Post on 30-Jun-2015
DEFINICIÓNLa ciencia de los BIOMATERIALES es la rama de la ingeniería biomédica que se encarga delestudio de la síntesis, composición y evaluación de los materiales empleados para lafabricación de dispositivos que entran en contacto con los tejidos de los seres vivos,considerando no sólo las reacciones entre ellos sino también los cambios tanto a nivelestructural como a nivel propiedades de los mismos.
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de Biomecánica de Valencia
CLASIFICACIONES
MODO DE OBTENCIÓN (sintético o natural)
PERMANENCIA EN EL CUERPO (permanente o transitorio)
TEJIDO DONDE SEA IMPLANTADO (duro o blando)
RESPUESTA DEL TEJIDO FRENTE AL IMPLANTE
Inertes o biológicamente inactivos, con formación de tejido fibroso en la interfase
Bioactivo o biológicamente activo, con formación de enlace interfacial
Reabsorbible o biodegradable, que se disuelve con el tiempo en el medio biológico y eltejido circundante lo sustituye.
Los metales esenciales son los que están presentes en los organismos vivientes y ejercen una función biológica insustituible.
Elem. Cerebro Riñón Hígado Pulmón Músculo Piel Sangre Plasma
Ca 320 390 140 480 100 360 62 99
Cl 8000 9000 4800 12000 2800 11000 2900 4000
Co 0.0005 0.05 0.23 0.06 0.02 0.03 0.0003 0.0004
Cr 0.12 0.05 0.03 0.6 0.04 0.3 0.03 0.02
Cu 22 12 20 6 3 1.7 1.1 1.1
Fe 200 290 520 1300 140 29 480 1.1
I 0.4 0.09 0.0015 0.001 0.1 1.7 0.06 0.08
K 11600 7800 7400 8600 10500 1900 1700 170
Mg 550 550 480 410 630 150 41 22
Mn 1.1 3.8 3.7 0.8 0.2 0.2 0.03 0.003
Mo 0.2 1.4 2.8 0.2 0.2 0.07 0.004 0.04
Na 10000 800 5500 1200 4000 9300 2000 3300
Ni 0.3 0.2 0.2 0.2 0.008 0.8 0.04 0.04
Se 2.1 2.1 2.1 - 2.5 - 0.27 0.11
Contenido de diferentes elementos esenciales (en ppm) en tejidos secos de mamíferos.
¿BIOMATERIAL METÁLICO?
Elemento Efecto
tóxico
Elemento Efecto
tóxico
I - 10 000 Ba(II) 200
K(I) 6 000 Li(I) 200
B(borato) 4 000 Sb(III o V) 100
Br- 3 000 Ag(I) 60
Sn(II) 2 000 As(III o V) 5 - 50
Co(II) 500 F- 20
Cu(II) 250-500 Se(IV) 5
Cr(VI) 200 Cd(II) 3
Tabla 2.1. Toxicidad en humanos de algunos elementos, expresada en mg/dia/Bowen,1966/
Metal Tipo de metal Efecto de
deficiencia
Efecto de exceso
Cadmio (Cd) tóxico reduce
crecimiento
nefritis
Calcio (Ca) esencial deformación
ósea
cataratas, cálculos,
arterio-esclerosis
Cromo (Cr) esencial incorrecto
metabolismo
glucosa
Cobalto (Co) esencial anemia falla coronaria,
policitemia
Cobre (Cu) esencial anemia enfermedad
Wilson
Hierro (Fe) esencial anemia hemocromatosis,
siderosis
Paladio (Pd) tóxico reduce
crecimiento
anemia, encefalitis
Litio (Li) tóxico depresión
maníaca
neuritis
Magnesio (Mg) esencial convulsiones anestesia
Manganeso
(Mn)
esencial deformación
ósea
ataxia
Tabla 2.2 Principales efectos por defecto o exceso en el organismo de algunos metales.
¿TÓXICIDAD?
MATERIALESMETÉLICOS
75% son metales
Muy pocos son utilizados
como biomateriales
Concepto variable a lo largo del tiempo
BiocompatibleBiocompatibleBiofuncional
BiocompatibleBiofuncionalBioactivo
1ª
generación
2ª
generación
3ª
generación
Biocompatibilidad:
Biológicamente aceptable (aceptado por el organismo sin provocar rechazo)
No tóxico
Inerte o químicamente estable
Biofuncionalidad: capacidad de desempeñar la función para la que ha sido creado
Propiedades mecánicas (de acuerdo con utilidad, tiempo de vida, etc.)
Flexibilidad, dureza, resistencia a fatiga…
Densidad y peso adecuados
Diseño adecuado y adaptabilidad
Bioactividad:
Integración con moléculas biológicas
Regeneración del tejido
Capacidad de responder a señales provenientes del medio induciendo una respuesta específica del tejido biológico circundante
Reacciones entre
Superficie del material
Respuesta inflamatoria del tejido huésped
Factores
Características del paciente
Procedimiento quirúrgico
Fluido y tejidos circundantes
Características del biomaterial:
Toxicidad
Reacciones químicas superficiales
Hidrofobicidad/hidrofilicidad
Liberación de iones (corrosión)
Topografía (rugosidad, porosidad…)
Efectos mecánicos
Interfase implante-tejido
Reacción del sistema inmune
Resultado
Integración del implante o
Encapsulamiento en capa fibrosa
Capa fibrosaImpide la correcta integración del implante al hueso
ToxicidadTolerancia biológica al metal
Corrosión
Pérdida de pureza del material
Liberación de iones al medio
Depende
Nobleza del material
Pasivación formación de capa de óxido
Medio biológico (pH, cargas,…)
Corrosión - TiposCorrosión por fisuras o “crevice”
Corrosión por picaduras o “pitting”
Ruptura de la película de óxido
Tipo especial
Fretting
Corrosión bajo tensión
Corrosión intergranular
Producido por átomos de C
Debido a malos tratamientos térmicos
Materiales Módulo
Elástico
(Mpa)
Resistencia
(Mpa)
Deformación
Máxima
(%)
Densidad
(g/cm3)
Polímeros
Silicona
Nailon
UHMW polietileno
PMMA
1-10
2,800
1,500
60
6-7
76
34
60
350-360
90
200-250
1-3
1.12-1.23
1.14
0.93-0.94
1.10-1.23
Metales
Aceros Inoxidable 316L
Co-Cr
Ti6Al4V
200,000
230,000
110,000
540-620
900
900
55-60
60
10
7.9
9.2
4.5
Cerámicas y carbones
Al2O3
Carbón pirolítico
Hidroxiapatita
363,000
280,000
120,000
490
517
150
<1
<1
<1
3.9
1.5-2.0
3.2
Tejidos
Piel
Hueso(fémur)
Diente(dentina)
0.34/38
17,200
13,800
7.6
121
138
60
1
<1
1.0
2.0
1.9
Desde inicio de la historia…Las prótesis y elementos sustitutivos de miembros del cuerpo han existido debido a necesidades de tipo:
Necesidad sustitutiva en caso de amputaciones (traumáticas, de castigo…)
Estéticas (dentales)
Estando, hasta bien entrado el siglo XVIII, al alcance de pocos, debido a su coste, y a sus características morfológicas (peso y estética)
Prótesis metálicas, edad moderna
Al final del siglo XVI aproximadamente, empieza la protésica de miembro superior con elementos metálicos (mano de Götz). Accesible para miembros del estamento militar y nobles (cara y pesada), y hecha por orfebres.
En el siglo XIX, las prótesis dentales empiezan a utilizar elementos mixtos, también otros materiales metálicos (inventados por Fronzi), Pt y Ag.
Prótesis Metálicas. Edad contemporánea
Primera Guerra Mundial: Empieza la protésica exterior (exoprótesis), por los tullidos (Otto Bock), usando elementos metálicos: Fe, Bronce.
Segunda Guerra Mundial y posteriores: Gracias” a la Administración de Veteranos (US), industria (GER), Ministerio Ejército (USSR), se crean escuelas de protésicos, y se empiezan a desarrollar materiales para las mismas (endo y exoprótesis):
Acero Inoxidable (50-60`s)
Fibra Carbono (70-80’s)
Ti / Cr y aleaciones (90’s) actualidad
“La principal aplicación de los biomateriales metálicos es reparar o
reconstruir las partes del cuerpo humano que han sufrido daño o se han perdido.”
“Biomateriales para la rehabilitación del cuerpo humano” . BENJAMÍN VALDEZ S., MICHAEL SCHORR W., ERNESTO VALDEZ S. Y
MÓNICA CARRILLO B.
CLASIFICACIONES
Disposición en el cuerpo(interno o externo)
Tiempo de permanencia,Material de osteosíntesis: En general
pueden ser extraídos cuando el proceso biológicoreparativo ha terminado, puesto que el hueso escapaz de soportar las exigencias habituales sin suauxilio.
Prótesis: se las emplea para reemplazartotal o parcialmente un hueso o una articulaciónirreparablemente dañados en su morfología.
Hierro, Cromo, Níquel, Titanio y Molibdeno (pueden ser tolerados por el cuerpo en pequeñas cantidades)
Biocompatibilidad Biofuncionalidad Bioactividad
Acero
Inoxidable
Aleaciones de
Cromo-Cobalto
Aleaciones de
Titanio
Elemento Composición
Carbono 0.03 max.
Manganeso 2.00 max.
Fósforo 0.03 max.
Azufre 0.03 max.
Silicio 0.75 max.
Cromo 17.00-20.00
Níquel 12.00-14.00
Molibdeno 2.00-4.00
Composición química del acero Inoxidable 316L(ASTM,1992)
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de
Biomecánica de Valencia
El acero es una aleación de hierro y carbono, a la que la adición de otros
elementos le confieren la propiedad de ser resistente a la oxidación
ACERO INOXIDABLEDEFINICIÓN
EVOLUCIÓN
1º para implantes fue el 18-8 (18%Ni-8%Cr)
+ Molibdeno(2-4%), aumentar la resistencia a corrosión en medio salino
316L, disminuye el Carbono 0,08% del 316 a 0,03%Mejora la corrosión in vivo
Para mantener las condiciones de corrosión Cr >11%
ACERO INOXIDABLE
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de
Biomecánica de Valencia
Efecto del Níquel y del Cromo en la estructura austenítica (ASTM,1992)
ESTRUCTURA
Ferrítica (con resistencia mecánica reducida)
De cementita (carburos de hierro duros y frágiles)
Perlítica (una matriz ferrítica con láminas de cementita)
Austenítica (dura y resistente)
ACERO INOXIDABLE
CONDICIÓN RESISTENCIAA TRACCIÓN
(MPa)
TENSIÓN DE FLUENCIA
(MPa)
ALARGAMIENTO MÁXIMO (%)
DUREZAROCKWELL
Recocido 485 172 40 95HRB
Trabajado en frío
860 690 12 -
Propiedades mecánicas del acero inoxidable 316L (ASTM,1992)
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de Biomecánica de Valencia
Las características microestructurales y propiedades mecánicas de un acero
inoxidable no se deben sólo a su composición química, sino también al
tratamiento térmico y mecánico aplicado
ACERO 316L
Trabajado en frío(Acritud)
ACERO INOXIDABLE
Para la fabricación de prótesis de acero inoxidable 316L,
PROBLEMA Corrosión en zonas anexas a tornillos
Fabricación de pieza trabajado
en frío
Soldadura por calentamiento
uniforme
Eliminación de oxido en la superficie
Tratado de superficie por pulido espejo o acabado mate por
arenado
Pasivadomediante Ácido
Nitrico
ALEACIONES DE CROMO-COBALTO
Comercialmente, Stellite®, Vitallium®, Vinertia®, según fabricante
Elem CoCrMo(F75) CoCrWNi(F90) CoNiCrMo(F562) CoNiCrMoWFe(F563)
Min Max Min Max Min Max Min Max
Cr 27.0 30.0 19.0 21.0 19.0 21.0 18.0 22.0
Mo 5.0 7.0 - - 9.0 10.5 3.0 4.0
Ni - 2.5 9.0 11.0 33.0 37.0 15.0 25.0
Fe - 0.75 - 3.0 - 1.0 4.0 6.0
C - 0.35 0.05 0.15 - 0.025 - 0.05
Si - 1.0 - 1.0 - 0.15 - 0.5
Mn - 1.0 - 2.0 - 0.15 - 1.0
W - - 14.0 16.0 - - 3.0 4.0
P - - - - - 0.015 - -
S - - - - - 0.010 - 0.010
Ti - - - - - 1.0 0.5 3.5
Co Hasta el total
Características químicas de las aleciones de CR-CO más comunes (Se,litsch,1980)
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de Biomecánica de Valencia
ALEACIONES DE CROMO-COBALTO
Fundición CoCrMo(F75) Forja CoCrWNi(F90) Forja CoNiCrMo(F562)Tratado en frío
RESISTENCIA A TRACCIÓN (Mpa)
655 860 1793 min
LÍMITE DE FLUENCIA (0,2% offset) (MPa)
450 310 1585
ALARGAMIENTO(%) 8 10 8.0
REDUCCIÓN ÁREA (%) 8 35.0
RESISTENCIA A FATIGA (MPa)
310
CrCoMoTécnica de
Cera PerdidaPrótesis dentales y
actualmente prótesis articulares
Técnica de Forja
Vástagos de prótesis de rodilla y cadera
CrCoMoNi
Características químicas de las aleciones de CR-CO más comunes (Semlitsch,1980)
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de Biomecánica de Valencia
ALEACIONES DE CROMO-COBALTO
ALEACIONES DE TITANIO
Comercialmente existen cuatro tipos de Ti no aleado, dependiendo de las impurezas. El O es l má simportante para la ductilidad y resistencia.
Para prótesis se utiliza el Ti aleado Ti6Al4V. (5,5-6,5% Alumino, 3,5-4,5% Vanadio)
Comercialmente, Tivanium®, Tivaloy®, Tikrutan®, según fabricante
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de Biomecánica de Valencia
Composición química del titanio no aleacdo y de la aleación Ti6Al4V (ASTM ,1992)
Elemento Grado 1 Grado2 Grado3 Grado4 Ti6Al4V
Nitrógeno 0.03 0.03 0.05 0.05 0.05
Carbono 0.10 0.10 0.10 0.10 0.08
Hidrógeno 0.015 0.015 0.015 0.015 0.0125
Hierro 0.20 0.30 0.30 0.50 0.25
Oxigeno 0.18 0.25 0.35 0.40 0.13
Titanio Hasta el total
ALEACIONES DE TITANIO
Propiedades Grado 1 Grado2 Grado3 Grado4 Ti6Al4V Ti3Nb13Zr
RESISTENCIA A TRACCIÓN (MPa)
240 345 450 550 860 1030
LÍMITE DE FLUENCIA (0,2% offset) (MPa)
170 275 380 485 795 900
ALARGAMIENTO(%) 24 20 18 15 10 15
REDUCCIÓN ÁREA (%) 30 30 30 25 25 45
“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de Biomecánica de Valencia
Propiedades mecánicas del titanio y sus aleaciones (Davidson et al.,1994)
Titanio puro presenta unas propiedades mecánicas muy bajas. En implantes normalmente se utiliza el titanio aleado Ti6Al4V
Cuanto mayor grado de impurezas mayor resistencia y menor ductilidad.
Titanio tiene poca ersistencia a esfuerzos cortates, poco recomendable para tornillos, placas de osteosistesis, etc.
ALEACIONES DE TITANIO
Titanio es muy reactivo
POSITIVO
NEGATIVO
Biocompatibilidad
Procesado a alta temperatura atmósfera inerte o fundido en vacío
FABRICACIÓN
Forjado a menos de 925° y mecanizado a baja velocidad y herramientas afiladas
Algunas aplicaciones de titanio se recubren con microesferas de titanio de diamentroente 50-200µm que se sueldan a 1200°.Esto repercute negativamente a las propiedades mecánicas a fatiga, lo fragiliza y lo hace anisótropo.
ALEACIONES DE TITANIO
Y en el futuro..http://www.youtube.com/watch?v=sJ4J69EEpu4
Hay miles de prótesis distintas, restructuraciones parciales, totales, placas, implantes dentales endoprótesis, exoprótesis, etc.
Principales componentes son Compuestos con una alta conductividad y propiedades plásmicas, capacidad de resistencia y biocompatibilidad:
Fe: Los primeros caracterizados en nanonpartículas(usualmente recubiertas)
Au: Dando lugar a nanogold®, con aplicaciones inmensas en biotecnología y sensores.
Ag: Por su alta biocompatibilidad y resistencia a microbios y bacterias.
Pt, Ti: Alto rango de absorción y antioxidantes
Estructuras en forma de «puntos»
Estructuras más comunesUsualmente en forma de «puntos», bien esféricos, bien en forma de conchas, «shells», bicapa, a veces (Pt) en suspensión coloidal ó en forma de «polvillo» para crear «arrays».
Se han desarrollado, ultimamente, sobre todo en con nanopartículasde plata, la forma de placas, «plates», para dotar a estas nanopartículas de un rango de absorción mucho mayor al de ya por sí alto que disfrutan, debido a las variaciones de potencial al tener el efecto plasmónico ó de variación de potencial de e- en su superficie.
© CIEMAT
Ejemplos de nanoestructuras metálicas
Nanopartículas de AuEn general suspendidas en suspensión coloidal de agua, de color rojo intenso (<100nm) o amarillento (>100nm).
Tienen importantes propiedades eléctricas y una banda de absorción grande y modulable, debido a la existencia del efecto plasmódico en su superficiel.
Su producción (caracterización) se deriva fundamentalmente de la reducción del ácido Cloroaúrico (Cl4AuH), por cualquier metal, que provoca la precipitación de iones Au3+
Nanopartículas de Au
Usos particularmente interesantes son:Agentes de contraste en microscopía electrónica
Tratamiento experimental de enfermedades relacionadas con el sistema óseo (artritisreumatoide)
Radiofármacos en el tratamiento de enfermedades tumorales.
Abad, J. M.; Mertens, S. F. L.; Pita, M.; Fernandez, V. M.; Schiffrin, D. J. "Functionalization of Thioctic Acid-Capped Gold Nanoparticles for
Specific Immobilization of Histidine-Tagged Proteins" J. Am. Chem. Soc.; 2005; 127, 5689-5694.
Nanopartículas de Ag
Tamaño entre 1 y 100 nm
Generalmente cubiertas por Óxido u otros agentes (poliuretano)
Puede formar nanobarras, nanotubos…
Su caracterización se hace fundamentalmente por tres métodos:
PVD ó deposición de vapor.
Implantación iónica (bombardeo de iones sobre una placa con sustrato)
Química húmeda: Reducción de una sal de plata con agentes como borohidrido de Sodio (NaBH4) ó azúcares como beta-D-Glucosa.
Nanopartículas de Ag
Aplicaciones específicas:
Bactericida y antifúngicoImportantes propiedades de agente que se fija a membranas plasmáticas.
Instrumentos quirúrgicos
Cementos óseos
Agentes antiviralesTratamiento VIH
Jose Luis Elechiguerra “Interaction of silver
nanoparticles with HIV-1” a) HAADF image of
an HIV-1 virus exposed to BSA-conjugated
silver nanoparticles. b) HAADF image of HIV-
1 viruses without silver nanoparticle
treatment.
Nanopartículas de Ag
Aplicaciones específicas:Cicatrizante: especialmente en heridas producidas por contínuos roces (prótesis), eliminación olores por sudor.
Fibras sintéticas:
Inconvenientes:
Ambientales (contaminación de aguas)
Constantin Ciobanu “Polyurethane Gel
with Silver Nanoparticles for the
Treatment of Skin Diseases” Imágenes
antes de tratamiento,y 19 y 57 días
después
Pureza 99,9%
Apariencia nanopolvos negro
APS 25 nm
SSA 40-60 m 2 / g
Proceso de fabricación Procesos de REDOX.
Morfología Esférica
La densidad aparente 0.1-0.25g/cm 3
densidad real 7,90 g / cm 3
Prevención de la corrosión Parcialmente apaciguada
Nanopartículas de Fe
Habitualmente obtenidas por procesos redox
Nanopartículas de Fe
Sus usos más habituales son:
Tratamiento de contaminación de Aguas
Biodiagnóstico (por imagen ó contraste)
Nanoaleaciones
Plásticos (Recubrimiento)
Nanopartículas de Pt
Habitualmente suspendidas en coloide
Muy pequeñas, entre 2-3 nm ó incluso más pequeñas
Principal interés reside en sus propiedades anti-oxidantes
Su síntesis es a través de la reducción del hexacloroplatinato (PtCl6)2-, se consiguen partículas sub-nano –neutras- de Pt, y el resto del precipitado, se va «pegando» a ellas, para conseguir nanopartículas de muy uniforme tamaño.
Nanopartículas de Pt
Aunque el rango de aplicaciones podría ser extremadamente amplio, el hecho de que sean muy pequeñas, pero tiendan a agregarse, y que puedan actuar como catalizadores en ciertas reacciones, ha hecho que debido a potenciales problemas con efectos sobre la salud, todavía estemos en una fase muy prematura de investigación sobre aplicacioesbiomédicas.
En cambio, sí hay tecnologías en marcha para su aplicación en superconductores y supercomputación.
Micro-páncreas artificial ® Universidad Illinois
Aplicaciones Biomédicas - Ejemplo
Válvulas cardiacas
Jaulas, pivotes, anillo y ciertos discosmetálicos.
Jaula-bola, lenticulares,de disco oscilante, bivalvas
Acero inoxidable,Cr-Co, titanio
StentsEndovasculares, esofágicas,de próstata, de ureter, coronarias, biliares, EVAR (abdominal aortic aneurysm)…
Material
Acero inoxidable, Tantalio, Aleaciones de Cobalto, Platino, Nitinol
Revestimientos de diferentes materiales: (medicamentos en los liberadores de droga, polímeros u oro en los bioactivos, y membranas biológicas en stent grafts)
Estructura y diseño
Tubo fenestrado
Malla multicelular
Espirilados (coil)
MarcapasosRegulación del ritmo cardiaco
Generador de impulsos + batería + circuitos electrónicos + electrodos
Electrodos de titanio, plata, acero inoxidable, aleaciones de cobalto; baterías litio-yodo; carcasas de titanio
Intrumentación quirúrgicaTubos, catéteres, grapas…
Dispositivos anticonceptivosDIU de cobre
Corrosión en el útero
Impide la implantación del óvulo
OdontologíaCoronas, puentes, implantes, alambres dentales, pernos, tornillos…
Titanio, aceros inoxidables,aleaciones de plata, níquelcobalto, NiTi
NitinolAleación de Ni-Ti (alrededor de 50-50%)
2 fases:Baja Temperatura Martensita
Dureza, resistencia y módulo elástico inferiores
Alta Temperatura Austenita
Memoria de formaTransformación entre fases por cambios de temperatura
NitinolMemoria de forma simple
Austenita se deforma y se enfría en esa posición Forma a recordar
Martensita se deforma a temperaturas bajas
Aumento de temperatura vuelta a la forma inicial austenítica
Memoria de forma doble
Necesita adiestramiento (muchos ciclos de memoria simple)
Cambios de dislocaciones
Favorecer aparición de variantes martensíticas
Impedir otras
NitinolSuperelasticidad
Md>T>Af
Transformación entre fases por aplicación de carga
Sin carga Austenita
Puede estabilizarse en fase Martensita al aplicar cierta tensión
Carga:
AB=deformación elástica Austenita
BC=transformación en Martensita
CD=deformación elástica Martensita
D=límite elasticidad. Deformaciones plásticas hasta rotura
Descarga:
C’F=recuperación elástica Martensita
FG=transformación en Austenita
GH=recuperación elástica Austenita
Magnesio
Ventajas
Material biodegradable y reabsorbible
Existencia natural en tejido óseo y elemento esencial en metabolismo (4º catión más abundante: 0.7-1.05 mmol/L)
Iones solubles en medio fisiológico, no tóxicos y exceso excretado por la orina
Desventajas
Cinética de biodegradación rápida
Altos niveles pueden provocar parálisis, hipotensión, problemas cardiacos y respiratorios.
Aplicaciones ortopédicas – Implantes óseos
Magnesio
Propiedades mecánicas más cercanas al hueso:
Baja densidad
Módulo elástico
Resistencia a compresión
Es necesario Magnesio para la incorporación de Ca al hueso
Puede estimular el crecimiento de nuevo tejido óseo
Recubrimientos de conversión química aplicados sobre magnesio puro: a) capa de carbonato y b) capa de fluoruro.
Sección transversal de magnesio puro
con recubrimiento de fluoruro de
magnesio.
Imágenes: M. Carboneras et al. “Tratamientos químicos de conversión para la protección de magnesio biodegradable en aplicaciones temporales dereparación ósea”
Aplicaciones ortopédicas – Implantes óseos
MagnesioProblemas
Alta corrosión en fluidos corporales (10,5-210 mm/año en solución NaCl 3%) pérdida integridad mecánica
Mejorar resistencia a corrosión
Modificación superficial recubrimientos
Conversión química
Anodizado
Electrodepósito de hidroxiapatita…
Aleaciones de Magnesio
Al, Mn, Cd, Ag,tierras raras…
Aplicaciones ortopédicas – Implantes óseos
Magnesio
Recubrimientos de conversión química aplicados sobre Recubrimiento de MgF2 e hidroxiapatita en Magnesio (izda) y osteoblastos adosados a la superficie del material
Aplicaciones ortopédicas – Implantes óseos
Materiales porososCellular metals o metal foams
Ingeniería de tejidos
Mejora integración implante-tejido natural Regeneración ósea
Fabricación:
Características poros
• Número
• Tamaño
• Forma
• Conectividad
Características Mecánicas
• Módulo Young
• Elasticidad
• Tensión Rotura
• Densidad …
Aplicaciones ortopédicas – Implantes óseos
Materiales porososMagnesio
Otros (titanio, níquel, hierro, aluminio…)
SEM micrograph of a magnesium material with porous microstructure produced using space-holding particles. Wen et al. “Compressibility of porous magnesium foam: dependency on porosity and pore size”
Tantalio
Zimmer Trabecular
Metal™ Technology
Imágenes de titanio, níquel y hierro porosos. John Banhart, Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams
Aplicaciones vascularesStents biodegradables
Hierro, magnesio
Realizan su función y se degradan
Evitan reestenosis, trombosis, disfunción endotelial prolongada, heterogeneidad de propiedades mecánicas en distintos puntos de los vasos, peligro de ruptura…
Disminuyen la inflamación
Stents de Magnesio VS Acero inoxidable después tras 30 días desde la implantación en coronarias porcinas. Ron Waksman, Biodegradable Stents: They Do Their Job and Disappear: Why Bioabsorbable Stents?
Aplicaciones vascularesStents autoexpandibles NiTi
Stents basados en la Superelasticidad del Nitinol
Superelasticidad: Md >T>Af
Ausencia fuerzas exteriores: máximo diámetro Austenita
Tensiones superiores a σBMartensita inducida por tensión
Introducción stent comprimido
Colocación expansión
Aplicaciones vasculares
Stents autoexpandibles NiTiStents basados en la Superelasticidad del Nitinol
Histéresis del material gran absorción de E en ciclos
Expansión en conducto con estenosis fuerza sobre las paredes correspondiente a la tensión de descarga del material
Resistencia a Compresión Radial (RCR) alta evita colapso frente a contracción (espasmos, presión por tumor, mov peristálticos…)
Fuerza crónica expansiva (FCE) baja aumento de diámetro sin producir lesiones (vasodilatación…)
Aplicaciones vasculares
Stents autoexpandibles NiTiStents basados en la Memoria de Forma del Nitinol
Introducción a temperatura baja (fase martensita)
Expansión al aumentar la temperatura en el interior (fase austenita)
Necesita:
Af cercano a T del interior del cuerpo (37ºC)
Ms bajo, pero no demasiado para no producir lesiones en la colocación (necrosis)
Aplicaciones dentales
Alambres dentales de NitinolMediante tratamiento calórico diferencial, puede adecuar la fuerza que ha de generar el alambre en cada segmento de la arcada
Los biomateriales metálicos han sido, históricamente, los más utilizados en biomedicina, en especial en elementos estructurales cómo prótesis, por su alta resistencia a rotura.
Sus propiedades mecánicas su pueden variar a través de su composición química y su procesos de fabricación, lo que los hace muy interesantes para muchas aplicaciones
Aunque la investigación científica está más centrada en la obtención de nuevos biomateriales no metálicos su utilización sigue siendo primordial en muchos campos
La investigación actual en biometales se centra en:Diseño de recubrimientos, modificaciones superficiales, aleaciones, etc. con características mejores para la biomedicina
Utilización de materiales metálicos en nuevos campos como la nanomedicina
Desarrollo de materiales bioactivos
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