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Clase 1 Biomateriales Intro

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BIOMATERIALES Y

BIOCOMPATIBILIDAD

Biomateriales Biocompatibilidad

Biomaterial: Material en contacto con el


tejido biolgico
Biocompatibilidad: Cualidad que tiene
un biomaterial de no tener efecto txico
o daino en un sistema fisiolgico. Es
una interaccin qumica y fsica entre el
material y el tejido cuya respuesta
reproducible debe ser descripta y
caracterizada.

Evaluacin Biolgica de
dispositivos mdicos
Aspectos a considerar
Material utilizado en el dispositivo
Tipo de contacto con el cuerpo

Dispositivos de contacto superficial


Dispositivos de comunicacin externa
Dispositivos implantables

Duracin del contacto

Limitado (< 24 hs)


Prolongado ( >24 hs y < 30 das)
Permante (> 30 das)

Matriz para evaluacin


biolgica

Matriz para evaluacin


biolgica

NORMA ISO 10993 Hoja 1 de


3

Parte 1: Evaluation and testing (2003)


Parte 2: Animal welfare requirements (2006)
Parte 3: Test for genotoxicity, carcinogenicity and
reproductive toxicity (2003)
Parte 4: Selection for tests for interactions with blood
(2002)
Parte 5: Test for in vitro cytotoxicity (1999)
Parte 6: Test for local effects after implantation
(2007)
Parte 7: Ethylene oxide sterilization residuals (2008)
Parte 8: Selection and qualification of reference
materials for biological tests (2000)

NORMA ISO 10993 Hoja 2 de


3

Parte 9: Framework for identification and quantification of


potential degradation products (1999)
Parte 10: Test for irritation and delayed-type hypersensivity
(2002 / Amd 1:2006)
Parte 11: Test for systemic toxicity (2006)
Parte 12: Sample preparation and reference materials (2007)
Parte 13: Identification and quantification of degradation
products from polymeric medical devices (1998)
Parte 14: Identification and quantification of degradation
products from ceramics (2001)
Parte 15: Identification and quantification of degradation
products from metals and alloys (2000)

NORMA ISO 10993 Hoja 3 de


3

Parte 16: Toxicokinetic Study Design for Degradation


Products and Leachables (1997 R2003)
Parte 17: Establishment of allowable limits for
leachable substances (2002)
Parte 18: Chemical characterization of materials
(2005)
Parte 19: Physico-chemical, mechanical and
morphological characterizationm (2006)
Parte 20: Principles and methods for
immunotoxicology testing of medical devices (2006)

UNIDAD I. Introduccin a los


biomateriales e implantes
metlicos

Subtemas:

1.1 Definicin, propiedades, historia


1.2 Biomolculas, estructura y propiedades
1.3 Relaciones estructura-propiedades de
materiales biolgicos
1.4 Implantes metlicos
1.5 Aceros inoxidables
1.6 Cobalto
1.7 Titanio y aleaciones base titanio
1.8 Aleaciones Titanio-Nquel, memoria de for
1.9 Metales para aplicaciones dentales
1.10 Otros metales
1.11 Problemas con implantes metlicos

OBJETIVO DE LA UNIDAD I
El alumno conocer el concepto de
Bicompatibilidad, los procesos de
elaboracin de materiales
biocompatibles, propiedades y
aplicaciones

Unidad I. Biomaterialess

DESARROLLO HISTORICO DE LOS


BIOMATERIALES
Futuro:
Integracin
tisular
Ingenier
a de
tejidos

Transpla
nte de
injertos

Presente:
La
sustitucin
tisular
Pasado:
La
extirpacin

Material
es
bioactiv
os

Implant
es

Cermicas

Metales
aleaciones

Polmeros

Composites

BIOMATERIALES

Dispositivos
biomdicos

Liberacin
controlada

LOS BIOMATERIALES

Se pueden definir como materiales


biolgicos comunes tales como piel,
madera, o cualquier elemento que
remplace la funcin de los tejidos o de los
rganos vivos.
En otros trminos, un biomaterial es una
sustancia farmacolgicamente inerte
diseada para ser implantada o
incorporada dentro
sistema vivo.
Unidad I. del
Biomateriales

LOS BIOMATERIALES
Los biomateriales se implantan con el objeto
de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus
funciones, lo que implica que estn expuestos de
modo temporal o permanente a fluidos del
cuerpo, aunque en realidad pueden estar
localizados fuera del propio cuerpo, incluyndose
en esta categora a la mayor parte de los
materiales dentales que tradicionalmente han
sido tratados por separado
Unidad I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES

Debido a que los biomateriales restauran


funciones de tejidos vivos y rganos en el cuerpo,
es esencial entender las relaciones existentes
entre las propiedades, funciones y estructuras de
los materiales biolgicos, por lo que son
estudiados bajo tres aspectos fundamentales:
materiales biolgicos, materiales de implante y la
interaccin existente entre ellos dentro del
cuerpo. Dispositivos como miembros artificiales,
amplificadores de sonido para el odo y prtesis
faciales externas,Unidad
no son
considerados como
I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES

En algunos casos la funcin de los


tejidos u rganos es tan importante
que no tiene sentido el remplazarlos
por biomateriales; por ejemplo, la
mdula espinal o el cerebro.
El xito de un biomaterial o de un
implante depende de tres factores
principales: propiedades y
biocompatibilidad del implante,
condiciones de salud del receptor, y
habilidad del cirujano que realiza el
implante; la fsica slo se aplica al
primero.
Unidad I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES
Requisitos de un Biomaterial
1. Ser biocompatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo,
no provocar que ste desarrolle sistemasde rechazo ante la
presencia del biomaterial
2. No ser txico, ni carcingeno.
3. Ser qumicamente estable (no presentar degradacin en el tiempo)
e inerte.
4. Tener una resistencia mecnica adecuada.
5. Tener un tiempo de fatiga adecuado.
6. Tener densidad y peso adecuados.
7. Tener un diseo de ingeniera perfecto; esto es, el tamao y la
forma del implante deben ser los adecuados.
8. Ser relativamente barato, reproducible y fcil de fabricar y procesar
para su produccin en gran
escala.
Unidad
I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES

Hay, de hecho, cuatro grupos


de materiales sintticos
usados para implantacin:
metlicos, cermicos,
polimricos y compuestos de
ellos; el cuadro siguiente
enumera algunas de las
ventajas, desventajas y
aplicaciones para los cuatro
grupos de materiales
sintticos.

Unidad I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES

Pero existe otra clasificacin prctica que comprende dispositivos


implantables: ortopdicos y vasculares (como los tubos de dacrn
utilizados como sustitutos de venas), marcapasos, anticonceptivos,
dentaduras fijas y removibles.

Unidad I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES

Los dispositivos no implantables incluyen sondas, catteres y globos


angioplsticos que permiten realizar operaciones de dilatacin de
venas o arterias obstruidas.

Unidad I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES

Los metales se utilizan bsicamente en implantes y fijaciones


ortopdicas; los plsticos flexibles para corregir tejidos blandos,
cartlagos, venas y arterias; los plsticos rgidos (cermicos en
ocasiones) para reemplazar la cabeza del fmur que gira dentro de
la concavidad de la pelvis; asimismo, los materiales cermicos se
emplean en el reemplazo de huesos y como recubrimientos sobre
metales (cementos seos).

Unidad I. Biomateriales

LOS BIOMATERIALES

Tambin se aplican materiales avanzados como las


aleaciones con memoria de forma, las cuales pueden
cambiar por efecto de la temperatura dentro del cuerpo
humano, amoldndose a las cavidades en las que han
sido insertadas.

LOS BIOMATERIALES

Los materiales porosos, por su parte, permiten el


crecimiento del hueso dentro de los poros y su posterior
unin con las fibras de los tejidos adyacentes. Las
espirales elsticas de acero inoxidable introducidas en
venas o arterias cubren el objetivo de evitar que stas
se colapsen

LOS BIOMATERIALES

Una alternativa para los implantes artificiales es el trasplante,


por ejemplo de rin o corazn, aunque este esfuerzo se ve
obstaculizado por problemas sociales, morales, ticos e
inmunolgicos; sin embargo, en el caso del rin, el paciente
tiene muchas desventajas con uno artificial: su costo es
elevado, no tiene movilidad y, adems, el mantenimiento y el
cuidado deben ser constantes

Unidad I. Biomateriales

CARACTERIZACION BIOMATERIALES

Las propiedades requeridas de un material para aplicaciones


mdicas, vara de acuerdo con la aplicacin particular.
Debemos considerar que las pruebas fisicoqumicas de los
materiales para implante in vivo son difciles, si no imposibles. Las
pruebas in vitro deben ser realizadas antes del implante.
La fabricacin y el uso de los materiales depende de sus
propiedades mecnicas, tales como resistencia, dureza, ductibilidad,
etctera.

Las

propiedades

elsticas

viscoelsticas

caracterizadas antes que las estticas y dinmicas.


Unidad I. Biomateriales

sern

CARACTERIZACION BIOMATERIALES

La naturaleza (inico, covalente y metlico), y la fuerza de los


enlaces atmicos determinan qu tan estable es el material cuando
se le aplica una carga, es decir, cuando se le somete a un esfuerzo
de tipo mecnico; este tipo de propiedades son conocidas como
mecnicas. Cuando se determina la estabilidad del material en
funcin de cambios en la temperatura, se habla de propiedades
trmicas.

Unidad I. Biomateriales

CARACTERIZACION BIOMATERIALES

El desgaste del material est estrechamente relacionado con


la friccin entre los dos materiales. Es importante considerar el
rea real de la superficie que entra en contacto en la unin
requerida ya que, en general, es mucho menor de lo que
aparenta; sta puede incrementarse con el peso que se aplica
para los materiales dctiles y para los elsticos.
En las prtesis de uniones entre huesos, el desgaste es muy
importante, y resulta del movimiento y recolocacin de los
materiales usados.

CARACTERIZACION BIOMATERIALES

Hay diferentes tipos de desgaste: el corrosivo, debido a la


actividad qumica de alguno de los materiales de la unin; el de
fatiga superficial, debido a la formacin de pequeas fracturas
que pueden dar lugar a un rompimiento del material, y el
abrasivo en el cual partculas de una superficie son empujadas
hacia la otra en la que se adhieren, debido al movimiento que se
tiene

CARACTERIZACION BIOMATERIALES

La composicin qumica de los metales y aleaciones afecta en


forma significativa el comportamiento de corrosin en el cuerpo
humano; un ejemplo puede ser el caso del contenido de carbono y
nitrgeno, as como su microestructura, el tamao de grano, la
presencia
de inclusiones no metlicas y la rugosidad de la superficie,
factores que se rigen por normas nacionales.

Unidad I. Biomateriales

BIOMATERIALES

Ventajas:
Formacin de implantes, prtesis o dispositivos implantables.
Desarrollo, produccin y aplicacin a nivel internacional.
Disponibilidad de materiales
Aplicaciones avanzadas de tejidos: blandos, duros, bioestables
o biodegradables.
Creacin de compuestos bioactivos.
Desventajas:
Problemas de estabilidad en la superficie de sus interacciones
con los tejidos humanos y los fluidos fisiolgicos.
Incongruencia biomecnica implante-tejido.
Liberacin de micropartculas por friccin y desgaste.
La nula autoreparacin o autoregeneracin y limitada
modulacin de la respuesta biomecnica.
Vida limitada aun cuando sea un implante biosteable.

INGENIERA DE TEJIDOS

TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOS

Homoinjertos:
Ventajas:
Avances en la manipulacin y conservacin de los tejidos u
rganos.
Disponibilidad a partir de donantes vivos o muertos (o
postmorten).
Transplantes de rin, hgado , corazn, pulmn, retina,
cornea, etc.
Desventajas:
Administracin de medicamentos inmunosupresores (evitar el
rechazo)
Contaminacin vrica (dependiendo de la procedencia y

TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOS

Heteroinjertos o xenoinjertos. Los xenoinjertos son injertos


procedentes de especies biolgicas diferentes de la del injertado, o
sea, en nuestro caso, que no son humanas
Ventajas:
Disponibilidad de tejido u rganos de especies animales (bovino y
porcino).
Confeccin de vlvulas coronarias y uso de tejido seo (relleno y
reemplazo)
Desventajas:
Infeccin por enfermedad de las vacas locas y asociacin a la
enfermedad de Creutzfeldt-Jakob

TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOS

Injertos autologo o autoinjerto: El trasplante o injerto mdico consiste en


trasladar rganos, tejidos, o clulas de una persona a otra. El rgano trasplantado
reemplaza y asume la funcin del rgano daado del receptor, salvndole la vida o
mejorando la calidad de vida. Una variedad de rganos macizos y tejidos pueden ser
trasplantados,
incluyendo
riones,
pulmones,
corazones,
y
precursores
hematopoyticos.
Ventajas:
Buen comportamiento inmunolgico
Aceptacin de cuestiones ticas.
Desventajas:
Disponibilidad y posible rechazo
Morbilidad de donde se obtiene el injerto
Problemas de infeccin y de resorcin
Bajo compromiso respecto al comportamiento
biomecnico.

TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOS


Isotrasplante o trasplante singnico
El donante y el receptor son individuos distintos pero
genticamente idnticos, como gemelos univitelinos.
Casi no hay riesgo de rechazo

BIOCOMPATIBILIDAD

Una necesidad de que tanto los componentes como los


productos que se generen en procesos biodegradativos
deben ser aceptados por el cuerpo es decir, sin alguna
respuesta negativa.
De ah que los biomateriales deben tener la capacidad de
dar una respuesta apropiada en una aplicacin especifica

Unidad I. Biomateriales

BIOCOMPATIBILIDAD

La propiedad trascendental en la interaccin biomaterial


cuerpo humano es la Bicompatibilidad, o sea, la
ausencia de una reaccin
fisicoqumica perniciosa del biomaterial implantado con
los tejidos y los fluidos biolgicos corporales, tambin
llamados soluciones fisiolgicas. Un ejemplo: el implante
no debe alterar la composicin y las propiedades de los
componentes de la sangre (glbulos rojos y blancos,
protenas, lpidos) y tampoco coagular la sangre, para
evitar trombos.
Unidad I. Biomateriales

BIOCOMPATIBILIDAD

Las caractersticas de la superficie del implante: rugosidad, grado


de pulido, porosidad, potencial elctrico, humectacin y
comportamiento hidrofbico o hidrfilo, son factores decisivos que
afectan su compatibilidad y determinarn la interaccin del
implante con las bacterias y su capacidad de colonizar su
superficie, puesto que ste es el primer contacto con el cuerpo
humano que va a determinar el proceso de asimilacin o rechazo
del implante, as como la velocidad del proceso curativo y,
finalmente, la falla o xito de la implantacin.
Unidad I. Biomateriales

BIOCOMPATIBILIDAD

La falta de biocompatibilidad induce a una reaccin negativa entre


el implante y su entorno biolgico creando, en forma progresiva,
irritacin, inflamacin o infeccin, a tal grado crtico que se debe
remover el implante para evitar la destruccin de los tejidos o
perjudicar la funcin de los rganos cercanos con graves
consecuencias en la salud del paciente.
Sin embargo, a veces es necesaria la interaccin entre el implante
y el tejido aledao, cuando diminutas arterias o extremos de
msculos penetran en los poros de un recubrimiento bioactivo de
hidroxiapatita sobre implantes ortopdicos de titanio; con este
contacto se establece un anclaje mecnico que evita el uso de una
unin mecnica con clavos, tornillos, cemento cermico o plstico.

APLICACIONES BIOMEDICAS

La mayora de los biomateriales comerciales utilizados al


presente no fueron diseados originalmente para uso mdico. Es
por ello que en contacto con el organismo provocan una respuesta
no especfica, activacin de una gran variedad de procesos
biolgicos y con cintica muy lenta.
Las respuestas celulares estn condicionadas adems por la
topografa del material y por la estimulacin mecnica a que estn
sometidas. Desde el rea de ciencia de biomateriales se intenta
dilucidar los fenmenos de interaccin que tienen lugar entre un
dado material y el medio biolgico, armando as una base de datos
que ser de gran utilidad para el diseo de implantes e instrumental
mdico de avanzada.
En un futuro cercano, el diseo de superficies portadoras de

APLICACIONES BIOMEDICAS
Ingeniera de Tejidos
La ingeniera de cultivo de tejidos (medicina
regeneratica) es una nueva disciplina de
aplicacin biomdica que abarca a la biologa, la
medicina, la qumica, la ciencia de los
materiales y la informtica.
Esta nueva disciplina combina las ltimas
investigaciones en la ciencia de los materiales y
en la ingeniera biomdica con el objetivo de
producir tejidos que puedan ser trasplantados
sin riesgo de rechazo.
En la aplicacin de formacin de tejido seo,
los ingenieros de tejidos acostumbran a colocar

APLICACIONES BIOMEDICAS

Objetivo de la ingeniera de tejidos


Su objetivo es reparar tejidos reproduciendo los
mecanismos que intervienen en la renovacin de las
clulas del organismo. Es una alternativa al transplante
tradicional de rganos que no siempre es posible tanto
por la falta de donantes como por el riesgo de que el
paciente rechace el rgano recibido.

APLICACIONES BIOMEDICAS

La ingeniera de tejidos se basa en el uso, de forma conjunta o


separada, de tres elementos:
Clulas cultivadas y/o modificadas genticamente en el
laboratorio.
Molculas que actan como seales qumicas sobre esas
clulas

haciendo

que,

por

ejemplo,

comiencen

multiplicarse.
Estructuras 3D que pueden imitar la estructura de un
rgano. Sirven para reemplazar parte de un rgano daado

APLICACIONES BIOMEDICAS

Ingeniera de tejidos
Uno de los puntos clave en la
regeneracin de rganos es
desarrollar estructuras 3D que
sustituyan parte del rgano
daado o acten como
vehculo para transportar
clulas y molculas a lugares
concretos del organismo. Estos
soportes se construyen con
materiales distintos en funcin
de la estructura del rgano o
tejido donde se vayan a
implantar. Se fabrican
implantes metlicos, de
cermica, de polmeros

APLICACIONES BIOMEDICAS

Los polmeros son los que ms se emplean hoy en da en


medicina. En todos los casos estos materiales tienen que
cumplir una serie de requisitos:
1. Tienen que ser compatibles con el organismo donde se van
a introducir, es decir, no generar rechazo ni daos.
2. Tienen que tener una determinada vida media para
desarrollar su tarea. Esta duracin puede ser ms o menos
larga. En el caso de las prtesis que reemplazan parte de un
rgano tiene que ser permanente mientras que en otros casos
puede ser una duracin limitada al tiempo necesario para
realizar su funcin. En este ltimo caso se suelen construir
con materiales biodegradables que poco a poco se van
disolviendo y desapareciendo del organismo.
3. Tienen que aportar las prestaciones necesarias para

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA
INGENIERIA DE TEJIDOS

1.Una de las estrategias consiste en inyectar en el tejido u


rgano daado clulas sanas cultivadas in vitro procedentes
del propio paciente u obtenidas en el laboratorio (mediante
procesos de investigacin).
Ventajas:
Son clulas del propio paciente, esto tiene una serie de
ventajas. La principal es que no existe rechazo inmunolgico.
Tambin

se

pueden

emplear

clulas

madre,

clulas

indiferenciadas cultivadas en el laboratorio capaces de originar


cualquier clula del organismo

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA
INGENIERIA DE TEJIDOS

2. La estrategia ms completa y a la vez la ms compleja es la


que utiliza estructuras 3D como vehculos para enviar a un
punto concreto de nuestro organismo las clulas y
sustancias qumicas necesarias para su reparacin. Por tanto
combina todos los elementos de la ingeniera de tejidos.
En funcin de lo que se quiera reparar (p.ej. hueso) se crea
un andamio o matriz que imite la forma de ese tejido u rgano
y se introducen dentro las clulas que van a formar ese tejido
(en nuestro caso clulas formadoras de hueso u osteoblastos) y
las molculas necesarias para que se lleve a cabo el proceso
(denominados factores de crecimiento, que son especficos para
cada tejido y activan la divisin de las clulas).

Ingeniera Tisular

Ingeniera Tisular

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA
INGENIERIA DE TEJIDOS

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA
INGENIERIA DE TEJIDOS

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA
INGENIERIA DE TEJIDOS

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA
INGENIERIA DE TEJIDOS

Mientras el andamio aporta consistencia al rgano, las


clulas empiezan a multiplicarse dentro por la accin de las
seales qumicas que favorecen su crecimiento. Poco a poco la
masa de clulas va aumentando y va llenando el espacio libre.
Las clulas a la vez van organizndose y adquiriendo la forma
del armazn que a su vez imita la estructura del rgano diana
(en nuestro caso el hueso).

TEJIDOS ARTIFICIALES

Consiste en la creacin de tejidos artificiales en el


laboratorio. Incluso los cientficos se plantean un reto an
mayor; crear rganos enteros (hgado, corazn.) en el
laboratorio. Para que esto sea posible es imprescindible
conocer todos los factores que participan en la diferenciacin
de las clulas a un tipo celular concreto. Una vez que se
conozca qu molculas regulan estos procesos, se podrn
reproducir en el laboratorio.

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