Biomateriales

Dr. Angel Francisco Villalpando Reyna

PARADIGMA CENTRAL

DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

William D. Callister Jr., Materials Science and Engineering An Introduction

Propiedades

Microestructura

Procesamiento

Hoy en día, el área médica

demanda materiales con

apropiadas propiedades

mecánicas, biocompatibles

y, en algunos casos, de alta

bioactividad al estar en

contacto con ambientes

biológicos.

Las demandas de este tipo de

materiales va cada ves mas

demandante acorde a los

avances de la tecnología y

la cirugía medica.

3

La inversión económica realizada en el área en

EUA en el año 2000 fue cercana a $117.2 billones

de dólares estadounidenses tan solo en el tópico de

regeneración ósea.

A nivel mundial la industria biomédica es de las de

mas alto crecimiento, debido al incremento a la

expectativa de vida de la población, y aumento

de enfermedades crónico degenerativas de la

población.

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Un BIOMATERIAL es un material usado para hacer

dispositivos que remplazan una parte o una función del

cuerpo en forma segura, fiable, económica y

fisiologicamente aceptable (Hench and Erthridge,

1982).

Un BIOMATERIAL puede ser simplemente definido

como un material sintetico empleado para remplazar

parte de un sistema o funciones en contacto intimo

con el tejido vivo.

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Desarrollos notables relacionados a Implantes

Año Investigaciones Desarrolladas

Antes en los sigos18th–19th Varios de dispositivos metálicos para el arreglo de fractura de hueso han sido encontrados

en vestigios arqueologica; alambres y clavijas de Fe, Au, Ag, and Pt

1860–1870 J. Lister Aparicion de la cirugia Asceptica

1886 H. Hansmann Desarrollo de la primera Placa de Acero-Ni para fractura osea

1893–1912 W.A. Lane Tornillos y placa ( Fractura lineal)

1912 D. Sherman Placa de acero al Vanadio Primero en desarrollarse para uso medico,

con menor concentración de estrés y corrosion (Sherman Plate) .

1924 A. A. Zierold Introducción de la primera aleación en base a CoCrMo Stellites®

1926 M.Z. Lange Introducción de acero inoxidable 18-8sMo, mejor que el acero inoxidable

18-8

1926 E.W. Hey-Groves , Uso de los tornillo Carpenter’s para fractura de cabeza femoral

1931 M.N. Smith-Petersen Primer dispositivo de fijacion en fractura de cuello femoral

hecho de acero inoxidable

1936 C.S. Venable, W.G. Stuck Introducción del Vitallium®(19-9 acero inoxidable),

posteriormente cambiado por aleaciones de CoCr .

1938 P. Wiles Primer reemplazo total de Cadera

1939 J.C. Burch, H.M. Carney Introducción del Tantalum (Ta)

1946 J. and R. Judet Primer diseño biomecánico de remplazo de cabeza femoral; Empleo de

primer plástico (Polimetilmetacrilato - PMMA) usado para el reemplazo de articulacion

1940s M. J. Dorzee, A. Franceschetti Primer acrílico empleado (PMMA) para remplazo

corneal .

1947 J. Cotton Introducción de aleaciones de Ti y Titanio puro

6

1952 A. B. Voorhees, A. Jaretzta, A.B. Blackmore. First successful blood vessel replacement

made of cloth for tissue ingrowth

1958 S . Furman, G. Robinson First successful direct heart stimulation

1958 J. Charnley First use of acrylic bone cement in total hip replacement on the advice

1960 A. Starr, M. L. Edwards First commercial heart valves

1970s W. J. Kolff Total heart replacement, L. Hench develop Bioactive materials

osteoinductive materials

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• Prótesis articulares

• Placas óseas

• Cemento óseo

• Articulación de la cadera

• Ligamentos y tendones artificiales

• Implantes dentales para la fijación del diente

•Válvulas del corazón

•Dispositivos para reparación de la piel

•Reemplazos cocleares

• Lentes de contacto

Articulación de la cadera

Válvula de

corazón

Articulación

de la rodilla

Piel

Biomateriales & Aplicaciones Actuales

Biomateriales & Aplicaciones Emergentes

APPLICATION TYPES OF MATERIALS

Skeletal System

Replacement Joints, Plates, Srews Ti, Ti-Al-V, SS, UHDPE/UHMWPE, Allografts

Bone replacement/regeneration Hydroxyapatite, Glass-Ceramics, DMC, CAP, Stem Cell

Bone cements PMMA, BisGMA, TEGDMA

Artificial tendon and liigament ePTFE, PET

Dental Restoratives and Implant Methacrylates, Ti, Alumina, PFM, Ca(PO4)2

Cardiovascular System

Vascular implants PET, ePTFE, autografts, allografts, SIS

Heart Valves xenografts, SS, carbon/PET

Catheters PDMSe, PUR, HDPE, PTFE, Polyamides

Cardiovascular Tissue Stem Cells, autografts, allografts

Organs

Artificial Heart (VADs) PUR, PC, PDMSe

Skin replacement PDMSe-Collagen Composites, HEMA hydrogels

Kidney, Bladder Cellulose, PAN, SIS

Heart-Lung Machine PDMSe

Dialysis PDMSe, Cellulose, PSF

Sensory

Cochlear Implants Pt

IOLs PMMA, PDMSe, HEMA hydrogels

Contact Lens Acrylate/PDMSe Hydrogels

Relación entre los Materiales & el Cuerpo Humano

**

*

*

*

*

*

Composición del cuerpo

25%

45%

30%

Composición del Hueso

Agua

Fosfato y carbonato de

calcio

Colageno y otras

proteinas

6.

Áre

as

de

Ap

lica

ción

de

los

Bio

mate

riale

s

12

13

Biomateriales

Biofarmacéutica

Liberadores de medicamentos

Identificación y síntesis de medicamentos

Materiales para implantes

Reparación y reemplazo de tejidos

Materiales para implantes, reparación y reemplazos estructurales

Dispositivos implantablesDispositivos para la evaluación , diagnostico y

tratamiento

Dispositivos sensoriales

Dispositivos quirúrgicos Herramientas quirúrgicas

Herramientas, dispositivos y equipos de diagnóstico

Pruebas genéticas

ImágenesComprensión de los procesos básicos de la vida

Biomateriales un área

MultidisciplinariaLa Ciencia de los Biomateriales es considerada como la másmultidisciplinaria de todas las ciencias, ya que abarca aspectosrelacionados con:

• Medicina

• Biología

• Química

• Ingeniería

• Ciencia de los Materiales

…

…

…

Biomateriales un área

Multidisciplinariaespecialistas en materiales

Bioingenieros

CirujanosFarmacéuticos

BiólogosInmunólogos

...

...

Biomateriales & Cuerpo Humano

BIOMATERIALES

METÁLICOS CERÁMICOSPOLÍMEROS

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oMetales:oAcero 316L

oAleaciones Co-Cr

oTitanio Puro

oTi6Al4V

oTantalio

oNitinol

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oAplicaciones:o Alambres Guías

o Válvulas mecánicas de corazón

o Implantes ortopédicos e

odontológicos

o Placas para fracturas

o Clavos y tornillos

o Soportes para corazones

artificiales

o Comandos para marca-pasos y

estimuladores eléctricos

implantables

19

oCerámicos:oAlúmina (Al2O3)

- Alta densidad

- Mono cristalina

oCircona (ZrO2)

oHidroxiapatita

oFosfato Tricalcico

oBio-vidrios

oVitrocerámico

20

oAplicaciones:o Recubrimientos de implantes

Endoóseos .

oUnión ósea

o Cirugía Reconstructiva

oImplantes Odontológicos

oImplantes Ortopédicos

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oPolímeros:oAcrílicos

oPoliésteres

oPoliuretanos

oPoliamidas

oSilicones

oPolimetilmetacrilato

oPolímeros Epoxicos

oCo-polímeros de acido

láctico – acido glicolico

oPoli coprolactona

oPoli orto esteres

22

oAplicaciones:o Liberación controlada de Medicamento

o Unión ósea

o Suturas

o Cirugía Reconstructiva

o Placas Ortopédicos

o Catetes

o Tubos

oVálvulas Cardiacas

oCemento Óseo

o Lentes intraoculares

oSoporte para implantes extra corpóreos

oImplantes para cirugía Plástica

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oMateriales ReabsorbiblesoHidroxiapatita de baja

densidad

oFostato tricalcico

oCo-polimeros de Acido

Polilactico/ Poliglicolico

oPoliaminoacidos

oPoli ortoesteres

oPoli coprolactonas

oColágeno

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oAplicaciones:

o Implantes Óseo

o Injertos Vasculares

o Válvulas Cardiacas

o Tendones

o Ligamentos

o Sustitutos de Pericardio

o Relleno Óseo

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oCarbono:

o Carbono pirolítico

(isotrópico de baja

temperatura)

o Carbono isotrópico de

ultra baja temperatura

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oAplicaciones:o Válvulas cardíacas y grupos

cardiovasculares.

o Grupos en polímeros sensibles

a la temperatura.

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oMacro Moléculas Derivadas:oQuitosano

o Colágeno

o Elastina

o Ácido hialuronico

oAcetatos de celulosa

o Fosfo-lipídos

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oAplicaciones:o Membranas de Hemodiálisis

o Liberación controlada de

medicamento

oAnti adhesivos

o Tejidos para corazón

o Suturas

o Tejidos experimentales trombo-

resistentes

oSistemas curativos

o Órganos híbridos

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oRecubrimientos Pasivos:oAlbumina

o Cadenas de Alcanos

o Flourcarbonos

o Ácido hialuronico

o Hidrogeles

oAceite de Silicón

oAplicaciones:o Tromboresistente

o Lubricante de

Agujas

oArrastre reducido

de cateters

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oRecubrimientos Bioactivos:o Hidroxiapatita

oTromboresistencia

oMembranas

Antimicrobianas

oTromboliticos

oProteinas

oPeptidos

oAplicaciones:o Tromboresistente

o Mejorar

adherencia celular

oResistencia a la

Infección

oRecubrimiento de

implantes endoóseos

Bio-Materiales

Materiales

Bioinertes

Materiales

Biodegradables

Materiales

Bioactivos

31

32 8. A

pli

caci

on

es E

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tolo

gia

Biomateriales & Medicina

APLICACIONES: REEMPLAZO DE

DIENTES

• Previene la pérdida de apoyo a la raíz.

• Aumenta la eficiencia de masticar.

• Previene la reabsorción ósea.

• Mantener los dientes sanos.

• Estética.

Biomateriales & Medicina

Materiales para aplicaciones dentales

• Rellenos: amalgamas, resinas acrílicas, cerámicos.

• Implantes de raíz y fijación: aleaciones de titanio.

• Dientes: porcelana, resinas, cerámicos.

• Cementos/resinas: acrilatos.

• Puentes: Resina y metales (Au, CoCr).

• Frenos: acero inoxidable, nitinol y cerámicos.

Frenos (Brackets)

metálicosFrenos (Brackets)

cerámicos

Biomateriales & Medicina

TRATAMIENTOS DENTALES

369. P

rin

cip

io d

e In

gen

ieri

ad

e

Tej

idos

• El desarrollo de implantes han dado a losinvestigadores incentivos para conocer lasreacciones que ocurren entre los tejidos y losdiversos implante.

• Al principio del desarrollo de implantes seempleaban principalmente materiales bioinertestales como alúmina o acero inoxidable.

• Branemark en 1970 introdujo el concepto deoseointegración, el cual une directamente lascaracterísticas funcionales y estructurales,entre el hueso y la superficie del implante.

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El criterios de selección de biomateriales es basada en

diversas aplicaciones.

• Extra corporal, aquellos materiales que estén en

contactos con Fluidos Fisiológicos, que remueven

impurezas o le retornan la sangre.

• Dispositivos que son insertados en los vasos

sanguíneos.

• Dispositivos permanentemente implantados para la

sustitución de tejido dañados.

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Otras aplicaciones especificas:

Aplicaciones Tejidos Suaves

Implantes de seno o facial

Aplicaciones en Tejidos Duros

Aplicaciones Odontológicas y Ortopédicas

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