Marco teórico de biomateriales

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Marco teórico de biomateriales

  1. 1. MARCO TEÓRICO DE BIOMATERIALESHoy en día existen diferentes conceptos de lo que realmente es un biomaterial, por unaparte, se tiene que un biomaterial es “un material ideado para interactuar con lossistemas biológicos, para evaluar, tratar, aumentar o sustituir cualquier tejido, órgano ofunción del cuerpo” según la second Consesus Conference on Defifition inBiomaterials, Chester, UK, 1992. Por otro lado hay quienes definen a los biomaterialescomo “aquellos materiales de origen natural o sintético que se utilizan para dirigirsuplementar o reemplazar algunas funciones de los tejidos vivos” o como “unasustancia sistemáticamente y farmacológicamente inerte diseñada para implantacióndentro de un sistema vivo o su incorporación a este” todas estas definiciones son validaspara un biomaterial.En la actualidad se experimentan materiales de diferente naturaleza, para utilizarloscomo implantes óseos, tales materiales son los metales y sus aleaciones, los polímerosnaturales y sintéticos, biovidrios y cerámicos, además de algunas combinaciones entreellos denominados materiales compuestos, estas son algunas de sus aplicacionesexpresadas en la Tabla Nº 1.Además de las propiedades y las exigencias de cada material según su destino yaplicaciones particulares, estos deben de cumplir un número de requisitos que soncomunes a todos los biomateriales. El principal requisito es la biocompativilidad, deacuerdo con una definición que ha sido aprobada por consenso: “la biocompatibilidad sedefine como la habilidad de un material de actuar con una respuesta adecuada del tejidohospedero, en una aplicación especifica”Cualquier material aplicable en implantes quirúrgicos tiene un amplio espectro deposibilidades de reaccionar bioquímicamente al estar dentro del cuerpo. Este espectro deposibilidades puede dividirse en las siguientes categorías:Materiales casi inertes, con una mínima reactividad química: considerados muy pocosreactivos debido a que son muy pocos solubles cuando están dentro del cuerpo humano.La reacción fisiológica que toma lugar en los alrededores de una prótesis hecha de estetipo de materiales es la formación de capsular de tejido fibroso. Entre los materiales casiinertes están cerámicas como alúmina y el zirconio y metales como las aleaciones de CrCromo y el Acero inoxidable.Materiales Bioativos: este tipo de materiales recibe una respuesta biológica especificaen la interface, formando enlaces químicos entre el material y el tejido que lo rodea,dentro de este grupo se encuentran los cerámicos de fosfato de calcio son los únicos quetiene una estructura similar al hueso ya que los huesos están compuestos entre un 60 y70% de mineral casi todo fosfato de calcio, lo que le permite ser un material totalmentebiocompatible.
  2. 2. Tabla Nº 1 “la presente tabla nos enseña algunos de los diferentes tipos de materiales que brindan mejor calidad de vida al paciente tratado en las diferentes lecciones presentadas ya sea por traumatismo, enfermedad congénita u reparación con fin cosmético””Información tomada de ”LOCALIZACIÓN DISPOSITIVO ETIOLOGÍA MATERIALES ojo Lente intraocular Cataratas Acrílico(PMMA) Lentes de contacto Problemas de Visión Silicona(SIL),Hidrogeles Vendaje Corneal Silicona, Acrílicos, Colágeno Piso Orbital Piso Orbital Fractura del Orbital que Politetrafluoroetileno(PTFE) conduce a visión doble Silicona, PE, Ti(malla) Banda Escleral Despendimiento de retina Silicona Ojo Artificial Remosion por Truma-enfermedad Acrílico Oído Marco Oido Externo Perdida o Trauma del oído Silicona, PE, Policloruro de externo Vinilo (PVC) Tubo de ventilación Infeccion oído medio, oclusión del PE, PC, Silicona, Acero Tubo de eustaquio Inoxidable (A.Inox.) Nariz Rinoplastia Nariz Congenita en silla Silicona Barbilla Protesis de Barbilla Barbilla recesiva Silicona Boca Prótesis Mandibular Traumatismo Anquilosis ProplastTM Implantes Dentales Traumatismo, Enfermedad Acrílico, Epoxi, Ti, Alúmina, PE ultra alta densidad. Cara Prótesis Facial Traumatismos Acrílico, PVC, Poliuretano Cuello Stents Traqueales Reconstrucción Traqueal Silicona Caja de Voz Perdida de voz por laringectomia Silicona, Acetales, (A.Inox.) Corazon y Sis- Marcapasos Arritmia , Bloqueo Cardiaco Epoxi, Silicona (Sil), PTFE, tema Vascular Cardiaco (A.Inox.), Ti. Protesis Vasculares Enfermedad vaculares Carbón Pirolitico, Ti, PTFE, Silicona, Tejido reprocesado. Bonbas IntraAortica Nesecida de asistencia Cardiaca Poliuretanos Segmentados, Co polímero Uretano-Silicona Oxigenadores San- Cirugia a Corazon abierto Policarbonato (PC), Cauchos Guineos de silicona, poliacetales Vasos Sanguineos Traumatismo y enfermedad PVC, Poliéster (Dacronmyla) y Stents Aleac, Superelasticas Ni-Ti Protesis Artificiales Arterioesclerosis, aneuriamas Tejido de poliéster o PTFE Suturas Biodegrada Traumatismo o enfermedad Poliuretanos (PU), Polilatida Esqueleto Placa Craneal Traumatismo Acrílico, Ti(malla) Articulaciones Artritis,traumatismo Compuesto de PE-Fibra de Carbono, PU, Sil, Aceros, Aleaciones de Ti-Al-V, acrílicos, PE de ultra Densidad, dacron. Reparacion de Hues Traumatismo y enfermedad Hidroxiapatita, acrílico Tendones Artificiale Tendinitis, traumatismo Silicona, y Poliéster
  3. 3. Materiales reabsorbibles:Son llamados reabsorbibles o simplemente Bioabsorbibles, tienen la capacidad de sercompactibles con el tejido y degradarse en determinado tiempo después de serimplantado; dando lugar a productos que no son tóxicos y pueden ser eliminados por elorganismo o metabolizados por estos, generalmente, este grupo está representado porlos polímeros biodegradables, aunque existen ciertos materiales cerámicos los cualestambién son reabsorbibles.Biomateriales según su naturaleza químicaLos biomateriales se pueden clasificar según su naturaleza química en tres grandesgrupos principales: que son los metales, cerámicos y polímeros.METALESEn particular los metales han sido ampliamente utilizados como biomateriales debido asus propiedades mecánicas. Sin embargo, los implantes metálicos presentan unaresistencia mucho mayor a la del hueso, lo cual conlleva al estado de apantallamiento detensiones, terminando en una ruptura del hueso. Otra desventaja de los materialesmetálicos para aplicaciones de osteosíntesis es su gran facilidad para corroerse, lo cualtambién afecta el comportamiento biológico. La corrosión es un problema general en losmetales, más aún si están inmersos en un medio hostil como es el organismo humano, ya temperaturas aproximadas a 37°C.Solo se utilizan unos pocos metales como biomateriales ya que deben satisfacer unaserie de requisitos: los cuales deben ser tolerados convenientemente por el paciente (susespecies químicas derivadas deben ser toleradas por los tejidos adyacentes).Resistentes a la corrosión (en presencia de los fluidos biológicos que son muyagresivos).Buenas propiedades mecánicas como módulo de elasticidad, resistencia mecánica ycompatibilidad con los huesos. Tienen relativamente alto módulo elástico (70-230 GPa)y su ductilidad (o capacidad para la deformación plástica en general) permite que seobtengan formas complicadas mediante un abanico de técnicas de conformación.Los materiales metálicos más comunes utilizados en implantes son:Aceros inoxidables: AISI 316L, % peso: 67.5 Fe, 18 Cr, 12 Ni, 2.5 Mo, < 0.03 CAleaciones de cobalto: ASTM F5758, % peso: 35 Co, 35 Ni, 20 Cr, 10 MoAleaciones de titanio: Ti6Al4V, %peso: 90 Ti, 6 Al, 4 VTitanio: 100 % TiAleaciones con memoria de forma: NITINOL, % peso: 50 Ti, 50 NiTodas estas aleaciones metálicas son resistentes a la corrosión debido a la formación deuna capa pasiva de óxido en la superficie, protegiendo el interior del metal evitando queavance la corrosión. Las aleaciones basadas en el titanio presentan, hoy en día, el mejor
  4. 4. conjunto de propiedades (mecánicas y frente a la corrosión) de los biometales comunespara implantaciones óseas. Las aleaciones “con memoria de forma” son utilizadas enalambres correctores de la posición dental y en Stents gástricos y vasculares. Los usosmás comunes de los biometales son en aplicaciones ortopédicas incluyendosustituciones óseas (reemplazar parte de un fémur o una cadera), fijaciones de fracturas(clavos internos), fijadores externos, etc. En el campo dental hay muchas aplicacionescomo puentes permanentes y extraíbles, prótesis parciales o totales, correctoresdentales, etc. Muchos dispositivos implantables contienen metales como prótesisvasculares, válvulas de corazón, electrodos de los marcapasos, etc. En la Figura Nº 1 se pueden observar unas radiografías mostrando unos fijadores externos, prótesis de cadera y bandas de tensión con agujas en K, utilizados en diferentes fracturas.Fijadores externos de tibia: d) Cadera AP. Prótesis total no cementada, asegurada con tres bandas de cerclaje. e) Rótula. Fractura fijada con banda de tensión y agujas K.POLÍMEROSLos materiales poliméricos tienen una amplia variedad de aplicaciones en el campo dela implantología médica, ya que presentan propiedades físicas, químicas y mecánicasmás cercanas a las de los tejidos vivos que en su mayor parte están formados porpolímeros naturales, como las proteínas y los polisacáridos. Además, son de fácilprocesamiento y pueden obtenerse en diversas formas.Actualmente existen numerosos polímeros utilizados en el campo biomédico. Algunosde ellos son bioestables o dicho de otra manera, no son biodegradables, y son utilizadospara aplicaciones permanentes, como el polimetilmetacrilato (PMMA), o el polietileno(PE). En los últimos años se han empezado a utilizar los polímeros biodegradables, paraaplicaciones temporales. Kulkarni introdujeron en los años 60, el concepto de materialBioabsorbible, en las dos últimas décadas, dispositivos Bioabsorbibles han sidoutilizados en muchas aplicaciones de la cirugía ortopédica, incluyendo la fijación defracturas, reemplazo óseo, reparación de hombro, cartílago y menisco, fijación deligamentos y liberación de fármacos. Estos materiales han sido usados en forma de
  5. 5. tornillos, clavos, y placas para cirugía ortopédica, oral y craneofacial, lentesintraoculares, lentes de contacto. En la Figuras Nº 2 y 3 se puede observar la morfología de las microesferas de los Biopolímeros y la aplicación de éste biomaterial en el cuerpo. Microscopía electrónica de microesferas de Biopolímeros Injerto de piel, antes de ser fijado y cubierto con apósitosCERÁMICASLos materiales cerámicos tienen enlaces químicos fuertes, tienen alto punto de fusión,baja conductividad, buena estabilidad química y neutralidad eléctrica. Los cerámicosson generalmente frágiles y casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión ypresentan poca elasticidad. Pueden ser fabricados con porosidad lo cual reduce laresistencia a los esfuerzos, debido a que los poros y otras imperfecciones microscópicasactúan como entallas o concentradores de tensiones. Tienen elevada resistencia a lacompresión si se compara con los metales, incluso a temperaturas altas (hasta 1500°C).Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajocargas de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fracturaCaracterísticas de los biocerámicos. Químicamente inerte en muchos ambientes. Elevada resistencia al desgaste (aplicaciones ortopédicas y dentales). Alto módulo de elasticidad y elevada resistencia mecánica. Estético para acabados dentales. Excelente como plataforma de crecimiento celular. Posibilidad de reparar o de sustituir la parte del cuerpo dañada.
  6. 6.  Inerte en el cuerpo (o bioactivo según la clasificación).En general, las biocerámicas son utilizadas en el campo clínico como: implantespequeños que no tengan que soportar altas cargas, como por ejemplo los implantes parael oído medio, recubrimientos sobre metales, refuerzos como el caso de los implantesdentales, implantes porosos sin cargas para estimular el crecimiento de hueso dentro delimplante o como cementos que se implantan en estado pastoso y fraguan in vivo.CarbonoEl carbono puede organizarse de varias formas, alotrópicos cristalinos como diamante ygrafito y semicristalinos como el carbono pirolítico.Entre todos estos, solo el carbono pirolítico es utilizado como material de implante.VentajasLas propiedades mecánicas son altamente dependientes de la densidad.El grafito pirolítico presenta una resistencia mecánica mucho mayor que la de loscarbones vítreos y la del grafito.Presentan una excelente biocompatibilidad con los tejidos.AplicacionesLa elevada compatibilidad, especialmente con la sangre hace que el carbón pirolítico sepueda usar como recubrimiento para válvulas de corazón y vasos sanguíneos.Generalmente se ha utilizado para fabricar compuestos reforzados con fibras decarbono, dando unas propiedades muy buenas, que dependen de la orientación de lasfibras y por ello se miden las propiedades tanto en secciones transversales comolongitudinales.Características de los cerámicos no absorbibles:Mantienen sus propiedades físicas y químicas durante todo el tiempo que estánimplantados.Resisten a la degradación en ambiente fisiológicoNo son tóxicosNo son cancerígenosNo son alergénicosNo producen inflamaciónSon biocompatibles
  7. 7. Los materiales de carbono están en todas partes y son de gran interés debido a que lamayoría de las sustancias que componen los organismos vivos están compuestas decarbono. Aunque muchos biomateriales y materiales de ingeniería están basados en elcarbono o contienen carbono en alguna forma, el carbono elemental en si también es unmuy importante y exitoso biomaterial.El carbono elemental se encuentra en la naturaleza de múltiples formas; entre ellas dosformas cristalinas alotrópicas: el diamante y el grafito. El diamante, de estructurascristalina, tienen uniones covalentes tetraédricas Sp3 entre todos sus átomos lo que loconvierte en uno de los materiales más duros conocidos. El grafito, por su parte tieneestructuras planas multicapas; la unión covalente Sp2 entre los átomos de una capa esextremadamente fuerte, sin embargo, las uniones entre diferentes capas de realizan porfuerzas de van der waals, las cuales son débiles y hacen del grafito un material blando.Existen muchas formas de carbono elementales que tienen estructura y propiedadesintermedias entre el diamante y el grafito. Estos se conocen como carbonos turbo-estraticos, los cuales se producen como un espectro de formas imperfectas, que varíanen grado de cristalinidad de amorfos, a alotropos perfectamente cristalinos. Dentro deesta categoría se encuentra el material conocido como carbón pirolítico, descubierto afinales de la década de los sesenta y empleado por primera vez en implantes valvularesen 1968. Desde entonces, se ha convertido en uno de los materiales más utilizados en lafabricación de válvulas mecánicas; el 95% de las válvulas mecánicas implantadas en elmundo tiene al menos un componente hecho de carbón pirolítico.El carbón pirolítico es un tipo de carbón turbo-estratificado que se produce por ladescomposición térmica o pirolisis de hidrocarburos, como el propano, propileno,acetileno, y el metano, en ausencia de oxigeno y a altas temperaturas. Sin oxigeno, ladescomposición típica de los hidrocarburos en dióxido de carbono y el agua no puedetener lugar, lo que ocurre en cambio, es una cascada más compleja de productos dedescomposición que en última instancia resultaEn una “polimerización” de los átomos de carbono individuales en grandes conjuntosmacroatomicos [1]. Esta polimerización de átomos resulta en una capa uniforme quecubre a los materiales que se han de implantar. El carbón pirolítico tiene estructuraturbo-estratica. Dentro de su estructura hay un orden dentro de las capas planas decarbón como en el grafito, pero, a diferencia de este, no hay un orden de estas entre cadacapa. En la estructura cristalina desordenada, puede haber vacantes y las placas planasestán curvadas o dobladas; la capacidad de las placas planas de grafito para deslizarse seinhibe, lo cual aumenta la fuerza y dureza del carbón pirolítico con respecto a la delgrafito [1] [2].La pirolisis de los hidrocarburos normalmente se lleva a cabo en un reactor de lechofluidizado, el cual hace pasar una corriente de fluidos a través de partículas solidas, auna velocidad suficiente alta para suspenderlas. Para fabricar componentes de carbónpirolítico, los hidrocarburos se agregan a la corriente de gas. A las altas temperaturascon que trabaja este reactor (alrededor de 1000 y 2000 °C), los hidrocarburos sedescomponen y los productos de descomposición forman gotas gaseosas de carbono ehidrogeno, que se condensan y se depositan en las superficies de los sólidos dentro delreactor [1]. Después de un tiempo el sustrato está completamente recubierto con unacantidad entre 300 y 600 micras de carbón pirolítico [3].
  8. 8. Al final de los 60 bajo la colaboración de los doctores Brokos y Vincent Gott, sedescubrió la compatibilidad del carbón pirolítico con la sangre. Esto, aunado a ladurabilidad que le da su estructura, llevo a la utilización de este material en laelaboración de válvulas mecánicas del corazón. Desde entonces, los componentes decarbón pirolítico se han empleado en más de 25 diferentes diseños de prótesis deválvula cardiacas, acumulando una experiencia clínica en el orden de 16 millones deaños paciente [1]. De todos los materiales disponibles para las prótesis mecánicas deválvulas cardiacas, el carbón pirolítico tiene la mejor combinación de: compatibilidadcon la sangre, propiedades físicas, mecánicas y durabilidad, lo que añade la durabilidady la estabilidad que las prótesis de válvulas cardiacas necesitan para durar toda la vidadel paciente.Por los buenos resultados obtenidos al usar carbón pirolítico en prótesis valvulares, seha extrapolado su aplicación a prótesis ortopédicas para reemplazo de pequeñasarticulaciones tales como los dedos e insertos espinales.Estudios preliminares de implantes matacarpofalangicos en primates no mostraronevidencia de desgaste o de escombros relacionados con el desgaste, ni signos dereaccion inflamatoria [4]. Los beneficios a corto, mediano y largo plazo son: la mayoramplitud de movimientos, alivio del dolor, fijación biológica aceptable y lascomplicaciones son limitadas.Las estructuras del carbón pirolítico le brinda propiedades mecánicas que hacen de esteun material ideal en la fabricación de implantes, su elevada rigidez flexural leproporciona la estabilidad estructural necesaria para una variedad de aplicaciones deimplantes y su baja densidad permite que los componentes se muevan con mayorfacilidad bajo las fuerzas aplicadas por la sangre circundante, su modulo de Young tienevalores similares al de hueso cortical de (23GPa) lo que permite que tengacomportamientos similares y posibilita su aplicación en prótesis ortopédicas. Losniveles de la resistencia de la fractura refleja la naturaleza quebradiza del material, perolos carbones pirolíticos isotrópicos, fabricados en lecho fluidizado, sonextraordinariamente resistentes a la fatiga, en los 30 años de experiencia clínica, no hahabido casos claros de fallas por fatiga; se han producido pocas fracturas en loscomponentes, menos de 60 de los más de 4 millones de componentes implantados y lamayoría son atribuidos a daños inducidos por manipulación y cavitación [1]. Cabe
  9. 9. destacar también su excelente resistencia al desgaste, evidenciada en estudios deimplantes con pirocarbon-pirocarbon y pirocarbon-hueso. Al no encontrarse evidenciade desgaste ni en el material pirolítico ni en el hueso.La peculiar estructura del carbón pirolítico le brinda propiedades físicas, químicas ymecánicas, que lo hacen compactible con diversos órganos del cuerpo como la sangre ylos huesos. Su biocompatibilidad con la sangre fue reconocida empíricamente por laprueba de Gott, ya que no produce trombosis al estar expuestos a la sangre durantelargos periodos de tiempos. Su biocompatibilidad con el hueso se evidencia por susimilar modulo de Young y su elevada resistencia al desgaste, que lo hace capaz desoportar las elevadas tensiones a las que están sometidas los huesos diariamente todoesto hace del carbón pirolítico el material ideal para la fabricación de implantesvalvulares y ortopédicos.Bibliografía[1] Buddy, R.D. y al., et. 2004. Biomaterials Science: An Introduction to Materials inMedicine. 2ad. s.l. : Elsevier Academic Press, 2004. págs. 171-180. pp..[2] Tornier. 2008. Pyrocarbon Manufacturing. 2008. pág. [06 / 11 / 2012]. [En linea]Disponible en: http://www.pyrocarbon.com/manufacturing.php.[3] Tornier. 2008. Pyrocarbon Manufacturing. 2008. [En linea Online] Dispomible en:http://www.pyrocarbon.com/material.php.

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