BiomaterialesMateriales avanzados

INSTITUTO TECNOLOGICO DE TIJUANA

5.1 Introducción a los biomateriales5.1.1 Importancia5.1.2 Estado del arte5.1.3 Tipos de biomateriales

5.2 Biomateriales duros5.2.1 Estructura y propiedades de los biomateriales5.2.2 Materiales metálicos: Acero inoxidable, Co-Cr, Ti, aleaciones con memoria de

forma Nb, Ta, etc.5.2.3 Materiales cerámicos: alúmina, hidroxiapatita, Biovidrios, Zirconias, etc.

5.3 Modificación superficial de implantes: implantación iónica, plasma, PVD, CCVD, sol-gel, electroquímicas, etc.

5.4 Caracterización: Incompatibilidad, requerimientos para biomateriales (toxicidad, corrosión, fatiga, densidad)

5.5 Biomateriales suaves5.5.1 Biomateriales poliméricos5.5.2 Biomateriales para transporte de drogas 5.5.3 Caracterización de biomateriales poliméricos5.5.4 Biocopatibilidad de los materiales

INDICE

5.6 Interacción con proteínas y células5.6.1 Respuesta inmunológica5.6.2 Estudios In-Vitro e In-Vivo5.7 Aplicaciones de biomateriales5.7.1 Implantes ortopédicos5.7.2 Aplicaciones dentales5.7.3 Aplicaciones cardiovasculares5.7.4 Fallas en implantes.

5.1 Introducción a los Biomateriales

Que es un Biomaterial?

El termino Biomaterial puede definirse a partir de la palabra material como como una sustancia útil para hacer objetos y del prefijo bio que se emplea generalmente para indicar su relación con la vida. Si bien existen numerosas definiciones de termino biomaterial, la comunidad científica ha propuesto que un biomaterial es ¨un material no vivo usado en un dispositivo medico, destinado a interaccionar con el sistema biológico¨.

Esta definición incluye diversos tipos de materiales: metales, cerámicos o polímeros tanto naturales como sintéticos, que se usan para el diseño de materiales compuestos. Y se clasifican por su duración y forma de contacto con el organismo.

Introducción

Introducción

La necesidad de ofrecer una mejor calidad de vida a personas que sufren ciertos padecimientos crónicos sin solución médica, ha llevado a la

búsqueda de materiales que puedan sustituir las diferentes partes del cuerpo humano.

La investigación y desarrollo de los materiales de "repuesto" para nuestro organismo ha permitido que hoy se puedan reemplazar numerosos órganos

y tejidos con resultados satisfactorios.

5.1.1 Importancia de los biomateriales

Los dispositivos construidos con biomateriales están cobrando creciente importancia ya que mejoran el estilo de vida y su número aumenta continuamente. La prevención, el diagnóstico y el tratamiento de muchos trastornos de la salud se han hecho posibles a la existencia de nuevos materiales y de formulaciones, y dispositivos que participan en ellos.En la actualidad, los biomateriales se han convertido en los factores determinantes de la factibilidad y del éxito de una determinada práctica médica.

5.1.2 Estado del arte

El estado del arte incluyen los avances tecnológicos que se están

llevando a cabo en los últimos años para mejorar la apariencia estética de los biomateriales y poder utilizarlos en diversos

ámbitos industriales y médicos, las mejoras en respuesta al organismo

y adaptabilidad con el mismo, el estudio de sus propiedades y

aplicaciones.

Origen

Naturales

Gomas

Fibras proteicas

Metales

SintéticosPolímeros

y plásticos

5.1.3 Tipos de Biomateriales

En función de la respuesta del organismo

Inertes

Interactivos

Viables

Reimplantados

Sin respuesta

Respuesta especifica

“prediseñada”

Respuesta como a tejido

normal

Respuesta armónica

En Función De Su Estructura

Metales y aleaciones

La aplicación principal de estas aleaciones, son remplazar sistemas de unión como la cadera y la rodilla, se utilizan también para realizar placas para huesos, tornillos, clavos, etc., así como en la elaboración de instrumental quirúrgico.

En esta categoría las aleaciones más importantes son las de: Acero

inoxidable, Cobalto-Cromo, Aluminio-zinc y las de titanio.

BioPolímeros Pueden ser naturales o sintéticos

Los polímeros mas utilizados son: poli (cloruro de vinilo), polipropileno, poli (metacrilato de metilo), poliestireno y sus copolimeros. Dentro de sus aplicaciones más importantes se encuentran la elaboración de dispositivos para diálisis, válvulas de corazón, implantes oculares y dispositivos ortopédicos entre otros.

Biodegradable, es aquel, que se descompone después de un cierto período de tiempo dentro del organismo.

Bioabsorbible, es aquel, que el organismo es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, como lo son las proteínas.

Este grupo esta formado por piel natural, arterias, venas y otros componentes que son utilizados como tejidos. Sus aplicaciones más comunes son en cirugías plásticas, implantes de piel, reconstrucción de músculos, tendones y ligamentos. Uno de los productos mas comerciales dentro de este grupo es el colágeno, el cual, esta elaborado por celulosa y algunos poli-aminoácidos, como la glutamina y la lisina.

Material Biológico

BioCerámicosBioceramico-absorbible es aquel, que el organismo es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, normalmente son elaborados defosfatos, óxidos, etc.

Bioceramico absorbible o inerte es aquel, que el organismo no es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, estos son no tóxicos, no producen ninguna alergia ni reacción secundaria, son totalmente bio-compatibles y resistentes a la corrosión.

Los cerámicos que se utilizan en la elaboración de biomateriales normalmente reciben el nombre de bioceramicos

Es aquel en el que el organismo utiliza sólo por un período de tiempo, esto debido a sus propiedades. Entre estos materiales se encuentran el Bioglass y el Ceravital, los cuales consisten en una mezcla de óxidos de silicón, calcio, sodio, fósforo, magnesio y potasio.

Biocerámico Con Superficie de Reacción

Biomateriales durossustancias naturales o sintéticas que se pueden poner en contacto con los tejidos vivos sin provocar daños o alteraciones mientras mantiene sus efectividad física y biológica

Material biomédico

Cualquier sustancia o combinación de sustancias, de origen natural o sintético, que pueden ser usados por algún período, como todo o como parte de un sistema que trata, aumenta, o reemplaza algún tejido, órgano o función del cuerpo

Clasificación

-Según tiempo de permanencia:

1. Material de osteosíntesis: tornillo, clavo, roscados, clavos intra medulares, placas, clavos-placas, etc. La función de estos implantes es el sostén o soporte interno, intra medular, transóseo, adosado o fijado al hueso. En general pueden ser extraídos cuando el proceso biológico reparativo ha terminado, puesto que el hueso es capaz de soportar las exigencias habituales sin su auxilio.

2. Prótesis: se las emplea para reemplazar total o parcialmente un hueso o una articulación irreparablemente dañados en su morfología, estructura o función.

-Según la naturaleza química de los biomateriales:

3. Polímeros4. Cerámicas5. Materiales derivados de procesos biológicos6. Metales7. Compuestos (combinación de polímeros, cerámicos y metales)

REQUISITOS PARA LOS IMPLANTES

1-Biocompatibilidad.

2-Resistencia a la corrosión en el medio biológico.

3-Propiedades mecánicas y físicas compatibles con su función específica en el cuerpo humano.

4-Resistentes a la fatiga para las aplicaciones de cargas cíclicas.

5-Óseo integración.

Tipos de metales utilizados

Los metales puros no tienen las resistencias, elasticidad, ductilidad y purezas que requieren los distintos tipos de implantes actualmente utilizados en traumatología y ortopedia. Por esa razón se recurre a la adición de uno o mas metales al elemento base para modificar su estructura cristalina y por lo tanto sus propiedades físicas.

Cada estructura cristalina se denomina fase; las aleaciones que tienen mas de una fase se llaman alotrópicas o polimorfas. El numero de fases de una aleación depende del numero y cantidad de elementos de que consta, así como el tratamiento en que ha sido sometido.

Las tres mayores familias de aleaciones empleadas son:

•Aleaciones de Cobalto-Cromo-Molibdeno (Co-Cr-Mo)

•Titanio-Aluminio-Vanadio (Ti-Al-V) y Ti casi puro

•Aceros inoxidables tipo AISI 316 (L) (en base a Fe-Ni-Mo)

Implantes hechos de Aceros inoxidables tipo AISI 316 (L) (en base a Fe-Ni-Mo)

Aleaciones de Fe (hierro) y en distintas proporciones de:

• Ni (níquel) (proporciona resistencia a la corrosión y al endurecimiento).• Cr (cromo) y Mo (molibdeno) (mayor resistencia y menor corrosión).

Se clasifican según su microestructura:

• Martensíticos (11,5-18%  Cr).• Ferríticos (14-27%  Cr).• Austeníticos (Cr y Ni 23%).

Las ventajas de estos materiales son el bajo precio, su ductilidad y maleabilidad; y sus inconvenientes la tendencia a la corrosión, la imposibilidad de hacerlos porosos y el riesgo más alto de infección que con otros metales

propiedades

DUREZA

TENACIDAD

FRAGILIDAD

ELASTICIDAD

PLASTICIDAD

DUCTIBILIDAD

ESTRUCTURASolido cristalino

Solido amorfo

Estructura Cristalina

Cúbica Centrada en

las Caras FCC

Estructura Cristalina

Cúbica Centrada en el Cuerpo

BCC

Estructura Cristalina Hexagonal Compacta

HCP

SÓLIDOS CRISTALINOS Los sólidos cristalinos están constituidos por minúsculos cristales individuales cada uno con forma geométrica y poseen la característica de que al romperse producen caras y planos definidos, al igual presentan puntos de fusión definidos. Como ejemplos podemos destacar: el NaCl, la sacarosa, metales y aleaciones, y también algunos cerámicos.Los átomos o iones de un sólido se ordenan en una disposición que se repite en tres dimensiones, forman un sólido del que se dice tiene una estructura cristalina, se dice también que es un sólido cristalino o un material cristalino.

SÓLIDOS AMORFOS

Son todos aquellos sólidos en los cuales sus partículas constituyentes presentan atracciones lo suficientemente eficaces como para impedir que la sustancia fluya, resultando una estructura rígida y más o menos dura.

No presentan una disposición interna ordenada por lo tanto no tienen ningún patrón determinado. También se les denomina vidrios ó líquidos sobreenfriados.

A temperaturas altas los amorfos se transforman en líquidos y sus partículas constituyentes tienen libertad de movimiento, al disminuir lentamente la temperatura, la energía cinética de las partículas se va haciendo tan baja que se puede producir un acomodamiento entre ellas; pero si el enfriamiento se produce rápidamente y por debajo del punto de fusión (sobreenfiramento), se origina, como resultado de las menores vibraciones, una contracción térmica que no permite el ordenamiento de las partículas aumentando la viscosidad que ya no es posible apreciar flujo y la sustancia adquiere las características de un sólido: rigidez, dureza, forma y volumen definidos, etc. Como ejemplos cabe resaltar: el asfalto, ceras, la brea, vidrio y la mayoría de los polímeros.

Cuando un sólido amorfo se quiebra produce caras y bordes irregulares y al fundirse lo hace en un rango de temperaturas cambiando lentamente del estado sólido al estado líquido.

Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras FCC. En esta celda hay un punto reticular en cada vértice del cubo y otro en el centro de cada cara del cubo. El modelo de esferas sólidas indica que los átomos de esta estructura están unidos del modo más compacto posible. El APF de esta estructura de empaquetamiento compacto es 0.74.Esta celda tiene el equivalente a cuatro átomos por celda unidad. Un octavo de átomo en cada vértice (8 x 1/8=1) y seis medios átomos en el medio (1/2 x 6= 3).Los átomos en la celda FCC contactan entre sí a lo largo de la diagonal de la cara del cubo, de tal forma que la relación entre la longitud de la cara del cubo y el radio atómico es:

Metales como el Aluminio, el Cobre, el Plomo, el Níquel y el Hierro a temperaturas elevadas (912 a 1394°C) cristalizan según la estructura FCC.

Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo BCCEn esta celda unidad las esferas sólidas representan los centros donde los átomos están localizados e indican sus posiciones relativas. En esta celda unidad el átomo central esta rodeado de 8 vecinos más cercanos y se dice que tiene por lo tanto un número de coordinación de 8. Cada una de estas celdas unidad tiene el equivalente de 2 átomos por celda unidad. Un átomo completo esta localizado en el centro de la celda unidad, y un octavo de esfera esta localizado en cada vértice de la celda unidad, haciendo el equivalente de otro átomo. De este modo, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los vértices) = 2 átomos por celda unidad.

Estructura Cristalina Hexagonal Compacta HCPLos metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es demasiado bajo. El APF es 0.74 ya que los átomos están empaquetados de un modo lo más cercano posible. Cada átomo esta rodeado de otros 12 átomos y por tanto su número de coordinación es 12.La celda HCP posee 6 átomos, tres forman un triángulo en la capa intermedia, existen 6*1/6 secciones de átomos localizados en las capas de arriba y de abajo, haciendo un equivalente a 2 átomos más, finalmente existen 2 mitades de átomo en el centro de ambas capas superior e inferior, haciendo el equivalente de un átomo más.La relación c/a de una estructura cristalina HCP ideal es de 1.633 que indica esferas uniformes tan próximas como sea posible. Los metales Cinc, Cadmio poseen una relación c/a más alta que la ideal, lo que indica que los átomos en estas estructuras están ligeramente elongados a lo largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales como el Titanio, Berilio, Magnesio Y Circonio entre otros tienen relaciones c/a menores que la ideal.

5.2.2 materiales metálicos: aceros inox. Co-Cr, Ti, aleaciones con memoria de forma Nb, Ta, etc.

5.2.2. MATERIALES METALICOS• Vitallium fue el primer biomaterial

metálico en 1920

• Esta aleación de cobalto (65 % de Co, 30 % de Cr y 5 % de Mo),

• fue el punto de partida para una serie de investigaciones multidisciplinarias en el desarrollo de nuevas aplicaciones ortopédicas, como clavos, tornillos y fijadores de huesos fracturados,

• además de varios tipos de implantes de reemplazo articular, como cadera, rodilla, hombro, codo, entre otras.

5.2.2.1 Aceros inoxidables

• Los primeros aceros inoxidables para implantes utilizados auteniticos fue en 1930, tipo 18% Cr- 8% Ni.

• Posteriormente se paso añadir 2% Molibdeno que mejora la resistencia ala

corrosión en agua salina.

Tipos de aceros inoxidables

martensiticosPara la

fabricación de material

quirúrgicos.

eso solo se utiliza y recomienda en

implantes temporales.

Auteniticos tipo 316L

Se corroe a la larga en el interior del

cuerpo humano

5.2.2.2 Aleaciones base Co-Cr• Estas aleaciones se utiliza para odontología.• Existen 3 tipos los mas usados son:CoCrMo CoNiCrMo la aleación colable y forjadas

Los 2 principales elementos Co y CrForman una solución solida del 65% CoY 35% Cr. El Mo se añade para obtenerUn tamaño de grano mas fino.Se acostumbra a moldear los implantes en Cera perdida.

Contiene 35% de Co comoDe Ni. Posee una excelente Resistencia a la corrosiónBajo tención en agua de Mar. Difícil trabajar en frioEn consecuencia se forja En caliente.

Estas aleaciones poseen un pobre

comportamiento a fricción, tanto consigo

mismo como con otros materiales.

tienen tanto mayor ductilidad como

mayor resistencia a la tracción, no estando

claro si existen ventajas en cuanto al

comportamiento a fatiga.

5.2.2.3 Ti Otras aleaciones que han tomado gran

importancia en aplicaciones médicas para implantes quirúrgicos, son las de base titanio, especialmente la aleación Ti6Al4V.

la cual presenta ventajas superiores en peso, propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión con respecto a las aleaciones base cobalto y acero inoxidable.

• Sin embargo, tiene una resistencia baja al desgaste, así como un alto costo.

(En las prótesis de uniones entre huesos, el desgaste es muy importante, y resulta del movimiento y recolocación de los materiales usados. )

Esta aleación ha sido modificada, intercambiando el Vanadio por el Niobio, lo cual ha dejado una notable mejora en el índice de biocompatibilidad.

• 5.2.3 materiales cerámicos:

Alúminahidroxapatita,

biovidrio, zircornia

5.2.3. BIOMATERIALES CERAMICOS

• biomateriales cerámicos (los 70):• Su ventaja es su baja reactividad química, por

lo tanto, su carácter inerte, que conlleva una clara biocompatibilidad.

Materiales cerámicos:

• Además de tener un alto punto de fusión y una baja conductividad térmica y eléctrica, los cerámicos se consideran resistentes al

• desgaste.

Hay que tener presente que las biocerámicas podrían ser los biomateriales ideales, ya que poseen una buena biocompatibilidad y ose integración y, a su vez, son los materiales más parecidos al componente mineral del hueso

• Los implantes biocerámicos harán más resistentes y duraderas las articulaciones reemplazadas y evitarán en gran medida la degradación presente en los implantes actuales.

Los principales cerámicos

alúmina

zirconia

vidrios bioactivos

hidroxyapatita

• La fragilidad de las biocerámicas restringió, en gran medida, su campo de aplicación,

seleccionando sólo funciones que no necesitaran elevadas prestaciones mecánicas, a excepción de la alúmina y la zirconia, que se emplearon y emplean en articulaciones de cadera.

Aplicaciones• Sus principales aplicaciones están en el sistema óseo• con todo tipo de implantes y recubrimientos en prótesis

articulares; • también se utilizan en aplicaciones dentales en válvulas artificiales• cirugía de la espina dorsal y reparaciones craneales.

5.2.3.1. Alúmina

Debido a su capacidad de ser pulidas con un alto acabado

superficial y su excelente resistencia al desgaste.

la alúmina se utiliza a menudo

para las superficies de desgaste de las prótesis de

sustitución conjunta.

Su elevada dureza combinada con propiedades de baja fricción y bajo desgaste, hacen de éste, un material idóneo para prótesis articulares, a pesar de su fragilidad y de las dificultades de fabricación.

Aplicación• Estas aplicaciones incluyen cabezas femorales para el

reemplazo de cadera y placas de desgaste en reemplazos de rodilla.

• En sustitución de cadera, la cabeza femoral de alúmina

• se utiliza en conjunción con un vástago femoral metálico y una copa acetabular hecho de ultra alto peso molecular de polietileno para oponerse a la articulación de la superficie

5.2.3.2. HIDROXIAPATITA

• El fosfato de calcio más utilizado en la fabricación de implantes es la hidroxiapatita, está formado por fosfato de calcio cristalino y representa un depósito del 99% del calcio corporal y 80% del fósforo total.

• por ser el compuesto más parecido al componente mineral de los huesos, presenta buenas propiedades como biomaterial, tales como biocompatibilidad, bioactividad, osteoconductividad y unión directa al hueso.

• hidroxiapatita (un mineral que, además de encontrarse en la naturaleza, lo producimos en

nuestro cuerpo a 37 °C) POR EJEMPLO:

El esmalte que cubre los dientes contienen el mineral hidroxiapatita.

• Se ha demostrado su buena adhesión sobre el Ti asi como a materiales vitroceramicos.

El componente principal del hueso natural es la hidroxiapatita, material que puede fabricarse artificialmente y ser procesado en un sustituto poroso de hueso llamado “Neo hueso”.

El cuerpo humano acepta fácilmente la prótesis y con el tiempo se forma tejido alrededor de ello.

5.2.3.3. BIOVIDRIOS• En 1971, Hench y col. descubrieron que ciertas

composiciones de vidrios se enlazaban al hueso. • A dichos vidrios se les denominó vidrios

bioactivos y han sido objeto de numerosos estudios, con vistas a su utilización clínica como implantes para la sustitución y reparación de tejidos óseos.

• Ya que estimulan la formación del hueso y se usan mucho para:

injertoselevación de cresta ósea o defectos más que para el recubrimiento de implantes ya que la

unión es débil entre los biovidrios y el metal u otros sustratos cerámicos.

• son también muy frágiles, por lo que son inapropiados para aguantar todas las tensiones .

5.2.3.4 Zirconias También es empleada como esfera articular

en reemplazos totales de cadera.

La ventaja potencial de la zirconia en prótesis bajo carga es su bajo modulo de elasticidad, su alta resistencia mecánica y su buena tenacidad.

• Los pilares de zirconia siendo su color blanco similar al de los dientes, otorgan beneficios estéticos ante los de titanio cuyo color oscuro (gris metálico) generalmente se transluce a través de la encía y la corona.

5.3 MODIFICACIÓN SUPERFICIAL DE IMPLANTES

• Dentro de la bioingeniería, la modificación química a nivel superficial de los implantes (poliméricos, o de otro material) ha cobrado gran importancia.

• Actualmente existen técnicas como la radiaciones ultravioleta UV, plasma, “grafting” químico, etc. Con el fin de introducir grupos funcionales que mejore o introduzcan el total reconocimiento por parte de los tejidos de la superficie soporte y que reduzca cualquier proceso de irritación, inflamación, sensibilidad, toxicidad, mutagenicidad, carcinogenicidad, irritación con la sangre y otras que induzcan al rechazo del implante: es decir que incremente la biocompatibilidad a nivel de la interfase biomaterial-tejido.

5.3.1 IMPLANTACION IONICA

La implantación iónica es una técnica de modificación superficial que consiste en la introducción de átomos de un elemento escogido, dentro de las primeras capas superficiales de un material.

Implantación iónica en el sector mecánico

• Una de las razones por las que se utiliza la implantación iónica es que puede aplicarse sobre herramientas ya acabadas, sin riesgos de deformaciones y como último paso antes de su utilización industrial.

Aplicaciones en la medicina

Las características particulares de la implantación iónica convierten este proceso como el idóneo para ciertas aplicaciones médicas, sobre todo en prótesis de cadera, rodilla, etc..

5.3.2 plasma

Es un gas ionizado (parcial o totalmente) que contiene casi la misma cantidad de iones y electrones pero en el que pueden coexistir atomos neutros, con una gran capacidad de neutralizar carga introducida extremamente, macroscopicamente se considera un medio neutro y el efecto de estas cargas externas solo se aprecia a nivel microscopico.

5.3.3 Aplicación de PVD

Conocido como: Deposición en fase de vapor

Objetivo

Depositar capas de elevada dureza que mejoraran el rendimiento al desgaste. Estas capas están formadas por compuestos cerámicos.

• La técnica PVD implica la evaporación, por algún medio físico, del material a recubrir en atmosfera reducida inerte para depositar el mismo material (ejemplo N2, O2) para depositar un compuesto del material evaporado (nitruro, oxido).

Un ejemplo típico es la producción de TiN para reducir el desgaste de las herramientas de corte y conformado.

5.3.4 Aplicación de CDV

Técnicas de deposición química en fase de vapor.

La técnica de CVD consiste en la reacción de una mezcla de gases en el

interior de una cámara de vacío (reactor) para dar lugar a la formación de un material en forma de capa delgada.

5.3.5 Aplicación de Sol-Gel

El método Sol-Gel es un método donde uno o varios elementos son usados en la forma de sol y/o gel con el fin de obtener un sólido homogéneo.

Método sol-gelVENTAJAS INCONVENIENTES

Temperatura bajas

Recubrir diferentes geometrias

Relativamente

economico,ya que los

recubrimientos son finos

Atmosferas controladas

Materias primas caras

5.3.6 ELECTROQUIMICAS

El uso de materiales metálicos en medios acuosos, como es el cuerpo humano, da lugar a la aparición de fenómenos corrosivos en medio húmedo, llamados procesos electroquímicos.

• La liberación de productos de corrosión y de iones metálicos producida por la corrosión electroquímica, y en especial por la retirada mecánica de la capa de paliación y la corrosión galvánica, son causa de preocupaciones en las aplicaciones de los metales como biomateriales debido a sus posibles efectos citoxicos.

Corrosión electroquímica

La formación de pilas galvánicas por contacto eléctrico de implantes dentales de titanio con superestructuras de otro material, o efectos producidos por los micro movimientos en prótesis de cadera modulares de vástagos de Ti6A14V con cabezas de CoCrMo, que muestran evidencias de efectos citotóxicos por parte de algunos iones metálicos.

EJEMPLOS QUE INVOLUCRAN TITANIO:

5.4 CARACTERIZACION

5.4 BIOCOMPATIBILIDADREQUERIMIENTOS PARA LOS

BIOMATERIALES

BIOCOMPATIBILIDADPodemos considerar la Biocompatibilidad de un material como “el estado en el cual un material se encuentra en íntimo contacto con un organismo vivo, ejerciendo su función, sin dañarlo y sin ser dañado por él”.

Un ejemplo: el implante no debe alterar la composición y las propiedades de los componentes de la sangre (glóbulos rojos y blancos, proteínas, lípidos) y tampoco coagular la sangre, para evitar trombos

BIOCOMPATIBILIDADPara poder catalogar un material como biocompatible:

Lo primero que tenemos que determinar es que no sea tóxico, es decir que no haga daño.

En segundo lugar que sea capaz de cumplir la función del tejido al que sustituye, es decir que sirva para algo.

Por último, que resista funcional y estructuralmente

Pero además, cualquier diseño debe presentar buenas características biofuncionales, pues debe ofrecer la suficiente estabilidad e integridad para mantener unas condiciones óptimas del proceso curativo.

BIOCOMPATIBILIDAD EN IMPLANTES

Características de la superficie del implante:

Rugosidad

Grado de pulido

Porosidad

Potencial eléctrico

Humectación

Comportamiento hidrofóbico o hidrófilo

Son factores decisivos que afectan la compatibilidad determinarán la interacción del implante con las bacterias y su capacidad de colonizar su superficie, puesto que éste es el primer contacto con el cuerpo humano que va a determinar el proceso de asimilación o rechazo del implante, así como la velocidad del proceso curativo y, finalmente, la falla o éxito de la implantación

5.5 Biomateriales SuavesLos Biomateriales suaves son sistemas formados por diversos

componentes que presentan propiedades fluidas. Estos materiales, aparentemente distintos entre si, poseen propiedades estructurales y dinamicas.

•Bioinertes.•Biocompatibles.•Bioactivos.

5.5.1 Biomateriales Polimericos

Biomateriales

Polimeros

Metales Ceramicas

Implantes Ortopedico

Implantes Dentales

Implantes Oculares

Transporte de Drogas

Implantes Oseos

Valvulas de Corazon

Los Biomateriales Polimericos deben cumplir, como todo biomaterial, dos restricciones principales: respuesta mecanica y propiedades de superficie.

Mecanica: Adaptable mediante eleccion del polimero y mediante el diseño.

Propiedades de superficie: Impuestas tambien por la eleccion del polimero modificables mediante distintos tratamientos

5.5.2 Biomateriales para Transporte de Drogas.

Entre las aplicaciones temporales dentro del organismo de los biomateriales hay que destacar también los sistemas de liberación de fármacos. Los polímeros son esenciales para todos los nuevos sistemas de liberación desarrollados.

Los hidrogeles son materiales con un excelente potencial para esta aplicación puesto que su grado de hidratación, porosidad, densidad de entrecruzamiento y resistencia mecánica pueden alterarse y controlarse fácilmente, con el fin de modificar la velocidad de liberación de un fármaco determinado.

Estos materiales han sido utilizados como vehículos para inmovilizar, encapsular y liberar de manera controlada un gran número de sustancias con actividad fisiológica, tales como: antibióticos, anticoagulantes, antineoplásicos, anticuerpos, antagonistas de fármacos, anticonceptivos, etc.

5.5.3 Caracterización de biomateriales polimericos.

En el caso de los biomateriales poliméricos, se puede hacer una clasificación según el tiempo que deben mantener su funcionalidad cuando se aplican como implantes quirúrgicos.

En el primer grupo se incluyen todos aquellos implantes que deben tener un carácter permanente, como son los sistemas o dispositivos utilizados para sustituir parcial o totalmente a tejidos u órganos destruidos como consecuencia de una enfermedad o trauma.

En el segundo grupo, se incluyen los biomateriales degradables de aplicación temporal, es decir, aquellos que deben mantener una funcionalidad adecuada durante un periodo de tiempo limitado, ya que el organismo humano puede desarrollar mecanismos de curación y regeneración tisular para reparar la zona o el tejido afectado. 

Caracteristicas de los Biopolimeros:

Estabilidad a varias temperaturas.

Baja tension superficial.

Pureza y esterilidad total.

Buena capacidad dialectrica.

Hidrorepelencia.

Atoxicidad total.

5.5.4 Biocompatibilidad de los Biomateriales

Podemos considerar la Biocompatibilidad de un material como “el estado en el cual un material se encuentra en íntimo contacto con un organismo vivo, ejerciendo su función, sin dañarlo y sin ser dañado por él”.

5.6 Interacción Con Proteínas Y Células.

Los tejidos blandos son:

Músculos Piel

Órganos

Corazón.Hígado.

Páncreas.Pulmones.

Mucosas

5.6 Interacción Con Proteínas Y Células.

Saliva

SangreOrina

En Su Interior Se Encuentran Fluidos Corporales

Jugos Gástricos

5.6 Interacción Con Proteínas Y Células.

• Las Interacciones Entre El Implante Y El Cuerpo Extraño.• “Determinan El Periodo De Tiempo Necesario” Para Su:1. Reconocimiento2. Intensidad De La Reacción Del Organismo Para Rechazar o

Aceptar.• Hasta Restablecer El Equilibrio Interno.• Se debe garantizar un total reconocimiento por parte del

sistema fisiológico

5.6 Interacción Con Proteínas Y Células.

5.6 Interacción Con Proteínas Y Células.

Las superficies de los biomateriales pueden ser:

1. Grupos de moléculas que carecen de afinidad con el agua y que al encontrarse en su seno, tienden a ser rechazadas por sus moléculas.

1. Se dice de la materia que puede absorber mucha agua

Propiedades condicionadas a que las proteínas sean absorbidas por la superficie del material.

5.6.1 Respuesta Inmunológica

• La característica primordial de un biomaterial:1. Es que sea biológicamente inerte2. Que no presente daño celular donde se aplique3. No ser tóxico4. No carcinógeno5. Ser químicamente estable 6. No presentar degradación en el tiempo

5.6.1 Respuesta Inmunológica

• Existen factores que deciden si un material será aceptada por el sistema inmunológico.

• Entre ellos esta:• La forma • El tamaño• La rugosidad superficial• La localización• La fijación de la prótesis • La función que desempeña

5.6.1 Respuesta Inmunológica

5.6.2 Estudios In-Vivo e In-Vitro

5.6.2 Estudio “In-Vitro”

• Es Cualquier Manipulación que se hace con células o sistemas aislados de células.

• Se hacen en los laboratorios en donde se trata de simular las condiciones que tendrían en los organismos de los que fueron aislados.

5.6.2 Estudio “In-Vitro”

• Se realizan en un tubo de ensayo.• En bandeja de cultivo celular• En otro recipiente pero siempre fuera del organismo.• Se realizan colocando el material en contacto directo

con poblaciones celulares o bacteriales.

5.6.2 Estudio “In-Vitro”

• Se debe medir:1. El grado de citotoxidad o crecimiento celular2. Funciones metabólicas de las células.3. El efecto del material sobre el material

genético de la célula.

El Brécol hace que las células cancerigenas se suiciden.

• Células precancerosas se autodestruyen. • Proceso de suicidio que se conoce como apoptosis:1. El cual es una forma de muerte celular, que está

regulada genéticamente.• En las pruebas de laboratorio realizadas, con cultivos

de células se ha demostrado que el brécol triturado añadido a las células cancerosas puede provocar apoptosis.

5.6.2 Estudio “In-Vitro”

5.7.1 Implantes Ortopédicos

ClasificaciónSe pueden clasificar segun: El tiempo de permanencia Material de osteosíntesis: tornillo, clavo, roscados, clavos intra medulares,

placas, clavos-placas, etc. La función de estos implantes es el sostén o soporte interno, intra medular, transóseo, adosado o fijado al hueso.

En general pueden ser extraídos cuando el proceso biológico reparativo ha terminado, puesto que el hueso es capaz de soportar las exigencias habituales sin su auxilio.

Prótesis

Se las emplea para reemplazar total o parcialmente un hueso o una articulación irreparablemente dañados en su morfología, estructura o

función. Los materiales utilizados en las prótesis totales están diseñados para permitir una movilidad similar a la de la articulación normal.

Los componentes artificiales suelen estar compuestos por un elemento metálico que encaja exactamente en un elemento de plástico.

Sus principales caracteristicas:• Acero inoxidable, aleaciones de cobalto, cromo, ceramicas, materiales

compuestos y titanio.• El plastico es polietileno, extremadamente duradero y resistente al

desgaste.• Se utiliza cemento para fijar el componente artificial al hueso.• Tambien existen protesis no cementadas, que son directamente

encajadas al hueso

5.7.2 Aplicaciones dentales

La prótesis consta de 3 partes fundamentales,llamadas corona, perno o muñón que soportaraa la corona y el implante propiamente dicho que

reemplazara la raíz del diente.

En la actualidad, existe una gran variedad demateriales que pueden utilizarse para la

fabricación de implantes siendo la mayoría deTitanio o unas de sus aleaciones Ti6AI4V

5.7.3 Aplicaciones cardiovasculares.

Angioplastia y colocación de stent.

• Se utiliza el stent para mantener abierta la arteria carotica y mejora el flujo de sangre al musculo cardiaco y reduce el dolor de angina de pecho.

Video

Desfibrilador.

• Se utiliza para aquellas personas que han tenido una frecuencia cardiaca alta anormal, que les produjo un desmayo y afecto la capacidad de bombeo del corazón.

Fibrilción [www.keepvid.com].mp4

Marcapasos.

• Se utilizan para ayudar al corazón a latir con un ritmo constante, y además monitorean la actividad eléctrica cardiaca espontanea y según su programación desencadenan impulsos eléctricos o no.

Válvulas cardiacas.

• Debido a que el corazón bombea la sangre en una sola dirección. Las válvulas cardiacas desempeñan un papel clave en este flujo al abrirse y cerrarse con cada latido.

MedicinaTOT Válvulas Cardiacas [www.keepvid.com].mp4

Injertos vasculares.

• Se utilizan para el tratamiento de aneurisma de aorta abdominal.

• Están constituidos por 50% de polímeros sintéticos y el otro 50% de proteínas.

aneurisma de aorta abdominal [www.keepvid.com].mp4

Filtros venales.

• Estos filtros se introducen en la vena cava inferior de los pacientes que han tenido o están en riesgo de sufrir una embolia pulmonar.

• Bajo anestesia local a través del cuello. (la yugular) con ayuda de un catéter.

Anillo de anulo plastia.

• Se utiliza para mantener el diámetro de la abertura de la válvula del corazón. Esto debido a que si el diámetro es mayor las válvulas se pueden cerrar y entonces hay riesgo de flujo de retorno de la sangre.

Aparato de asistencia ventricular.

• Se utiliza para ayudar a bombear sangre desde el ventrículo izquierdo a la aorta.

• El procedimiento se aplica para pacientes con debilidad en los músculos cardiacos que no pueden bombear la sangre hacia la aorta.

Catéteres.

• Son los primeros dispositivos que hacen contacto con el tejido al interior del cuerpo. La función es ofrecer un pasaje ininterrumpido para los cirujanos hacia las profundidades del cuerpo.

Soporte cardiaco.

• Se utilizan para proporcionar presión positiva desde el exterior. Esto para mantener su forma normal.

• También se utilizan para corregir las condiciones como un agujero en el corazón.

Suturas.

• Se utilizan para la reparación del tejido con un dispositivo implantable.

• Están disponibles en varios tamaños de diámetros, absorbibles y no absorbibles.

Corazón artificial.• Este es el numero uno en la actualidad, para

pacientes con insuficiencia cardiaca intratable.

• La supervivencia es de cinco años, con un 70% o 80% de éxito.

5.7.4 Fallas en implantes

Un implante se considera que ha fallado si debe ser extraído prematuramente.

Se asumen dos tipos de fallas:

La segunda por infección, inflamación y otras

reacciones del cuerpo ante la presencia del implante.

La primera incluye deformaciones permanentes, fracturas por sobrecarga, fracturas por fatiga,

corrosión, desgaste, etc.

Crecimiento óseo acelerado mediante bioingeniería

Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han descubierto una manera de ayudar a acelerar el crecimiento del hueso mediante el uso de nanotubos y células madre.

Células madre mesenquimales en la parte superior de unos muy delgados nanotubos de óxido de titanio, controlaran la conversión de caminos, en osteoblastos o hueso en construcción de celdas

Los nanotubos con un diámetro mayor causa células que crecen a lo largo de su superficie, mucho más que aquellos con un diámetro más pequeño. El diámetro más grande, más rápido y más fuerte de nanotubos promueve el crecimiento óseo.