Cerámicos y Vidrios en Medicina

7/25/2019 Cermicos y Vidrios en Medicina

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en Medicinaen Medicina

Dr. Andres [email protected]

Grupo de Biomateriales paraGrupo de Biomateriales para PrtesisPrtesis

Instituto de CienciasInstituto de Ciencias dede la Ingenierala Ingeniera

Instituto de Ingeniera BiomdicaInstituto de Ingeniera Biomdica

Facultad deFacultad de IngenieraIngeniera

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CermicosCermicos

compuestos inorgnicos que contienen elementos metlicos y nometlicos.

ligados por medio de enlaces inicos o covalentes, y producidos por lo general a

altas temperaturas.

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Cristalino

versus

AmorfoCristalino

versus

Amorfo

Cermicos:sl idos cr istalinos que tienenorden de largo alcance,

compuestos de granos orientados en mltiples direcciones.

Vidrios: materiales con orden de corto alcance, que

generalmente no forman granos individule.

VitroVitro--cermicoscermicos:: slidos policristalinos obtenidos por

cristalizacin controlads (devitrificacin) de vidrios.

La mayor parte de los cermicos estructurales son cristalinos.

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VIDRIOSVIDRIOScompuestos inorgnicos producidos por medio de fusin y

enfr iamiento rpido, obvianto la etapa de cristalizacin.

.

el orden atmico de corto alcance.

tomos o molculas

aleatoriamente obtenidos porenfriamiento rpido del materialfundido (103-107 K/s)

Superficie metlica solidificadarpidamente bombardeada con

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Estructura Amorfa: ORDEN ATOMICOEstructura Amorfa: ORDEN ATOMICO

Rangos de ALCANCE

Estructura de corto alcance(Orden local) estructura amorfa

Estructura de alcance intermedio

Estructura de largo alcanceestructura cristalina

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Materiales POLICRISTALINOS

Formados por granos o monocristales

orden atmico o molecular delargo alcance en cada grano o

bordes

monocr s a

borde de grano

grano

Ej. La mayor parte de los materiales de

uso cotidiano son policristalinos

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(cermicos, metlicos)


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Cristalino vs AmorfoCristalino vs Amorfo

La distinccin entre cristalino y amorfo se puede realizar por

difraccin de rayos X.

CRISTALINO AMORFO

80

100

S is te m a G a T e S n

40

60

ntensidad Si O

2Cuarzo policristalino (en polvo)

Radiacin K del Cu D

ens

id

ad

a d i s ti n ta s c o m p o s i c io n e s

R a d i a c i n K d e l C u

20

I

B

C

In

t

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20 30 40 50 60 70 80 90

0

2

1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

A

2


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Vidrio: estructura de corto rangoVidrio: estructura de corto rango

Corresponde a la primera esfera de coordinacin

El orden de corto alcance ocurre en algunas de las siguientes estructuras:

Nmero de coordinacin atmico local

os r gona es, e ra- r cos, oc a r cos, o eca- r cos, e c.

Tipo de ligadura atmica local

Inica, covalente, parcialmente covalente, metlica, etc.

Ligaduras Homopolares vs. Heteropolares

Si - O, B - O, Ge - S son ejemplos de heteropolares.

-Se - Se- , -C - C-, -As - As- son ejemplos de homopolares

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Vidrio: estructura de corto rangoVidrio: estructura de corto rango

Longitud de las l igaduras

B - O, Si - O, P = O estn caracterizadas por un largo de

ligadura bien definido

Sitios trigonales, tetra-hdrico o octa-hdricos tienen bien

definido el ngulo entre ligaduras

Nmero de ligaduras, ligaduras simples y dobles, ligaduras

fraccionarias.

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CERMICOS y VIDRIOSCERMICOS y VIDRIOS

Los CERMICOS y VIDRIOS son usados en implantes, revestimientos

de prtesis, rellenos seos o injertos. En el pasado han sido ensayadas

docenas de composiciones, pero un nmero relativamente pequeo ha

.

procesado y estructura; describiremos las diferencias de sus

propiedades fsicas sobre la base qumica y micro-estructural, y surespuesta para determinadas aplicaciones clnicas.

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CERMICOS, VIDRIOS y VITRO-CERMICOS

Los cermicos, vidrios y vitro-cermicos cubren un amplio rango de

composiciones inorgnicas y no metlicas.

anteojos, instrumentos de diagnstico, recipientes qumicos,termmetros, frascos para cultivo de tejidos, fibras pticas para

en oscop a.

Losvidrios porosos e insolubleshan sido usados como portadores

de enzimas antibiticos ant enos ofreciendo venta as de alta

resistencia al ataque microbiano, los cambios de PH, las condiciones

del solvente, la temperatura y el empacado bajo altas presiones

.Los cermicos han sido ampliamente usados en odontologa como

materiales para la restauracin, en las coronas de oro-porcelana, los

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cementos de ionmeros rellenos con vidr io, y las dentaduras.


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.

.

VENTAJASVENTAJAS DESVENTAJASDESVENTAJAS

Inertes o bioactivos en el cuerpo.

resistencia a la fractura)

La reactiviad qumica puedeadaptarse a las aplicaciones

La resistencia a la tensin baja (aexcepcin a las f ibras)

especficas.

El mdulo elstico (rigidez)

compresin muy elevados

La tolerancia baja a la formacin

de grietasResistencia al desgaste elevada(aplicaciones ortopdicas &dentales)

El mayor problema es la tenacidada la fractura (la sensibiliad a lasgrietas).

Materiales estticos paraaplicaciones dentales

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CERMICOS,CERMICOS, VIDRIOSVIDRIOS YY VITROVITRO--CERMICOSCERMICOS

Los materiales cermicos son frecuentementeslidos,compuestos

inorgnicos formados por elementos metlicos y no metlicos

mantenidos unidos por medio deenlaces inicos o covalentes. Los

cermicos incluyen compuestos como el cuarzo (SiO2), formados

por oxgeno (no metlico) y silicio (con propiedades intermediasentre un elemento metlico y no metlico), la almina (Al2O3), o la

zirconia (ZrO2). Los cermicos tienen tomos empaquetados en

forma similar a los metales que satisfacen los requerimientos de

coordinacin espacial para los enlaces covalentes y la neutralidad decarga para los enlaces inicos.

Los materiales cermicos son rgidos, resistentes al desgate (en

superficies duras e hidroflicas). La naturaleza frgil de estosmateriales limita su uso en aplicaciones de carga elevada. Adems,

manifiestan bicompatibil idad cuando son procesados

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apropiadamente para alcanzar altas purezas.


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Aplicaciones BsicasAplicaciones Bsicas

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TiposyAplicacionesTiposyAplicaciones

Almina, Zirconio, Hidroxiapatita, fosfatos de calcio, vidrios bioactivos.

Materiales cermicos porosos exhiben resistencias mejnicas bajas, peroson muy tiles para el revestimiento de prtesis metlicas y rellenos

seos.

os reves m en os ayu an con a ac n e os mp an es a os e os,

por medio de latraba mecnicay la provisin de superficies porosas y

rugosas adecuadas para el crecimiento de tejido adyacente.

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Tipos y AplicacionesTipos y Aplicaciones

Los materiales porosos son frecuente lt iles como soportes

la ingeniera de tejidos.

Ciertos cermicos son consideredosbioactivossi permiten formar

enlaces qumicos con el tejido seo.

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AplicacionesOrtopdicasAplicacionesOrtopdicas

Placasytornillosseos

omponen esparareemp azo o a opar a eca era ca eza emora

Revestimientosde

prstesis

metlicas

para

el

controlde

la

respuesta

interfasial

implante/tejido

Substitutosdepiezasofragmentosseos

Prstesisvertebrales,separdoresvertebrales

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Aplicaciones OrtopdicasAplicaciones Ortopdicas

Las aplicaciones ortopdicas se orientan

1- La manufactura de componentes que

unc onen como super c es ar cu ares

bajo cargaen prtesis de cadera (cotilo y

cabeza de femoral), donde exhiben una altaresistencia al desgaste, superior a los

metales.

Para este fin se utilizan almina y zirconia

muy densos y pulidos.

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2- La re aracin o reem lazar los te idos

conectivos duros del esqueleto. Sustitutosde injertos seos y revestimiento de

implantes metlicos donde intervienen

cermicos menos densos y ms porosos,

tales los compuestos de fosfato de calcio y

los biovidrios (SiO2,-Na2O-CaO-P2O5), que

son osteoconductivos proporcionando

super c es que se an a ueso.

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Componentes femorales

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Aplicaciones OdontolgicasAplicaciones Odontolgicas

EsmaltesEsmaltes Restauraciones dentales (corona y puente) Implante (revestimientos implant, mantencin

de bordes)

EsmaltesEsmaltes

r o onc a or o on cs roc es

Cementis and adhesivos de ionmeros vtreos

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Aplicaciones Odontolgicas Porcelanas dentalesAplicaciones Odontolgicas Porcelanas dentales

Composicin ternaria = Mezcla de K2O-Al2O3-SiO2feldespato (silicato de

potasio hidratado), cal (silicato de alumino anhidro), y cuarzo (SiO2)

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OtrasAplicaciones

Implantesdeodointerno(implantescocleares)

Dispositivosdesumonistrodedrogas

Implantesoculares

Vlvulascardacas

implantes cocleares

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--

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Interacciones cermicoInteracciones cermico--tejidotejido

La secuencia de eventos que pueden siguir a la implantacin decermicos:

mineralizacin rpida de la superficie

colonizacinde osteoblastos

ligaduraentre lafase mineral formada y

a super c e e mp an e

continuidad estructuralcon el hueso

c rcun an e

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MECANISMO de FIJACIN del TEJIDOMECANISMO de FIJACIN del TEJIDO

Ningn material implantado en un tejido vivo es inerte, pues todos los

materiales generan una respuesta de los tejidos vivos.

Si el material es txico El tejido circundante muere

Si el material no es txico ybiolgicamente inactivo (casi

inerte)

Se forma tejido fibroso de espesorvariable

Si el material no es txico ybiolgicamente activo(bioactivo)

Se forma un enlace interfacial

e ma er a no es x co y sedisuelve e o c rcun an e o reemp aza

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TIPOS de BIOCERMICOS

Tipo 1 Biomateriales casi inertes

Tipo 2 Materiales micro-porosos casi inertes

po os oma er a es rea sor es

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TiposdeInteraccionesconlostejidosTiposdeInteraccionesconlostejidos

FijacinFijacin morfolgicamorfolgica:ocurre encermicos no porosos, densos e inertes(ej. Al2O3):

Los tejidos blandos o duros se fijan por medio de un enlace adhesivo favorecida

por la presin sobre la superficie. Las clulas crecen en las irregularidades

superficiales y dentro de los defectos.

FijacinFijacin bilgicabilgica:ocurre encermicos porosos e inertes(ej. Al2O3) attach by bone

resulting from ingrowth (into pores) resulting in mechanical attachment of bone

o ma er a erme o og ca xa on

FijacinFijacin bioactivabioactiva: ocurre en cermicos no porosos, densos y reactivos

superfialmente. Aqu, existe un enlace qumico entre el cermico o vidrio biactivos

los tejidos seos (ej. Bioglass, rellenos seos absorbibles de sales de calcio,

hidroxia atita .

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ACTIVIDAD QUMICA RELATIVA de los BIOCERMICOSACTIVIDAD QUMICA RELATIVA de los BIOCERMICOS

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FIJACION de TEJIDOSFIJACION de TEJIDOS

La reactividad relativa correlaciona muy aproximadamente con el

ritmo de formacin de un enlace interfacial del implante cermico,

vtreo, o vitro-cermico con el hueso.

Lareactividad relativade un implanteafecta al espesor de la zona

interfacialo a la capa entre el material y el tejido.

Los anlisis de las fallas del material del implante durante los lt imos

20 aos muestran que por lo general las fallas se originan en la

- .

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CAPA INTERFACIAL de TEJIDO FIBROSO

Comparacin del

espesor de una

capa interfacial de

tejido fibroso (m)

orma o en re un

implante y el hueso

en el caso de unbiocermico

bioactivo y otro

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TTipoipo 11 CermicosCermicos CASICASI INERTESINERTES

.Si existe unmovimiento relativoy progresivo sedesarrol la una cpsula

fibrosa en los tejidos blandosy duros, contribuyendo exhibenfijacin

.

biomaterial y el tejido conduce eventualmente al deterioro de la funcindel implante o el tejido en la interfase, o ambos. El espesor de la

cpsula no adherente varia en funcin del material y la extensin del

movimiento relativo.

2 3

muy fino. Por este motivo, si el implante es sujeto a una fijacin

mecnica muy rgida y cargado principalmente por compresin

presenta un resultado exitoso. En contraste, si el implante es cargadode modo que ocurra un movimiento, la cpsula fibrosa alcanza un

espesor de varias centenas de micrn y el implante puede aflojarse muy

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rpidamente.


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TipoTipo 22 cermicoscermicos MICROMICRO--POROSOSPOROSOS CASICASI INERTESINERTES

El mecanismo que justifica el empleo de los materiales

micro orosos es el crecimiento seo dentro de los oros de la

superficie del implante. La gran extensin del rea interfacial entre eltejido y el implante conduce a una alta resistencia al movimiento del

dispositivo en el tejido. La interfase se establece por el tejido vivo en

los poros. Consecuentemente, este mtodo de fi jacin es

denominado fijacin biolgica . Es capaz de soportar a los estadosde tensin ms complejos que los implantes del tipo 1, que exhiben

f ijacin morfolgica . Es fundamental para el xito de los

mp an es e po que os poros engan ama os compren os

entre 50 a 150m.

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TIPOTIPO 22 cermicoscermicos--vidriosvidrios MICROMICRO--POROSOSPOROSOS CASICASI INERTESINERTES

El rea interfacial grande

producido por la porosidad es

favorable para proveer un

suministro de sangre al tejido

conectivo ue crece en su interior

(el tejido vascular no aparece en

poros menores a 100m).

Si existe micro-movimiento, en la interfase de un implante poroso,

puede ocurrir la siguiente secuencia de eventos:

el tejido es daado la irrigacin sangunea interrumpida el tejido

muere

la inflamacin inicia

la estabil idad interfacial es destruida.

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TIPOTIPO 22 cermicoscermicos--vidriosvidrios MICROMICRO--POROSOSPOROSOS CASICASI INERTESINERTES

Cuando el material poroso es metlico, el incremento del rea

para la prdida de iones metlicos en los tejidos.Esto puede ser remediado por medio del revestimiento del implante

metlico con cermicos bioactivos, tales como lahidroxiapatita (HA).

En cualquier material la porosidad degrada la resistencia su resistenciamecnica proporcionalmente a la fraccin en volumen de los poros.

Por este motivo, esta aproximacin funciona bien cuando los

libres de carga.

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TTIPOIPO 33 cermicoscermicos yy vidriosvidrios MMATERIALATERIALEESS BIOACTIVOSBIOACTIVOS

Otra forma de resolver los problemas de la fijacin interfacial es por

medio de los materiales bioactivos. Estos materiales sonintermedios

entrelos reabsorbibles y los bioinertes. Un material biactivo genera

una respuesta biolgica en la interfase del material, resultando laformacin de unenlace entre el tejido y el material.

Este concepto se ha extendido para incluir un nmero grande de

materiales bioactivos con un amplio rango de enlace y espesor de lascapas de interfaciales de adhesin.

Todos estos materiales forman un enlace interfacial con el tejido

. , ,

resistencia del enlace, los mecanismos de enlace, y el espesor de la

zona de enlace son diferentes para cada uno de ellos.

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TTIPOIPO 33 cermicoscermicos yy vidriosvidrios MMATERIALATERIALEESS BIOACTIVOSBIOACTIVOS

Es importante reconocer que los cambios relativamente pequeos en la

composicin pueden afectar drsticamente el comportamiento de

, .

caractersticas y propiedades son tambin funcin del mtodo deprocesado. Estos incluyen a como:

vidrios bioactivos (Bioglass)

vitro-cermicos biactivos (Ceravital, A-W y losmaquinables)

hidroxiapatita densa (Durapatite o Calcit ite)

composites bioactivos (Polietileno-HA, Biovidrio-HA,

Palavital, biovidrio reforzado con

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fibras de acero inoxidable)


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TTIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLESIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLES

Son diseados para ladegradacin gradualen un perodo de tiempo

y e reemp azo por e o na ura e organ smo. s o con uce a a

formacin deinterfaces muy finas o inexistentes.

,

requisitos de resistencia y la prestacin a corto plazo pueden

satisfacerse, pues los tejidos naturales se pueden reparar yreemplazar por si mismos.

Los materiales bioabsorbibles estn basados en principios

o g cos e reparac n, y que son e resu ta o e a evo uc n e

mil lones de aos.

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Las complicaciones del desarrollo de biocermicos reabsorbibles son:

durante el perodo de degradacin y reemplazo por tejido natural.

2) Elajuste de las velocidades de reabsorsin con las velocidades de

reparacin de los tejidosdel cuerpo (por ejemplo algunos materiales se

.

3) El uso de volmenes grandes de material a reemplazar, requiere

que el biomaterial reabsorbible debe contener sustanciasmetablicamente aceptables. Este criterio impone limitaciones

considerables en el diseo de com osicin del biomaterial reabsorbible.

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Los materiales reabsorbibles que han tenido xito incluyen:

cidos polilctico y poliglicol usados para suturas, y que son

metabolizados en C02y H20, y por lo tanto, son capaces de funcionar

.

fosfato triclcico,TCP, en forma porosa o de partculas es un ejemplode material cermico reabsorbible de probada eficiencia para el

reemplazo de tejidos duros cuando son aplicadas cargas bajas.

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PROCESADO DE CERMICOSPROCESADO DE CERMICOS

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CARACTERSTICAS y PROPIEDADES del BIOCERMICO

Composition Estado de la fase

Estructura Cristalina

Microestructura

Nmero de fases

Defectos de la estructura

Estructura Amorfa

Porcentaje de fases

Distr ibucin de fases

Estructura de poros

Tamao de fases

Conectividad of fases

Planaridad

Acabado

Forma ComposicinSegunda fase

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Porosidad


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PROPROCESADOCESADO de los BIOCERMICOSde los BIOCERMICOS

microestructuras:

1. Vidrio

2. Cermico policristalino por rociado por plasma

.

4. Cermico sinterizado en fase slida

. -

Las diferencias de las microestructuras de las 5 categoras son el

resultado rimario de los diferentes asos del rocesado trmico ara

producirlos.

La almina y los biocermicos de fosfato de calcio son fabricados a

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partir de polvos constituidos por partculas slidas muy pequeas.


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PROPROCESADOCESADO de BIOCERMICOSde BIOCERMICOS

Las formas ms diversas de piezas pueden obtenerse por:

1. Mezcladode estos polvos con aguay adhesivos orgnicos

2. Moleadopor varios procedimientos posibles

a- Prensado en fro molde (proceso de formado). Esta pieza formada,

denomina cruda.

b- Prensado en caliente(conformacin isoesttica, inyeccin)

c-Slip casting

d- Gelcasting(moldeado en fro de barbotinas)

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. .

4. Pirlisis de componentes adhesivos orgnicos para obtener elbizcocho.

5. Calentamiento a temperatura ms alta promoviendo el enlace

qumico entre las partculas (sinterizado).

5. Enfriamientoa temperatura ambiente.

6. Acabo f inal (pulido).

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RUTASRUTAS dede MOLDEADOMOLDEADO Agentes Defloculantes

Dispersantes

TensioactivosIniciadores de reaccin

Catalizadores

AditivosMonmeros

Polmeros adhesivos

Formulacin de Barbotina Moldeado

SolventeSolventesorgnicos

PolimerizacinAgua

Eliminacinde solventes

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PirlisisSinterizadoPieza


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Menores Costosde produccin

de pirlisis

Sim lificacin

VENTAJAS DEL SLIPVENTAJAS DEL SLIP

de manufactura Menores tensionesresiduales

y GEL CASTINGy GEL CASTING

respecto al moldeo por

presin

inyeccin, extrusin,

prensas ni matricesmetlicas

dimensional

pequeas escalas de

produccinPreparacin

rpida de

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prototipos


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RUTASRUTAS dede MOLDEADOMOLDEADO

porpor

(prensado o extrusin debarbotinas)

MOLDEADOMOLDEADO SLIP CASTINGSLIP CASTING

(colada en fro de barbotinas en

GEL CASTINGGEL CASTINGco a a en r o e ar o nas en

moldes impermeables)

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MOLDEADO por PRENSADO yMOLDEADO por PRENSADO y SINTERIZADOSINTERIZADO

La almina y los biocermicos de

fosfato de calcio son fabricados a

partir de polvos constituidos por

.

Las formas ms diversas de

piezas pueden obtenerse pormezcla de estos polvos con agua

y adhesivos orgnicos y

rensado en un molde roceso

de formado) y el sinterizado.

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MOLDEADO por PRENSADO yMOLDEADO por PRENSADO y SINTERIZADOSINTERIZADO

El tratamiento trmico que favorece el transporte de masa entre losgranos, conduciendo a la densificacin del material.

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MOLDEADO por PRENSADO en CALIENTE

Prensado isoestticoPrensado unidireccional

en caliente

Densidad homgenea

en caliente

Densidad inhomognea

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DIFUSION en BORDE de GRANODIFUSION en BORDE de GRANOSINTERIZADOSINTERIZADO

Sinterizado en estado slido = Transporte de masa entre los granos

Generado por las fuerzas de tensin superficial

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SINTERIZADOSINTERIZADO DIFUSION en BORDE de GRANO

Fuerza impulsora del sinterizado es laenerga superficialque genera la

difusin atmica el trans orte de masa .

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SINTERIZADO DENSIFICASINSINTERIZADO DENSIFICASIN

La energa tiende a reducirse

por medio de: la

sm nuc n e rea e as

superficies libres y launiformidad de la

concentracin de material. Tiempo Densidad

Temperatura Densidad

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La relacin entre la microestructura y el procesado trmico para varios

tipos de biocermicos se puede representar un diagrama de fases. El

, ,

cuarzo (SiO2), y algn xido modificador de la red arbitrario (MO) como

el xido de calcio (CaO).

Cuando la mezcla en polvo del MO con el SiO2es calentada hasta su

fusin a la temperatura Tm, la masa total se vuelve lquida (L). El

qu o ser m s omog neo cuan o m s empo permanezca a esa

temperatura. Cuando el lquido es colado en la forma final del objeto

(caminos 1B, 2, 5).

La microestructura obtenida podr ser policristalina (formada por

granos) o un vidrio.

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RELACION delRELACION del PROPROCESADO con el DIAGRAMA de FASESCESADO con el DIAGRAMA de FASES


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Los revestimientos producidos porrociado por plasma (Plasma spray)

siguen el camino 1A. Sin embargo, no es necesaria una red de xido

.

estructura policristalina.

Si la composicin inicial contiene una cantidad suficiente de un

formador de red (SiO2), y la velocidad de colada es suficientemente alta,

resultar un vidrio (camino 1B). La viscosidad del material fundido crece

, L,

transicin vtrea, y el material se vuelve slido.

Si cualquiera de estas condiciones no es satisfecha, resultar una

microestructura policristalina. Los cristales comienzan a crecer a TL ycompletan el crecimiento a T2. El material final consiste en las fases

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cristalinas predichas por el diagrama de fases.



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Este tipo de objeto colado no es frecuentemente usado comercialmente

producidos durante el enfriamiento. Estas caractersticas del material lodebili tan y lo hacen susceptible al ataque ambiental.

Si los polvos de MO y SiO2son conformados con la forma del objeto

3,

sinterizada en fase lquida (camino 3). Antes del calcinado la

composicin contendr aprox. 10-40 % de porosidad, dependiendo del

proceso de formado empleado. Un lquido se formar en los bordes de

grano a la temperatura eutctica T2.

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El lquido penetrar los bordes de grano, y los atraer entre s por la

accin capilar. Estos efectos reducirn el volumen del compactado

en polvo, e incrementan su densidad, pues la masa se redistribuye

permaneciendo su magnitud permanece constante.

El lquido debera calentarse por un t iempo suficientemente

prolongado para predecir su contenido a partir del diagrama de

fases. Sin embargo para la mayor parte de los procesos con

cermicos, la formacin de lquido no ocurre en condiciones de

,

tratamientos trmicos.

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SINTERIZADO en FASE LIQUIDASINTERIZADO en FASE LIQUIDA

PROCESADO de sistemas VIDRIO-CERMICO

Silicatos

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SINTERIZADO FASE LIQUIDASINTERIZADO FASE LIQUIDA


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SINTERIZADO en FASE LIQUIDASINTERIZADO en FASE LIQUIDA

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CERMICOS POLICRISTALINOSCERMICOS POLICRISTALINOS

Orientacin cristalina de cada grano

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CERMICOS CRISTALINOS CASI INERTES


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CERMICOS CRISTALINOS CASI INERTES

La almina de alta densidad y pureza (>99.5%) es usada en las

prtesis de cadera bajo condiciones de elevada carga y en implantes

dentales debido a su:

excelente resistencia a la corrosin

buena biocompatibilidad

alta resistencia al desgaste

alta tenacidad

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Almina y ZirconiaAlmina y Zirconia

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Almina (AlAlmina (Al22OO33) y Zirconia (ZrO) y Zirconia (ZrO22))


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(( 22 33) y () y ( 22))

Los dos biocermicos estructurales ms

frecuentemente usados.

Usados primariamente como cabezas

modulares femorales de prtesis de

cadera.

Tienen re menes de des aste mucho

menores que los metales, y las partculasde desgaste son mejor toleradas en el

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organ smo que as me cas.

Almina (AlAlmina (Al22OO33))


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Almina (AlAlmina (Al22OO33))

La almina de alta densidad y pureza (>99.5%) es usada en las

prtesis de cadera bajo condiciones de elevada carga y en implantes

dentales debido a su:

buena biocompatibilidad

a ta res stenc a a esgaste

alta tenacidad

Dr. A. Ozols 66

Almina (AlAlmina (Al22OO33) Propiedades) Propiedades


67/100

(( 22 33) p) p

La microestructrura resultante de un procesado pulvimetalrgico es

policristalina, integrada por granos muy finos, y producida por prensado y

s n er za o a = - .

Fracciones muy pequeas de MgO (


68/100

(( 22 33))

Las resistencias a la fractura y a la fatiga de -Al2O3son una funcin deltamao del tamao de grano y la pureza del material. Al2O3 con un tamao

medio de rano < 4m 99.7 % de ureza exhibe una buena resistencia a

la flexin y a la compresin.

Los estudios extensos realizados sobre implantes que satisfacen las

normas ISO tienen excelente resistencia a la fatiga y al impacto.

El incremento del tamao de grano a > 7 m disminuye las propiedades

.resistencia a la fatiga, por acumularse en los bordes de grano.

La almina ha sido utilizada en la ciru a orto dica or casi 20 aos. Su

uso ha sido motivado por dos factores:1- la excelente biocompatibilidad y la formacin de una cpsula muy fina,

Dr. A. Ozols 68

que permite la fijacin de prtesis sin cemento y bajos coeficientes de

friccin y desgaste

Almina (AlAlmina (Al22OO33) Policristalina) Policristalina


69/100

22 33

Las excelentes propiedades tribolgicas (friccin y desgaste) de la

almina ocurren cuando el tamao de grano es < 4m y u n a

.

llevan a superfic ies de baja rugosidad (< 0.02m). Si los granos son

grandes sobresalir de las superficies causando un rpido desgastes

de las superficies de carga debido a la friccin seca local.

La superficie de almina de las prtesis de cadera, que debe tener un

,pulido de pares de superficies complementarias en forma simultnea

(la esfera de almina y el cotilo). Los coeficientes de friccin de las

ar cu ac ones a m na- a m na sm nuyen con e empo

aproximndose a los valores correspondientes a una articulacinnormal. Esto conduce a que el desgaste de estos pares sea 10 veces

Dr. A. Ozols 69

menor al correspondiente a pares metal-polietileno.



70/100

Estas caractersticas motivaron la amplia difusin

en Europa de la almina de cotilos no

u

acetbulo de la cadera. Los cotilos son

estabilizados por crecimiento del hueso en las

ranuras o prominencias. La cabeza femoral est

pegada al vstago metlico de la prtesis.

,en pacientes jvenes. Sin embargo, se advierte que la concentracin de

tensiones,, debido al elevado mdulo elstico de la almina, puede ser

en pacientes viejos con osteoporosis senil o artrosis reumatoidea.Consecuentemente, es esencial considerar cuidadosamente la prtesis a

Dr. A. Ozols 70

,

la articulacin, y la biomecnica de la reparacin.

CARACTERSTICAS FSICAS de BIOCERMICOS de ALMINACARACTERSTICAS FSICAS de BIOCERMICOS de ALMINA


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Propiedad Cermicos Norma ISO

almina

Contenido de almina [% en > 99.8 99.5peso

Densidad [g/cm3] 3.93 3.9

Tamao medio de grano [m] 3-6 < 7

Ra [m] 0.02

Dureza Vickers VHN 2300 >2000

Resistencia a la flexin [MPa] 550 400Mdulo deYoung [GPa] 380

Dr. A. Ozols 71



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El xido de aluminio (Al2O3) tiene una excelente resistencia a la

abrasin, y cuando es sometido a un pulido muy fino exhibe un

,

desgaste de las superficies articulres de polietileno.

La alta mojabilidad de la superficie de almina favorece una buena

lubricacin. La mojabilidad puede determinarse a partir de la medicin

del ngulo de contacto, que frecuentemente se obtiene colocando una

gota de aceite sobre la superficie y midiendo el ngulo entre el plano

de la superficie y una lnea tangente al borde de la gota, donde

intersecta con la superficie. El ngulo de contacto para la almina es

de a rox. 45 en com aracin con a uel del olietileno con la aleacin

metlica (acero inoxidable y aleaciones de cobalto), que estn en elrango de 70 to 85.

Dr. A. Ozols 72



73/100

La resistencia al desgaste elevada es una propiedad adecuada para el

empleo de la almina como material para las cabezas femorales en

z . , u z u z

la almina impide su uso en los vstagos femorales, fijando las

cabezas a vstagos metlicos.

Los ensayos clnicos pioneros en el uso de estas cabezas

,% de los casos, induciendo a serias complicaciones. Las mejoras y la

estandarizacin del procesado de la almina, incluyendo el

re nam en o e ama o e grano y a compres n sos ca e

material despus del sinterizado, permitieron densificar al materialmejorando la conexin a los vstagos metlicos.

Dr. A. Ozols 73



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El tamao de grano de la almina exceda tpicamente los 4 micrones

en la dcada de aos 70, con densidades de 4 g/cm3, mientras que hoy

en da se util iza almina de 0.5 m alcanzando densidades de 6 g//cm3.

del 45%.

La almina es qumicamente inerte y por ende su biocompatibi lidad es

excelente. Sin embargo, estudios recientes muestran signos de

ostelisis periprosttica secundaria generada por las partculas de

.

Dr. A. Ozols 74

Zirconia (ZrO2) PolicristalinaZirconia (ZrO2) Policristalina


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La zirconia (ZrO2) es tambin usada como caberza femoral en

reemplazos totales de cadera. Las ventajas potenciales de la zirconia

en prtesis bajo carga son el bajo mdulo de elasticidad y alta

tenacidad. Sin embargo, no hay resultados clnicos suficientes para

(> 15 aos).

Dr. A. Ozols 75

Almina (AlAlmina (Al22OO33) Monocristalina) Monocristalina


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Uncristalsim ledealminasedenomina

Safiro

Elrubesalminacon1%deCr3+

reemplazandotomosdeAl3+ dandouncolor

rojo

yTienvariastonalidadesdeazul.

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CERMICOSCERMICOS POROSOSPOROSOS

Dr. A. Ozols 77



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La ventaja potencial ofrecida por un implante cermico poroso es su

calidad de inerte, la buena estabilidad mecnica de la superficie

altamente plegada que se desarrolla cuando el hueso crece en los

poros del cermico. Sin embargo, los requerimientos mecnicos dertesis restrin en severamente a a licaciones sin car a. Cuando

los poros superan el tamao de 100m, el hueso crecer dentro de

los poros interconectados por canales cerca de la superficie

manteniendo la vascularizacin y la viabil idad para perodos

prolongados. De esta forma los implantes sirven de puente o injerto

para la formacin de hueso.

Dr. A. Ozols 78



79/100

Los cermicos porosos sonproducidos por medio de laa c n e una segun a aseque se descompone antes

de la densificacin de laieza de ando oros.

Bloques, y tornillos y tarugosporosos en base ahidroxia atita

Dr. A. Ozols 79


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FOSFATOS CALCIOFOSFATOS CALCIO

Dr. A. Ozols 80

FOSFATOSCALCIOFOSFATOSCALCIO


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Los compuestosFosfatosFosfatos CalcioCalcio son abundantes en la naturaleza y en

.

Las apatites biolgicas constituyen la fase inorgnica principal en los

tejidos calcificados normales (ej., esmalte, dentina, hueso, nacar, etc)

son hidroxiapatita carbonada, CHA.

Algunas calcificaciones patolgicas (ej, piedras renales, sarro y trtaro

enta es, te os an oa ca c ca o en coraz n, pu mones,

articulaciones)

Dr. A. Ozols 81

BIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIOBIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIO


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La baja reproducibil idad de los ensayos mecnicos sobre estos

cermicos restringe su aplicacin clnica a:

1-polvos

-

3- con refuerzosde postes metlicos(como en implantes dentales)

-

5-implantes porosos para cargas bajas, donde el hueso crecido actua

como fase de refuerzo

Dr. A. Ozols 82



83/100

Los biocermicos de fosfato de calcio han sido usados por casi 20 aosen medicina y odontologa.

,

dependiendo si se requieren materialesbiaoctivos o reabsorbibles.

Las fases estables de los cermicos de fosfato de calcio de enden

considerablemente de la temperatura y la presencia de agua, no solo en la

etapa de procesado sino en el uso ambiental.

A la temperatura corporal, soloexisten 2 fosfatos de calcio son estables

y en un medio acuoso, como los fluidos corporales.

. 4. 2

(fosfato diclcico o brushita, C2P)

Dr. A. Ozols 83

. 10 4 6

(hidroxiapatita, HA).



84/100

El sinterizado de cermicos de fosfato de calcio compactados serealiza a temperaturas de 1000-1500 C.

el porcentaje de agua en la atmsfera.

vapor del agua.

El comportamiento mecnico de los cermicos de fosfatos de calcio

influencia su aplicacin como implantes.

La resistencia a la traccin, compresin y fatiga dependen del

vo umen o a e poros a .

Laporosidadpuede constituirse conmicroporos( 100 micrones

Dr. A. Ozols 84

creados para permitir el crecimiento de hueso).


85/100

FOSFATOS CALCIOFOSFATOS CALCIO

Dr. A. Ozols 85

HIdroxiapatita (CaHIdroxiapatita (Ca1010(PO(PO44))66(OH)(OH)22) HA) HA


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La hidroxiapatita es el componenteestructural primario del hueso. Su

2+

rodeados de iones de PO42 y OH.

Los mecanismos de enlace muy diferentes de los estudiados en vidrios

bioactivos.

Elproceso de enlace injertos de HAsugerido es el siguiente:

Una matriz sea celular formada por osteoblastos diferenciados

aparece en a super c e, pro uc en o una an a es rec a amor a

(3-5m) con mucha densidad de electrones. Entre esta rea y lasclulas se observan ramil letes de colgeno.

Dr. A. Ozols 86

PROPIEDADES de HA SINTTICAPROPIEDADES de HA SINTTICA


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Constituida por partculas de altadensidad y gran pureza

Muy biocompatible

No es reabsorbible - no degradable

formacin, engloba las partculas ) confosfato tetraclcico Ca4P209

No es osteognica(no estimulan la formacin de tejido seo)

Es de degracin lenta como fosfato triclcico Ca3[P04]2

Es osteoconductora(refuerzan la formacin de hueso en aquellaszonas donde existen clulas seas)

Dr. A. Ozols 87

a opaco o que perm te un poster or contro ra o g co

HIdroxiapatita (CaHIdroxiapatita (Ca1010(PO(PO44))66(OH)(OH)22) HA) HA


88/100

Los cristales minerales han sido identificados como amorfos. A

medida que el sitio madura, la zona de enlace se contrae a una

profundidad de 0.05 a 0.2m. El resultado es la fijacin normal del

hueso a traves de una capa de enlace fina al cuerpo del implante.

Los anlisis de microscopia electrnica de esta HA muestran la

apatita del implante. Este efecto trae aparejado una fuerte variacin

del mdulo elstico en la interfaz HA y hueso. Esto marca una de las

mayores diferencias entre las apatitas bioactivas y los vidrios

bioactivosy los vitro-cermicos.

Dr. A. Ozols 88

FOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLESFOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLES


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La reabsorcin o biodegradacin de los

cermicos de fosfato e calcio es caudada

por los siguientes factores:

- , ,con el material y el pH del medio.

2- Ladesintegracin fsicaen pequeas partculas como resultado del

ataque qumico diferencian en los bordes de grano.

3- Losfactores biolgicos, tales como la fagotitosis, que reduce el pH.

Dr. A. Ozols 89

APLICACIONES de LA HIDROXIAPATITAAPLICACIONES de LA HIDROXIAPATITA

E i t i d d d hid i tit d


90/100

Existe una gran variedad de hidroxiapatitas densas y porosas quepueden producirse en forma de bloques o grnulos.

La oposicin directa de nuevo hueso aes e ma er a s n que n ervenga e o

fibroso es posible. As, la ciruga

maxilofacial ha escogido este material

para rellenar faltas seas creadas por

quistes o tumores, traumas,

enfermedades con nitas otras

intervenciones quirrgicas:

Dr. A. Ozols 90


91/100

Dr. A. Ozols 91

SUBSTITUTOS SEOSSUBSTITUTOS SEOS

Las cirugas reconstruct ivas requieren deLas cirugas reconstruct ivas requieren de


92/100

Las cirugas reconstruct ivas requieren deLas cirugas reconstruct ivas requieren desubstitutos seos viables en cantidad creciente.substitutos seos viables en cantidad creciente.

ALTERNATIVASALTERNATIVASHueso HumanoHueso Humano

HuesoHueso CONCONHueso SINHueso SIN

Hueso AnimalHueso Animal

Insuficiencia deInsuficiencia de

e er ogoe er ogodel otro ser humano

VolumenVolumen

u ogou ogodel mismo paciente

ComponentesComponentesOrgnicosOrgnicos

ComponentesComponentesOrgnicosOrgnicos

Riesgos deRiesgos deinfeccin coninfeccin con

bancos seosbancos seoshumanoshumanos

ComplicacionesComplicacionesquirrgicasquirrgicas

LIMITACIONESLIMITACIONES

prionespriones

Substitutos OseosSubstitutos OseosAbsorbiblesAbsorbibles

No AbsorbiblesNo Absorbibles

VidriosVidriosBioglass

CermicosCermicosTrifosfato clcicoAlmina

CompositesCompositesCermicos

+ Orgnicos

Dr. A. Ozols 92

eva o cos oeva o cos ode manufacturade manufactura


Revestimiento de implantes metlicos


93/100

Revestimiento de implantes metlicos.

En la profilaxis dela reabsorcin delos rebordesalveolares.

En la ciruga oftalmolgica y ortopdica.

En la ciruga plstica.

ara re enar e ec os seos crea os por

quistes o tumores.

Recubrimiento de im lantes metlicos

Dr. A. Ozols 93



94/100

La prevencin de defectos seos es un problema que se plantea

frecuentemente, motivo por el que los cirujanos utilizan distintas

tcnicas quirrgicas y una amplia gama de materiales de

sustitucin sea. Estos materiales pueden ser de origen animal,m nera os n co.

, ,seratxicos,inertesdesde el punto de vista inmunitario y no deben

ser carcingenos. Adems tienen que favorecer o inducir una

respuesta en el tejido seo, tener buenas propiedades mecnicas y

ser reabsorbibles a medio plazo

Dr. A. Ozols 94

MATERIALES para INJERTOS SEOS

El estndar frecuente para los injertos seos es el auto injerto El


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El estndar frecuente para los injertos seos es el auto injerto. Elcirujano emplea el tejido obtenido del paciente, proveniente de la

cresta aca, e sta emora o prox ma t a . n erto es

colocado en el lugar daado. Este tejido es ideal como injerto seo,

or ue osee todas las caractersticas necesarias ara el

crecimiento de hueso nuevo, es decir tiene osteoconductividad,

osteogenitividad y osteoinductiv idad.

LaOsteoconductividades la situacin en la que el injerto soporta la

fi acin de nuevos osteoblastos clulas osteo ro enitoras.

Dr. A. Ozols 95

MATERIALES para INJERTOS SEOS


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Provee de una estructura interconectada en la que pueden migrar

.

de un injerto para inducir a las clulas no diferenciadas o las

osteoprogenitoras a la diferenciacin en osteoblastos.

El auto injerto requiere de una ciruga adicional en el sitio donante

, ,infeccin, y dolor crnico, que puede superar el asociado con la

ciruga original. La cantidad de hueso que puede ser cosechada es

limitada, creando un problema de suministro.

Dr. A. Ozols 96

MATERIALES PARA INJERTOS SEOSMATERIALES PARA INJERTOS SEOS


97/100

Las alternativas al auto injerto son el alo

.

cadveres superando algunos de los

inconvenientes del auto injerto.

Sin embargo, los alo injertos tambin

presentan riesgos. El hecho que el

tejido es obtenido de un donante tiene

el r iesgo de la transmisin de unaenfermedad.

Dr. A. Ozols 97

MATERIALES para INJERTOS SEOSMATERIALES para INJERTOS SEOS

Los esfuerzos preventivos


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Los esfuerzos preventivos

para evitar transmitir

enfermedades conducen a la

remocin de protenas,

reduciendo o eliminado la

osteoinductividad del tejido.

A pesar de los beneficios de

os au o n er os y a oinjertos, las limitaciones de

cada uno requieren la

propuesta de alternativas.

Dr. A. Ozols 98

MATERIALES PARA INJERTOS SEOSMATERIALES PARA INJERTOS SEOS

Los investigadores han podido desarrol lar alternativas que permiten


99/100

g p q psatisfacer las demandas de osteoconduccin y osteoinduccin.

Lapotencialidad de una enfermedad no puede ser

.

anulada aun con los procedimientos de

congelamiento de tejido, deshidratado en fro,

, ,esteril izacin con xido de etileno. Se ha estimado

que el riesgo de transmisin del SIDA con alo

injerto seo es de 1 en 1.6 millones de personas

(Boyce, 1999). Aun con esta baja probabilidad se

han re istrado casos de transmisin de he atitis B

Dr. A. Ozols 99

y C.

FOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLESFOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLES

T d l i d f f d l i d d d


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Todos los cermicos de fosfato de calcio se degradan en grado

- -

El ritmo de biodegradacin crececuando:

-denso)

2- Disminuye la cristalinidad

3- Disminuye la perfeccin cristalina4- Disminuye el tamao de cristal y/o grano.

Dr. A. Ozols 100

Cerámicos y Vidrios en Medicina

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