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Nuevos materiales para la sociedad

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Conferencia dada por D. Francisca López en el curso "Temas de hoy en Biología y Geología" (CTIF Madrid-Sur) Febrero "2009

Published in: Education, Technology, Business
  • Muy buen contenido y estructura, felicidades!!!!! Ojala pudiera pasarme las imagenes de la presentacion a verkyel@hotmail.com
    Le aGRADEZCO DE antemano
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  • Muy buen contenido y estructura, felicidades!!!!!
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Nuevos materiales para la sociedad

  1. 1. CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS Nuevo siglo, nuevos materiales Paqui López ICMM-CSIC
  2. 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. 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. 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. 5. Investigación y desarrollo de nuevos materiales medio
ambiente
 medicina
 química
 ingeniería
 Bsica
 actividad multidisciplinar nanotecnología
 energía

  6. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 41. Bioinerte Tendencia Núcleo metálico + recubrimiento Bioactivo Recubrimientos: ⇒  Cerámicas  Bioinertes (alúmina)  Bioactivas (fosfatos cálcicos: hidroxiapatita) ⇒  Carbón  Grafito ⇒  Polímero  Polietileno
  42. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 72. Síntesis Congelación a -196 ºC ESTRUCTURA DISOLUCIONES MACROPOROSA ACUOSAS
  73. 73. Síntesis Segregación autoensamblado → transcripición → réplica por cristalización → autoensamblado → microestrucutura de hielo congelación Liofilizado 77K, Vc AEROGEL HIDROGEL MACROPOROSO CRIOGEL SiO2
  74. 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. 75. Armazón: nanotubos de carbono con quitosano como “pegamento” jeringuilla Aplicación como material biocompatible y en la liberación de fármacos
  76. 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. 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. 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. 79. Singularidades obtenidas variando parámetros de formación de los armazones bioinspirados
  80. 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. 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. 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. 83. Gran instalación de radiación sincrotrón ALBA

  84. 84. v << c ELETTRA
 v≈c caso clásico caso relativista
  85. 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.

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