Biomateriales

Presentada por:

Dr. Angel Francisco Villalpando Reyna

Departamento de Químico - Biológicas UNISON

Noviembre 2012

2

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.

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.

Un BIOMATERIAL tambien puede ser definido como una sustancia sistémica farmacológicamente inerte, diseñada para la implantación o incorporación dentro de los sistemas vivos (The Clemson University Advisory Board for Biomaterials)

Biostabilidad: capacidad de un material a resistir química o estructuralmente sin una degradación en contacto con un ambiente biológico, Ciencia de Biomateriales

Materiales Biomimeticos: son materiales estructuralmente o químicamente análogos a un componente o tejido , ya sea de planta o de un animal.

Bioinerte: Término empleado libremente para identificar a los materiales que se consideran inertes en un entorno biológico.

Material Bioactivo: Un material que ha sido diseñado para introducir un a actividad biológica específica, Biomaterial que es diseñado para realizar o modular una actividad biologica.

Biocompatibilidad: La aceptación de un implante artificial por los tejidos circundantes y por el cuerpo como un todo.

8

• El desarrollo de implantes han dado a los investigadores incentivos para conocer las reacciones que ocurren entre los tejidos y los diversos implante.

• Al principio del desarrollo de implantes se empleaban principalmente materiales bioinertes tales como alúmina o acero inoxidable.

• Branemark en 1970 introdujo el concepto de oseointegración, el cual une directamente las características funcionales y estructurales, entre el hueso y la superficie del implante.

9

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.

10

Otras aplicaciones especificas:

Aplicaciones Tejidos Suaves Implantes de seno o facial

Aplicaciones en Tejidos Duros Aplicaciones Odontológicas y Ortopédicas

11 1. T

écn

icas

de

Car

acte

riza

ción

12

Microscopia Electrónica de Barrido

13

Tipos de señales que aporta el equipo:Electrones Secundarios: Información Topográfica

Electrones Primarios o Retro-dispersados: Proporciona el numero atómico y el relieve de la muestra

Rayos-X : Proporciona información de la composición química de la muestra

Electrones Auger :Composición Química, sensible a la superficie

14

Microscopia Electrónica de Transmisión

15

Difracción de Rayos X

16

• Los equipos de difracción de rayos-X determinan las características cristalinas y la fase presente en el material.

• Las características cristalinas determinaran ,tanto sus propiedades Físicas, Químicas como Fisicoquímicas.

• Existen cartas cristalográficas, con las cuales se ha

estandarizado el método de detección de fases.

• En un Material es posible encontrar a mas de una fase a la vez.

17

Porosimetría

La medición de la porosidad en un solido puede realizarse a partir de infiltración de un medio líquidos como el Mercurio o Agua , asi como medios gaseosos como el Helio.

Los equipos determinan : Área superficial,Distribución Tamaño de poro.

18

Resistencia Mecánica a la Tensión

19

Resistencia Mecánica a la Flexión

20

Resistencia Mecánica a la Compresión

Resistencia a la compresión compilada de materiales cerámicos basada en 20 diferentes estudios y agrupados por método de fabricación.

22

Espectroscopia de Absorción por Plasma Inducido

La técnica de absorción por Plasma permite cuantificar elementos iones metálicos y no metálicos en ppm que se encuentran disueltos en la solución.

Principio de Disociación-Excitación de Electrones Elementales, que difractan radiación en un amplio espectro de UV-vis.

23

Espectroscopia de Absorción por Plasma Inducido

En Biomateriales es posible identificar la liberación de iones del sustrato que puede influir en la citotoxicidad, así como propiedades anti-bacteriales y bioactivas, analizando las soluciones residuales de las pruebas al material.

24

Espectrofotometría

La técnica de espectrofotometría analiza la absorción de luz visible en un ancho de banda especifica con la cual se puede inferir la reacción del microambiente biológico al material.

Principio de Colorimetría de la solución, que difractan radiación en un amplio espectro de

80-620 UV-vis.

En Biomateriales es posible identificar la acción de un agente indicador metabólico.

25

Magnetometría

La técnica de Magnetometría permite analizar las propiedades magnéticas del material: diamagnéticas, paramagnéticas o magnéticas de los materiales.

Esta técnica es empleada ampliamente en tratamientos de hipertermia para terapias contra cáncer.

26

Análisis Térmico Diferencial

El Análisis Térmico Diferencial (DTA) permite conocer las propiedades térmicas de los materiales a diferentes temperaturas, cambios de fase, perdidas de calor o descomposición del material en otras fases.

27

Técnica de Infra Rojo

El Análisis de Infra Roko por la transformada de Fourier (FTIR) permite hacer análisis de fases a partir de los enlaces químicos entre los iones que se difractan mediante el ensayo.

28 3. E

nsa

yos

de

Hem

olis

is

29

• La Técnica de hemolisis puede proporcionarnos valores confiables para la evaluación de la integridad de los glóbulos rojos.

• Con la centrifugación es posible observar la integridad y morfología de las células sanguíneas en contacto con los diluyentes de los biomateriales.

30

• Por medio de Espectrofotometría es posible realizar una comparación entre un blanco, un control positivo Lauril Sulfato Sódico y las mezclas entre el blanco y el diluyente en diferentes concentraciones y generar curvas de cinética: Concentración en mg/ml vs % de Hemolisis.

314. E

nsa

yos

par

a la

Eva

luac

ión

de

Bio

com

pat

ibil

idad

32

33

Esquema de uso de la cámara Neubauer para el conteo celular.

Sembrado de 10000 células x ml

34

Esquema del proceso de XTT formazán para la evaluación de la metabólica celular. Molécula 2,3-bis[2-methoxy-4-nitro-5-sulfopheny]-2H-tetrazolium-5-carboxyanilide, sal inerte [72].

XTT (Reducción de Formazan)

35

Molécula de hidroclorato 3-amino-7-dimethylamino-2-methyiphenazine utilizada para la medición de integridad celular

NR (Rojo Neutro)

36

Cristal Violeta- Densidad celular

Molécula de cristal violeta para medición de la densidad celular por inclusión del reactivo .  

37

Las muestras biológicas son por lo general tejidos blandos que poseen un alto contenido de agua y muy sensibles a los cambios de presión generados por MEB. Debido a esto, la preparación de las muestras en el caso de sistemas biológicos conlleva una serie de pasos especiales.

Preparación de muestras biológicas para análisis de Microscopia electrónica de barrido

38

Paso 1. Fijación

Para la fijación de las células, con solución 2.5% de glutaraldehido en tampón fosfato PBS (Phosphate Buffered Solution, Sigma) 0,1M, reemplazó progresivo del medio de cultivo por el fijador durante 3 horas a 4ºC

39

Paso 2. Post-Fijación

lavado en PBS 3 veces, 10 minutos cada vez, a 4ºC y seguidamente se por la post fijación con tetróxido de Osmio al 1% con ferrocianuro potásico en tampón fosfato 0,1M, durante 2h a 4ºC.

Tetróxido de Osmio

Ferrocianuro Potásico

40

Paso 4. Deshidratación

Posteriormente, se realizo un lavado y deshidratación progresiva con diferentes concentraciones de Etanol (50, 70, 80, 90, 96 y 100%).

Paso 5. El secado por punto crítico

(CPD, Critical Point Drying).

Estado Líquido Estado Gaseoso

Sin efectos nocivos en la muestra con los efectos de la tensión superficial, (CO2, 31.1°C, 1072 Psi)

41

Paso 4. Recubrimiento conductor de oro a las muestras

Paso 5. Observación de las muestras en el Microscopio Electrónico de Barrido

42

Fig. 7. SEM picture of seeded cp titanium foam under static culture conditions after nine weeks (AB) and under perfusion after three weeks incubation (CF) Osteoblast under static culture condition could only be found on the outer seeded surface with SAOS cells: Broken scaffolds inside view of middle section C: SAOS cells seeded outer surface side D : Human osteoblast seeded surface side E: Human osteoblasts broken scaffold inside middle view F: SAOS cell, unseeded surface side.

435.E

nsa

yos

de

Ost

eoco

nd

ucc

ión

In

vivo

44

45

Fig. 6. Digital photographs of stained (methylene blue/basic fuchsine) histological sections of 3DFT (A), BMSC 3DFT (B), 3DFT+BCP(C) and BMSC 3DFT+BCP (D) after 12 weeks of implantation on lumbar transverse processes. Bone is stained pink/red, Ti alloy black and BCP ceramic dark brown. The transverse process can be seen at the bottom of the implants and Teflon plates are visible between the implants.

46 5. C

rite

rios

de

Eva

luac

ión

47

• Los materiales deben de demostrar las propiedades requeridas para el dispositivo, sin la presencia de elementos pesados o composiciones toxicas comprobadas.

• Probar nuevos biomateriales con Modelos Celulares dependiendo de su aplicación.

• En caso de los Ensayos in vivo con los protocolos profesionales.

• Los Ensayos in vivo deben de realizarse para estudios pre-hospitalarios o pre-clinicos proponiendo aplicarse y cumplir normativas de FDA u otra norma nacional aplicable.

481. F

osfa

to d

e C

alci

o y

Reg

ener

ació

n d

e T

ejid

o Ó

seo.

49

Estudios de DRX y análisis químico en 1926 identificaron la fase mineral de la dentina, esmalte y hueso como fosfato de calcio de estructura apatita conocida comúnmente como hidroxiapatita cristalina con una fase cristalina de (Ca)10(PO4)6(OH)2.

Sin embargo también se encontraron fases no estequiometrias de la estructura por elementos tales como el Flúor y el Magnesio.

50

Fosfatos de Calcio en los Sistemas Biológicos

Fosfato de Calcio Composición Química En donde es posible encontrarlo?

Hidroxiapatita (Ca,M)10(PO4,Y)6Z2 Esmalte, Dentina, Hueso, Calculo urinario, calcificación de tejido suave, piedras

Octa-calcio fosfato, OCP Ca8H2(PO4)6.5H2O Calculo Dental oUrinario

Brushita fosfato di-calcio di-hidratado, DCPD

CaHPO4.2H2O Calculo dental, condrocalcinosis,

hueso descompuesto

Whitlockita, fosfato tri-calcio, β-TCP

(Ca, Mg)9(PO4)6 Calculo dental y urinario, caries en dentina, cartílago artrítico, calcificaciones de tejido suave

Pirofosfato de calcio di-hidratado

Ca2P2O7.2H2O Depósitos en fluidos sinoviales

51

Fosfatos de Calcio en la Fabricación de Implantes• La inserción de un implante en el cuerpo - intensa

interacciones entre la superficie del implante y los fluidos corporales.

• En la interfase ocurren reacciones a escala molecular del tipo de disolución del ion del material, disociación, adsorción y desnaturalización de proteínas. (KLEIN et al., 1993).

• Para el diseño de materiales biodegradables - evaluar la tasa de reabsorción al igual que la tasa de crecimiento óseo.

522. S

caff

old

s y

la

Reg

ener

ació

n d

e T

ejid

os

53

Los inicios del concepto de scaffold para la ingeniería de tejidos fue a desarrollado en la década de los 1980s cuando el Dr. Joseph Vacanti de el hospital infantil se acerco al Dr. Robert Langer del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Hoy en día, la ingeniería de tejidos cubre la combinación de Células Viables, Biomoleculas y los Scaffolds (preformas porosas) para promover la regeneración de tejidos.

54

La tecnologia ha dado la pauta para la generación de Scaffolds en base a diferentes tecnologias a Cerámica (Fosfatos y Vidrios), Metáles (Ti6Al4V) y Poliméros (Copolimeros PLA/Poliglicol, Poli orto-esteres, Poli-coprolactona ) o Biomoleculas (Colageno).

La remodelación de tejido es importante para lograr condiciones biomecánicas y vascularización del sitio huésped.

55

Los Scaffolds pueden mantener la integridad durante el proceso de crecimiento celular in vitro e in vivo. El grado de remodelación depende del tejido (Piel 4-6 semanas , Hueso 4-6 meses), Anatomía y Fisiología.

Los Scaffolds permiten la adherencia celular inicial y migración celular a través del volumen del poro interconectado, transferencia de nutrientes y metabolizantes, dando el espacio para desarrollar y remodelar el tejido.

56

La cinética de degradación y reabsorción de los Scaffolds necesitan ser diseñados basados en la relación de las propiedades mecánicas, peso molecular, perdida de masa y desarrollo de tejido

Estudios a demostrado la dependencia de las propiedades mecánicas sobre la porosidad del scaffold.

571. S

iste

mas

Lib

erad

ores

de

Med

icam

ento

58

Las bacterias son microorganismos unicelulares que presentan un tamaño de unos pocos micrómetros (entre 0,5 y 5 mm, por lo general) y diversas formas incluyendo esferas (cocos), barras (bacilos) y hélices (espirilos).

Las bacterias son Procariotas y, por lo tanto, a diferencia de las células eucariotas  (de animales, plantas , hongos etc.), no tienen el núcleo definido.

59

El objetivo de la liberación controlada ha ganado reconocimiento en las terapias modernas.

El uso de nano partícula para específicamente entrega de drogas a tumores ofreciendo la posibilidad atractiva de eliminar los obstáculos que ocurren durante las procedimientos de administración de drogas.

Avances en el área de Liberación de Medicamentos para el tratamiento de Cáncer

60

El esquema los principales sistemas liberadores de drogas actualmente investigados en varios sitios experimentales y clínicos son:

Aplicación directaAcumulación de pasivos de drogas, Físicamente enfocadoUso de moléculas vector

61

Los Métodos mas comunes de manufactura de sistemas liberadores son Impregnación, Reacciones Químicas Encapsulación polimérica Vehículos Solubles.

62

Gracias !!