17-4-2015

Instrumentación Biomédica | Tania Borrull Callejas

ESCUELA

POLITÉCNICA

SUPERIOR

DE GANDÍA

BIOMATERIALES

BIOMATERIALES

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BIOMATERIALES 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 2

2. ¿QUÉ SON? ................................................................................................................................ 2

2.1. Propiedades de los biomateriales ...................................................................................... 4

3. BREVE HISTORIA ........................................................................................................................ 5

4. TIPOS DE BIOMATERIALES ......................................................................................................... 7

4.1. Metales ............................................................................................................................... 7

4.2. Polímeros............................................................................................................................ 9

4.3. Cerámicas, cristales y cristales-cerámicas ........................................................................ 12

5. ENSAYOS SOBRE LOS MATERIALES. ......................................................................................... 13

6. APLICACIONES DE LOS BIOMATERIALES .................................................................................. 15

6.1. Implantes cardíacos.......................................................................................................... 16

6.2. Reemplazos articulares .................................................................................................... 16

6.3. Implantes dentales ........................................................................................................... 16

6.4. Lentes intraoculares ......................................................................................................... 17

6.5. Sustitutos para la sangre .................................................................................................. 17

7. EL FUTURO, ANDAMIOS PARA LA REGENERACION DE TEJIDO. .............................................. 17

8. CONCLUSIÓN ........................................................................................................................... 18

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 18

Tabla de ilustraciones

Fig 1. Red conceptual biomateriales

Fig 2.Ejemplo sobre la determinación de la dureza

Fig 3. Dentadura de madera de G. Washington

Fig 4. Lente intraocular

Fig 5. Estructuras cristalinas

Fig 6. Estructuras de los polímeros. (A) lineal (B) ramificado (C) estructural

Fig 7. Mecanismos de deformación de polímeros

Fig 8. Máquina de ensayo de tracción

Fig 9. Curva de ensayo de tracción

Fig 10. Probeta de acero antes (A) y después de la deformación (B)

Fig 11. Válvula de carbón pirolítico, cubierta de titanio

BIOMATERIALES

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1. INTRODUCCIÓN

Los biomateriales han formado parte de uno de los avances más importantes de la

medicina. Uno de sus objetivos principales es el de mejorar la calidad de vida de los pacientes,

aumentando su esperanza de vida.

Actualmente más de cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantado

algún tipo de prótesis, haciendo que cada vez esté más presente en el día a día de nuestra

sociedad.

Se puede pensar que un biomaterial simplemente sirve para remplazar alguna parte del

cuerpo, pero también ayudan a la prevención, el diagnostico y el tratamiento de muchos

trastornos de la salud.

Un biomaterial puede estar fabricado de diversos materiales, ya sean sintéticos o

biológicos, con la condición de que, finalmente, sea compatible con el paciente.

Para la final aplicación de este en cualquier cuerpo humano nos debemos asegurar de que se

ha seguido el siguiente esquema.

Fig 1. Red conceptual biomateriales

A continuación se verán expuestos los puntos en los que se explican y se da forma a las

ideas principales sobre los biomateriales.

2. ¿QUÉ SON?

A pesar de que en un principio fueron utilizados para aplicaciones médicas, además, son

utilizados para: cultivar células, manipular proteínas en el laboratorio, etc. En esta ocasión me

centraré en analizar y desarrollar las aplicaciones médicas.

Según el DRAE un biomaterial es:

Material tolerado por el organismo, utilizado para prótesis y otros fines.

APLICACIONES

TIPOS DE BIOMATERIALES METÁLICOS POLIMÉRICOS CERÁMICOS/ETC

REQUERIMIENTOS CARDIOVASCULARES ORTOPEDICOS DERMATOLÓGICOS/ETC

BIOCOMPATIBILIDAD

BIOMATERIAL

BIOMATERIALES

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Después de leer la definición de diferentes libros se puede llegar a una definición científica en

común:

Material sintético empleado para remplazar parte de un sistema vivo y ser utilizado en un

dispositivo médico para interactuar con sistemas biológicos.

Para que un biomaterial sea aceptado para su uso en pacientes debe de ser biocompatible.

Si lo es, se considera que es compatible con el entorno biológico en el que se encuentra, es

decir, es capaz de interactuar con tejidos vivos sin causar daño o muy pocas reacciones

biológicas. Como reacción biológica nos referimos a algún tipo de reacciones alérgicas o

inflamaciones, por ejemplo. Es probable que la biocompatibilidad tenga que ser definida

específicamente dependiendo de la aplicación final del material, así que podemos ver que los

biomateriales no siguen unas características específicas.

Cabe añadir las siguientes características generales:

- No ser tóxico, ni carcinógeno.

- Ser químicamente estable, no presentar degradaciones con el tiempo y ser inerte.

- Tener una resistencia mecánica adecuada.

- Tener un tiempo de fatiga adecuado, es decir, soporta cargas que varían cíclicamente

con el tiempo

- Tener una densidad y peso adecuados.

- Su tamaño y forma deben de ser adecuados.

- Debe ser relativamente barato, reproducible y fácil de fabricar ya que su producción se

realiza a gran escala.

Como podemos observar un biomaterial debe poseer unas cualidades muy concretas para

su posterior aplicación.

En algunos casos, la función de los tejidos u órganos es tan importante que es mejor no

remplazarlos por biomateriales, como, la médula espinal o el cerebro, el paciente tendrá

bastantes desventajas con un órgano de esa índole artificial. Una alternativa para los implantes

artificiales es el trasplante, por ejemplo de riñón o corazón, aun así es factible reponer partes

del órgano que se vean afectadas. En el caso del corazón, se puede implantar una válvula

artificial, arterias, venas, etc.

Por otra parte, un biomaterial, a parte de las aplicaciones sobre el cuerpo humano, dentro

del ámbito médico tiene otras funcionalidades. El biomaterial normalmente no es usado como

un simple material sino que se integran en los dispositivos médicos, es por ello por lo que en

contacto con el organismo provocan una respuesta no específica por no estar destinados a

formar parte del cuerpo humano, provocando la activación de una gran variedad de procesos

biológicos.

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2.1. Propiedades de los biomateriales

La fabricación de los materiales depende de sus propiedades mecánicas, como resistencia,

dureza, ductilidad, etc.

La estabilidad de un material la determinará la fuerza de los enlaces atómicos:

- Enlace iónico: este enlace se produce cuando dos átomos con iones de distinto signo

se atraen. Uno de los átomos capta electrones del otro, los dos átomos se convierten

entonces en un catión y un anión, que están fuertemente atraídos por el efecto

electrostático.

- Enlace covalente: este enlace se produce cuando los átomos tienen la misma

tendencia a dar y recibir electrones, por esta razón no forman enlace iónicos fuertes.

Las estructuras estables de electrones se consiguen mediante el intercambio de

electrones de valencia.

- Enlace metálico: es un enlace químico que mantiene unidos los átomos por los núcleos

y los electrones de valencia, que se juntan alrededor de estos. Estos átomos se

agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy

compactas.

Dependiendo de la fuerza que tengan estos enlaces determinaran la estabilidad del

material al aplicarle una carga, esto es, la tendencia de un material a resistir el cambio

producido por una reacción interna o acciones del medio externo, esto se relaciona con las

propiedades mecánicas. Otro tipo de propiedad es la relacionada a los cambios de

temperatura, a esta se le llama propiedad térmica, variaran en función de los cambios de

temperatura que experimente el material.

Cuando se estira un material, las fuerzas de atracción y repulsión entre los átomos del

material en si determinan como se comportará, aquí entra en juego la Ley de Hooke. Cuando

un material solido se somete a una fuerza de tracción se extenderá una distancia proporcional

a la carga. Hooke expresa el hecho de que la mayoría de los solidos se comportan de una

manera elástica si las cargas no son demasiado grandes.

La resistencia al impacto o tenacidad, cuantifica la energía que un material soporta hasta la

fractura. Todos los materiales tienen grietas internas que se propagaran más rápidamente

cuanto menos tenaz sea el material. Cuando el material se deforma fácilmente la parte de

material que rodea la grieta se deforma, este proceso consume energía y retarda la

propagación de la grieta y por ello se consigue que el material sea tenaz.

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Fig 2.Ejemplo sobre la determinación de la dureza

La dureza es la capacidad de un material para deformarse plásticamente bajo la influencia

de campos de esfuerzos complejos, cuanto más duro es un material, más cuesta deformarlo

plásticamente. La dificultad existente para la deformación se mide en función de la fuerza que

se aplique. Para determinarla dependerá del tipo de material, ya que cada uno tiene un índice

de tenacidad diferente. En la fig 2 se explica como, mediante un método llamado indentación,

se determina la dureza. A un indentador se le aplica una fuerza y este deformará la superficie

del material, cuando se retire el indentador se mide la distancia que ha penetrado en el

material y esta distancia es inversamente proporcional a la dureza.

Por último, el desgaste estará relacionado con la fricción que tendrá el material con otra

parte del cuerpo. Puede definirse como el proceso mediante el cual parte de material se

desprende de la superficie que se encuentra en contacto con otro material, esto ocurre

cuando se encuentran en movimiento una contra la otra. La perdida de material es un proceso

lento pero aun así continuo. Por ejemplo, en las prótesis de uniones entre huesos se

desgastará bastante.

3. BREVE HISTORIA

El campo que hoy en día llamamos ciencia de los biomateriales puede considerarse que

comenzó con civilizaciones muy antiguas, como la romana, china e incluso la azteca hace mas

de 2000 años. Por aquel entonces se usaba ya el oro en el campo de la odontología. Durante

gran parte de la historia registrada, los ojos de cristal y los dientes de madera tenían un uso

muy común.

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1829. H. S. Levert realizó los primeros estudios que determinaron la compatibilidad de

materiales para implantes, con materiales como la plata, oro, plomo y platino.

1886. H. Hansmann emplea placas de acero para facilitar la reparación de fracturas de huesos.

Estas primeras aplicaciones se deterioraban rápidamente.

1893. W.A. Lane desarrolla un sistema de tornillos de carbón para placas de fijación de fractura

de huesos.

1931. M.S. Petersen desarrolla un dispositivo de vidrio para prótesis de cadera.

1938. Primer remplazo total de cadera.

1945. Se inventan las lentes intraoculares de acrílico, para pilotos tras la segunda guerra

mundial.

1950-1960. Desarrollo de aleaciones con base de titanio.

Fig 3. Dentadura de madera de G. Washington

Fig 4. Lente intraocular

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1970-1980. Uso de materiales porosos para favorecer el crecimiento del hueso

Debido al éxito de los avances de los anteriores años, actualmente se siguen usando

muchos de los métodos que se introdujeron.

Es difícil determinar el origen preciso del termino biomaterial. No obstante, es posible que

el campo se reconociera desde el simposio de la Universidad de Clemson a finales de 1960s. El

éxito de estos simposios llevó a la formación de la Sociedad de Biomateriales de los Estados

Unidos de América. A partir de entonces se comienza a disponer de investigadores e

ingenieros que diseñan materiales con un criterio específico.

4. TIPOS DE BIOMATERIALES

Los materiales comúnmente usados para construir las estructuras están divididos en tres

clases:

1. Metales

2. Cerámicas (cristales incluidos).

3. Polímeros.

Estas clases pueden ser identificadas solamente, a grosso modo con los tres tipos de

uniones atómicas, descritas con anterioridad.

A continuación paso a describir las tres familias o clases de materiales.

4.1. Metales

Estos materiales han revolucionado la forma de vida de los humanos desde el comienzo de

su utilización. Y al igual que el resto de materiales que se describen cumplen una función

polifacética, tanto que los metales utilizados como prótesis dentro del cuerpo humano

también son utilizados para hacer las turbinas de una central eléctrica. En los dos casos están

creados con aleaciones de cromo y níquel.

Los metales que poseen una unión metálica en el estado sólido son metales puros, mientras

que las mezclas o soluciones de diferentes metales se llaman aleaciones.

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Cerca del 85% de todos los metales tienen estructura cristalina, como se muestra en la

figura 7.

- En los metales donde su estructura es una red cúbica centrada en el cuerpo (A)

hace que el material sea resistente a la deformación.

- Los metales en los que su estructura es una red cúbica centrada en las caras (D)

hace que el material se deforme mejor.

- Finalmente, en los metales en los que su red es un hexágono compacto (C) hace que el material sea poco deformable.

- Una vez solidificado, un metal comienza a reunir moléculas en ciertos puntos y forman un

núcleo ordenado que crece en todas las direcciones y las celdas cristalinas se unen deteniendo el crecimiento.

Salvo por algunas excepciones, como el platino, oro y plata, los metales no suelen

encontrarse en la naturaleza de forma pura y se han tenido que desarrollar técnicas para obtenerlos. Uno de los pasos es la refundición del metal, la introducción de los elementos de la aleación y después la solidificación para producir la aleación que contiene las especificaciones químicas necesarias. Por ejemplo para formar el acero inoxidable el hierro es aleado con unas cantidades específicas de carbono, siliconas, níquel, y cromo. Dependiendo de la cantidad de carbono también influirá en la dureza de la aleación.

En su estado natural, podría decirse que, son relativamente blandos o fáciles de deformar,

mientras que las aleaciones son más duras que los metales puros.

El tipo de enlace químico (metálico) caracterizado en estos materiales permite que puedan

ser utilizados en implantes sometidos a cargas de fijación interna, como por ejemplo para

Fig 5. Estructuras cristalinas

B

A

C D

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mantener huesos fracturados estabilizados y alineados. Son aptos para estas aplicaciones

debido a su tenacidad y resistencia, una tenacidad elevada en el implante conlleva a que este

cargue con la mayor parte de la carga en la región del implante.

Este material posee una serie de ventajas y desventajas.

Ventajas:

- Alta resistencia transversal y tensión.

- Alta resistencia al desgaste.

Estas ventajas influyen en el tipo de implante al que irá destinado, siendo óptimo para

reemplazos de cadera, donde el desgaste es constante.

Desventajas:

- Falta de compatibilidad completa con el medio fisiológico.

- Desajuste de las propiedades mecánicas del sistema musculo-esqueleto

- Corrosión en cierto tipo de aceros

- Toxicidad de iones de cobre, cromo y molibdeno

Otro de los aspectos a tener en cuenta es que en la fabricación de metales el tratamiento

de la superficie debe ser específico, es conveniente que tenga una cubierta porosa en mayor o

menor medida. Esto es necesario para que facilite la fijación de los implantes sobre el hueso.

4.2. Polímeros

Los polímeros son compuestos orgánicos de gran peso molecular constituido por unidades

estructurales repetitivas que es igual a grandes moléculas formadas por la unión de muchas

pequeñas moléculas (monómeros) que pueden ser iguales o diferentes, están caracterizados

por tener estructuras flexibles permitiendo su empleo en materiales de alta plasticidad, es

decir que posee una deformación permanente. Los polímeros poseen un enlace covalente.

Fig 6. Estructuras de los polímeros. (A) lineal (B) ramificado (C) estructural

Los polímeros son mucho más blandos que los metales, su aislamiento eléctrico y térmico

están limitados por su poca resistencia a la temperatura, siendo idóneos como aislante a bajas

temperatura pero no son viables para altas. Dependiendo de la temperatura a la que se ven

sometidos se comportarán de forma diferente. Existen dos regiones: vitrificación y de fusión.

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- Cuando: T<región de vitrificación el estado del polímero es cristalino.

- Cuando: región de vitrificación<T<región de fusión el estado del polímero es gomoso.

- Cuando: T>región de fusión, entonces el polímero se encuentra en el estado fundido.

Estos materiales han logrado consolidarse sobre otros, esto se debe a las posibilidades que

presentan a la hora de fabricarlos, pudiendo conformarlos en diferentes configuraciones como

fibras, tejidos, películas o bloques.

Al igual que como materiales para implantes, también podemos encontrar los polímeros en

la suela de nuestros zapatos o en la ropa que llevamos puesta.

Se puede hacer una agrupación según el tiempo que deben mantener su función cuando se

aplican como implantes quirúrgicos.

- En el primer grupo se incluyen los implantes que deben permanecer

permanentemente en el paciente. Se trata de los sistemas utilizados para sustituir

parcial o totalmente tejidos destruidos como consecuencia de una enfermedad.

- En el segundo grupo se incluyen los implantes que son degradables de aplicación

temporal. Son aquellos que deben mantener una funcionalidad durante un periodo de

tiempo limitado, ya que el organismo será capaz de desarrollar mecanismos de

curación y regeneración para reparar la zona o el tejido afectado.

Por otro lado, los polímeros pueden ser de tres tipos:

- Polímeros naturales: provenientes de un vegetal o animal, como el almidón, por

ejemplo.

- Polímeros artificiales: resultado de modificaciones mediante procesos químicos, como

la nitrocelulosa.

- Los polímeros sintéticos: se obtienen de procesos de polimerización controlados a

partir de materias primas de bajo peso molecular, como el nylon.

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Los polímeros se diferencian en:

- Termoplásticos: se deforman fundamentalmente por deformación elástica (reversible)

por debajo de su temperatura de

transición, aumentando su resistencia. Por

encima de esta temperatura la

deformación es de tipo plástico

(irreversible), disminuyendo su resistencia

y aumentando sus características dúctiles.

Debido a esto, para dar forma a

materiales de este tipo se requiere de la

aplicación de calor previo al enfriamiento

que les da su forma definitiva. Este tipo de

polímero posee una larga cadena principal de átomos de carbono unidos de forma

covalente.

Los mecanismos que rigen el comportamiento de los polímeros termoplásticos

vienen determinados por: el alargamiento de la cadena principal (a), su desenrollado

(b) y el deslizamiento de las mismas(c). En este grupo encontramos, entre los más

importantes:

o Polietileno: flexibilidad en un amplio rango de temperaturas. Resistencia a la

corrosión.

o Cloruro de vinilo: alta resistencia química y facilidad para mezclarse con

aditivos para dar lugar a otros compuestos.

o Polipropileno: resistencia química a la humedad y calor, baja densidad, dureza

superficial, estabilidad dimensional, flexibilidad notable.

o Otros: poliestireno, abs, acrílicos, fluorplasticos.

- Termoestables: estos materiales son los fabricados con una forma permanente y

endurecida por reacciones químicas. Son materiales que necesitan de calor para el

endurecimiento permanente del polímero. A menudo, los polímeros termoestables se

obtienen en forma de resinas liquidas.

En general, las ventajas de los plásticos termoestables son: alta estabilidad térmica,

alta rigidez, alta estabilidad dimensional, resistencia a la termofluencia y deformación

bajo carga, peso ligero, altas propiedades de aislamiento térmico. Los polímeros

estables más importantes son:

o Resinas fenólicas: bajo coste, propiedades aislantes eléctricas y térmicas.

o Resinas epoxi: buena resistencia química, propiedades mecánicas y buen

comportamiento como aislante eléctrico.

o Poliésteres insaturados.

o Ureas y melaminas.

Fig 7. Mecanismos de deformación de polímeros

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4.3. Cerámicas, cristales y cristales-cerámicas

Cerámicas, cristales, y cristales-cerámicas incluyen un ancho rango de composiciones

inorgánicas/nometales. Muchos materiales cerámicos están formados por estructuras de

silicatos (átomos de silicio y oxígeno enlazados) y también son formaciones naturales

minerales como las arcillas.

En la industria médica, estos materiales han sido esenciales para gafas, instrumentos de

diagnóstico, artículos de química, termómetros, matraces de cultivo de tejidos, fibras ópticas y

endoscopios. Ofrecen las ventajas de resistencia a ataques microbianos, cambio de pH,

temperatura, etc. Las cerámicas son los materiales más duros (enlace iónico) que existen, pero

se quiebran con mucha facilidad.

Al no ser reciclables incrementan los costes de fabricación. Son malas conductoras de la

electricidad, debido a las uniones iónicas y que sus electrones están localizados entre los

iones/átomos que los constituyen, tanto que son utilizadas como aisladores eléctricos para

líneas de alta tensión. Muchas de las aplicaciones se basan en estas propiedades, gran

cantidad de estos materiales se usan en cirugía reconstructiva que se degradan con el tiempo

(efecto deseado).

Estos materiales son constituidos por compuestos inorgánicos que contienen elementos

metálicos y no metálicos, el enlace interatómico es iónico o covalente y que generalmente es

formado por temperaturas elevadas. La mayor parte de las cerámicas existen como minerales.

Un subgrupo de las cerámicas son las cerámicas porosas. Una ventaja potencial ofrecida

por este material es la combinación de que sea inerte junto con la estabilidad mecánica que

desarrolla cuando el hueso crece entre los poros de la cerámica. En este sentido el implante

sirve cono una estructura para la formación del hueso

Otro de los subgrupos son los cristales bioactivos y los cristales cerámicos, son muy frágiles

y tienen pobres propiedades mecánicas, aunque pueden soportar grandes cargas de

compresión. Los vidrios son materiales que durante el enfriamiento se vuelven rígidos sin

formar estructuras cristalinas, los átomos no están colocados en un orden repetitivo. Son

empleados donde la resistencia al desgaste es importante y se utilizan para reparar o

remplazar tejido conectivo (sostiene y cohesiona a otros tejidos dentro de los órganos) duro

del esqueleto. Los cristales bioactivos producen un enlace químico con los tejidos. Son

materiales con una superficie reactiva, aunque presentan baja solubilidad en el medio

biológico. Son empleadas frecuentemente para la fijación de implantes en el sistema óseo.

Como ventajas de los biomateriales cerámicos encontramos las siguientes:

- Es inerte en el cuerpo.

- Resistente al desgaste.

- Tenacidad y resistencia a la compresión.

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Por otra parte las desventajas de las cerámicas son:

- Es un material frágil (Resistencia a la fractura y tolerancia a las grietas bajas)

- Resistencia a la tensión pequeña (Excepción de las fibras)

- Resistencia pobre a la fatiga.

Dentro de las clases de biomateriales podemos encontrar una amplia variedad de ellos,

además de los que están en continuo desarrollo. Entre ellos tenemos los hidrogeles,

compuestos o ‘composites’, etc.

5. ENSAYOS SOBRE LOS MATERIALES.

Existe una gran variedad de ensayos mecánicos. El objetivo de la caracterización

experimental de los materiales es el estudio del comportamiento mecánico y estructural. El

análisis de su composición, morfología, microestructura y comportamiento macroscópico nos

permite el desarrollo de modelos que reproducen el comportamiento de los biomateriales y

tejidos biológicos para adivinar como se comportarán finalmente después del implante. Se

pueden realizar ensayos uniaxiales, biaxiales, de compresión, tensión tangencial, inflado,

tomografías, histologías y ensayos para caracterizar el comportamiento elástico, viscoelástico,

fatiga, etc. A continuación describiré algunos de ellos, partiendo de una probeta de acero

- Ensayo de tracción uniaxial: El material se somete a dos fuerzas con la misma

magnitud y dirección en sentidos opuestos. Se mide la carga mientras se aplica el

desplazamiento. La maquina de ensayo, como la de la figura 7, deforma la probeta

desplazando el cabezal móvil de una velocidad que se puede seleccionar. La mordaza

da una señal que representa la carga aplicada.

Fig 8. Máquina de ensayo de tracción

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Fig 9. Curva de ensayo de tracción

Las curvas tienen una primera parte lineal, esta es la zona elástica, donde el material

se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona el material regresa a su

longitud inicial. Después pasan a la zona plástica, y el material alcanza el punto de

fluencia, la deformación es permanente. Después llega la zona inestable F=Fmax que

depende de cada acero, en este punto el material muestra su punto débil y concentra

la deformación en una zona.

- Ensayo de resistencia: a partir del ensayo anterior se puede realizar este. Por medio de

este ensayo se mide la resistencia del material ante diferentes esfuerzos. Analizando

las probetas después de rotas del ensayo de tracción, es posible medir dos

parámetros: el alargamiento final que experimenta la probeta y el diámetro final,

obteniendo el área final

Fig 10. Probeta de acero antes (A) y después de la deformación (B)

- Para determinar el comportamiento elástico o viscoelastico se realizan ensayos sobre

relajación de esfuerzos (aplicar una velocidad de deformación y se estudia la variación

del esfuerzo necesario en función del tiempo), ensayo de fluencia (se mantiene

constante el esfuerzo y se observa la variación de la deformación en función del

tiempo), recuperación elástica (se aplica un esfuerzo constante estudiando la

deformación, retirar el esfuerzo y ver la recuperación en función del tiempo) y

experimentos dinámicos u oscilatorios (caracterizan las propiedades viscosas y

elásticas).

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6. APLICACIONES DE LOS BIOMATERIALES

Los biomateriales están contextualizados dependiendo del tipo de aplicación:

- Para reemplazar partes dañadas o faltantes como en el caso de diálisis renal o una

articulación de cadera.

- Para curas como suturas quirúrgicas.

- Mejorar funciones de órganos, como son los marcapasos o lentes.

- Correcciones estéticas, es el caso de los implantes mamarios.

- Realización de diagnóstico y tratamientos, electrodos o drenajes.

Tabla 1. Aplicaciones de materiales sintéticos

Aplicación Tipos de materiales

Esqueleto Reemplazos articulares Placa ósea para la fijación de la fractura Cemento óseo Reparación de defectos óseos Tendones y ligamentos artificiales Implantes dentales para fijaciones dentales

Titanio, acero inoxidable, polietileno Acero inoxidable, aleación de cromo y cobalto Metacrilato Hidroxiapatita Teflón Titanio, aluminio fosfato de calcio

Sistema cardiovascular Prótesis de vasos sanguíneos Válvula cardiaca Catéter

Teflón, poliuretano Carbón, acero inoxidable Goma de silicona, teflón

Órganos Corazón artificial Plantilla para reparar la piel Riñón artificial

Poliuretano Compuesto de silicona y colágeno Celulosa

Sentidos Reemplazo de la cóclea Lentes intraoculares Lentes de contacto Vendaje de la cornea

Electrodos de platino Goma de silicona, hidrogeles Acrilato-Silicona, hidrogeles Colágeno

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6.1. Implantes cardíacos

Comenzando con el caso concreto de las sustituciones

de las válvulas cardiacas, la necesidad de una sustitución se

ve impuesta por degeneraciones y otras patologías.

Estas prótesis son fabricadas de carbón pirolítico, (un

material casi tan duro como el diamante y con muy poco

desgaste) metales, elastómeros, válvulas naturales y otros

tejidos químicamente procesados para reducir una reacción

inmunológica y aumentar la durabilidad del implante. Fig 11. Válvula de carbón pirolítico, cubierta de

titanio

Generalmente, cuando la válvula está implantada, las funciones cardiacas se restauran a

niveles normales. A pesar del éxito de este tipo de implantes existen problemas con los

diferentes tipos de válvulas; la degeneración del tejido, fallos mecánicos, infecciones que

aparecen en el post operatorio e introducción de coágulos de sangre son algunos de los

problemas que pueden surgir.

Otro ejemplo de dispositivos utilizados en aplicaciones relacionadas con el corazón es el

ejemplo del stent. Este dispositivo se fabrica con materiales inertes para permanecer

temporalmente o permanentemente en el cuerpo. Su papel es el de formar una estructura

dentro de una vena o arteria obstruida con el fin de mantenerla abierta y facilitar el transporte

de sangre. Los problemas que tienen estos implantes es el daño producido a las paredes del

vaso sanguíneo causada por la inserción, puede generar trombos.

6.2. Reemplazos articulares

Las articulaciones son sometidas a altos esfuerzos mecánicos y sufre un abuso considerable.

Es normal que después de 50 años o a causa de enfermedades reumatológicas o degenerativas

la articulación se desgaste, conllevando a una perdida considerable de la movilidad. Las

articulaciones se fabrican con titanio, con aleaciones específicas altamente resistentes,

cerámicas, compuestos y polietileno. Con algunos reemplazos, procedimiento quirúrgico y un

periodo de curación, donde se verá si la unión entre el hueso y el implante puede soportar

todo el peso del cuerpo, se restauraran las funciones. Después de 10 o 15 años, el implante

deberá de retirarse y cambiarlo por uno nuevo.

6.3. Implantes dentales

En la boca, tanto los dientes como los tejidos que los sostienen pueden deteriorarse a causa

de enfermedades bacterianas o por el paso del tiempo.

Las caries, la desmineralización y la disolución de los dientes asociadas con la actividad

metabólica de la placa dental pueden ocasionar la perdida parcial o total de la dentadura.

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La introducción de los implantes de titanio ha revolucionado la implantología dental, en la que

este material forma una raíz dental artificial. Un requisito que debe seguir estrictamente

cualquier material de implantología dental es que sea capaz de formar un sello hermético

contra la invasión bacteriana existente en el implante que atraviesa la encía, en caso contrario

podrían producirse infecciones severas. Una de las principales características del implante de

titanio es que se puede unir con la mandíbula.

6.4. Lentes intraoculares

Estas lentes se introducen con cirugía dentro del ojo y, normalmente, están hechas de

silicona elastómera, metacrilato o cualquier otro material usado para remplazar la lente

natural cuando se vuelve borrosa o con cataratas por disfunciones del cristalino. Un alto

porcentaje de personas que rondan los 75 años necesitan un implante de este tipo. Los

procedimientos quirúrgicos actualmente están muy desarrollados, tanto que el implante se

suele realizar de forma ambulatoria, necesitando solamente unas pocas horas de ingreso

hospitalario.

6.5. Sustitutos para la sangre

Las transfusiones de sangre conllevan la necesidad de un donante compatible, y no siempre

se cubre la demanda existente. Además las transfusiones pueden ser vías de transmisión de

enfermedades como hepatitis o el VIH, estos problemas generan el interés en desarrollar

sustitutos para la sangre que no poseen este tipo de problemas.

La sangre contiene muchos componentes que se pueden separar como los leucocitos,

plaquetas, plasma, etc. Generalmente, al referirse a los sustitutos para la sangre se engloba en

el concepto de portadores de oxigeno para sustituir los eritrocitos. Un grupo de componentes

que parecen prometedores son los perfluoroquimicos, los cuales pueden llevar mucho más

oxígeno que la hemoglobina, otra alternativa es la hemoglobina liquida. Este campo se

encuentra todavía en desarrollo.

7. EL FUTURO, ANDAMIOS PARA LA REGENERACION DE TEJIDO.

El concepto es el siguiente:

Si la reacción que se produce en el paciente al realizar el implante con tejidos vivos no

conlleva ninguna reacción negativa, porque no diseñar materiales biodegradables para la

reparación de tejidos vivos. Esto ya es posible hoy en día cuando se coloca una pieza que

reponga cualquier necesidad biológica, el siguiente paso es la regeneración de tejido que

actualmente se encuentra en pleno desarrollo. Este campo ya pasa a formar parte de la

ingeniería de tejidos, cuyo principal objetivo es el de crear compuestos biológicos y

biomateriales con intención de reparar mantener o mejorar la función de órganos y tejidos.

Aquí es donde intervienen los andamios y las células que, trabajando conjuntamente pueden

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llegar a conseguir el objetivo propuesto, la reconstrucción del hueso natural (tratándose de

regeneración ósea) evitando la necesidad de reinjertos.

Junto con las células encargadas de la osteogénesis, que es la capacidad de generar tejido

óseo por la acción de las células, los andamios fabricados con biomateriales se encargan de la

osteoconducción, que es la capacidad de permitir y favorecer el crecimiento y organización del

tejido óseo. Este se puede implantar con la condición de que sea compatible, poroso y

biodegradable, y también se le pueden sembrar células del propio paciente. Debe soportar una

carga mecánica sobre el tejido a añadir y tener una tasa de degradación que debe coincidir con

el proceso de la regeneración.

8. CONCLUSIÓN

Debido al amplio abanico de aplicaciones que poseen los biomateriales ayudan a miles de

personas a mejorar su calidad de vida. La prevención, el diagnostico y el tratamiento de

muchos trastornos se han podido realizar gracias a la existencia de nuevos materiales y los

dispositivos en los que forman parte. Aun que los posibles fallos que se produzcan una vez

implantado el material en el cuerpo sean bastante importantes como, deformaciones o

fracturas, el éxito de esta práctica lleva a los pacientes a que finalmente se le realice el

trasplante conllevando con las posibles consecuencias.

También cabrían destacar las grandes posibilidades de desarrollo de este campo hacia un

futuro no muy lejano haciendo posibles cosas que no se pensaban hasta hace poco tiempo.

Por otra parte, debido al largo trabajo de fabricación testeo que llevan detrás los

biomateriales, se requieren grandes cantidades de dinero, por lo que un gran sector de la

población se verá excluido de la capacidad de este campo de la biomedicina.

BIBLIOGRAFÍA

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