto
directo, debido a que la película de fluido no soporta la
carga en esta situación, el desgaste y la fricción
son objeto de un mayor estudio bajo este régimen.
Tecnología de implantes articulares
La naturaleza ha sido una fuente interminable de inspiración
para ingenieros creando objetos tecnológicos. Por otro lado,
los diseños artificiales han permitido a los ingenieros entender
mejor la naturaleza; esto ha permitido un desarrollo efectivo en
el campo de tribosistemas artificiales a partir de aquellos naturales.
La experiencia obtenida con la investigación de biotribosistemas
ha permitido el desarrollo de prótesis cada vez más
durables.
La historia de implantes en diartrosis metal-en-metal tiene sus
inicios con la prótesis Wiles en 1938. En los años
50 en Inglaterra G.K.McKee desarrolló un nuevo modelo a partir
del pionero de Wiles. En 1965 trabajó en el mejoramiento
del cuerpo de la prótesis con un cuello más estrecho;
esta idea la desarrollo en colaboración con J.Farrar.
Paralelo a McKee, en Rusia K.M. Sivash insertó la primera
copa (de prótesis) utilizando una articulación metal-en-metal.
El material consistía inicialmente de acero y posteriormente
de una aleación de cobalto y cromo (CoCr) con 0.2% de C .
Después de un buen comienzo, las prótesis metal-en-metal
adquirieron mala reputación a finales de los años
60. Esto debido a la corrosión y la frecuencia del aflojamiento
temprano de la articulación.
Estos problemas se debían principalmente a: las grandes tolerancias
que daban los procesos de manufactura, las dimensiones del cuello
de la prótesis, el pequeño espacio entre la cabeza
y la copa de la articulación, entre otros. En busca de una
mayor vida de las prótesis, J.CharnleyÅLs realizó
pruebas con articulaciones metal-polietileno, con la que obtuvo
menor fricción y desgaste que el observado en las prótesis
metal-metal.
Actualmente se utilizan diferentes pares articulados en los modelos
biotribológicos, metal-plástico, plástico-cerámico,
metal-metal. Así, el acero inoxidable, los polietilenos de
ultra gran peso molecular (UHMWPE) y las aleaciones Co-Cr-Mo y Cr-Co
constituyen ejemplos. El uso de cerámicos y sus combinaciones
con polímeros es bastante común. La limitante ha sido
la fragilidad de las cerámicas. El uso de plásticos
y cerámicos reforzados con rellenos y aditivos es una práctica
actual.
En cuanto a la selección de materiales hay que tener en cuenta
primordialmente los siguientes aspectos:
1. El material no debe perder sus propiedades o fallar debido a
la corrosión o a su degradación.
2. Evitar materiales que dañen el funcionamiento natural
de la articulación.
3. Histológicamente hablando, las condiciones superficiales
del implante deben favorecer al crecimiento natural del tejido adyacente
a ella.
4. Desde el punto de vista farmacológico debe cuidarse que
los productos del desgaste no sean tóxicos.
Investigaciones y proyectos.
Uno de los problemas más estudiados de los implantes es el
efecto del desgaste en las articulaciones. Al hacer un uso normal
de estas articulaciones se desprenden millones de partículas
gracias al desgaste. Estas partículas producen debilitamiento
de la unión, reacciones adversas de los tejidos y daño
en los huesos; lo cual hace necesario una intervención futura
para reemplazar el implante.
En la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad
de Leeds, Inglaterra, existen algunos proyectos referentes al estudio
del desgaste y la lubricación de los implantes.
Uno de estos proyectos (1996-1999) hace referencia a la fricción
y el desgaste de pares de fricción metal-metal. El objetivo
del proyecto era identificar y cuantificar las condiciones y el
diseño que llevarán a un escenario de poco desgaste
en los implantes metal-metal de cadera, así como identificar
los parámetros clínicos que aumentan el desgaste,
y buscar soluciones alternativas para lograr menor desgaste bajo
condiciones adversas. Para cumplir con estos principios se desarrolló
un simulador mecánico de cadera.
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el contorno se muestra en la figura 2
