1.
CONSEJO SUPERIOR
DE INVESTIGACIONES
CIENTÍFICAS
Nuevo siglo,
nuevos materiales
Paqui López
ICMM-CSIC

2.
Definición de material
• Sustancia de la que cualquier cosa está compuesta o hecha.
Ejemplos “convencionales”
madera, hormigón, acero, plás3co, vidrio, papel, aluminio
Usados por el hombre desde el comienzo de los tiempos
necesarios para mantener su nivel de vida
adecuados a cada época
… y a sus posibilidades

3.
En España los materiales presentan mas del 15% del PIB y el número de
puestos de trabajo que genera supera el 20% de la población activa ocupada
Producción de nuevos materiales
Procesado de los materiales hasta
lograr el producto acabado

4.
Criterios para la elección de un material
• Propiedades físicas y mecánicas adecuadas
• Posibilidad de procesar o manufacturar el material fácilmente
• Solución económica
• No nocivo para el medio ambiente
Importancia de la investigación en nuevos materiales
Conocimiento de la estructura y Elección del material mas adecuado
propiedades de los materiales (caracterís3cas, rentabilidad)
Fabricación del mejor producto para cada aplicación concreta

5.
Investigación y
desarrollo de
nuevos materiales medio ambiente
medicina
química
ingeniería
Bsica
actividad multidisciplinar
nanotecnología energía

6.
Clasificación “clásica” de los materiales
buenas propiedades mecánicas,
Materiales metálicos
mala resistencia frente a la corrosión
buena maleabilidad y deformabilidad,
Materiales poliméricos
se degradan, no se reparan
alta dureza,
Materiales cerámicos
alta fragilidad
propiedades que dependen de los
Materiales compuestos
materiales mixtos utilizados

7.
Posibles clasificaciones de los materiales
En función de sus aplicaciones
Materiales para la salud
Materiales para la energía
Materiales para aplicaciones aeronáuticas
Materiales para microelectrónica
En función de nuevas propiedades Bsicas o químicas
Materiales bioinspirados Biomateriales
Nanomateriales
Materiales magnéticos

8.
Indice de materiales
 Materiales avanzados:
o cerámicos
o metálicos
o poliméricos
o compuestos
 Materiales para la aeronáu3ca, la construcción, etc.
 Materiales para la salud
 Materiales bioinspirados
 Nanomateriales
 Nuevas herramientas de caracterización
 Radiación sincrotrón para el estudio de nuevos materiales

9.
Materiales cerámicos “avanzados”
Papel relevante de España en la producción de materiales cerámicos tradicionales
⇒ Producción con tratamientos térmicos a elevadas temperaturas (>1100ºC)
⇒ Elevados consumos de energía
⇒ Control riguroso de los niveles de contaminación ambiental

10.
Materiales cerámicos “avanzados”
Gran limitación de estos materiales su intrínseca fragilidad
El problema con la fractura frágil de los materiales cerámicos se intensifica por la presencia
de defectos o un tamaño grande de grano, que se introducen en el proceso de manufactura.
Mejorar las propiedades mecánicas
Obje3vo
Importancia de la microestructura en sus propiedades mecánicas
 disminuir el tamaño de sus defectos críticos
 disminuir el tamaño de granos pasando de micrométrico a submicrométrico

11.
cambio dramático en el procesamiento de los sistemas de partida

Se pretenden potenciar las propiedades
inherentes (estabilidad química, dureza,
Inves3gación refractariedad) mientras se intenta disminuir
su fragilidad
Revolución actual:
• materiales basados en circonia parcialmente estabilizada (Y2O3/MgO-PSZ)
• materiales basados en nitruro de silicio (carburos, boruros y nitruros)
• materiales cerámicos con gradiente de composición y con estructura laminada
• materiales cerámicos nanoestructurados

12.
Materiales basados en PSZ
La circonia existe como monoclínica, tetragonal y cúbica. Con adición de Y2O3 y MgO
retiene la forma cúbica de la circonia a temperatura ambiente (circonia plenamente
estabilizada). La PSZ se obtiene calentando hasta 1400ºC, precipitando entonces un
compuesto sub-microscópico fino de estructura tetragonal. Bajo la acción de
esfuerzos la fase tatragonal pasa a monoclínica, produciéndose una expansión de
volumen del precipitado que retrasa la propagación de fisuras.
MgY-PSZ ZrO2 tetragonal

13.
Buena resistencia Dos mecanismos
Refuerzo por microgrietas
Al2O3, ZrO2
Aumentan la resistencia por su
interacción con la grieta de
propagación
Refuerzo por transformación
El campo de tensiones locales
induce la transformación de las
partículas de circonia tetragonal de
la matriz en una circonia
monoclínica

14.
Materiales basados en nitruros de silicio
• Como consecuencia de su enlace covalente poseen
elevado modulo elástico a la par que elevada dureza.
• Matriz bifásica con enlaces covalentes: granos alargados
de fase beta-Si3N4, que sirven de refuerzo, embebidos en
una delgada película vítrea.
• Aplicaciones estructurales a elevada temperatura y como
herramientas de corte por su elevada dureza

15.
Estructuras laminadas
Multicapas Al2O3-ZrO2 solidificadas a
diferentes temperaturas, menos tensiones
que en el caso de material único
Materiales con gradiente de composición
Microestructura de
Al2O3-ZrO2
solidificados a
diferentes
temperaturas

16.
Materiales cerámicos nanoestructurados
Materiales oxídicos monofásicos nanoestructurados (alúmina, circonia)
1. El tamaño de la microestructura se reduce por debajo de la
micra, hasta el nivel de nanómetros.
2. Se elimina por completo la porosidad residual mediante
procesos de sinterización no convencionales
• Ambas cosas llevan a que se aumente notablemente la
resistencia mecánica y la dureza a la vez que se hacen
transparentes.
• Aplicaciones relevantes: ventas ópticas para equipos
aeroespaciales donde es necesaria transparencia y resistencia
Materiales compuestos del tipo óxido/nano-óxido,
óxido/nano-carburo, carburo/nano-carburo
Nanopartículas que se localizan en borde de grano
aumentando la resistencia a la deformación bajo carga.
Ventajas: alta dureza (>30GPa) y estables frente al acero y al
silicio. Posible candidato como herramiento de corte de estos
materiales, frente al diamante, duro, pero que reacciona con
ellos Alumina-nanoYAG: nanopartículas de YAG (granate
de alúmina-ytria, 3Y2O3:5Al2O3) en borde de grano

17.
Materiales metálicos “avanzados”
buena conductividad eléctrica y térmica, alta
Ventaja de estos materiales
resistencia, rigidez, ductilidad
son blandos y tienden a corroerse
Desventaja de los metales puros
Obje3vo Desarrollar aleaciones con las mejores propiedades
Inves3gación actual Se pretende conseguir materiales que combinen:
alto límite elástico, carga de
1. Elevadas propiedades mecánicas rotura y dureza, resistencia a la
fatiga y al desgaste
2. Elevada resistencia a la corrosión
y oxidación a altas temperaturas
fácil disponibilidad de los
3. Procesado susceptible de aplicación industrial
constituyentes de la aleación
4. Viabilidad económica costes de producción aceptables

18.
Los ingenieros encargados del X-30, deben desarrollar
materiales que deben soportar temperaturas de 1800ºC,
de modo que aguanten sin problemas velocidades de 12
a 25 Mach (2 x velocidad sonido) --- compuestos
intermetálicos
Revolución actual en materiales metálicos estructurales:
• nuevos aceros microaleados
• aleaciones de aluminio
• superaleaciones

19.
Nuevos aceros microaleados o aceros al carbono de alta
resistencia y baja aleación (HSLA)
Incorporación en los aceros al carbono (0.15% C) de
aleantes (Ti, V o Nb) da un vuelco a las propiedades (mejora
del límite elástico, de la resistencia al impacto, mas ligereza).
Importancia de la microestructura del material, y esta, a su
vez, del tratamiento térmico o termomecánico aplicado.
Aceros duales
Nueva generación de aceros avanzados de alta
resistencia (cargas de rotura de 1500 Mpa).
Microestructura de ferrita e islas de martensita.
Torre Taipei 101,
la mas alta del
mundo (508 m)
Colgar una masa de 150Kg de un hilo de sección 1mm2 sin que se rompa

20.
Aleaciones de aluminio
1. baja densidad (2,7 g/cm3 frente a los 7,8 g/cm3 del acero)
2. gran resistencia a la corrosión
3. increíbles propiedades mecánicas superiores, incluso, a
las de muchos aceros.
aplicación prioritaria en el transporte, sobre todo el aerospacial
¡Nuevo la tolerancia al daño: capacidad de seguir operando en condiciones
reto! de seguridad cuando se ha producido un daño en la estructura
Al-Cu Al-Zn
Nuevos elementos, nuevos tratamientos termomecánicos  nuevas perspectivas.

21.
Superaleaciones de base Ni, Fe o Co para elevadas temperaturas
 Esta familia nace de una mejora sustancial dentro del grupo
de los aceros inoxidables avanzados que a su vez surgen de
los aceros al carbono. Material base: Ni, Fe o Co. Las de
base níquel constituyen el 35% de toda la producción.
 Características mecánicas excepcionales a altas
temperaturas debido a la presencia de dos fases en
la microestructura (micropartículas metálicas en una
matriz metálica). Las dislocaciones se anclan en la
intercara de las fases constituyentes => gran dureza
 Se han incorporado elementos del
grupo de platino (Ru, Rh, Ir) que
aumentan la resistencia de estos
materiales a elevada temperatura.
 Cr para la resistencia a la corrosión.
 Ti y W para aumentar la dureza.
 En la actualidad una hoja de turbina puede estar trabajando durante
35.000 horas a 1.200ºC sin sufrir daños mecánicos ni de corrosión.

22.
Materiales poliméricos “avanzados”
Desde el principio de los tiempos el hombre ha empleado polímeros naturales
para satisfacer sus necesidades: madera, cuero, resinas y gomas naturales y
fibras (algodón, lana, seda).
Al contrario que cerámicos y
metales, desarrollados desde hace
siglos, los polímeros sintéticos son
un invento del siglo XX.
Poli(muchas)meros(partes): los monómeros, conectados entre
sí por enlaces covalentes formando una sola molécula gigante.
Denominación: poli(unidad repetitiva)  poli(etileno),
poli(estireno), poli(metacrilato de metilo).

23.
Ventajas y desventajas de los polímeros frente a los metales
Ventajas • Poco peso.
• Alta resistencia a la corrosión y a los agentes químicos.
Desventajas • Baja resistencia mecánica
• Baja resistencia al calor
• Baja resistencia a la degradación
• No es reparable
Materias primas de los polímeros Sustancias naturales
Petróleo Carbón mineral Celulosa
Gas natural Caucho
Las moléculas de estas sustancias generalmente contienen carbono e
hidrógeno y muchas veces contienen nitrógeno, oxígeno, azufre, etc.

24.
Los polímeros rodean nuestras vidas
El marco de la raqueta de tenis está fabricado con un polímero
especialmente resistente, la fibra de carbono, el encordado es de
nylon y el mango esta recubierto de cuero, polímero natural.
El recubrimiento de una pelota de
golf es a menudo de Surlyn, un
polímero termoplástico.
Esta carpa está fabricada con nylon.
Una colchoneta como ésta, está hecha con
espuma de poliuretano.

25.
Fibras de alto módulo
Los polímeros pueden existir en estado amorfo (desordenado) o semicristalino.
Muchos polímeros cristalinos presentan extraordinarias propiedades mecánicas a
consecuencia de la cristalinidad.
Las mejores propiedades se obtienen con las fibras, en las que
las cadenas de polímero están todas ordenadas en la dirección
del eje de la fibra. El record de las propiedades mecánicas lo
presentan las fibras de carbono, polímero de una cierta forma
de grafito en la cual las láminas son largas y delgadas
Lámina de grafito
Lámina de fibra de grafito

26.
Inconveniente de las fibras
Por su estructura presentan excelentes propiedades mecánicas en la
dirección de la fibra pero mucho peores en la dirección perpendicular.
Mejora de sus propiedades
Se usa la alternancia de capas de fibras de alto módulo con
distinta orientación para conseguir buenas propiedades
mecánicas en todas las direcciones. Se utilizan para hacer
objetos tales como chalecos a prueba de balas y
neumáticos de bicicleta resistentes a los pinchazos.

27.
Materiales compuestos
Material que está conformado por materiales diferentes
El hormigón es un compuesto cerámico,
compuesto de material granular grueso y
fino (grava, gravilla y arena) incorporados
en la matriz dura de pasta de cemento
Madera contrachapada compuesto de
Pavimento: obtenido al mezclar chapas de madera superpuestas con la veta
asfalto y grava perpendicular entre ellas, alternando el
sentido de la fibra, pegadas con resinas

28.
Material compuesto laminar: Apilamiento de
capas reforzadas en sucesivas orientaciones
para construir un material compuesto laminar
como la madera contrachapada.
Material compuesto tipo sandwich: con núcleo en panal
para aplicaciones en techos, suelos, paredes.
• Las caras son aleaciones de Al, plásticos reforzados con
fibras, titanio, acero y madera contrachapada.
• El núcleo suele ser polímeros, cauchos o cementos.
Metales revestidos con fibras: matriz
metálica reforzada con fibras continuas

29.
Se logran materiales compuestos usando fibras de más de un polímero en una
matriz única. Tienen mejor combinación de propiedades que los materiales con
un solo tipo de fibra.
Son fibras de
carbono, de vidrio o
de poliamida
embebidas en una
matriz polimérica que
sirven como refuerzo
del material
Compuestos reforzados con fibras

30.
Otra posibilidad es formar materiales compuestos 3po
 material cerámico/metal
con la intención de mejorar propiedades
Cerámica Y–TZP/Nb: policristales de circonia tetragonal con ytria + Nb
Granos alargados de Nb
dentro de la matriz cerámica
Los granos metálicos ayudan a evitar la
propagación de las grietas en la matriz

31.
Materiales para la salud
Biomateriales Materiales para la biomedicina
Materiales que sirven para
Sus3tuto de partes del
mejorar la diagnosis
cuerpo humano
Materiales que ayudan
terapeu3camente
ar3ficial natural
Materiales que favorecen la
suministración de fármacos
Reemplazo de funciones
Materiales que frenan el
avance de enfermedades

32.
Biomateriales
Material de origen sintético o
natural (inerte) desarrollado
para ser incorporado a
organismos vivos
reemplazando una parte o
una función del mismo
• Placas de titanio
• Implante de mandíbula de silicona
• Codo artificial de nuevas aleaciones
• Traqueas de polímeros
• Marcapasos eléctrico
• Arteria femoral de dacrón
• Clavos de acero inoxidable
• Ligamentos de rodilla (fibra de carbono)
• Válvulas cardíacas

33.
Inves3gación en el campo de los biomateriales
Biomateriales incorporados
Biomateriales incorporados
a órganos
a sistemas corporales
 Oído: huesos artificiales,
implantes acústicos
 Nervioso: drenajes, marcapasos,
 Ojo: lentes de contacto, lentes
estimuladores nerviosos
intraoculares
 Esqueleto: placas, prótesis
 Riñón: máquina de diálisis
 Muscular: suturas, estimulador
 Hueso: placas, discos
muscular
intervertebrales
 Urinario: catéter, máquina de
 Corazón: marcapasos
diálisis
 Tejidos blandos: suturas, piel
artificial
 Respiratorio: máquina de
oxigenación
 Circulatorio: válvula cardiaca
artificial, corazón artificial

34.
Factores de riesgo en los biomateriales
 Mala elección del material
 Mala elección o errores en la técnica quirúrgica
 Factores externos (edad, salud, modo de vida del paciente, etc.)
Requisitos de los biomateriales
 biocompatibilidad
 resistencia a la degradación
 propiedades adecuadas a la función a desarrollar (mecánicas, ópticas, etc.)

35.
Campo de inves3gación mul3disciplinar
 Ciencias experimentales e ingeniería:
física, química, ingeniería de materiales
 Ciencias biológicas: biología, fisiología, farmacia,...
 Ciencias médicas: cirugía, odontología, ortopedia,...
o Materiales
 Composición
 Degradación
 Durabilidad
o Organismo
 Edad
Factores para evaluar
 Medicación
 Salud
o Sistema
 Tensiones
 Movilidad
 Anclaje

36.
biocompatibilidad
Factor a revisar en el laboratorio
aceptación de un implante artificial por el tejido
que lo rodea y por el cuerpo en su totalidad
Métodos de evaluación de la biocompatibilidad
 Cultivos celulares expuestos a
Métodos directos diferentes parámetros del material
 Acabado superficial del material
 Composición química de la superficie
Métodos indirectos
 Diseño y forma de la superficie
 Deformaciones posibles

37.
Un biomaterial biocompa3ble …
 no irrita el tejido que lo rodea
 no provoca respuesta inflamatoria anormal
 no incita reacciones alérgicas o inmunológicas
 no causa cáncer.
Factores que pueden influir en la biocompa3bilidad:
esterilización, defectos de manufactura, almacenamiento, diseño

38.
Clasificación de biomateriales por biocompatibilidad
o Biotolerantes (biomateriales metálicos)
o Bioinertes (alúmina, óxido de Ti)
o Bioactivos (fosfatos cálcicos)
Los factores de fallo de un implante cambian con el 3empo:
 en el periodo inmediatamente posterior a su
implantación puede ocurrir rechazo, infecciones, etc.
 tras periodos más prolongados ocurre degradación
del material o falta de adherencia con el tejido (óseo).

39.
Ventajas y desventajas de los biomateriales
Los diferentes tipos de materiales (metales, cerámicos, polímeros y compuestos)
tienen ventajas y desventajas, y la elección del tipo adecuado depende de la
aplicación que vaya a dársele.
 Polímeros → suturas, conductos sanguíneos, acetábulo de la cadera, oído, nariz,
tejidos blandos
 Metales → reemplazos osteo-articulares, placas, tornillos, implantes dentales, suturas
metálicas
 Cerámicos → reemplazos osteo-articulares, implantes dentales, recubrimientos sobre
sustratos metálicos
 Compuestos → implantes articulares, válvulas cardíacas

40.
Implantes metálicos para uso osteoar3cular
Requisitos que debe cumplir un biomaterial para estas aplicaciones
 Ser resistente a la corrosión
 Tener buenas propiedades mecánicas
 Ser lo más biocompatible posible
Pruebas y experimentos en
laboratorio para evaluar
todo ello en un material
Biomateriales metálicos comerciales:
⇒ Aceros inoxidables
⇒ Aleaciones de CoCrMo
⇒ Ti puro y sus aleaciones (Ti-6Al-4V)

41.
Bioinerte
Tendencia Núcleo metálico + recubrimiento
Bioactivo
Recubrimientos:
⇒ Cerámicas  Bioinertes (alúmina)
 Bioactivas (fosfatos cálcicos: hidroxiapatita)
⇒ Carbón  Grafito
⇒ Polímero  Polietileno

42.
Estudios “in vitro” en el laboratorio para nuevos materiales candidatos a biomateriales
 Se propone un nuevo material
 nuevas aleaciones de Ti para sustituir Ti-6Al-4V
 Se determinan sus propiedades mecánicas en laboratorio
 Se evalúa su resistencia a la corrosión en un suero fisiológico en función del tiempo
 Se estudia su composición en la superficie
Si el resultado es
posi3vo
 Se lleva a cabo una experimentación “in vivo”
 se hace combinando técnicas de laboratorio y técnicas “in vivo”

43.
Estudios “in vivo” en el laboratorio para nuevos materiales candidatos a biomateriales
Estudio por anatomía patológica
Estudio por microscopía
Hueco del
biomaterial
Biomaterial
Hueso
Hueso
Para resultados de biocompa3bilidad sa3sfactorios la
experimentación de cul3vos de células humanas en la superficie
de los materiales 3ende a dar respuestas posi3vas

44.
Estudios “in vivo” en el laboratorio para nuevos materiales candidatos a biomateriales
Respuesta nega3va
El resultado de mala
biocompa3bilidad es un
rechazo del tejido óseo
a aceptar el pretendido
biomaterial

45.
Estudios “in vivo” en el laboratorio para nuevos materiales candidatos a biomateriales
Bioinerte
Tendencia Núcleo metálico + recubrimiento
Bioactivo
Biomaterial
Recubrimiento
Hueso
 Los recubrimientos bioinertes dan buena respuesta de biocompa3bilidad.
 Los bioac3vos ayudan a la regeneración del tejido óseo, favoreciendo el
éxito del implante

46.
Ul3mas novedades en biomateriales
la mano biónica 'Michelangelo’ después de una decada de investigación

una extremidad biónica que parece humana, no sólo por su forma sino por
su capacidad de movimiento y fuerza de agarre controlada por electrodos de
contacto cutáneo situados en los músculos tensor y extensor
✔ Internamente: acero y aleación de aluminio de alta resistencia reemplazan la
estructura endoesquelética de los huesos y las articulaciones humanas
✔ Externamente: recubierta por elastómero de silicona reemplaza las estructuras
blandas; otros plásticos de alta tecnología sustituyen músculos y tendones.
Es el resultado la
inves3gación en diferentes
nuevos materiales con el
área de la ingeniería y
mecánica

47.
Materiales para la biomedicina
Nanopartículas magnéticas
Diagnosis Tratamiento
(en el mercado) (en investigación)
Requerimientos para aplicaciones biomédicas
=> Tamaño
Partículas
=> Superficie
Nanométricas
=> Propiedades magnéticas
Las nanopartículas comerciales se basan en:
Fe3O4 (biocompatible, degradación natural)
Polímero
(invisible al sistema inmunitario)
agua

48.
Biodistribución y tiempo de vida
medio
Tamaño de partícula < 100 nm
Composición superficial
5-10 nm = Diámetro ideal para la mayoría de los tratamientos
Hidrofóbico
Detectadas por el sistema
inmune y eliminadas
Eliminadas por los
macrófagos
1-100 nm
En circulación suficiente tiempo para
alcanzar la zona de tratamiento
Hidrofílica
Pequeña respuesta
al campo magnético
“Partículas
enmascaradas”
Aumenta el
invisibles a los
tiempo en
macrófagos
sangre

49.
Propiedades magnéticas
Efecto de la forma
Efecto del tamaño
M χi
Mr Ms
Hc
H
Al aplicar el campo hay transformación en calor Proceso reversible, no recuerda el campo
Ferromagnético Superparamagnético
Hipertermia Sensores (RMN)

50.
Síntesis del nanomaterial
Nanopartículas uniformes: Principal objetivo
Solo un pequeño
número de
partículas
inyectadas
contribuyen al
Detectadas en sangre y efecto deseado
Probabilidad
eliminadas por fagocitos
Eliminadas por filtrado,
no se permite su uso por
nocivas en el hígado
- Dosis menores
5 200 500
- Efectos secundarios
Tamaño de las partículas (nm)
menores

51.
Se concentra gran parte de la
Síntesis del nanomaterial
investigación en controlar tamaño,
forma y superficie
NANOPARTÍCULAS SUSPENSION
COLOIDAL ACUOSA
Mezcla de sales de Fe2+ y Fe3+, precipitan
sobre una base de polímero
Óxido o metal
1-100 nm
Estable a pH = 7
¡¡No toxico!!
El polímero limita el crecimiento de
la nanopartícula

52.
Métodos de Síntesis
Suspensión Aerosol
Hidrólisis Spray Láser
Co-precipitación Sol-Gel
en solución Pirólisis Pirólisis
Por presión Compuesto
2 nm
500 nm 100 nm 10 nm
50 nm 20 nm 5 nm
Métodos secos, por calor
se descompone la sal
para producir el óxido

53.
Materiales para la biomedicina
Método nuevo, usando
De 5 l de partida a 1 ml por filtrado precursores de Fe, resultado
Irregulares en forma y tamaño. mas uniforme con partículas
Sintesis en agua. mas cristalinas. Síntesis lenta.
Coprecipitación Descomposición de
organometálicos
Fe3O4
Fe3O4
Filtrado

54.
Nanopartículas Descomposición de
de oro organometálicos
Síntesis en medio
orgánico, se pasa a
Variando el 3po de
agua usando
síntesis se puede llegar
disolventes para
a controlar forma y
intercambiar el
tamaño de las
medio. Proceso
lento nanoparcculas
Nanopartículas
de Fe3O4

55.
Métodos de Síntesis
γ-Fe2O3 / Fe3O4
500 - 100 nm 100 - 5 nm
Pirólisis
Hidrólisis
50 - 5 nm
Co-precipitación
Bolas huecas, al
secarse el material
se queda fuera, se
puede rellenar

56.
Modificación superficial: recubrimientos hidroBlico
Cuanto mas pequeño, mas neutro y mas hidrofílico, mas tiempo de vida en sangre
Tipos de recubrimientos
Polímeros: Dextrano, Inorgánicos: SiO2, Carbono
PEG (polietilen-glicol)
Partículas
magnéticas
Recubrimiento
Cadenas de polímeros Partículas magnéticas
Ventaja: Biocompatibilidad
Ventajas: Resistencia a
Desventajas: Posible desorción o
procesos de biodegradación
degradación por dilución

57.
Aplicaciones en biomedicina
Diagnosis Imágenes de RMN
• In vivo Administración de medicamentos
Terapéuticas
Hipertermia
• In vitro Diagnosis Separación/selección
Se detectan moléculas específicas
Anticuerpo virus
Reconoce
proteínas
específicas en la
Nanopartículas virus superficie del
unidas al virus virus

58.
Diagnóstico
IMÁGENES POR RESONANCIA
La técnica mas poderosa en diagnosis
MAGNÉTICA NUCLEAR
Premio Nóbel 2003
Paul C. Lauterbur and Sir Peter Mansfield
quot;for their discoveries concerning magnetic
resonance imagingquot;
Ventaja: No usa Rayos X ni otro tipo de radiación ionizante
Utiliza: Un gran campo magnético + antenas de radiofrecuencia
Medida: La velocidad de relajación de los protones en los átomos de agua dentro del
paciente. Se alinea el momento nuclear de los protones del agua, se aplica un
pulso electromagnético perpendicular y se observa como se relajan y decaen.

59.
Diagnóstico por resonancia magnética nuclear
Pulso
Campo electromagnético de
Magnético alta frecuencia
Señal resonante de los
M
protones volviendo al
alineamiento
time
Protones del agua Protones fuera del
alineados alinamiento
La imagen refleja los protones del
agua y su entorno químico
Sin partículas magnéticas

60.
Agentes de contraste
Aumenta el contraste entre los tejidos normales
y enfermos, seguimiento del funcionamiento de
un órgano y del flujo sanguíneo
Relajación Más corta => Imagen Más oscura
Depende del entorno del protón
Superparamagneticas => Nanopartículas magnéticas
Paramagneticas => Gd, Dy
- Reversible
M - Momento magnético 104 veces
mayor, mejor señal
H - 80-90% Saturación a campo menor

61.
Diagnóstico: Imágenes de RMN
Fe3O4 + Dextrano
Agentes de contraste de imágenes de RMN
Cerebro
de rata
Tumor
Nódulo
linfático
cancerígeno
Las células cancerígenas no permiten el flujo de macrófagos, por ello, en la zona
del tumor no hay riego sanguíneo y no hay nanopartículas
⇒ al no llegar las partículas magnéticas => aparecen como zona brillante
⇒ la intercara con el tumor está creciendo y está ávida de sangre => aparece como
zona oscura pues si que tiene riego de nanopartículas

62.
Agentes de contraste en RMN
60% mejor contraste con
nanopartículas Fe/Fe2O3,
en este caso no hay tumor
Cerebro de
sin partículas
rata
Hígado
Bazo

63.
Aplicaciones terapéuticas
Transporte de medicamentos a una zona
ADMINISTRACIÓN DE
del cuerpo determinada mediante un
MEDICAMENTOS
campo magnético externo: en estudio.
Medicamento
Entrega del
medicamento por
cambios de Tª, pH..
Piel Dirigido
Campo
con un
campo inverso
Tejido
Se disuelven en el
organismo
• Específico Reducción de efectos secundarios
• Alta concentración local Reducción de dosis
• Problema Campo Magnético necesario para
luchar contra el flujo sanguíneo

64.
Aplicaciones terapéuticas
Calentamiento de un tejido a temperaturas
HIPERTERMIA
entre 42-43 ºC
- Reduce la viabilidad de las células cancerígenas
- Incrementa su sensibilidad a otros tratamientos
42-43ºC
Hipertermia
Convencional

65.
Hipertermia: fuente Ventaja de las nanopartículas
de calor interna magnéticas
- No dañan tejidos normales
- Tratamientos combinados:
Campo magnético
Quimio y Radioterapia
Imán
alterno
Tejido / Organo
No se puede mostrar la imagen. Puede
que su equipo no tenga suficiente
memoria para abrir la imagen o que ésta
esté dañada. Reinicie el equipo y, a
continuación, abra el archivo de nuevo.
Si sigue apareciendo la x roja, puede que
tenga que borrar la imagen e insertarla
de nuevo.
Cateter Arteria
Al aplicar el campo magnético el
area del ciclo se convierte en calor
M
Cáncer destruido
42ºC / 30 min
H
No es accesible en humanos

66.
Materiales bioinspirados
Un material bioinspirado es aquel en el que para su diseño o
preparación se utiliza como modelo un material o proceso biológico con
la intención de emular alguna de sus características
¿Por qué esta motivación?
Inspirarse en la naturaleza es buscar un diseño de materiales
optimizado durante millones de años de evolución

67.
Jerarquización: característica propia de la naturaleza
Estructuras superligeras con gran resistencia
ARQUITECTURAS BIOINSPIRADAS
ESPONJA EUPLECTELLA
ESQUELETO DE ALGAS DIATOMEAS
A nivel macroscópico se sabe imitar

68.
Estructura jerárquica del hueso
Estructura ligera con
propiedades mecánicas
excelentes
10-500µm
HAP
Proteínas
colágeno
(1 nm)
Fibras de Fibrillas de
colágeno colágeno
0.5µm
3-7µm

69.
Propiedades peculiares
Cristal fotónico artificial
Cristal fotónico biológico
SiO2@Ag
Esponja euplectella
Parece comportarse como una
fibra óptica con propiedades de
flexibilidad excepcionales, que
ningún material ha podido igualar

70.
Propiedades mecánicas
Los distintos niveles de jerarquía aportan o refuerzan una funcionalidad
500
µm
Réplica de sílice
Concha de sepia “cuttlebone”
• Se usa carbonato cálcico y proteínas
• Material compuesto: carbonato cálcico y proteínas
• Se disuelve la parte inorgánica dejando la proteína
• Funciona como una boya
• Se recubre de sílice
• Aguanta presiones importantes a profundidades elevadas
• Se quema la proteína

71.
¿qué puede imitarse de la naturaleza?
arquitectura,
química física ingeniería
COMPOSICION ESTRUCTURA BIONICA
MATERIALES PROPIEDADES PROCESOS
OPTIMIZADOS
¡Se preparan en condiciones fisiológicas!
BIOCOMPATIBLES
BIODEGRADABLES
QUIMICA SOSTENIBLE O QUIMICA VERDE

72.
Síntesis
Congelación a -196 ºC
ESTRUCTURA
DISOLUCIONES
MACROPOROSA
ACUOSAS

73.
Síntesis
Segregación
autoensamblado → transcripición → réplica
por cristalización → autoensamblado → microestrucutura
de hielo
congelación Liofilizado
77K, Vc
AEROGEL
HIDROGEL
MACROPOROSO
CRIOGEL
SiO2

74.
Autoensamblado inducido por segregación de hielo
PVA NTC +
Sílice pipeta
alcohol polivinil quitosano
Transversal
Longitudinal
Estructura de microcanales
autoensamblado → transcripición → réplica
Diferentes composiciones y morfologías

75.
Armazón: nanotubos de carbono con quitosano como “pegamento”
jeringuilla
Aplicación como material biocompatible y en la liberación de fármacos

76.
Incorporación de células de ratón C12 pre-microblásticas en
In vitro armazones o andamiajes (scaffold) de CNT-quitosano
congelación
Liofilizado
77K, Vc
HIDROGEL
CRIOGEL
PVA
El armazón es biocompatible y las
células proliferan al cabo de 2 días
Celula C12
Micrografía de barrido ambiental

77.
In vivo: nanotubos de carbono con quitosano
Se introduce en el armazón una proteína
recombinante morfogenética capaz de evolucionar
a tejido óseo (tinte azul). Donde antes sólo había
tejido muscular (tinte rosa) ahora existe tejido óseo
que ha evolucionado del “biomaterial”
Tejido
muscular
Tejido óseo

78.
Materiales compuestos micro y nanoestructurados para
cultivos celulares 3D
Armazones de NTC+quitosano introduciendo HAP para crecimiento C12
Mejora la adhesión celular y, por lo tanto,
hay mayor facilidad de regeneración del tejido óseo
Scaffold NTC/quitosano/HAP
HAP: por infiltración de Ca/P y tratamiento térmico a 90 ºC

79.
Singularidades obtenidas variando parámetros
de formación de los armazones bioinspirados

80.
Nanomateriales
Mili = 10-3
1 Nanómetro = 10-9 m
1 mil millonésima de metro
Micra = 10-6
10 ÁTOMOS DE HIDRÓGENO
NANO = 10-9
En la escala nanométrica, no se aplican las reglas
ordinarias de la Física y la Química. Las características de
los materiales tales como el color, fuerza, conductividad y
reactividad, pueden diferir sustancialmente entre la
nanoescala y lo macro.
Nanotubos de carbono son 100
veces más fuertes que el acero
pero seis veces más ligeros

81.
Ejemplos de nanomateriales
Nanopartículas
0D
TiO2 cúbico
nanopartícula Nanopartícula
Nanopartícula Nanopartíula SiO2
nanopartícula
Au 13 nm Pt tetragonal
Pt cúbico
Nanocables
1D
GaAs nanocable Au nano-varilla RuO2 nanocable
Nanoestructuras en superficies ZnO nanohélice
2D
Nanotubos de C
3D
SAM / Au superred

82.
Nuevos materiales, nuevas herramientas de investigación
✔ Actualmente la mejora de los materiales también
influye en una mejora del equipamiento científico para
investigación a su vez de nuevos materiales
✔ En los últimas décadas se han desarrollado nuevas
herramientas (como las microscopías de campo cercano
para estudiar el nanomundo) y se han mejorado
herramientas convencionales (como el microscopio
electrónico)
✔ Finalmente herramientas de alto coste económico y de
personal experto, como las grandes instalaciones de
radiación sincrotrón, han proliferado en los países
avanzados y llegado a nuestro país

83.
Gran instalación de radiación sincrotrón
ALBA

84.
v << c ELETTRA
v≈c
caso clásico caso relativista

85.
En nuestra sociedad actual se puede observar la
Para acabar …
repercusión de los nuevos materiales tanto en las
actividades cotidianas como en las extraordinarias, …
… el objetivo es que simplifiquen nuestra vida y ayuden a mejorar su calidad.