Los biomateriales más comunes son cerámicos, metálicos y polímeros. Se utilizan en prótesis de cadera, rodilla e implantes dentales, entre otros. Deben ser biocompatibles, resistentes a la corrosión y tener propiedades mecánicas adecuadas para reemplazar o mejorar funciones del cuerpo. Los elementos químicos más usados son Co, Cr, Al, Ti, Zr, Ni, Fe, O, Si, S, P, Mn y Mg.

1. TEMA:
ELEMENTOS QUÍMICOS EN
BIOMATERIALES
Una prótesis de
rodilla.
Un implante

5. Se han dejado a la vista los elementos químicos de uso más común en cerámica.

6. La biocompatibilidad es la aceptación de un implante artificial por parte
de los tejidos vivos que lo rodean y del cuerpo en sí. Para determinar
la biocompatibilidad o toxicidad de un material, es necesario realizar
diferentes pruebas y considerar diferentes factores, tales como:
 Una descripción general del material o dispositivo
 Determinar cual será su función o posible aplicación
 Determinar su grado de contacto con tejido vivo
 La naturaleza química del material
 Analizar la toxicidad y biodisponibilidad de cada compuesto químico
del material.

8. “
Clasificación de Biomateriales
Por su fuente:
Naturales
Autógeno: obtenido del mismo individuo que recibirá el injerto
Alo-injerto: proveniente de otro individuo y no del que recibirá el injerto
Xeno-injerto: proveniente de otra especie que no sea humana
Sintéticos
Por su rol biológico
Tóxico
Bio-inerte: no hay interacción con el cuerpo, pueden permanecer largos periodos de tiempo en un
entorno altamente corrosivo de fluidos corporales. Se suelen emplear para implantes permanentes,
cirugía maxilofacial y craneal. Ejemplos: titanio, cromo-cobalto, y sus aleaciones o materiales
cerámicos basados en alúmina, zirconia y óxido de magnesio.
Bio-activo: participa activamente en la reparación de tejido. Se utilizan para implantes dentales y
prótesis ortopédicas. Ejemplos: hidroxiapatita de alta densidad, compuestos de titanio, vidrios bio-
activos y algunas cerámicas vítreas.
Bio-reabsorbible: se reabsorbe y provee elementos necesarios para la reparación de tejido

9. “Temporales
No reabsorbibles (se supone serán removidos) o Biodegradables
Permanentes
Por composición:
Cerámicos: presentan buena biocompatibilidad, resistencia a la corrosión e inercia química. Sin embargo
presentan problemas ante esfuerzos de alto impacto, son inelásticos, poseen alta densidad y son difíciles de
producir. Algunos ejemplos son el óxido de aluminio, aluminatos de calcio, óxidos de titanio y algunos carbonos.
Polímeros: tienen la ventaja de ser elásticos, baja densidad y fáciles de fabricar. Su principal desventaja es la
baja resistencia mecánica y degradación con el tiempo. Algunos ejemplos son el teflón, nylon, Dacron y siliconas.
Metales y aleaciones: presentan alta resistencia al impacto y al desgaste. Sin embargo son de baja
biocompatibilidad, factibles de ser corroídos en medios fisiológicos, alta densidad, y dificultad para lograr
conexión con tejidos conectivos suaves.
Composites: Algunos ejemplos son los nanocompositos, las cerámicas metal-carbono o metal-nitrógeno, y las
aleaciones intermetálicas complejas.
Minerales naturales
Por estructura:
Bulk: tornillos, clavos, láminas, etc.
Recubrimientos: como protección o bio-activos
Porosos: capa de superficie metálica porosa, andamios para ingeniería de tejidos, etc.
Clasificación de Biomateriales
Por su fuente:

10. Biomateriales en Órganos
Órgano Biomaterial
Corazón marcapasos, válvula cardíaca artificial
Ojo lentes de contacto
Pulmón máquina oxigenadora
Oído Reconstrucción cosmética del oído externo
Hueso Plato del hueso
Riñón Máquina de diálisis
Vejiga catéter

11. Biomateriales en Sistemas del cuerpo
Sistema Biomaterial
Esquelético Platos de hueso, reemplazo total de articulación
Muscular suturas
Digestivo suturas
Circulatorio Válvula cardíaca artificiales, vasos sanguíneos.
Respiratorio Máquina oxigenadora
Urinario Catéter, diálisis
Nervioso marcapasos
Endocrino Células pancreáticas encapsuladas
Reproductivo Cirugías plásticas

12. Los biomateriales, sustancias naturales o sintéticas cuya misión es
reemplazar una parte o alguna función de nuestro organismo, de forma
segura y fisiológicamente aceptable, se pueden clasificar de diversas
formas: según su composición química, en biometales, biopolímeros,
biocerámicos, biocompuestos y semiconductores; según su origen, en
naturales y sintéticos.
Otra forma más práctica de clasificar los son los dispositivos
implantables, los cuales se implantan un tiempo en el cuerpo humano
para sustituir una función, y los no implantables, entre los cuales se
incluyen sondas y catéteres, entre otros.

13. PROPIEDADES REQUERIDAS EN LOS
BIOMATERIALES
Las características exigidas por el cuerpo
humano para una articulación artificial hacen
que las propiedades requeridas en los
materiales utilizados en prótesis sean muy
restrictivas. Por esta razón, se requieren
materiales biocompatibles; es decir, materiales
que produzcan un grado mínimo de rechazo en
el cuerpo humano. Los fluidos corporales son
altamente corrosivos, y las aleaciones
metálicas deben ser resistentes a la corrosión.
Otro aspecto que se debe considerar son las
propiedades mecánicas, las cuales son de
suma importancia en la selección de materiales
para prótesis, debido a que el sistema
músculo-esquelético, junto con el movimiento,
promueve fuerzas considerables para las
prótesis.

14. Idealmente, una prótesis implantada debe
funcionar satisfactoriamente durante toda la
vida del paciente, de manera que no sea
necesario su reemplazo. Sin embargo, en los
diseños actuales, la vida de las prótesis varía
entre 10 y 15 años para el caso de la prótesis
total de cadera, por lo que existe un gran
interés en la comunidad científica por
desarrollar prótesis de mayor durabilidad para
la creciente longevidad de que actualmente
goza la población.

15. BIOMATERIALES METÁLICOS
En la década de 1920, Reiner Erdle y Charles Orange, quienes unieron sus conocimientos
de médico dentista y metalurgia respectivamente, desarrollaron la aleación Vitallium, que
fue el primer biomaterial metálico aleado con características mecánicas de
biocompatibilidad y de resistencia a la corrosión, aceptables para aplicaciones en prótesis
quirúrgicas. Esta aleación de cobalto (65 por ciento de Co, 30 por ciento de Cr y 5 por
ciento de Mo), fue el punto de partida para una serie de investigaciones multidisciplinarias
en el desarrollo de nuevas aplicaciones ortopédicas, como clavos, tornillos y fijadores de
huesos fracturados, además de varios tipos de implantes de reemplazo articular, como
cadera, rodilla, hombro, codo, entre otras.
Posteriormente, en la década de 1930 se desarrolla el acero inoxidable grado quirúrgico
316LQ, que es un acero con bajo contenido de carbono, 18 por ciento de cromo, 8 por
ciento de níquel, y 2 por ciento de molibdeno.
Otras aleaciones que han tomado gran importancia en aplicaciones aeronáuticas y
aerospaciales, así como en aplicaciones médicas para implantes quirúrgicos, son las de
base titanio, especialmente la aleación Ti6Al4V, la cual presenta ventajas superiores en
peso, propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión con respecto a las aleaciones
base cobalto y acero inoxidable. Sin embargo, tiene una resistencia baja al desgaste, así
como un alto costo. Esta aleación ha sido modificada, intercambiando el Vanadio por el
Niobio, lo cual ha dejado una notable mejora en el índice de biocompatibilidad.
Por otra parte, con el objeto de incrementar la resistencia al desgaste, se ha implementado
el uso de recubrimientos duros en cabezas femorales, aplicados mediante técnicas de
depositación física en fase vapor (PVD), además de utilizar materiales cerámicos como
alúmina (Al2O3) o circonia (ZrO2).

16. BIOMATERIALES POLIMÉRICOS
Existe una gran variedad de polímeros biocompatibles: los polímeros
naturales, como por ejemplo la celulosa, glucosalina, etcétera, y polímeros
sintéticos, como, por ejemplo, polietileno de ultra alto peso molecular
(UHMWPE), PVC, nylon, silicona, etcétera. El desarrollo de los
biopolímeros en las aplicaciones incluye prótesis faciales, partes de
prótesis de oído, aplicaciones dentales; marcapasos, riñones, hígado y
pulmones.
Películas delgadas y capas de PVC se utilizan en bolsas de
almacenamiento y empaquetamiento quirúrgico de sangre y otras
soluciones; partes de esófago, segmentos de arterias, suturas
biodegradables, partes de implantes articulares en dedos, acetábulo de
cadera y rodilla, entre otros.

17. BIOMATERIALES CERÁMICOS
Los biocerámicos son compuestos químicos complejos que contienen elementos metálicos y no
metálicos. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, son generalmente, duros y frágiles. Además
de tener un alto punto de fusión y una baja conductividad térmica y eléctrica, los cerámicos se
consideran resistentes al desgaste. Los principales biocerámicos son alúmina, zirconia,
hidroxiapatita, porcelanas, vidrios bioactivos, etcétera. Sus principales aplicaciones están en el
sistema óseo, con todo tipo de implantes y recubrimientos en prótesis articulares; también se
utilizan en aplicaciones dentales, en válvulas artificiales, cirugía de la espina dorsal y reparaciones
craneales.

18. ALGUNAS APLICACIONES DE LOS
BIOMATERIALES
La prótesis total de cadera
La solución para este tipo de fracturas, y
enfermedades como la artritis, entre otras, puede
ser una prótesis total de cadera vista en el inciso
b). Esta articulación está formada por una copa
acetabular (UHMWPE, Co-Cr, Al2O3, ZrO2), la
cual se fija en la pelvis y sirve como asiento para
una esfera cuyo vástago (Co-Cr, 316LQ, Ti6Al4V)
es empotrado en el fémur. Los dos elementos
artificiales restauran el sistema articular tipo
rótula, con el cual el paciente puede volver a
caminar.
Implante de rodilla
El reemplazo de rodilla es uno de los avances
más importantes en la cirugía ortopédica, y fue
realizado por primera vez en el año 1968.

19. Válvulas de corazón
El corazón es una parte vital de la anatomía
humana, dado que es una bomba de recirculación
de la sangre a través del cuerpo. Las válvulas del
corazón permiten que éste bombee sangre
eficientemente. Estas válvulas son propensas a
fallar por enfermedades; sin embargo, pueden ser
sustituidas por las válvulas protésicas artificiales.
Las válvulas mecánicas son excelentes en
términos de durabilidad, pero son obstaculizadas
por su tendencia a coagular la sangre. Las
válvulas biológicas son de menor durabilidad y se
deben sustituir periódicamente.
Implantes dentales
El surgimiento de los implantes dentales ha
influenciado grandes cambios en la odontología
clínica en la segunda mitad del siglo XX.

20. Espina dorsal
El primer procedimiento quirúrgico por un disco herniado
torácico fue reportado por Middleton y Teacher en 1911.
Desde los años 1930 hasta la actualidad, se emplea el
material metálico en prótesis en las cirugías.
En 1966 se hizo la primera cirugía con prótesis,
substituyendo un disco cervical.

22. Diversos diseños de componentes de cabezas
de fémur y componentes de cadera.
Cuando un material es sometido a deformación
por estiramiento, es posible determinar dos
regiones bien marcadas en el comportamiento
que presenta: la elástica, donde la deformación
es proporcional al esfuerzo aplicado: el material
regresa a su forma original cuando la fuerza que
actúa sobre él se elimina; y la plástica, en la
que no existe proporcionalidad entre la fuerza
aplicada y el estiramiento, en este caso el
material no regresa a su forma original al
anularse la fuerza que actúa sobre él.
Generalmente, los materiales sometidos a
fuerzas pequeñas siguen un comportamiento de
tipo elástico, pero a medida que la fuerza crece
el comportamiento pasa a ser del tipo plástico, y
si la fuerza sigue creciendo, puede ocurrir
la fractura del material.

23. Dispositivo para el tratamiento de hidrocefalia y su colocación en
cerebro. Está hecho de silicón.

26. Conclusiones:
 Un biomaterial es todo material sintético o natural tratado para
utilizarse como reemplazo o para aumentar la función orgánica o
tisular.
 En cuanto a la clasificación de los biomateriales, tradicionalmente se
clasificaban en función del tipo de material que los constituía en:
biocerámicas, biomateriales metálicos, y biomateriales poliméricos,
pero esta clasificación ha quedado prácticamente en desuso.
 Los materiales implantados en un tejido vivo provocan en éste una
respuesta biológica en la interfase implante-tejido. Esta respuesta
puede ser biocompatible del tipo inerte, reabsorbible o bioactiva.
 Actualmente la ingeniería biomédica ha incrementado sus esfuerzos
por generar biomateriales con características novedosas que
respondan a las necesidades de los pacientes. Las principales
aplicaciones están enfocadas en el desarrollo de prótesis,
implantes, liberadores de sustancias con fines terapéuticos y
andamios celulares, por lo que los materiales forman parte medular
en este proceso, ya que las características propias de cada uno y la
sinergia que se genera al combinarlos nos dan la oportunidad de
sintetizar materiales avanzados en las diferentes áreas de la
medicina.

27. * Los elementos químicos más utilizados en los
biomateriales son: Co,Cr, Al, Ti, Zr, Ni, Fe, O, Si,
S, P, Mn, Mg.

28. “https://franciscoalavez.wordpress.com/2007/12/19/biomateriales-caracteristicas-y-aplicaciones/
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