Tecnología termoplástica. Inicios, historia y actualidad. Aplicaciones ortopédicas. Primera parte

Sigfrido Sastre Martín. ATS/DUE Col. 1506. Hospital General Universitario de Alicante. Unidad de Yesos Infantil. Alicante. España.

Comentado en Hospital St. Elisabeth Zienkenhuis. Unidad de Inmovilización. Tilburg. Holanda. 1993.

Sumario

Introducción

Primera parte

Desarrollo histórico
Definición
Clasificación en cuanto a este estudio se refiere
¿Por qué plástico?
Estado sólido en polímeros
Transiciones térmicas en polímeros
Previsión general de estos materiales en EE.UU.
Degradación de polímeros
Tipos de degradación
Propiedades de los polímeros:

- Térmicas
- Mecánicas
- Eléctricas
- Tóxicas

Segunda parte

Aplicaciones de la tecnología termoplástica en Medicina
Selección del termoplástico ideal

Q-Thane:

Análisis macroscópico
Análisis microscópico
Otras pruebas
Clínica
Impresión y resumen del producto

Formas de aplicación
Aplicaciones en las correcciones de los dedos
Aplicaciones en traumatología
Aplicaciones en quemaduras
Aplicaciones en ortopedia y rehabilitación
Otras aplicaciones

Tercera parte

Ahorro económico en la utilización de estos productos
Principales posiciones funcionales de los miembros ante la inmovilización
Bibliografía
Agradecimientos
Atlas fotográfico de aplicaciones


INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo hemos querido englobar las aplicaciones termoplásticas desde su inicio o desarrollo histórico, pasando por su clasificación, transición, degradación, propiedades, esterilización, ahorro, hasta sus aplicaciones concretas en diferentes campos de la Medicina.

Hemos querido realizarlo de esta forma para que el profesional tenga un amplio conocimiento sobre el tema y no solo de sus aplicaciones concretas. Las diferentes fotografías que ilustran el mismo tratan de dar la suficiente aclaración complementaria para su mejor comprensión.

Sin afán dogmatizador, pero sí con la honesta intención de aportar nuestra experiencia al mayor conocimiento de este tema, exponemos nuestras consideraciones con la ilusión de que sean de interés para todos.

Somos conscientes de nuestras “limitaciones”, pero también contamos con una exagerada inquietud para lo que nos proponemos.

La indicación concreta de tipos de materiales empleados por nosotros no obedece a “implicación” con firma comercial alguna, sino a productos de calidad analizados en Centro de Investigación con la suficiente experiencia clínica y que de algún modo es lógico que mencionemos para orientación de nuestros lectores, pero a pesar de ello prescindiremos de estos y haremos referencia a la denominación química del termoplástico según Fourier Transform Infra Red.

Pedimos, por tanto, disculpas a las demás firmas comerciales que lleven similares productos porque su incesante lucha en conseguirlos y mejorarlos, aparte del objetivo comercial, contribuye a que día a día todos vivamos un poco mejor.

Para todos ellos nuestro respeto y admiración.

PRIMERA PARTE

DESARROLLO HISTÓRICO

El hombre viene haciendo uso de los polímeros orgánicos naturales desde el comienzo de su existencia.

La carne, el pan, la fruta, los vegetales o la leche contienen proteínas, almidón y celulosa (materiales orgánicos poliméricos). (5)

Lo mismo ocurre con los tejidos que ha utilizado desde la antigüedad sobre la base de pieles, cuero, lana o algodón y con las chozas o cabañas que construía para protegerse contra el viento y la intemperie para los que empleaba madera, bambú, hojas, etc., todos ellos materiales pertenecientes a la gran familia de polímeros orgánicos naturales.

Más tarde, cuando la civilización alcanza cotas de mayor desarrollo, el hombre utiliza también los polímeros orgánicos para otros fines:

- Fabrica papel con celulosa y pergamino con proteínas.
- Utiliza resinas naturales para aplicaciones diversas.
- Amplía el empleo de fibras de naturaleza proteica para hacer tejidos, cuerdas e hilos.
- Construye vehículos y naves con madera, colas y resinas poliméricas.

A pesar del cada vez mayor empleo de los polímeros naturales y de su mayor también contribución al progreso y bienestar de los pueblos, virtualmente nada se conocía hasta hace pocas decenas de años acerca de su estructura y composición química.

En 1908 tuvo lugar un descubrimiento que habría de resultar muy importante para el ulterior desarrollo de la química de sustancias poliméricas: Leo H. Baekeland descubrió que los líquidos gomosos que había preparado por reacción de fenol con formaldehído se transformaban por la aplicación de calor en resinas transparentes y duras. Puede decirse que entonces nació la industria de los plásticos sintéticos. La comercialización de estos primeros compuestos polímeros, enteramente sintetizados por el hombre, recibió el nombre de baquelitas con el que actualmente aún se les conoce.

Los estudios sobre los productos macromoleculares recibieron en las décadas de los años veinte y treinta un fuerte impulso desde el punto de vista científico, y puede decirse que el verdadero nacimiento de la ciencia y técnica de los altos polímeros, sobre las que se asientan las más modernas e importantes industrias del caucho, de los plásticos y de las fibras, tiene lugar en los años veinte del presente siglo.

La producción y el desarrollo de los materiales poliméricos vienen estrechamente ligados a la de la carboquímica primero y a la petroquímica más tarde. Actualmente, constituye el mejor cliente de la industria petroquímica, y puede considerarse que la influencia ha sido recíproca por cuanto en algunas ocasiones ha sido la petroquímica con su exceso de producción la que ha alentado el desarrollo de la industria de los polímeros, y en otros casos han sido las exigencias y necesidades de las propias industrias derivadas de los altos polímeros las que han comportado un más rápido desarrollo petroquímico.

Constituye la ciencia de los polímeros en la actualidad un campo enormemente sugestivo para químicos, físicos, ingenieros, bioquímicos, etc. tanto por las implicaciones científicas que ofrece como por las posibilidades de aplicación de los materiales poliméricos. Dichas implicaciones científicas alcanzan hasta la bioquímica y la biología. Las proteínas, los ácidos nucleicos (DNA y RNA), los polisacáridos, etc. son macromoléculas de estructura hoy bien conocidas gracias, en parte, al desarrollo de la ciencia de los altos polímeros sintéticos y de las depuradas técnicas y métodos instrumentales que dicho desarrollo ha generado.

En el aspecto comercial e industrial, los nuevos materiales poliméricos sintéticos se emplean en casi todos los sectores (construcción, agricultura, automoción, embalaje, electricidad, electrónica, industria aeroespacial, juguetería, menaje, electrodomésticos, textil, etc., y como no -caso que nos ocupa- en Medicina y sus anexos).

DEFINICIÓN

Polímeros (del griego poli: varios y meros: partes) son sustancias formadas por unidades estructurales, cada una de las cuales puede considerarse como derivada de un compuesto específico denominado monómero.

El término polímero fue utilizado por primera vez por Berzelius (*) para designar sustancias de idéntica composición química y pesos moleculares múltiples.

Sin embargo, esta definición no es rigurosamente válida en la química actual de altos polímeros porque existen muchos compuestos con magnitudes moleculares solo aproximadamente múltiplos de las sustancias que los originan.

En definitiva, se consideran como polímeros aquellos materiales generalmente macromoleculares originados por sucesivas uniones, consigo mismo, de uno o varios monómeros.

En cuanto a la clasificación de los polímeros, puede atenderse a muchos criterios.

Así, en primer lugar, tenemos polímeros naturales y sintéticos. Entre los primeros se encuentran los polipéptidos y proteínas que vienen a ser polímeros, cuyas unidades estructurales son los aminoácidos, y los polisacáridos, o azúcares formados por otros más sencillos, los monosacáridos, como por ejemplo la celulosa que es un polímero de la glucosa.

Otra clasificación de los polímeros tiene en cuenta su comportamiento frente al calor, se denominan termoplásticos o termoestables, según conserven o no su estabilidad dimensional dentro de ciertos límites frente a aquel agente físico.

También se los ha tabulado de acuerdo con su estructura más o menos ramificada, propiedades físicas, usos técnicos o tipos de reacción por los que han sido preparados.

(*) Químico sueco (1779/1846). Estudió en la Universidad de Upsala Medicina y Química, materias que luego enseñó en Estocolmo. Secretario de la Academia de Ciencias sueca desde 1818. Se cuenta entre los fundadores de la química moderna y fue el primero en establecer su división en orgánica e inorgánica y en formular los conceptos de isomería y alotropía. Otras importantes contribuciones suyas fueron el desarrollo de la notación química gracias al uso de letras como símbolos de los elementos, la determinación del peso equivalente de muchos compuestos, el estudio de los radicales y la proposición del nombre de amonio para el NH4. Logró también aislar diversos elementos (estroncio, bario, selenio, etc.) y descubrió el tántalo, el vanadio y el circonio. Ejerció gran influencia entre los científicos europeos gracias, sobre todo, a sus obras y en particular a los informes anuales sobre los progresos de las ciencias físicas y naturales que publicó durante 27 años y a su ensayo sobre la teoría de las proporciones químicas (1818).

CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS

En relación con su aplicación, los materiales poliméricos suelen clasificarse como:

- Plásticos
- Cauchos
- Fibras

Con carácter muy general, se puede decir que los factores que determinan que un polímero se utilice como plástico, como fibra o como caucho son principalmente tres:

- Flexibilidad de la cadena polimérica.
- Intensidad de la atracción molecular.
- Grado de regularidad del polímero.

Los plásticos que son los que nos ocupan pueden transformarse por calor y presión. Pueden ser:

TERMOPLÁSTICOS

Se reblandecen al calentarlos y se endurecen al enfriarse en un proceso repetido. Son los materiales más apropiados para componentes moldeados por sus características de fácil transformación y su mayor versatilidad de propiedades.

Desde el punto de vista estructural, se clasifican en:

- Cristalinos: de estructura molecular regular, lo cual lleva consigo un comportamiento uniforme en lo que a la fusión respecta y son más estables que los amorfos frente a la degradación térmica.
- Amorfos: de estructura molecular irregular. En un material amorfo hay zonas moleculares de reblandecimiento variable a temperaturas ligeramente distintas.

TERMOESTABLES

Fluyen al ser calentados y pueden moldearse en este estado, pero luego se endurecen irreversiblemente. Su resistencia a la temperatura es buena aunque tienen tendencia a la fragilidad. Tienen un alto grado de estabilidad dimensional y son insolubles e infusibles. Para poder dar forma a estos materiales se parte de un intermedio (plástico termoendurecible).

¿POR QUÉ PLÁSTICO?

Porque en general los plásticos ofrecen ventajas impresionantes (3):

- No están sometidos a corrosión.
- Pesan poco.
- Son muy rentables gracias a lo fácil y rápida que resulta su transformación y producción en serie.
- Reducido tiempo de modelaje/montaje.
- Disponibles en varios colores.
- Inalterables en agua (insolubles).
- Etc.

Nos encontramos ante el hecho de que estos polímeros presentan la mejor combinación de dureza y flexibilidad que se ha observado.

De forma general, la elección de un determinado material para una aplicación concreta viene condicionada por razones de tipo económico (precio más ventajoso) y, naturalmente, por las propiedades específicas de este.

Sin ningún género de duda, los plásticos han revolucionado el mundo actual y el sector sanitario ha sido uno de los más beneficiados.

Cada día nos encontramos con nuevas e innovadoras aplicaciones:

- Film para envasado,
- Biberones,
- Oxigenadores,
- Centrífugas,
- Filtros para diálisis,
- Tubos,
- Conexiones,
- Racores y válvulas,
- Jeringas,
- Cámaras de goteo para infusión y transfusión,
- Riñones artificiales,
- Botellas de drenaje,
- Bolsas para sangre,
- Cánulas para arterias y venas,
- Aparatos de laboratorio, anestesia,
- Abrebocas,
- Espátulas,
- Bombas aspiradoras para leche,
- Caretas,
- Marcapasos,
- Filtros,
- Frascos para mil usos,
- Diferentes instrumentos quirúrgicos,
- Recipientes para mil usos,
- Tubos para laboratorio,
- Aparataje en general y
- un largo etcétera que ocuparía varias hojas.

Esta enorme difusión de los plásticos supone para los profesionales sanitarios la necesidad de estar al día en estos temas o al menos conocer las ventajas e inconvenientes que pueden existir, ya que, en último término, es el enfermo quien debe participar de estas ventajas sin sufrir riesgos.

No solo pueden obtenerse diferentes propiedades al modificar el peso molecular y la geometría del polímero, sino que la adición de plastificantes, lubricantes, aromatizantes, etc. pueden producir efectos adicionales.

Todo este conjunto de posibilidades justifica el gran interés de los plásticos, su enorme crecimiento de producción y su difusión y utilización cada día mayor.

Las ventajas, repetimos, son tanto económicas como funcionales.

ESTADO SÓLIDO EN POLÍMEROS

En estado condensado, los polímeros pueden presentarse en tres estados:

- Amorfo
- Elástico
- Cristalino

La conformación de las cadenas poliméricas en estado amorfo es un tema de amplia controversia. En este estado no existe ningún vestigio de orden, ni siquiera a niveles próximos al diámetro de la cadena, se iguala por tanto al grado de desorden que existe en el estado líquido.

El estado elástico es típico de los cauchos, y las propiedades de los cristalinos, que son los que nos ocupan, dependen fundamentalmente de:

- Su estructura química
- Peso molecular
- Distribución de dichos pesos
- Historia térmica o condiciones de cristalización a que se somete el sistema.

CRISTALINIDAD

Los polímeros de condensación cuando son lineales forman estructuras cristalinas debidas a que las unidades estructurales de la cadena no suelen poseer isomería y a que existen grupos polares muy fuertes en la cadena. Este es el caso de los poliésteres, poliamidas, poliureas, polisulfuros y poliuretanos.

TRANSICIONES TÉRMICAS EN POLÍMEROS

El efecto de la temperatura en los polímeros es relativamente complejo y de una importancia fundamental en las propiedades físicas de estos.

Cuando un material polimérico se calienta, su comportamiento depende de las características generales de este.

Los polímeros cristalinos o parcialmente cristalinos presentan una temperatura a la cual desaparecen por fusión las entidades ordenadas o cristalinas, por lo que ocurre un cambio de fase desde la estructura cristalina al estado fundido amorfo. Este cambio corresponde a una típica transición de primer orden.

Cuando el polímero es amorfo, no existe esta temperatura de fusión. Sin embargo, existe para estos materiales una temperatura a la que aparecen cambios esenciales en la textura física de este que de un material vítreo y relativamente denso, se transforma en un material flexible blando y de naturaleza elástica.

Este tipo de transición, llamada “transición vítrea” corresponde a la temperatura a la cual existe posibilidad de que los grupos atómicos de las cadenas puedan sufrir movimientos conjuntos localizados.

Este tipo de transición se presenta también en los polímeros cristalinos, asociada con la fase amorfa presente en estos.

En ambos tipos de transición, se presentan físicamente discontinuidades muy acusadas en los coeficientes de expansión, calores específicos, propiedades dieléctricas y propiedades mecánicas de estos materiales, lo que ha permitido su detección al hacer uso de técnicas experimentales directamente relacionadas con estos factores.

En el estado amorfo líquido, a temperaturas por encima de la transición vítrea, las macromoléculas pasan rápidamente de una conformación a otra, y a medida que la temperatura desciende, el cambio conformacional es más lento, y se alcanza una temperatura por debajo de la cual la movilidad es tan lenta que las cadenas quedan bloqueadas en conformaciones fijas, ya que los saltos de unas a otras son muy lentos.

PREVISIÓN GENERAL DE ESTOS MATERIALES EN EE.UU.

Los elastómeros termoplásticos están tomando posiciones en el mercado como materiales para ingeniería. Los fabricantes aseguran que pueden competir con cauchos, termoplásticos rígidos y metales.

La previsión general de estos productos produjo un elevado crecimiento en 1989 en EE.UU. que continuará en los próximos años:

- 491 millones de libras en 1988
- 542 millones de libras en 1989
- 602 millones de libras en 1990
- 649 millones de libras en 1991

DEGRADACIÓN DE POLÍMEROS

Desde que los polímeros sintéticos forman parte del conjunto de materiales de utilización cada vez más general, han preocupado todos los procesos que desencadenados por la acción de factores externos (6) (calor, radiaciones, humedad, oxígeno, microorganismos, etc.) puedan conducir al deterioro, en cualquiera de sus múltiples aspectos, de su estructura:

- Tamaño molecular
- Estructura química
- Morfología
- Macroestructura (interacciones intra e intermoleculares, organización de las cadenas, conformación)
- Etc.

La razón es obvia: las propiedades de los polímeros, base de sus innumerables aplicaciones, están determinadas por la estructura en todas sus facetas, cada una de las cuales puede verse afectada por los procesos degradativos.

La degradación es en definitiva una modificación de los polímeros que puede afectar a la cadena principal o a los grupos laterales.

Las reacciones químicas que tienen lugar como consecuencia de rotura de enlaces covalentes conducen con frecuencia a disminución del peso molecular, formación de nuevas reacciones químicas en cadena, reticulaciones y, en definitiva, a la alteración de las propiedades finales del material a medida que la degradación avanza y desde grados de degradación muy bajos.

En general, cuanto mayor es la energía de cohesión, mayor es la estabilidad térmica de los polímeros.

Los polímeros cristalinos son más estables que los amorfos frente a la degradación térmica.

El conocimiento de los mecanismos y causas de degradación de los polímeros es necesario para dar solución a problemas técnicos tan importantes como la estabilización y la predicción de la duración de materiales poliméricos; son, por tanto, aspectos esenciales de la ciencia de nuevos materiales.

TIPOS DE DEGRADACIÓN

- Térmica: calor
- Fotoquímica: luz solar, especialmente la luz ultravioleta
- Mecanoquímica: acción conjunta de calor y fuerzas de cizalla
- Hidrolítica: humedad
- Enzimática: microorganismos, fermentos organizados
- Oxidativa: en presencia de oxígeno
- Radiaciones ionizantes
- Etc.

PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS

- Térmicas
- Mecánicas
- Eléctricas
- Tóxicas

1.- PROPIEDADES TÉRMICAS

En general, las transiciones térmicas fundamentales, la fusión (relacionada con el carácter semicristalino), la transición vítrea (relacionada con el carácter amorfo) así como otras transiciones isoféricas se presentan por cambios o discontinuidades sustanciales en las propiedades físicas de los materiales, tales como:

- Los calores específicos
- Los coeficientes de expansión térmica
- Las propiedades mecánicas y dinámicas

Como consecuencia de la naturaleza de la estructura química, la ramificación, la plastificación, el entrecruzamiento y la influencia de aditivos y cargas, las temperaturas de transición y las propiedades térmicas cambian sustancialmente, lo que da lugar a una gama amplísima de materiales con características muy distintas.

2.- PROPIEDADES MECÁNICAS

Los materiales poliméricos presentan un comportamiento mecánico enteramente dominado por su carácter viscoelástico.

Cuando aumenta la temperatura, crece la deformación y la resistencia a la tracción; cuando disminuye, son rígidos.

Respecto a su dureza, es un término difícil de cuantificar, ya que en esta propiedad entran en juego factores muy complejos.

La dureza no es una magnitud fija bien determinada, sino un complejo de varias de ellas relativas a la elasticidad, plasticidad, etc.

No hay que confundir dureza con resistencia al rayado o resistencia a la abrasión.

Las diferentes escalas de dureza tienen, por tanto, un carácter empírico, y la clasificación de materiales puede ser distinta si se usan métodos diferentes.

3.- PROPIEDADES ELÉCTRICAS

La mayoría de los polímeros que se utilizan comercialmente son aislantes, y como consecuencia se cargan electrostáticamente.

Se puede decir que las dos principales aplicaciones de los materiales plásticos en los campos de la electricidad y la electrónica son como aislantes eléctricos o bien como dieléctricos de condensadores.

4.-PROPIEDADES TÓXICAS DE LOS POLIURETANOS Y DE SUS MATERIAS PRIMAS

Poliuretano es la denominación genérica de una amplia clase de polímeros, cuyos productos individuales difieren esencialmente entre sí en lo que a estructura, composición y curso de la reacción se refiere.

Así pues, no hay ninguna afirmación global acerca de la toxicidad de los poliuretanos. (1)

Los riesgos y las correspondientes medidas de protección solo son válidos para el personal que elabora estos, el cual debe seguir las recomendaciones de protección en el trabajo:

- Protección de la piel
- Protección de mucosas y ojos
- Protección de las vías respiratorias
- Instalaciones eficaces en cuanto a aireación y extracción de gases, gafas protectoras, caretas antigás, etc., y para un determinado campo parcial de los poliuretanos a menudo, incluso solo para un sistema determinado.

Los sistemas de poliuretanos constan en la mayor parte de los casos de dos componentes de elaboración, que son liquidas en su mayoría.

El COMPONENTE A (componente de poliol) contiene predominantemente un polialcohol en unión con diferentes aditivos. Se acepta la hipótesis de que este producto no entre en contacto con el tracto digestivo (prohibición de comer y fumar en el lugar de trabajo) ni con los ojos, se puede considerar como inocuo desde el punto de vista de la técnica de seguridad en el trabajo.

Los productos utilizados como aditivos son menos inofensivos, si bien como consecuencia de su pequeña concentración y de su presión de vapor -pequeña en la mayor parte de los casos- el riesgo que presentan estas sustancias no es muy elevado y a menudo puede ser despreciado.

Como catalizadores se emplean principalmente aminas terciarias y compuestos organoestánnicos.

Las aminas -principalmente como consecuencia de su reacción fuertemente básica- pueden provocar irritaciones de la piel y mucosas. A este respecto hay que tener en cuenta que estos productos son muy volátiles. Los compuestos organoestánnicos son venenos resorcivos y se debe tener mucho cuidado en su manejo.

Otros aditivos reactivos tóxicos son las aminas aromáticas, que se emplean para alargar las cadenas de polímeros. Estos compuestos son también productos con acción venenosa resorciva y pueden provocar lesiones orgánicas. Se debe evitar en absoluto el contacto con la piel o la inspiración del polvo o aerosol. Lo mismo hay que decir de los organofosfóricos empleados como retardadores de llama.

Los disolventes empleados en la química de los poliuretanos son de naturaleza convencional. Los riesgos de estos son conocidos por lo general. Los alcanos halogenados usados como agentes espumantes se encuentran en el mismo campo en lo que a su acción fisiológica se refiere.

El componente esencialmente biocida de las mezclas usadas en la elaboración de poliuretanos y al que han sido dedicadas las principales medidas de seguridad en el trabajo es el COMPONENTE B. Este es el componente a base de isocianatos muy reactivo y necesario para la reacción de poliadición.

Los isocianatos reaccionan a gran velocidad a la temperatura ambiente con todos los compuestos que contienen hidrógeno activo. Entre estos compuestos se encuentran todos los fluidos corporales. Así pues, la acción biocida de los isocianatos es una acción irritante.

Los isocianatos reaccionan con las proteínas celulares de los tejidos humanos. Las células afectadas mueren y se transforman en cuerpos extraños que provocan una formación inflamatoria de tejidos.

La acción irritante se produce principalmente sobre la piel, las mucosas nasales y oculares y, principalmente, sobre la mucosa bronquial. Cuando se produce una exposición del organismo a elevadas concentraciones de isocianatos o por un tiempo prolongado, se pueden presentar -después de un período de latencia que depende de la exposición- accesos bronquíticos y muchas veces asmáticos. En casos graves se pueden presentar edemas pulmonares o neumonías.

Junto con los efectos sobre la mucosa del tracto respiratorio, los isocianatos pueden provocar intensas irritaciones de la piel. Se supone que los isocianatos actúan como sensibilizantes para las personas, esto es que mediante la exposición sin irritación se puede provocar una sensibilidad incrementada.

Las irritaciones producidas se curan cuando las exposiciones han sido ligeras rápidamente en cuanto se termina la exposición y no producen efectos secundarios.

Los poliuretanos son polímeros relativamente jóvenes y esto explica que las propiedades biocidas de los componentes de estos se hayan investigado a fondo.

Los productos intermedios macromoleculares de la química de los poliuretanos -como son la mayor parte de las masas termoplásticas de poliuretanos- son por lo regular fisiológicamente inofensivos. Una excepción está representada por los productos que contienen grupos -NCO libres (por ejemplo, prepolímeros para la obtención de elastómeros.

Los productos terminados de poliuretanos curados no tienen ya propiedades biocidas. Prueba de ello son los empleados en implantes médicos sin haberse observado irritación de los tejidos.