FyTM 2011-2012: Practica impartida por Donato Monopoli

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Práctica impartida por Donato Monopoli en el tramo de Física y Tecnología Médica durante el curso 2011-2012 en la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria.

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FyTM 2011-2012: Practica impartida por Donato Monopoli

  1. 1. BIOMECÁNICA Implantes e Instrumental DEPARTAMENTOSPIN OFFPatentes DE INGENIERÍA MECÁNICA SERVICIOS Diseño & Desarrollo
  2. 2. ACTIVIDADES 1999 – 2009 CIRUGÍA ORTOPÉDICAINVESTIGACIÓN DESARROLLO ABORDAJE CIRUGÍA & DE MÍNIMA CARDIOVASCULAR INVASIÓN BIOMATERIALES BIOMEDICOS SERVICIOS OTROS
  3. 3. DEPARTAMENTO INGENIERÍA MECÁNICA tkibs titanio tejido educa www.ciber-bbn.es Motiva grupo adjunto LABRET-UMAwww.motivando.me
  4. 4. 3 AREAS DEDESARROLLO TEJIDO PARA RECONSTRUIR
  5. 5. Biomateriales Más de cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantado algún tipo de prótesis Los biomateriales están destinados a su fabricación El campo de los biomateriales ha experimentado un espectacular avance en los últimos años Una motivación importante ha sido el aumente de forma considerable de la esperanza de vida.
  6. 6. Biomateriales requerimientosBiocompatibles, es decir no se produzcan reacciones no deseadas en la interfaz tejido-material. El material será entonces tolerado y no tóxico. Tanto la tolerancia como latoxicidad son función de la concentración de las distintas sustancias que componen un material.Resistentes a los agentes químicos (fluidos fisiológicos -> corrosión) y a los estímulosmecánicos (carga y roce -> rotura y desgaste ) para que puedan mantener sus prestacionesdurante el tiempo que tengan que estar en servicio.Las partículas liberadas sean toleradas.
  7. 7. Biomateriales clasificación Poliméricos metálicos cerámicos
  8. 8. Biomateriales poliméricos•BASE QUÍMICA: H, C, O• enormes variedad de compuestos• muchas posibilidades de fabricación, fibras, tejidos, películas o bloques.• naturales (Colágeno, Quitosano)• sintéticos (Polietileno, Ácido Poliláctico, Poliglicólico, etc.)• bioestables (Polietileno, Polimetilmetacrilato)• Biodegradables (Ácido Poliláctico, Poliglicólico, Quitosano)EJEMPLOS:ampliamente utilizados en clínica en implantes quirúrgicos, como en membranas protectoras o ensistemas de dosificación de fármacos particular importancia tienen los cementos óseos acrílicos,que han encontrado importantes campos de aplicación, en particular, en traumatología
  9. 9. Biomateriales metálicos• BASE QUÍMICA: Ti, Fe, Co, Ag, Ta, Pt, Au• resistencia elevada• modulo elástico mucho mas elevado que los tejidos biológicos• son conductores eléctricos• sufren corrosión, algunos se protegen con capas de oxidoEJEMPLOS:ampliamente utilizados en clínica en implantes quirúrgicos, sobretodo del aparato locomotor ycardio vascular.
  10. 10. Biomateriales cerámicos• BASE QUÍMICA: C, Ca, O, Al, Si, P, Ti, Zr• escasa resistencia mecánica• modulo elástico mas elevado que los metales, muy frágiles• no son conductores eléctricos• no sufren corrosiónEJEMPLOS:ampliamente utilizados en clínica en implantes quirúrgicos, sobretodo del aparato locomotor,alumina y zirconio para superficies articulares de baja fricción, Hidroxiapatita como acabadosuperficial de metales y relleno óseo.
  11. 11. Biomateriales Hidroxiapatita, Titanio spray Acero 316, Cr-Co-Mo, TitanioAlumina, Zirconia, Polietileno Alumina, Zirconia, Cr-Co-Mo Hidroxiapatita, Titanio spray Metilmetacrilato Acero 316, Cr-Co-Mo, Titanio Poliglicólico Polietileno
  12. 12. TECNOLOGIA MECANIZADO POR ARRANQUE DE VIRUTADISEÑO MECÁNICO TECNOLOGÍA LÁSERINGENIERÍA INVERSA ELECTROSPINNINGSIMULACIÓN MECÁNICA(FEM) ENSAYOS DE PROTOTIPOSPROTOTIPADO RÁPIDO ELECTRON BEAM MELTING 12
  13. 13. Diseño
  14. 14. Fase conceptualAcumular información Lluvia de ideas Análisis de problemas Medios técnicos Estudio ergonómico NO Fase de desarrollo SI Concepto básico verificación
  15. 15. FASES DEL DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MÉDICO-SANITARIOS ENSAYO DISEÑO PROTOTIPO CLÍNICO FABRICACIÓN EXPLOTACIÓN COMERCIAL IDEA DISEÑO DE PROTOTIPO FABRICACIÓN MARCADO CE CONCEPTO FUNCIONAL SERIE CORTA DEL PRODUCTO MODELADO 3D ENSAYO ENSAYOS BUSQUEDA DE Y CÁLCULO MECÁNICO CLÍNICOS FABRICANTE PROTOTIPO SATISFACE SATISFACE OPTIMIZACIÓN RÁPIDO EL ENSAYO? SI EL ENSAYO? SI DE COSTES: ADAPTACIÓNES, MOLDES, MATRICES SATISFACE MODIFICACIÓN MODIFICACION EL DISEÑO? SI DE DISEÑO DE DISEÑO
  16. 16. La herramienta principalLápiz Plataforma CAD/CAM Computer Aided Design / Manufacturing
  17. 17. Ejemplos de aplicaciones: estudio de porosidad ( parametrizado)
  18. 18. Ejemplos de aplicaciones: cálculo mecánico.
  19. 19. Ejemplos de aplicaciones: estudio de estructura reticulada (ramificación )
  20. 20. Ejemplos de aplicaciones: visualización
  21. 21. Ejemplos de aplicaciones: concreto
  22. 22. Video técnica quirúrgica tatto
  23. 23. Técnicas defabricación
  24. 24. PROCESOS DE FABRICACIÓNPROCESOS DE FABRICACIÓN TRADICIONALES: •Arranque de material. •Moldeo. •Taladrado. •Fundición. •Fresado. •Inyección. •Torneado. •Soplado. •Pulvimetalurgia (sinterizado). •Conformación o deformación plástica. •Electroerosión. •Laminación. •Forja. •Soldadura. •Extrusión. •Estirado. •Conformado de chapa.
  25. 25. PROCESOS DE FABRICACIÓN PROCESOS DE ACABADO: •Tratamientos térmicos. •Temple. •Revenido. •Recocido. •Nitruración. •Cementación. •Tratamientos superficiales (acabado). •Abrasivos. •Pulido. •Arenado. •Granallado. •Eléctricos. •Electropulido.
  26. 26. PROCESOS DE FABRICACIÓN MANUALES ACTUALIDAD:
  27. 27. PROCESOS DE FABRICACIÓN CNC (Control Numérico por Computadora): •Años 50: nuevas necesidades, nuevos retos. •Geometrías más complejas. •Automatización de procesos. •Repetibilidad. •Desarrollo de la tecnología informática.
  28. 28. PROCESOS DE FABRICACIÓN CNC (Control Numérico por Computadora): •Años 90-2000: •Máquinas multipropósito.
  29. 29. PROCESOS DE FABRICACIÓN¿Puede fabricarse todo lo que se diseña?:
  30. 30. PROCESOS DE FABRICACIÓNFABRICACIÓN ADITIVA: •Fabricación directa de un archivo CAD. •Inicialmente, en plástico; actualmente, también metales. •Diversas tecnologías: FDM, Estereolitografía, SLS, EBM, etc.
  31. 31. PROCESOS DE FABRICACIÓN FABRICACIÓN ADITIVA:
  32. 32. PROCESOS DE FABRICACIÓNFABRICACIÓN ADITIVA:
  33. 33. PROCESOS DE FABRICACIÓN FABRICACIÓN ADITIVA:
  34. 34. PROCESOS DE FABRICACIÓNFABRICACIÓN ADITIVA:
  35. 35. PROCESOS DE FABRICACIÓNFABRICACIÓN ADITIVA:
  36. 36. Video fabricación prótesis de cadera
  37. 37. ESTRUCTURAS TRABECULARES PARARECONSTRUIR Y ESTABILIZAR GRANDESDEFECTOS ÓSEOSwww.motivando.me dmonopoli@itccanarias.org
  38. 38. EVOLUCIÓN PROTÉSICA vista interna vista externa
  39. 39. ¿Que hacer con los fracasos protésicos o los grandes defectos óseos?
  40. 40. no siempre hay hueso de buena calidad para un anclaje más profundo
  41. 41. Defectos femoralesTipo 1 Tipo 2B Tipo 3 CASO 5 Tipo 2A Tipo 2C CASO 1 CASO 2 CASO 3 CASO 4
  42. 42. CASO 4
  43. 43. VÁST. RANURADO VÁST. RANURADO VÁST. ENCERROJ. VÁST. RANURADO FIJACIÓN 65mm FIJACIÓN 75mm FIJACIÓN 65mm APERTURA CÓNICA COMPARATIVA: CASO 5 LÍMITE ELÁSTICO 120 N/mm²
  44. 44. Conclusiones DISEÑO AVANZADO1. Fijación distal mínima 6 cm2. Fijación proximal lo que se pueda3. Pasar el istmo con el implanteAlternativas?… una nueva generación de prótesis
  45. 45. DISEÑO CONCEPTUALde una nueva generación de prótesis• Utilizar solo el espacio necesario para asegurar una estabilidad mecánica dejando cuanto más espacio libre posible para la regeneración ósea• Tener una elasticidad optima para mejorar la distribución de tensiones en el hueso intentando evitar fracturas.• Regeneración de tejido en el espacio dejado libre en proximidad del implante• Osteo-integración del implante
  46. 46. ELECTRON BEAM MELTINGHIPERBIO
  47. 47. FUSIÓN POR CAPA CON RAYO DE ELECTRONES UN SALTO TECNOLÓGICO PARA SOLUCIONES ÓPTIMAS Y PERSONALIZADAS
  48. 48. VENTAJAS • no existen limitaciones geométricas • se adapta a las geometrías anatómicas • optimiza las prestaciones mecánicas • reduce tiempos y costes de fabricación • el cambio de diseño no afecta al coste se presta para implantes a medida 51
  49. 49. Approvals for custom made implants design and manufacturing in EuropeHIPERBIO
  50. 50. ESTRUCTURAS METÁLICAS DE SOPORTEPolvo: Ti6Al4V ELI, CrCoMo, 316,Proceso de fabricación: fusión capa a capa por rayo de electrónesRango de dimensiones: milimetrico A partir de0,5 mm Optimo 0,7-1,2 mm 0,5 mm A partir de optimo 1- 4 mm
  51. 51. inducir el crecimiento óseo en el espaciodejado libre es lo que marca la diferencia
  52. 52. … y se pueden fabricar estructuras 55
  53. 53. ESQUEMA DE TRABAJO imágenes planificación diseñopaciente células fabricación implantación
  54. 54. RECONSTRUCCIONES SUPERFICIALES
  55. 55. RECONSTRUCCIÓNES PROFUNDAS 58
  56. 56. MINIMALLY INVASIVE PRIMARY IMPLANTS preserving bone in young adultsHIPERBIO
  57. 57. ESQUEMA DE TRABAJO diseño imágenes planificación pacientes células fabricación EBM Estímulos Factores Nutrientes ELECTROSPINNING engineered bone - graft FDM bioreactor funcional
  58. 58. Medicina regenerativa = ingeniería de tejidoLa Ingeniería de tejidos, también conocida como medicina regenerativase sirve de la combinación de la biología celular y los métodos deingeniería (materiales, microfabricación, robótica) para reparar oreemplazar parcial o totalmente tejidos (por ejemplo hueso, cartilago,válvula cardiaca, vejiga, etc.)
  59. 59. Diferenciación celular
  60. 60. Diferenciación celularCélulas mesenquimalesosteogénesis condrogénesis miogénesis Estroma Legamento – medular génesisOsteoblasto Condroblasto Mioblasto Célula Fibroblastotransitorio transitorio estromal transitorio transitoriaOsteoblasto Condroblasto Fusión mioblasto Osteocito Condrocito Miotúbulo Célula Fibroblasto estromal Hueso Cartílago Músculo Médula Tendón/ Ligamento
  61. 61. Un entorno organizado para enfrentarse a nuevos retostkibs titanio tejido educa Motiva La cirugía de mínima invasión La cirugía reconstructiva La medicina regenerativa www.motivando.me
  62. 62. estructura MotivaEDICINA diseño dispositivos prototipado Ingeniería de tejido Planificación quirúrgica Ensayos in-vivo simulación quirúrgica cirugía asistida Tratamientos superifcales TECNOLOGÍA
  63. 63. formación y entrenamiento ingeniería de tejido dispositivos implantables servicios tecnológicos intensivos en conocimientoEl ITC como elemento de conexión
  64. 64. RECURSOS HUMANOS INVOLUCRADOS simulación células diseño histología mecatrónica fabricaciónaproximadamente 45 personas involucradas directamente en MOTIVA
  65. 65. objetivoaprovechar al máximo las capacidadesexistentes en canarias, coordinarlas ycomplementarlas para impulsar:•la sanidad local ( pacientes, economía, formación)•la economía local (diversificar, el conocimiento como oportunidad)•nuestra presencia en España y en Europa (alcanzar masa crítica)
  66. 66. Poner imagen y texto de cursos realizados y colaboraciones puntualescon empresas (cordis, mentice, …)
  67. 67. Dr. Alfredo SantanaDr. Alexis QuesadaInstituto Universitario de Cibernética
  68. 68. Dr. A . Santana CABIMER SevillaCatd.ª Carmen ÉvoraGrupo Sistemas Liberación SustanciasIngeniería Química y Tecno. Farmaceutica
  69. 69. SCAFFOLDS POLIMÉRICOS BIODEGRADABLES: FDM
  70. 70. SCAFFOLDS POLIMERICOS BIODEGRADABLES:ELECTROSPINNING
  71. 71. DESARROLLO DE NUEVOS PROCESOS:ELECTROSPINNING + FDM + =
  72. 72. Dr. J. Becerra LABRET MálagaDr. A. FacchiniDip. Ingegneria TissutaleDr. A. CrovaceDip. Emergenza Trapianti OrganiDr. Alejandro YanezDep. Ingeniería Mecánica
  73. 73. COLABORACIONES EN MARCHA PARA ALCANZAR LOS OBJETIVOS experimentación con ovejas Cultivo celular y señalización
  74. 74. FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS Y SERIES CORTAS16 trabajos realizados
  75. 75. Nitruración de fibras nanocristalinas de óxido de titanioMateriales Cerámicos y Pilas de Combustible. Dpto. Química InorgánicaCelda de cultivo multicapa para biorreactor funcional en 3DInstituto de Ciencias y Tecnologías CibernéticasRed de Terapia CelularScaffolds poliméricos electrohilados. Scaffolds poliméricosmediante FDMSistemas de Liberación de Sustancias Activas.
  76. 76. DISEÑO Y DESARROLLO DE DISPOSITIVOSScaffolds poliméricos electrohilados de alta orientación pararegeneración de tejido neuronalGrupo de investigación de Neurogliociencia y Reparación axonal ULPGCDra. Maximina Monzón MayorLogros:Crecimiento de axones de neuronas en polímeros sintéticoselaborados por electrohilado.Próximo reto:Fabricar tubos de electrohilado que se implantarán en loscabos de nervios lesionados, añadiendo posteriomente,células gliales, factores de crecimiento y moléculas que ayudena restablecer la reconexión nerviosa.Objetivo final:Recuperar nervios periféricos lesionados y reconstruir matricessusceptibles de restablecer traumatismos en Sistema NerviosoCentral (médula espinal- para-tetraplegias-, nervio óptico)
  77. 77. DISEÑO Y DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MECÁNICOSImplante acetabular poroso para perros (realizados 2 implantes)Clínica de los Tarahales, Dr. Alejandro Artiles.Solución: Acetábulos porosos, cuya estructura reticulada incrementa la osteointegración del implante.
  78. 78. TRATAMIENTO ARTROSCÓPICO OSTEOCONDRITIS DE ASTRÁGALO técnica desarrollada con el Dr. Javier Ara (12 casos clínicos en el HUC) Primeros casos en el 2011 en: •Hospital S. Juan De Díos de Tenerife •Clínica Asepeyo de Sevilla
  79. 79. SPM scanning probe microscopy
  80. 80. microscopía de efecto túnel STM scanning tunnelling microscopy
  81. 81. AFM mirar e interactuar
  82. 82. muchas gracias www.motivando.medmonopoli@itccanarias.org

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