Biomateriales (2)

BIOMATERIALESBIOMATERIALES

DR. EDUARDO OSORIO MARTINEZDR. EDUARDO OSORIO MARTINEZ


Todo aquel material modificado por el ser Todo aquel material modificado por el ser humano para ser implantado en el cuerpo humano para ser implantado en el cuerpo humano y cumplir una función especificahumano y cumplir una función especifica


Composición química: metales, plásticos Composición química: metales, plásticos (poliméricos), cerámicos y compuestos(poliméricos), cerámicos y compuestos

Origen: naturales y sintéticosOrigen: naturales y sintéticosEstructura: sólidos y porososEstructura: sólidos y porososPracticidad: implantables y no Practicidad: implantables y no

implantables implantables


1969: Primer simposio de biomateriales 1969: Primer simposio de biomateriales en la Universidad de Clemson, Carolina en la Universidad de Clemson, Carolina del Surdel Sur

1974: Fundación de la Sociedad de 1974: Fundación de la Sociedad de Biomateriales (E.U.)Biomateriales (E.U.)

1978: Primer Congreso Internacional 1978: Primer Congreso Internacional sobre Biomaterialessobre Biomateriales


Biofuncionalidad: La función del órgano o Biofuncionalidad: La función del órgano o tejido que reemplazan debe ser tejido que reemplazan debe ser garantizada durante todo el tiempo de usogarantizada durante todo el tiempo de uso

Bioestabilidad: El medio biológico no debe Bioestabilidad: El medio biológico no debe impedir el buen funcionamiento del impedir el buen funcionamiento del biomaterial ni modificar sus propiedadesbiomaterial ni modificar sus propiedades


Biocompatibilidad: El biomaterial no debe Biocompatibilidad: El biomaterial no debe ocasionar disturbios en el sistema ocasionar disturbios en el sistema biológicobiológico

Esterilizabilidad: Los procedimientos de Esterilizabilidad: Los procedimientos de esterilización no deben alterar las esterilización no deben alterar las propiedades del material.propiedades del material.


Se obtiene el materialSe obtiene el material Diseño y fabricación de prototiposDiseño y fabricación de prototipos Evaluaciones toxicologicasEvaluaciones toxicologicas Ensayos in vitro e in vivoEnsayos in vitro e in vivo Protocolos de ensayosProtocolos de ensayos Efectividad en humanosEfectividad en humanos Todo el proceso puede llegar a durar 10 años Todo el proceso puede llegar a durar 10 años

antes de que el producto salga al mercadoantes de que el producto salga al mercado

INGENIERIA DE BIOMATERIALESINGENIERIA DE BIOMATERIALES

Gastos totales en E.U. en salud en 1990: Gastos totales en E.U. en salud en 1990: 666,200 mdd666,200 mdd

Inversión anual en investigación Inversión anual en investigación biomedica: 22,600 mddbiomedica: 22,600 mdd

Numero de empleados en la industria Numero de empleados en la industria biomedica: 200,000biomedica: 200,000

Numero de fabricantes: 19,300Numero de fabricantes: 19,300

INGENIERIA DE BIOMATERIALESINGENIERIA DE BIOMATERIALES

Gasto año/habitante en salud en E.U: Gasto año/habitante en salud en E.U: 1650 dólares1650 dólares

Gasto año/habitante en salud en Gasto año/habitante en salud en Argentina: 138 dólaresArgentina: 138 dólares

HIERROHIERRO

Metal alotrópico en donde puede existir Metal alotrópico en donde puede existir más de una estructura reticulada más de una estructura reticulada dependiendo de la temperatura.dependiendo de la temperatura.

Número atómico 26Número atómico 26Peso atómico 55847Peso atómico 55847Punto de fusión 1535 °CPunto de fusión 1535 °CPunto de ebullición 3000 °C Punto de ebullición 3000 °C

ACEROACERO

Mezcla de metales (aleación formada por Mezcla de metales (aleación formada por varios elementos químicos, varios elementos químicos, principalmente hierro y carbono)principalmente hierro y carbono)

Antes del tratamiento térmico los aceros Antes del tratamiento térmico los aceros son mezcla de tres sustancias (ferrita, son mezcla de tres sustancias (ferrita, perlita y cementita.)perlita y cementita.)

TRATAMIENTO TERMICO DEL TRATAMIENTO TERMICO DEL ACEROACERO

Su objetivo es controlar la cantidad Su objetivo es controlar la cantidad tamaño forma y distribución de las tamaño forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en la partículas de cementita contenidas en la ferrita.ferrita.

A la elevación de la temperatura la ferrita A la elevación de la temperatura la ferrita y la perlita se convierten en austentita y la perlita se convierten en austentita (propiedad de disolver todo el carbono (propiedad de disolver todo el carbono libre en el metal) libre en el metal)

En enfriamiento lento la austentita se En enfriamiento lento la austentita se transforma en ferrita y perlita transforma en ferrita y perlita

En enfriamiento rapido la austentita se En enfriamiento rapido la austentita se convierte en martensita (gran dureza con convierte en martensita (gran dureza con carbono en solución sólida)carbono en solución sólida)

PROPIEDADES MECANICAS DEL PROPIEDADES MECANICAS DEL ACEROACERO

Resistencia al desgaste: Resistencia que Resistencia al desgaste: Resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar ofrece un material a dejarse erosionar cuando esta en fricción con otro material.cuando esta en fricción con otro material.

Tenacidad: Capacidad que tiene un Tenacidad: Capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir material de absorber energía sin producir fisurasfisuras

Maquinabilidad: Facilidad que posee un Maquinabilidad: Facilidad que posee un material de permitir el proceso de material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.mecanizado por arranque de viruta.

Dureza: La resistencia que ofrece el acero Dureza: La resistencia que ofrece el acero para dejarse penetrar, se mide en para dejarse penetrar, se mide en unidades Brinell Orotwel.unidades Brinell Orotwel.

ACERO INOXIDABLEACERO INOXIDABLE Es una mezcla de metales Es una mezcla de metales Aleaciones formadas por hierro puroAleaciones formadas por hierro puro Cuatro tiposCuatro tipos

AUSTENTICOAUSTENTICO: mas usado : mas usado Níquel 7%, cromo 16%, bajo contenido de carbono .20% Níquel 7%, cromo 16%, bajo contenido de carbono .20% Elevada resistencia a la corrosión Elevada resistencia a la corrosión DuctilidadDuctilidad Facilidad de limpiezaFacilidad de limpieza Endurecen por trabajo en fríoEndurecen por trabajo en frío No son magnéticosNo son magnéticos

ACEROS INOXIDABLESACEROS INOXIDABLES

ACERO 302: Más tenaz y resistente a la ACERO 302: Más tenaz y resistente a la corrosióncorrosión

ACERO 316: Con adición de molibdeno ACERO 316: Con adición de molibdeno mejora la resistencia a la corrosión del mejora la resistencia a la corrosión del agua salinaagua salina

ACERO 316 L: Con reducción de carbono ACERO 316 L: Con reducción de carbono de .08 a .03 % mejora la resistencia a la de .08 a .03 % mejora la resistencia a la corrosión, en un medio salino.corrosión, en un medio salino.

TRATAMIENTO TERMICO DEL TRATAMIENTO TERMICO DEL ACEROACERO

RECOCIDO RECOCIDO ESFEROIDIZACIÓNESFEROIDIZACIÓNNORMALIZACIÓNNORMALIZACIÓNENDURECIMIENTOENDURECIMIENTOREVENIDOREVENIDO

RECOCIDORECOCIDO Calentar el acero a temperatura adecuada Calentar el acero a temperatura adecuada

enfriamiento lento, en el intervalo de enfriamiento lento, en el intervalo de transformación.transformación.

OBJETIVOS:OBJETIVOS: Refinar el granoRefinar el grano Proporcionar suavidadProporcionar suavidad Mejorar propiedades eléctricas y magnéticasMejorar propiedades eléctricas y magnéticas

ESFEROIDIZACIONESFEROIDIZACIONForma de carburo globular en una matriz Forma de carburo globular en una matriz

ferritica, por tiempo prolongado con ferritica, por tiempo prolongado con temperatura por debajo de línea critica.temperatura por debajo de línea critica.

Mínima dureza Mínima dureza Máxima ductilidadMáxima ductilidad

NORMALIZACIONNORMALIZACION

Calentamiento por arriba de 100° F y por Calentamiento por arriba de 100° F y por encima de línea critica y enfriamiento en encima de línea critica y enfriamiento en aire quieto hasta temperatura ambiente.aire quieto hasta temperatura ambiente.

ENDURECIMIENTOENDURECIMIENTO

Enfriamiento rápido moderado o lento los Enfriamiento rápido moderado o lento los átomos se difunden hacia fuera siendo átomos se difunden hacia fuera siendo cúbico centradocúbico centrado

Transformación de gama a alfa.Transformación de gama a alfa.

REVENIDOREVENIDO Calentamiento del acero a temperatura menor Calentamiento del acero a temperatura menor

de la línea critica .de la línea critica . OBJETIVOS:OBJETIVOS: Liberar esfuerzos residualesLiberar esfuerzos residuales Mejorar la ductilidad y tenacidad del aceroMejorar la ductilidad y tenacidad del acero

La dureza disminuye y la tenacidad aumenta La dureza disminuye y la tenacidad aumenta al incremento de la temperaturaal incremento de la temperatura

DESGASTEDESGASTE

Deterioro no intencional resultante del empleo o Deterioro no intencional resultante del empleo o del ambiente.del ambiente.

TIPOS:TIPOS: Abrasión: Metálico (desgaste adhesivo)Abrasión: Metálico (desgaste adhesivo)

Fricción de una superficie metálica con otraFricción de una superficie metálica con otra Dureza y tenacidad determina el desgaste abrasilDureza y tenacidad determina el desgaste abrasil

Corrosión: erosión por liquido o gas en Corrosión: erosión por liquido o gas en movimientomovimiento

CORROSIÓNCORROSIÓN

Causa principal: Causa principal: Inestabilidad de los metales en sus formas refinadas.Inestabilidad de los metales en sus formas refinadas.

Principio electroquímico:Principio electroquímico: Requiere el flujo de electricidad de la superficie de un Requiere el flujo de electricidad de la superficie de un

metal (electrodos): ánodo y cátodo de un electrolito metal (electrodos): ánodo y cátodo de un electrolito (cualquier solución que contenga iones) por medio de (cualquier solución que contenga iones) por medio de un puente metálico.un puente metálico.

TIPOS DE CORROSIONTIPOS DE CORROSION

Por formación de pequeños huecos: Por formación de pequeños huecos: composición de cristales individuales a composición de cristales individuales a través de una pieza fundida y zonas través de una pieza fundida y zonas distorsionadas distorsionadas

Por cavitación: se produce por el choque Por cavitación: se produce por el choque de burbujas y cavidades dentro de liquido.de burbujas y cavidades dentro de liquido.

Por grieta: Es el ataque acelerado en el Por grieta: Es el ataque acelerado en el punto de unión de dos metales, expuestos punto de unión de dos metales, expuestos a un ambiente corrosivo.a un ambiente corrosivo.

Por rozamiento: Producido por vibración Por rozamiento: Producido por vibración causando choque en las superficies a causando choque en las superficies a altas cargas. Y estrechamente ajustadas.altas cargas. Y estrechamente ajustadas.

METODOS PARA COMBATIR LA METODOS PARA COMBATIR LA CORROSIONCORROSION

Metales de alto grado de purezaMetales de alto grado de purezaEmpleo de aleaciones adicionalesEmpleo de aleaciones adicionalesUtilización de tratamientos térmicos Utilización de tratamientos térmicos

especiales.especiales.Revestimientos superficialesRevestimientos superficiales

METODOS DE PROTECCION METODOS DE PROTECCION CONTRA LA CORROSIONCONTRA LA CORROSION

CAMBIO DE CONDICIONES CAMBIO DE CONDICIONES AMBIENTALESAMBIENTALES

PASIVADOPASIVADORECUBRIMIENTOS METALICOSRECUBRIMIENTOS METALICOSRECUBRIMIENTOS NO METALICOSRECUBRIMIENTOS NO METALICOSCATODIZACIONCATODIZACIONRESISTENCIA INTRINSECA DEL RESISTENCIA INTRINSECA DEL

MATERIALMATERIAL

PASIVADOPASIVADO

Tratamiento químico aplicado a la lamina galvanizada Tratamiento químico aplicado a la lamina galvanizada que retarda la formación de óxido blanco durante que retarda la formación de óxido blanco durante transporte y almacenamiento, sus propiedades son transporte y almacenamiento, sus propiedades son limitadas ,si el material esta mojado debe ser secado y limitadas ,si el material esta mojado debe ser secado y utilizarse inmediatamente.utilizarse inmediatamente.

El proceso se basa en la modificación superficial del El proceso se basa en la modificación superficial del metal a través de una pequeña capa no metálica metal a través de una pequeña capa no metálica generalmente un oxido o una sal de metal base generalmente un oxido o una sal de metal base firmemente adherido a la base siendo impermeable para firmemente adherido a la base siendo impermeable para evitar el pasaje del electrolito.evitar el pasaje del electrolito.

POLIMEROSPOLIMEROS

Constituidos por grandes moléculasConstituidos por grandes moléculasFormación entre si de moléculas Formación entre si de moléculas

pequeñas (monomeros)pequeñas (monomeros)Pueden formar cadenas lineales, Pueden formar cadenas lineales,

ramificadas o redesramificadas o redesPolietileno de baja densidadPolietileno de baja densidadPolicloruro de viniloPolicloruro de viniloPoliestirenoPoliestirenoPolietileno de alta densidadPolietileno de alta densidad

BIOPOLIMEROS: proteínas, BIOPOLIMEROS: proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicospolisacáridos, ácidos nucleicos

POLIMEROS SINTETICOS: POLIMEROS SINTETICOS: termoplásticos, plásticos termo tratadostermoplásticos, plásticos termo tratados

Braconnot y Schonbein en 1846 Braconnot y Schonbein en 1846 descubren la nitrocelulosadescubren la nitrocelulosa

En 1844 Charles Goodyear recibe la En 1844 Charles Goodyear recibe la patente para vulcanización de caucho con patente para vulcanización de caucho con sulfurosulfuro

Leo Baekeland en 1907 inventa la primera Leo Baekeland en 1907 inventa la primera resina sintética de fenol-formaldehido resina sintética de fenol-formaldehido (bakelita)(bakelita)

Hermann Staudinger en 1922 propone Hermann Staudinger en 1922 propone que los polímeros son átomos unidos por que los polímeros son átomos unidos por un enlace covalenteun enlace covalente

En 1953 le otorgan el premio Nóbel de En 1953 le otorgan el premio Nóbel de químicaquímica

En 1931 Wallace Carothers inventa el En 1931 Wallace Carothers inventa el neoprenoneopreno

Estructura de polietilenoEstructura de polietileno

CARACTERISTICASCARACTERISTICAS

Resistentes a los químicosResistentes a los químicos

Aislantes del calor y electricidadAislantes del calor y electricidad

Generalmente ligeros con varios grados de Generalmente ligeros con varios grados de durezadureza

Pueden ser procesados en películas delgadas o Pueden ser procesados en películas delgadas o estructuras complejasestructuras complejas

POLIMEROSPOLIMEROS

Pueden trabajarse en forma de fibras, Pueden trabajarse en forma de fibras, tejidos, películas o bloquestejidos, películas o bloques

Bioestables: gran durabilidadBioestables: gran durabilidad

Biodegradables: cumplen una función y Biodegradables: cumplen una función y son reabsorbidosson reabsorbidos

CERAMICOSCERAMICOS

Materiales inorgánicosMateriales inorgánicos Combinación de elemento metálicos y no Combinación de elemento metálicos y no

metálicosmetálicos Unidos por enlaces iónicos y uniones covalentesUnidos por enlaces iónicos y uniones covalentes Estabilidad química frente al oxigenoEstabilidad química frente al oxigeno Resistentes al desgasteResistentes al desgaste

Alumina Alumina Carbon piroliticoCarbon pirolitico HidroxiapatitaHidroxiapatita VitroceramicosVitroceramicos

CERAMICOSCERAMICOS

Baja reactividad químicaBaja reactividad química Inertes ???Inertes ???Alumina y Zirconia fueron las primeras Alumina y Zirconia fueron las primeras

cerámicas utilizadas (70’s)cerámicas utilizadas (70’s)Se consideran materiales “casi inertes”Se consideran materiales “casi inertes”Las cerámicas constituyen una barrera Las cerámicas constituyen una barrera

para la liberación de iones metálicospara la liberación de iones metálicos

ALUMINA Y ZIRCONIAALUMINA Y ZIRCONIA

Estables a altas temperaturasEstables a altas temperaturasResistencia a la corrosiónResistencia a la corrosiónBajo índice de fricciónBajo índice de fricciónResistencia al desgasteResistencia al desgasteResistencia a las fracturasResistencia a las fracturasNo se integran como los fosfatos No se integran como los fosfatos

cerámicoscerámicos

CERAMICASCERAMICAS

Mecánicamente frágilesMecánicamente frágilesBioinertes/bioactivosBioinertes/bioactivosAlto modulo elásticoAlto modulo elásticoAislantes de electricidad y calorAislantes de electricidad y calorAdaptación biomecanicaAdaptación biomecanica

COEFICIENTE DE COEFICIENTE DE FRICCIÓNFRICCIÓN

NormalNormal Metal/Metal/MetalMetal

Metal/Metal/PEADPEAD

Cerámica/Cerámica/cerámicacerámica

Cerámica/Cerámica/PEADPEAD

Metal/Metal/cerámicacerámica

0.008/0.008/0.020.02

AltoAlto(0.8)(0.8)

Muy Muy BajoBajo

(0.02)(0.02)

BajoBajo BajoBajo AltoAlto

CERAMICAS BIOACTIVASCERAMICAS BIOACTIVAS

El producto de su reacción química El producto de su reacción química conduce a un resultado favorableconduce a un resultado favorable

Hidroxiapatita: fosfato de calcio, Hidroxiapatita: fosfato de calcio, biocompatible, bioactivo, osteoconductivo, biocompatible, bioactivo, osteoconductivo, unión directa al huesounión directa al hueso

HIDROXIAPATITAHIDROXIAPATITA

Sustituto óseo o como implante dentalSustituto óseo o como implante dentalFosfato cerámicoFosfato cerámicoEn su forma pura puede soportar hasta En su forma pura puede soportar hasta

1200° Celsius1200° CelsiusPuede ser modelada como la mayoría de Puede ser modelada como la mayoría de

las cerámicaslas cerámicasRelleno de cavidades o revestimiento de Relleno de cavidades o revestimiento de

implantes metálicosimplantes metálicos


Para larga duración se utilizan formas Para larga duración se utilizan formas puraspuras

Para duración corta con sustitución Para duración corta con sustitución progresiva por hueso se utiliza combinado progresiva por hueso se utiliza combinado con fosfatoscon fosfatos

Puede fijar moléculas de otras sustancias Puede fijar moléculas de otras sustancias (antibióticos, anticancerígenos)(antibióticos, anticancerígenos)


Formada por calcio, fósforo, oxigeno e Formada por calcio, fósforo, oxigeno e hidrógenohidrógeno

CaCa10 10 (PO(PO44))6 6 (OH)(OH)2+2+

Grupo hidroxila: Fósforo + oxigenoGrupo hidroxila: Fósforo + oxigenoLa molécula es hexagonalLa molécula es hexagonalLos grupos hidroxila pueden ser retirados Los grupos hidroxila pueden ser retirados

fácilmente formando canales vacíos entre fácilmente formando canales vacíos entre los hexágonos como andamios de otras los hexágonos como andamios de otras sustanciassustancias

VIDRIOS BIOACTIVOSVIDRIOS BIOACTIVOS

Formados por fosfatos, óxidos de sílice, Formados por fosfatos, óxidos de sílice, calcio y sodiocalcio y sodio

Gran actividad biológicaGran actividad biológicaCompatibilidad con tejido óseoCompatibilidad con tejido óseoSe mezcla con colágena y proteínasSe mezcla con colágena y proteínas

VIDRIOS BIOACTIVOSVIDRIOS BIOACTIVOS

Hidroxicarbonatoapatita: se forma en la Hidroxicarbonatoapatita: se forma en la superficie de vidrios bioactivossuperficie de vidrios bioactivos

Forma una capa de gel de síliceForma una capa de gel de sílice

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