Biomateriales para las sustituciones protésicas

Biomateriales: Es la rama de la ingeniería biomédica que se encarga del estudio de la síntesis, composición y evaluación de los materiales empleados para la fabricación de dispositivos que entran en contacto con los tejidos de los seres vivos.
Materiales metálicos y cerámicos.
1. Cerámicos
  1. Cerámicas no absorbibles densas: mantienen sus propiedades físicas y mecánicas mientras están implantadas. Presentan una elevada rigidez y resistencia a compresión pero baja resistencia a tracción y elevada fragilidad.
    1. Carbonos: pueden presentarse en diversas formas alotrópicas: diamante cristalino, grafito, carbono no cristalino y carbono pirolítico. Entre todas estas solo el carbón pirolitico es utilizado en la fabricación de implantes, siendo normalmente utilizado como revestimiento superficial. El revestimiento con diamante también es técnicamente posible y tiene el potencial de revolucionar la fabricación de dispositivos médicos, pero aún no está disponible comercialmente.
    2. Zirconia: Comparada con la alumina muestra un módulo elástico inferior, mayor resistencia y mayor tenacidad por lo que presenta ventajas potenciales frente a dicho material. Su uso principal de implantes es la fabricación de cabezas de prótesis de cadera.
    3. Alúmina:Aunque en forma monocristalina ha sido empleada con éxito en la fabricación de determinados implantes dentales, es la alúmina polocristalina la de uso más extendido en la fabricación de implantes. Su característica de ser relativamente inerte, unida a su alta dureza, baja fricción y poco desgaste, la convierten en una material ideal para el uso en prótesis articulares.
  2. Cerámicas no Absorbibles porosas: La ventaja potencial que presentan es su comportamiento inerte combinado con la estabilidad mecánica de la interfase altamente irregular que se desarrolla cuando el hueso crece en el interior de los poros. Los requisitos mecánicos de las prótesis, sin embargo, restringen el uso de cerámicas porosas de baja resistencia a aplicaciones en las que soporten escasa cargas, por sus limitadas propiedades mecánicas.
  3. Cerámicas Bioactivas: La presencia de una fase cerámica en el hueso (hidroxiapatita) y la fácil acomodación del colágeno sobre ella sugieren la posibilidad del empleo de componentes cerámicos bioactivos con los que los tejidos puedan formar uniones.
    1. Vidrios Bioactivos: Se han desarrollado un número importante de materiales cerámicos con fases amorfas buscando fomentar una unión directa de dichos materiales con el hueso.Este gel es químicamente inhomogéneo y presenta usualmente una capa más superficial rica en silicio sobre otra capa más profunda rica en calcio y fosforo. De estos materiales el más conocido es el biovidrio(Bioglass 45S5). La composición del Ceravital es similar a la de los biovidirios en el contenido de SiO2 siendo diferente para los demás componentes. En la imagen se muestra una comparación.
    2. Hidroxiapatita: Material se ha utilizado como hueso artificial y ha sido sintetizado para la fabricación de varios tipos de implantes de relleno así como para el revestimiento de implantes ortopédicos. Estos materiales son muy compatibles con los tejidos adyacentes y son usados como sustitutos del hueso tanto en forma granular como de forma sólida o compacta, por su similitud química con la fase inorgánica de estos. Tiene excelente biocompatibilidad. Se ha observado que la HA parece formar un enlace directo con lo tejido óseos, produciendo hueso esponjoso.
  4. Cerámicas reabsorbibles: La idea del empleo de un material que rellene los defectos óseos y se gradualmente reabsorbido y sustituido por tejido óseo nuevo plantea un reto importante. . Aunque el sulfato de calcio fue empleado con este fin, el concepto del empleo de cerámica sintéticas reabsorbibles como sustituto del hueso fue introducido em la búsqueda de nuevos materiales se ha concretado en el empleo materiales derivados del fosfato cálcico como el fosfato tricalcico (TCP) y los fosfatos de aluminio y calcio (ALCAP).
2. Metálicos
  1. Titanio: El titanio es un material cuyas propiedades mecánicas lo hacen un buen candidato para la fabricación de implantes. Comercialmente existen cuatro grados de titanio no aleado. Las impurezas (oxigeno, hierro y nitrógeno) separan estos 4 grados, teniendo especialmente importancia el oxígeno en la ductilidad y resistencia.
  2. Aleaciones de Cromo-Cobalto: Para la fabricación de implantes con estas aleaciones se emplea el moldeo y la forja y no las técnicas tradicionales de mecanizado, pues endurecen rápidamente por acritud que se produce ya en las primeras operaciones de la máquina, haciendo muy fácil su trabajo.
  3. Acero inoxidable: es una aleación de hierro y carbono a la que la adición de otros elementos le confiere la propiedad de ser resistente a la oxidación. En la actualidad, de los aceros inoxidables solo el 316L es adecuado para la fabricación de implantes.
Materiales poliméricos y compuestos.
1. Poliméricos
  1. Polietileno (PE): Es uno de los biomateriales poliméricos termoplásticos más utilizados y esta comercialmente disponible en las siguientes formas en función de la densidad: baja densidad (LDPE), alta densidad (HDPE) y de ultra alto peso molecular (UHMWPE). El LDPE so obtiene a altas temperaturas y presión (150-300º C y ≈ 1000-3000 Kg/cm2) obteniéndose densidades bajas (0.915-0.935 g/cm3). El HDPE polimeriza a baja temperatura (60-80º C) y baja presión (≈10Kg/cm2) usando catalizadores metálicos, obteniendo polímeros altamente cristalinos y lineales con densidades mayores(0.94-0.965 g/cm3). El UHMWPE se obtiene extendiendo el proceso de baja presión hasta alcanzar pesos moleculares entre 1x106 y 10x106 g/mol y densidades semejantes al HDPE
  2. Polipropileno (PP): Puede polimerizarse a partir del grupo metilo con la ayuda de un catalizador específico. Sus propiedades térmicas y físicas son similares a las de PE (densidad: 0.85-0.98, temperatura de fusión: 125-167º C). Su peso molecular varía desde 2.2 a 7.0 x 105 g/mol, siendo un material del tipo llamado polidisperso. Se suele añadir diversos aditivos como antioxidantes, estabilizadores de luz, lubricante, etc., que mejoran sus propiedades físicas y de procesabilidad.
  3. Polimetilmetacrilato (PMMA): Es un material amorfo que presenta una densidad que varía de 1.15 a 1.195 g/cm3. Se caracteriza por su excepcional transparencia (92% de transmisión), alto índice de refracción (1.49) y por su excelente biocompatibilidad. Puede ser fácilmente mecanizado y moldeado. Su principal uso en implantes es como material de fijación de prótesis, por lo que también es llamado cemento óseo. El cemento óseo esta fundamentalmente constituido por PMMA en polvo y monómero liquido de metil-metacrilato. El
  4. Polímeros reabsorbibles: Los implantes para la fijación interna de fracturas tienen la característica común de ser necesarios solo de forma temporal. Los efectos adversos de la permanencia prolongada de implantes metálicos son múltiples siendo el más importante el de protección de tensiones (stress-shielding). Por otra parte, la retirada del implante supone una reintervencion con los riesgos de infección que conlleva, así como el coste económico y social derivado. Este tipo de consideración no toxica por parte del medio biológico (polímeros reabsorbibles). Los sistemas ideales consistirían en dispositivos que se debilitasen lentamente hasta desaparecer, transfiriendo la carga al hueso en la medida en que este repara.
  5. Siliconas: Se diferencian de los polímeros orgánicos principalmente por el tipo de cadenas poliméricas. Los compuestos orgánicos presentan enlaces covalentes siendo las cadenas principales de carbonos: -C-C-C-. Las cadenas principales en las siliconas están formadas por cadenas por átomos de silicio y oxigeno alternados: -Si-O-Si-O-Si-. Las siliconas se obtienen a partir del óxido de silicio (SiO2) y se produce generalmente mediante organocloroxilianos. Dependiendo del número y naturaleza de las cadenas laterales y del peso molecular medio obtenido, el material resultante puede ser líquido, solido, plástico o frágil. Las siliconas plásticas (gomas) han sido ampliamente utilizadas en implantes en los que se requiere grandes deformaciones con poder de recuperación y bajas cargas. Así, en el ámbito clínico han sido empleadas en cirugía maxilofacial y en aplicaciones ortopédicas específicas como las prótesis de muñeca y dedos.
2. Compuestos: Es una combinación física o mecánica de dos o más materiales diferentes que dan lugar a una estructura con propiedades diferentes a cada uno de los materiales cuando son evaluados por separado. La ventaja de dichos materiales es que en su fabricación se pueden controlar las proporciones de cada uno de los componentes y su disposición, de forma que se consignan unas propiedades óptimas y superiores a las de cada uno de los componentes.
  1. Compuestos con heterogeneidades en forma de partículas: Suele ser muy corriente incluir partículas en los materiales poliméricos, con el fin de hacerlo más rígidos y duros. La forma de las partículas es sumamente importante. El tipo de partículas a utilizar dependerá de la aplicación a la que vaya destinado el compuesto. Por ejemplo, se suele introducir inclusiones esféricas poco rígidas en algunos polímeros como el poliestireno, con el fin de aumentar su resistencia con un mínimo sacrificio de la rigidez. La inclusión de partículas de hueso en el cemento óseo (PMMA) mejora considerablemente la rigidez de este y aumenta su vida a fatiga. Además, las partículas óseas en la zona de la interfase con el hueso del paciente son reabsorbidas siendo remplazadas posteriormente por nuevo tejido óseo en crecimiento.
  2. Compuestos con heterogeneidades en forma de fibras: La inclusión de fibras mejora la rigidez, la resistencia, la fatiga y otras propiedades. Las fibras son mecánicamente más efectivas para mejorar la rigidez que las partículas. El sentido en el que se aplicara la carga en su aplicación es muy importante para su utilización, de forma muy elevada (comparables a las del acero) con mucho menos peso. Por el contrario, si se requiere rigidez y resistencia en todas las direcciones, las fibras se pueden orientar de manera aleatoria. El aumento de rigidez en este caso es aproximadamente 6 veces menos que el conseguido con las fibras en la dirección en la que estas se hallan orientadas.En cuanto a la resistencia, el fallo se puede producir por la rotura de las fibras, pandeo, rotura de la matriz y rotura del enlace de la fibra con la matriz.
Damián G. Osnaya Código: 214288597 Prótesis y Órtesis

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