Instituto Tecnológico de Tijuana




   Catedrático: Ing. LEANDRO BARRAGÁN




   UNIDAD 5
BIOMATERIALES
          Escalo...
UNIDAD 5


                                     BIOMATERIALES

   5.1. INTRODUCCION



Más de cincuenta millones de person...
5.1.2. Estado del arte



El estado del arte incluyen los avances tecnológicos que se están llevando a cabo en los últimos...
Polímeros

Gracias a sus propiedades y al fácil manejo de estas, además de de su costo y efectividad que
garantizan, los p...
Este grupo esta formado por piel natural, arterias, venas y otros componentes que son utilizados
como tejidos.

Sus aplica...
Un material bioactivo es aquel que proporciona una respuesta biológica específica en la interfase
del material, que result...
5.2. BIOMATERIALES DUROS



Definición:

       Sustancias naturales o sintéticas que se pueden poner en contacto con los ...
•   Conocer los principios biológicos que afectan a las interacciones del organismo receptor con
        los biomateriales...
La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su
estructura atómica. Son los s...
Otras aleaciones que han tomado gran importancia en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales,
así como en aplicaciones m...
Alúmina:



Es la cerámica bio-inerte más frecuentemente utilizada. El uso de la alúmina como biomaterial
está motivado po...
En caso de pérdida por accidente, infección u otra causa, los médicos recurren al llamado
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Ese material, que muestra excelente bioactividad, podrá abrir las puertas para el desarrollo de
nuevos materiales de regen...
   Aumentar la vida útil de los materiales.
       No produce cambio alguno en sus dimensiones.
       No produce cambi...
Su color dorado abrió grandes expectativas en cuanto a su uso en aplicaciones decorativas: al
atractivo del color se suma ...
polimerización continua a un gel. Al combinar ambos métodos nos da una nueva técnica que la
denominamos sol gel.

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finalmente como lo interpreta el observador. Modificaciones en la fuente de luz, características del
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MATERIAL FUNCIONANDO


La bicompatibilidad es un proceso dinámico continuo ya que la respuesta del cuerpo a los
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PRUEBAS

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5.5. BIOMATERIALES SUAVES



Sustancias naturales o sintéticas que se pueden poner en contacto con los tejidos vivos sin
p...
Los principales polímeros empleados en aplicaciones médicas son:



POLIMETILMETACRILATO (PMMA)

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Tiene una alta rigidez, buena resistencia química y alta tensión de ruptura. Su resistencia a
la figuración por tensiones ...
Los polimeros tambien son materiales ideales para el transporte y liberacion de drogas (farmacos)
porque son capaces de in...
biomateriales se han convertido en los factores determinantes de la factibilidad y del éxito de
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La implantación de un dispositivo en el organismo humano, requiere que se garantice su total
reconocimiento por parte del ...
(mutagénesis).

Dentro de las ventajas que tienen estas pruebas es que son rápidas, fáciles de realizar y
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Imagen ilustrando la permeabilidad selectiva de una célula con la membrana intacta, en donde
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Figura 6


Para llevar acabo esta prueba (Imagen 7), se coloca el material a evaluar (A) sobre el disco de
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pueden o no ser mutágenos, por esto la cuantificación y relevancia de las pruebas que intentan
medir mutagénesis y carcing...
Figura 10




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Estas son diferentes a las Pruebas de uso (realizadas en algunos casos en animales), ya que el
material no es colocado en ...
Imagen 13, ilustra como se coloca el material a evaluar sobre la mejilla de un animal. Luego los
animales son fotografiado...
implante es colocado dependiendo de los tejidos que entren en contacto con el material durante su
uso clínico (por ejemplo...
La gran ventaja que presentan las pruebas de uso es su relevancia clínica, todas las otras pruebas
se deben comparar con e...
bajo estricto control de esterilización y suficiente irrigación para evitar generar cambios de
temperatura en la pulpa, as...
5.7. APLICACIONES DE LOS BIOMATERIALES



        La razón principal del empleo de biomateriales se encuentra en reemplaza...
El tiempo de permanencia

Material de osteosíntesis: tornillo, clavo, roscados, clavos intra medulares, placas, clavos-pla...
La norma ASTM (G 15) define la corrosión como el deterioro de un material y de sus propiedades,
provocado por reacción quí...
recurre a la adición de uno o mas metales al elemento base para modificar su estructura cristalina
y por lo tanto sus prop...
1. Los polímeros absorbibles
   2. Los polímeros no absorbibles
   3. Metales

Los polímeros absorbibles se utilizan gener...
3.   Marcapasos

El marcapasos es un pequeño dispositivo alimentado por una batería que ayuda al corazón a latir
con un ri...
6.   Filtros venales

Los filtros se introducen en la vena cava inferior de pacientes que han tenido o están en riesgo de
...
10.   Soporte Cardiaco

El saco cardíaco como se muestra en la figura anterior se utiliza para proporcionar presión positi...
Las fallas son asociadas a:



    1)   La selección de materiales destinados a implantes metálicos
    2)   El diseño de ...
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  1. 1. Instituto Tecnológico de Tijuana Catedrático: Ing. LEANDRO BARRAGÁN UNIDAD 5 BIOMATERIALES  Escalona Claudia  Huizar Alan  Montes Crys  Ochoa Violeta  Reyes Andrea  Valdez Herolinda  Villar Paloma ~1~
  2. 2. UNIDAD 5 BIOMATERIALES 5.1. INTRODUCCION Más de cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantado algún tipo de prótesis y es un hecho bien conocido en nuestra sociedad la utilidad y necesidad de todo tipo de implantes, siendo raro que en nuestro entorno próximo no conozcamos algún caso de familiar o amigo que los necesite. Una motivación importante para ello ha sido el hecho de que la esperanza de vida aumente de forma considerable. Los biomateriales deben cumplir con las condiciones de partida de ser biocompatibles y asegurar una determinada vida media. A su vez, tienen que aportar las prestaciones específicas que requiera la aplicación a que vayan destinados. En la actualidad, el mundo de los biomateriales se formula tres importantes cuestiones: ¿Qué calidad de vida proporcionarán? ¿Cuánto durarán? ¿Cuál es su precio? A los biomateriales, materiales implantables intra-corporalmente, se les exige que lleven a cabo una función adecuada, y no ocasionen ningún daño al organismo. Entre sus características no puede faltar la de ser biocompatibles, esto es, biológicamente aceptables. Factores decisivos a la hora de evaluar los biomateriales son su biocompatibilidad y su duración. 5.1.1. Importancia Los dispositivos construidos con biomateriales están cobrando creciente importancia y su número aumenta continuamente. La prevención, el diagnóstico y el tratamiento de muchos trastornos de la salud se han hecho posibles a la existencia de nuevos materiales y de formulaciones, y dispositivos que participan en ellos. En la actualidad, en muchos casos, los biomateriales se han convertido en los factores determinantes de la factibilidad y del éxito de una determinada práctica médica. ~2~
  3. 3. 5.1.2. Estado del arte El estado del arte incluyen los avances tecnológicos que se están llevando a cabo en los últimos años para mejorar la apariencia estética de los biomateriales y poder utilizarlos en diversos ámbitos industriales y médicos, las mejoras en respuesta al organismo y adaptabilidad con el mismo, el estudio de sus propiedades y aplicaciones. Los experimentos en animales • Cangrejo herradura – Endotoxinas • Puerco – implantes • Bacterias – genotoxicidad • Conejos – Oídos, piel, pirógenos • Ratones de guinea– piel, • ratones – genotoxicidad • Personas – largo tiempo Últimos avances tecnológicos y estéticos en: 1. Las articulaciones artificiales de cadera 2. Biomateriales para implantes 3. Lentes intraoculares 4. Injertos vasculares y prótesis 5. Prótesis sensible 6. Los andamios de polímeros sintéticos 7. Soportes para la ingeniería de tejidos 8. Diseño Asistido por Computadora de la vasculatura 5.1.3. Tipos de biomaterials En función se su estructura se clasifican en: Metales y Aleaciones Una aleación es la mezcla de dos o más metales, en esta categoría las aleaciones más importantes son las de: Acero inoxidable, Cobalto-Cromo, Aluminio-zinc y las de titanio. La aplicación principal de estas aleaciones, son remplazar sistemas de unión como la cadera y la rodilla, se utilizan también para realizar placas para huesos, tornillos, clavos, etc., así como en la elaboración de instrumental quirúrgico. ~3~
  4. 4. Polímeros Gracias a sus propiedades y al fácil manejo de estas, además de de su costo y efectividad que garantizan, los polímeros se han convertido en una fuente muy importante para la obtención de biomateriales. Los polímeros mas utilizados son: poli (cloruro de vinilo), poli (propileno), poli (Metacrilato de metilo), poliestireno y sus copolimeros Dentro de sus aplicaciones más importantes se encuentran la elaboración de dispositivos para diálisis, válvulas de corazón, implantes oculares y dispositivos ortopédicos entre otros. Los biomateriales elaborados por polímeros se pueden clasificar de la siguiente manera: biodegradables y bioabsorbibles.  biomaterial-biodegradable, es aquel, que se descompone después de un cierto período de tiempo dentro del organismo, el organismo es capaz de desecharlo, pero en algunas ocasiones se quedan pequeños residuos.  biomaterial-bioabsorbible, es aquel, que el organismo es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, como lo son las proteínas, o bien pueden ser desechados por completo. Cerámicos Los cerámicos son compuestos policristalinos, normalmente inorgánicos como los silicatos, óxidos metálicos, carburos e hidruros. Los cerámicos que se utilizan en la elaboración de biomateriales, normalmente reciben el nombre de biocerámicos y se pueden clasificar de la siguiente manera: absorbibles, no absorbibles o inertes y con superficie de reacción.  biocerámico-absorbible, es aquel, que el organismo es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, normalmente son elaborados de fosfatos, óxidos, etc. Su aplicación más común se encuentra en la reparación de huesos.  biocerámico-no absorbible o inerte, es aquel, que el organismo no es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, estos son no tóxicos, no producen ninguna alergia ni reacción secundaria, son totalmente biocompatibles y resistentes a la corrosión. Sus principales aplicaciones son: prótesis de cadera, válvulas de corazón, válvulas respiratorias, etc.  biocerámico-con superficie de reacción, es aquel, que el organismo utiliza sólo por un período de tiempo, esto debido a sus propiedades. Entre estos materiales se encuentran el Bioglass y el Ceravital, los cuales consisten en una mezcla de óxidos de silicón, calcio, sodio, fósforo, magnesio y potasio. Compuestos Un biomaterial es un compuesto sólido que contiene dos o más componentes unidos para formar una estructura integra. Ejemplos de estos tipos de compuestos son los utilizados en el área médico- dental, tales como: inclusiones inorgánicas de cuarzo con una matriz acrílico-polímero; Componentes ortopédicos como pueden ser: inclusiones de fibra de carbón con una matriz de polietileno. Material Biológico ~4~
  5. 5. Este grupo esta formado por piel natural, arterias, venas y otros componentes que son utilizados como tejidos. Sus aplicaciones más comunes son en cirugías plásticas, implantes de piel, reconstrucción de músculos, tendones y ligamentos. Uno de los productos mas comerciales dentro de este grupo es el colágeno, el cual, esta elaborado por celulosa y algunos poli-aminoácidos, como la glutamina y la lisina. Esto nos permite tener una idea de la importancia que tienen los biomateriales dentro de la vida del ser humano, por lo que es de suma importancia que el estudio, la investigación y el desarrollo de estos materiales continúen. En función a la respuesta de su organismo:  Inertes Sin respuesta  Interactivos Respuesta específica “prediseñada” (Crecimiento de tejido, adhesión)  Viables Respuesta como a tejido normal (Absorción y/o remodelación)  Reimplantados Respuesta armónica. Cultivos in vitro de células de un paciente específico. Actualmente en etapa experimental. Biomateriales inertes Estos materiales son aceptados por el cuerpo ya que son biológicamente inertes y además pueden resistir largos periodos en un entorno altamente corrosivo, como es la presencia de los fluidos corporales. El inconveniente de estos materiales es que en la interficie entre el implante y el tejido huésped siempre queda una pequeña separación dando lugar a la formación de una delgada cápsula fibrosa no-adherente alrededor del implante. Puede tener lugar la formación de hueso en su superficie pero no hay enlace entre el material bioinerte y el tejido huésped. El titanio, el cromo-cobalto y sus aleaciones pertenecen a este grupo de materiales. Sus propiedades mecánicas (tensión de fatiga, resistencia a la corrosión y deformación plástica) son adecuadas para ser utilizados como prótesis permanentes. La utilización del acero inoxidable (grado médico) se reserva para implantes no-permanentes pues presenta una pobre resistencia a la corrosión. El uso de la alúmina y zirconia (Al2O3 y ZrO2) también está limitado debido a su pobre resistencia a la ruptura (bending-induced rupture) aunque son óxidos muy estables con excelente resistencia a la fricción y corrosión. Sin embargo, son materiales excelentes para ciertas partes de una prótesis donde se precise baja fricción y stress compresivo como ocurre en la cabeza de una prótesis de cadera. Biomateriales interactivos (Bioactivos) Los materiales Bioactivos, al verse expuestos a los fluidos corporales reaccionan químicamente, dando lugar a la formación de un fuerte enlace interfacial entre el implante y el tejido huésped. Según la composición de este tipo de materiales, pueden presentar un comportamiento biológico osteoconductor como la hidroxiapatita de alta densidad (HA) u osteopromotor como los vidrios bioactivos y algunas cerámicas vítreas. ~5~
  6. 6. Un material bioactivo es aquel que proporciona una respuesta biológica específica en la interfase del material, que resulta en la unión entre el material y los tejidos. Todo material bioactivo forma una unión interfacial con tejidos adyacentes. Biomateriales viables Los materiales Biodegradables o Bioreabsorbibles, se diseñan para degradarse gradualmente y de esta manera poder ser reemplazados por el tejido huésped. Los constituyentes de estos materiales degradados deben ser aceptados por el organismo y es necesario un ajuste de la razón de biodegradación del material con la razón de formación del nuevo tejido. Los materiales cerámicos reabsorbibles, se emplean en todo tipo de reconstrucciones óseas: como material de relleno para defectos irregulares en cirugía maxilofacial y ortopédica, para fijar y reemplazar el hueso. Entre los cerámicos bioreabsorbibles, destacan la hidroxiapatita (HA) porosa, el fosfato tricálcico y el cemento de hidroxiapatita. ~6~
  7. 7. 5.2. BIOMATERIALES DUROS Definición: Sustancias naturales o sintéticas que se pueden poner en contacto con los tejidos vivos sin provocar daños o alteraciones mientras mantienen su efectividad física y biológica. Clasificación en función a su estructura: Metales: Átomos unidos por enlaces metálicos Cerámicos: Compuestos inorgánicos unidos por enlaces iónicos y covalentes. 5.2.1. Estructura y propiedades de los biomateriales Objetivo General La asignatura describe los materiales naturales, o materiales biológicos, desde la perspectiva de su composición, estructura y propiedades, poniendo de relieve el interés que tienen estos materiales desde el punto de vista de la optimización del material y eficiencia del diseño, que puede servir de modelo en el diseño de materiales artificiales (enfoque biomimético). Se describen los tejidos tanto vegetales como animales, y se plantea el estudio de los biomateriales como materiales diseñados para sustituir y/o regenerar estos tejidos, con finalidades terapéuticas o de diagnostico clínico. Se revisan los diferentes tipos de biomateriales, sus características y las interacciones entre los biomateriales y el organismo receptor. Se describen también las técnicas que permiten evaluar la biocompatibilidad de los materiales Objetivos específicos • Conocer la composición, estructura y propiedades de los materiales naturales más importantes. • Conocer las aportaciones del enfoque biomimético en el diseño de materiales. • Familiarizarse con las características comunes y los rasgos diferenciales de los diferentes tipos de materiales utilizados en medicina. • Conocer los principios básicos de la biocompatibilidad de los materiales para aplicaciones médicas. • Discernir los criterios fundamentales que deben cumplirse porque un material pueda implantarse. ~7~
  8. 8. • Conocer los principios biológicos que afectan a las interacciones del organismo receptor con los biomateriales (respuesta del organismo receptor) y relacionarlos con el comportamiento en servicio de los biomateriales (respuesta/degradación de los biomateriales). Tipos de materiales Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en tres grupos principales materiales metálicos, poliméricos , y cerámicos Materiales metálicos. Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos , pudiendo contener también algunos elementos no metálicos , ejemplo de elementos metálicos son hierro cobre , aluminio , níquel y titanio mientras que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono. Los materiales de cerámica , como los ladrillos , el vidrio la loza , los aislantes y los abrasivos , tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad , confortabilidad y resistencia al impacto. Polímeros , en estos se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos . Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas. Estructuras cristalinas La primera clasificación que se puede hacer de materiales en estado sólido, es en función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman. Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino. Si los átomos o iones se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo. En el siguiente esquema se indican los materiales sólidos cristalinos y los no cristalinos. En el caso de los materiales cristalinos, existe un ordenamiento atómico (o iónico) de largo alcance que puede ser estudiado con mayor o menor dificultad. Ahora bien, realmente ¿necesitamos estudiar los materiales a nivel atómico? Para responder a esta cuestión, podemos estudiar las principales propiedades de dos materiales tan conocidos como son el grafito y el diamante. El grafito es uno de los materiales más blandos (tiene un índice de dureza entre 1y 2 en la escala Mohs), es opaco (suele tener color negro), es un buen lubricante en estado sólido y conduce bien la electricidad. Por contra, el diamante es el material más duro que existe (10 en la escala Mohs), es transparente, muy abrasivo y un buen aislante eléctrico. Como vemos, son dos materiales cuyas principales propiedades son antagónicas. Pero, si pensamos en sus componentes, nos damos cuenta que tanto uno como el otro están formados únicamente por carbono. Entonces, ¿a qué se debe que tengan propiedades tan dispares? La respuesta está en el diferente modo que tienen los átomos de carbono de enlazarse y ordenarse cuando forman grafito y cuando forman diamante; es decir, el grafito y el diamante tienen distintas estructuras cristalinas. ~8~
  9. 9. La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes:  Metales  Cerámicos  Polímeros  Materiales compuestos  Semiconductores Aplicaciones y relación con la industria Los avances radicales en los materiales pueden conducir a la creación de nuevos productos o nuevas industrias, pero las industrias actuales también necesitan científicos de materiales para incrementar las mejoras y localizar las posibles averías de los materiales que están en uso. Las aplicaciones industriales de la ciencia de materiales incluyen la elección del material, su coste- beneficio para obtener dicho material, las técnicas de procesado y las técnicas de análisis. Además de la caracterización del material, el científico o ingeniero de materiales (aunque haya una diferencia, muchas veces el ingeniero es científico y viceversa) también debe tratar la extracción y su posterior conversión en materiales útiles. El moldeo de lingotes, técnicas de fundido, extracción en alto horno, extracción electrolítica, etc., son parte del conocimiento requerido en un ingeniero metalúrgico. Dejando aparte los metales, polímeros y cerámicas son también muy importantes en la ciencia de materiales. Los polímeros son un material primario usado para conformar o fabricar plásticos. Los plásticos son el producto final después de que varios polímeros y aditivos hayan sido procesados y conformados en su forma final. El PVC, polietileno, etc., son ejemplos de plásticos. En lo que respecta a los cerámicos, se puede citar la arcilla, así como su modelado, secado y cocido para obtener un material refractario. 5.2.2. Materiales metálicos 5. Acero inoxidable 6. Cobalto-Cromo 7. Titanio 8. aleaciones con memoria de forma Niobio 9. Tantalio 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. ~9~
  10. 10. Otras aleaciones que han tomado gran importancia en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales, 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). Se buscan nuevas técnicas de procesamiento para maximizar las propiedades mecánicas de las aleaciones actuales y lograr que sus superficies tengan texturas adecuadas para inducir la respuesta biológica deseada. Por ejemplo, está en estudio el desarrollo de microelectrodos para dispositivos neurológicos que resistan la corrosión y en particular, el fenómeno de tensión-corrosión (stress corrosión cracking) inducida por el medio biológico. Se buscan nuevas técnicas de procesamiento para maximizar las propiedades mecánicas de las aleaciones actuales y lograr que sus superficies tengan texturas adecuadas para inducir la respuesta biológica deseada. Por ejemplo, está en estudio el desarrollo de microelectrodos para dispositivos neurológicos que resistan la corrosión y en particular, el fenómeno de tensión-corrosión (stress corrosión cracking) inducida por el medio biológico. El término superelásticos describe la capacidad de algunas aleaciones metálicas de sufrir grandes deformaciones y retornar a la forma original una vez que la fuerza que genera la deformación desaparece. Por ejemplo, un acero inoxidable común sufre deformaciones elásticas de un 0,5%, mientras que las aleaciones utilizadas en los stents, alcanzan deformaciones de hasta un 11%. 5.2.3. Materiales cerámicos CERAMICOS VENTAJAS DESVENTAJAS Alúmina Hidroxiapatita Compatibilidad con sistema Baja resistencia a la tensión, corte Zirconia musculoesqueleto. e impacto. Biovidrios Similitud con propiedades físicas del Difícil conformación. hueso. Falta de elasticidad. Resistencia a la corrosión. Inertes a los tejidos. Adherencia a los tejidos. Alta resistencia a la compresión y al desgaste. Aunque las cerámicas y los vidrios no sufren corrosión, presentan alguna forma de degradación cuando son expuestas al medio biológico. Aunque las cerámicas consideradas inertes químicamente (alúmina, por ejemplo) experimentan una degradación de sus propiedades mecánicas como consecuencia del contacto con la solución salina del medio biológico. ~ 10 ~
  11. 11. Alúmina: Es la cerámica bio-inerte más frecuentemente utilizada. El uso de la alúmina como biomaterial está motivado por su excelente bio-compatibilidad y su excepcional coeficiente de fricción y baja velocidad de desgaste. Debido a su capacidad de ser pulidas con un alto acabado superficial y su excelente resistencia al desgaste, la alúmina se utiliza a menudo para las superficies de desgaste de las prótesis de sustitución conjunta. Estas aplicaciones incluyen cabezas femorales para el reemplazo de cadera y placas de desgaste en reemplazos de rodilla. En sustitución de cadera, la cabeza femoral de alúmina se utiliza en conjunción con un vástago femoral metálico y una copa acetabular hecho de ultra alto peso molecular de polietileno para oponerse a la articulación de la superficie Poroso de alúmina también pueden utilizarse para sustituir a una gran parte de los huesos que se han eliminado por razones tales como el cáncer. Estas pueden adoptar la forma de anillos concéntricos que son alrededor de un pasador metálico, añade el centro de sí mismo el resto de los huesos. La naturaleza porosa de estos implantes permitirá al hueso nuevo crecer en los poros, la utilización eficaz de la alúmina como un andamio para la formación de hueso nuevo. Hidroxiapatita El mineral hidroxiapatita, también llamado hidroxiapatito, está formado por fosfato de calcio cristalino y representa un depósito del 99% del calcio corporal y 80% del fósforo total. El hueso desmineralizado es conocido como osteoide. Constituye alrededor del 60-70% del peso seco del tejido óseo, haciéndolo muy resistente a la compresión. El esmalte que cubre los dientes contiene el mineral hidroxiapatita. Ese mineral, muy poco soluble, se disuelve en ácidos. El Instituto de Investigaciones en Materiales ha desarrollado compuestos terapéuticos a partir de dos minerales (hidroxiapatita y zeolita enriquecida con calcio y zinc); algunos también sirven para hacer prótesis oculares. Se utilizan para tratar, aumentar, completar o reemplazar tejidos vivos y órganos, como hueso, piel, ligamentos, tendones, nariz, orejas, ojos... El calcio del hueso se presenta en forma de un compuesto denominado HIDROXIAPATITA . Sirven para reemplazar hueso e incluso piel herida o quemada. Hidroxiapatita (un mineral que, además de encontrarse en la naturaleza, lo producimos en nuestro cuerpo a 37 °C) "El hueso es un tejido conjuntivo duro; su parte orgánica está constituida por colágeno, nervios, grasa y vasos sanguíneos, principalmente; y su parte inorgánica, por hidroxiapatita", explica la especialista. ~ 11 ~
  12. 12. En caso de pérdida por accidente, infección u otra causa, los médicos recurren al llamado homoinjerto: al paciente le quitan una parte de hueso (generalmente de la cadera) para implantársela en el sitio afectado. Sin embargo, con los biocerámicos ya se puede evitar este procedimiento. "El hueso es un tejido conjuntivo duro; su parte orgánica está constituida por colágeno, nervios, grasa y vasos sanguíneos, principalmente; y su parte inorgánica, por hidroxiapatita", explica la especialista. En caso de pérdida por accidente, infección u otra causa, los médicos recurren al llamado homoinjerto: al paciente le quitan una parte de hueso (generalmente de la cadera) para implantársela en el sitio afectado. Sin embargo, con los biocerámicos ya se puede evitar este procedimiento. "La hidroxiapatita de las minas no sirve para elaborar implantes óseos porque está muy contaminada. Por eso se obtiene en laboratorio mediante reacciones químicas, en forma de polvo cristalino de alta pureza. Posteriormente, éste se compacta y se somete a altas temperaturas (más de 1200 °C) para sintetizarlo y formar con él piezas geométricas de gran resistencia y dureza". Tipos de Hidroxiapatita: 5. Natural: Bovina, Coralina, Ficogena 6. Sintética: Es química y cristalográficamente similar, pero no idéntica. La hidroxiapatita también permite elaborar prótesis oculares (han sido probadas en el Centro Médico Nacional y el Hospital de la Luz). Así, a los tuertos se les puede implantar, en vez de un ojo de vidrio fijo y pesado, una esfera de este mineral ligero y poroso. Se usa, además, en implantes dentales, sistemas percutáneos, tratamientos periodentales, otorrinolaringología y cirugía maxilofacial y espinal. Inyectada bajo la piel, quita arrugas y rellena huecos óseos en cara o cabeza. Cuando el paciente es diabético, la piel corre el riesgo de sufrir diferentes tipos de heridas o alteraciones como quemaduras, abrasiones, contusiones, laceraciones y punciones. La Hidroxilopatita , a partir de zeolita enriquecida con calcio y zinc, sirven para regenerar y lograr una cicatrización más rápida. Este biomaterial tiene otra ventaja: estimula el crecimiento normal de pelo. Biovidrios El vidrio bioactivo es considerado actualmente como el material más biocompatible en el área de regeneración ósea debido a su bioactividad, osteoconductividad y hasta mismo osteoinductividad. ~ 12 ~
  13. 13. Ese material, que muestra excelente bioactividad, podrá abrir las puertas para el desarrollo de nuevos materiales de regeneración ósea nanoestructurados para la medicina regenerativa e ingeniería de los tejidos. Biovidrios basados en sílice constituyen la parte esencial de esos materiales bioactivos, ya han sido usados en diversas aplicaciones ortopédicas y dentarias. Zirconas También es empleada como esfera articular en reemplazos totales de cadera. Es fundamentalmente ZrO2 con el agregado de algún oxido metálico. La ventaja potencial de la zirconia en prótesis bajo carga es su bajo modulo de elasticidad, su alta resistencia mecánica y su buena tenacidad. Hasta ahora hay insuficiente cantidad de datos para determinar si esas propiedades conducirán a un éxito clínico luego de varios años de uso. 5.3. MODIFICACION SUPERFICIAL DE IMPLANTES El tipo de modificaciones pueden ser:  Implantación Iónica.  Implantación de plasma.  Implantación PVD (Deposición en fase de vapor)  Implantación CDV(Técnicas de deposición química en fase de vapor)  Implantación Sol-Gel.  Implantación electroquímica. Implantación iónica. La implantación iónica es una técnica de modificación superficial que consiste en la introducción de átomos de un elemento escogido, dentro de las primeras capas superficiales de un material. Con el tiempo, se han descubierto un buen número de procesos de implantación iónica capaces de aumentar:  La resistencia al desgaste.  La corrosión.  La fatiga. Todo esto de diferentes aleaciones metálicas, materiales cerámicos y polímeros. Ventajas de la implantación iónica. ~ 13 ~
  14. 14.  Aumentar la vida útil de los materiales.  No produce cambio alguno en sus dimensiones.  No produce cambio alguno en el acabado superficial. Implantación iónica en el sector mecánico. Una de las razones por las que se utiliza la implantación iónica es que puede aplicarse sobre herramientas ya acabadas, sin riesgos de deformaciones y como último paso antes de su utilización industrial. Algunos ejemplos de implantación iónica en el sector mecánico son:  Cilindros de laminación.  Rodillos de acabado.  Punzones.  Herramientas de estampado. Aplicaciones de la implantación iónica en la medicina. Las características particulares de la implantación iónica convierten este proceso como el idóneo para ciertas aplicaciones médicas, sobre todo en prótesis de cadera, rodilla, etc. IMPLANTACION DE PLASMA. Plasma: es un gas ionizado (parcial o totalmente). Contiene casi la misma cantidad de iones y electrones, pero en el que pueden coexistir átomos neutros, con una gran capacidad de neutralizar carga introducida externamente Se comprobó que por esta técnica había una elevación sustancial de la dureza superficial de la resistencia al desgaste y a la corrosión, así como la utilización del proceso en aceros inoxidables que sin estas mejoras no serían potencialmente útiles para muchas aplicaciones industriales. IMPLANTACION DE PVD (Deposición en fase de vapor) Su objetivo es depositar capas de elevada dureza que mejoraran el rendimiento al desgaste. Estas capas están formadas por compuestos cerámicos. En cuanto a su aplicación decorativa ~ 14 ~
  15. 15. Su color dorado abrió grandes expectativas en cuanto a su uso en aplicaciones decorativas: al atractivo del color se suma la elevada dureza superficial. De este modo se inició la deposición de capas PVD. Posteriormente se realizaron recubrimientos tribológicos, que son los que buscan no sólo mejorar la dureza de los materiales sino también las características de deslizamiento, rozamiento y autolubricación en contactos metal-metal. La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en movimiento. IMPLANTACION DE CDV (técnicas de deposición química en fase de vapor) La técnica de CVD consiste en la reacción de una mezcla de gases en el interior de una cámara de vacío (reactor) para dar lugar a la formación de un material en forma de capa delgada. Los subproductos de la reacción son evacuados hacia el exterior mediante un sistema de alta velocidad de bombeo (bomba 'roots' apoyada con rotatoria). La gran gama de posibilidades de aplicación, especialmente en las herramientas de conformación sometidas a grandes esfuerzos se obtienen rendimientos muy buenos, alta dureza, excelente resistencia a la adherencia. IMPLANTACION SOL-GEL. El método Sol-Gel es un método donde uno o varios elementos son usados en la forma de sol y/o gel con el fin de obtener un sólido homogéneo. Es una reacción química, donde un líquido se va condensando hasta formar un sólido. La química del proceso sol-gel está basado en la hidrólisis y condensación del precursor molecular, donde primeramente un sistema condensado, llamado sol, se transforma mediante un proceso de ~ 15 ~
  16. 16. polimerización continua a un gel. Al combinar ambos métodos nos da una nueva técnica que la denominamos sol gel. ¿Donde los podemos utilizar?  Materiales compuestos  Recubrimientos  Cerámica  Vidrios  Fibras IMPLANTACION ELECTROQUIMICA. Técnica electroquímica se ha usado para el control o el estudio de procesos donde tiene lugar una reacción de transferencia de carga. En la corrosión de los metales, cuyo desarrollo se produce a través de un proceso electro-químico, y también en la corrosión a altas temperaturas, que transcurre mediante reacciones químicas, donde las transferencias de materia y de carga son objeto de estudio de la electroquímica del estado sólido. Estos procesos electro-químicos han sido empleados en el campo de la energía, con el diseño y fabricación de las pilas, los acumuladores o las pilas de combustible. La electroquímica se viene aplicando en la protección ambiental, con métodos electroquímicos de recuperación de metales. 5.4. BIOCOMPATIBILIDAD La biocompatibilidad puede parecer un tema de poca importancia dentro del campo de la odontología, pero en realidad es vital tener un amplio conocimiento sobre la complejidad y naturaleza de éste tópico, ya que afecta directa e indirectamente aspectos éticos, legales, sociales y técnicos de la práctica odontológica, principalmente en el campo de la rehabilitación y endodoncia, en donde las terapias dependen en gran parte de los biomateriales dentales (1). La biocompatibilidad se define como la capacidad de un material de generar una respuesta biológica apropiada al ser aplicado sobre un tejido, ya que no existe un material inerte, dependiendo de la función física y de la respuesta biológica que deseamos de un material. Esta definición implica la interacción entre un huésped, el material y la función esperada del material Muchos autores comparan la biocompatibilidad con el color, ya que el color de un objeto es una propiedad que depende tanto del material, su interacción con la luz (el medio ambiente) y ~ 16 ~
  17. 17. finalmente como lo interpreta el observador. Modificaciones en la fuente de luz, características del objeto o un cambio de observador hará que el color percibido sea distinto. (Imagen 1) (1). Figura 1 Por ejemplo, existen muchos materiales utilizados para obturar cavidades retrógradas en una apexificación, como son el MTA (Mineral Trióxido Agregado), la amalgama y el Super EBA. Ninguno de los materiales mencionados son inertes, todos son hasta cierto grado citotóxicos y generan una respuesta distinta sobre los tejidos periapicales, pero se siguen utilizando ya que cada uno tiene ventajas y desventajas. La amalgama es un material que ha mostrado buenos resultados clínicos aunque se ha demostrado que es corrosivo, tóxico y que libera mercurio. El Super Eba por otra parte tiene ventajas como alta resistencia compresiva y tensil, su pH es neutro, tiene una baja solubilidad, y se adhiere a la dentina, pero posee muchas desventajas como su alta sensibilidad a la humedad, irrita los tejidos periapicales, es parcialmente soluble en fluidos orales y es reabsorbible. En estudios de citotoxicidad, se ha observado que el MTA no afecta la actividad de la deshidrogenasa mitocondrial y que causa una pequeña pero estadísticamente significativa reducción de la proliferación celular. Además este material es el único que consistentemente favorece la regeneración del ligamento periodontal, la aposición de material parecido al cemento y la formación ósea (Imagen 2) (3). Figura 2 ~ 17 ~
  18. 18. MATERIAL FUNCIONANDO La bicompatibilidad es un proceso dinámico continuo ya que la respuesta del cuerpo a los materiales dentales sufre cambios con el paso del tiempo, además todos los materiales sufren cambios, ya sea por procesos de corrosión, fatiga entre otros. Para explicar lo anterior se puede tomar como ejemplo un implante dental oseointegrado, que con el paso del tiempo, debido a varios factores, fracase (1). También estudios comparativos muestran que el material más citotóxico, cuando está recién preparado, es la amalgama, y el menos citotóxico en esta condición es el MTA. Por el contrario, al evaluar los materiales luego de 24 horas, la amalgama disminuye su citotoxicidad y el MTA la aumenta (4). El personal de trabajo es el que presenta un mayor riesgo de generar reacciones adversas ante los materiales dentales, ya éstos se encuentran en contacto constante con los mismos, durante su manipulación o fraguado. Un ejemplo clásico es la amalgama, ya que la liberación de vapores de mercurio de las amalgamas durante su colocación y remoción es sustancialmente mayor que cuando se encuentra colocada dentro de la cavidad oral. Otro ejemplo es el contacto crónico con el látex y los materiales a base de resina (1). Como existe mucha evidencia que demuestra que siempre existe un riesgo inherente a que los materiales dentales generen una respuesta tanto a nivel local como sistémico, ya sea a menor o mayor grado, tanto en el paciente como en el personal de trabajo, los odontólogos asumen un riesgo legal al utilizarlos. Un enfrentamiento legal como consecuencia de un daño causado por un material dental es poco frecuente, pero no imposible, por lo que es indispensable contar con el debido respaldo (1). En los últimos 30 años, el público y varios organismos gubernamentales han solicitado pruebas que demuestren que los materiales utilizados en odontología sean biológicamente seguros y efectivos. La importancia de regular los materiales dentales ha sido un tema de discusión debido al auge de grupos organizados que luchan por el tratamiento ético en los pacientes, además de que existe mayor conciencia por parte de los pacientes con respecto a los riesgos que involucran el cuidado de la salud y las preocupaciones del personal de salud con respecto a las posibles demandas de los pacientes. Desafortunadamente, determinar la biocompatibilidad de un material es un tema sumamente complejo, que implica el uso de varias pruebas, las cuales en su mayoría son costosas y complicadas. A pesar de estos inconvenientes las pruebas de biocompatibilidad continúan siendo el único medio por el cual se puede asegurar la seguridad o no de un material (1). Pruebas de biocompatibilidad Históricamente, nuevos materiales eran simplemente evaluados en humanos para observar si eran biocompatibles. Desde hace muchos años esto no ha sido aceptable, en la actualidad los nuevos materiales deben pasar por varias pruebas arduas antes de ser utilizados en humanos. Estas pruebas se clasifican en: In Vitro, In vivo y por último Pruebas de uso. Investigadores reconocen que la manera más eficiente, económica y relevante para evaluar la biocompatibilidad de los materiales es realizando estudios que combinen los tres grandes grupos (5). ~ 18 ~
  19. 19. PRUEBAS IN VITRO IN VIVO PRUEBAS DE USO  Citotoxicidad:  Irritación de mucosas  En animales  Sensibilidad cutánea  En humanos 1. # de crecimiento celular.  Implantación 2. Permeabilidad de la membrana celular. 3. Biosíntesis enzimática: DNA, MTT. 4. Pruebas indirectas (uso de barreras). 5. Pruebas de barrera dentinal.  Mutagénesis y carcinogénesis: 1. AMES 2. STYLES Reacción Sistémica Es la que se produce de forma generalizada en todo el organismo o bien localizada en tejidos concretos a distancia. El hecho de que las lesiones que se producen sean más generalizadas y afecten a órganos a distancia, hace que suelan tener peor pronóstico que las reacciones locales. Fatiga La fatiga se determina sometiendo un material a un ciclo de fuerza de un valor máximo conocido y determinando el número de ciclos necesarios para producir una fractura. La fuerza de fractura y el número de ciclos necesarios para que ocurra la fractura permite calcular la tensión máxima de servicio o el límite de fatiga. Corrosión Un requisito imprescindible es que tengan una buena resistencia a la corrosión. La corrosión es un problema general de los metales, más aún si están inmersos en un medio hostil como es el organismo humano Densidad Los biomateriales de naturaleza polimérica (Teflón, Nylon, dacron, silicones) tienen la ventaja de ser de baja Densidad. Algunos metales, como los aceros 316, 316 LS y de bajo contenido de carbono, aleaciones de titanio, son frecuentemente usados como biomateriales. Por que son de alta densidad. Los materiales cerámicos, como el óxido de aluminio, aluminatos de calcio, óxidos de titanio y algunos carbonos son usados por que poseen alta densidad. ~ 19 ~
  20. 20. 5.5. BIOMATERIALES SUAVES Sustancias naturales o sintéticas que se pueden poner en contacto con los tejidos vivos sin provocar daños o alteraciones mientras mantienen su efectividad física y biológica. Los materiales suaves son sistemas formados por diversas componentes que presentan propiedades fluidas. Dichos sistemas incluyen las soluciones de polímeros, los coloides, las soluciones de tensoactivos y los cristales líquidos. Estos materiales, de naturaleza aparentemente disímbola, tienen propiedades estructurales y dinámicas comunes, intermedias entre las de los sólidos cristalinos y las de los líquidos simples. Algunas características de estos materiales se deben a su capacidad de autoensamblarse espontáneamente, lo cual ha sido explotado por la industria para hacer pinturas, plásticos, detergentes y muchos otros productos de uso cotidiano. Estos sistemas de origen biológico son un caso particular de materiales suaves que se denomina "materiales biomoleculares". 5.5.1. Biomateriales polimericos El biopolímero es básicamente un implante mecánico con función exclusivamente de relleno permanente; tiene una gran ventaja, no produce reacciones alérgicas, y su efecto es prácticamente permanente . Los biopolímeros son implantes que han revolucionado la medicina estética, cuya génesis es el silicio y que guardan analogía con productos orgánicos. Características: 1. *Ni antigenicidad ni Bio-degradación 2. *Atoxicidad total 3. *Baja tensión superficial 4. *Pureza y esterilidad totales 5. *Estabilidad a varias temperaturas 6. *Hidro-repelencia 7. *Capacidad de buen enfibrosamiento 8. *Permanencia indefinida 9. *Biofuncionalidad 10. *Biocompatibilidad No todos los materiales poliméricos poseen una biocompatibilidad aceptable con el organismo humano y por ello sólo un número limitado ha sido permitido en aplicaciones médicas. ~ 20 ~
  21. 21. Los principales polímeros empleados en aplicaciones médicas son: POLIMETILMETACRILATO (PMMA) Tienen una muy buena transparencia a la luz, tenacidad y estabilidad, lo que hacen de el un excelente material para lentes ultraoculares y lentes de contactos duros. POLIETILENO En su forma de alta densidad es empleado en tubos para drenajes y catéteres, hilos de sutura, cirugía plástica, etc. Se emplea como componente acetabular en reemplazos de cadera y en reemplazos de rodillas. Este material tiene buena tenacidad, resistencia a las grasas y tiene un costo relativamente bajo. CLORURO DE POLIVINILO (PVC) Es usado principalmente en catéteres y bolsas para transfusiones de sangre , alimentación y diálisis. El PVC puro es un material duro y frágil, pero con la adición de plastificantes, se transforma en flexible y blando. SILICONAS Es inerte y estable a altas temperaturas, lo que la hace útil en gran variedad de aplicaciones médicas, como prótesis valvulares cardíacas, ventrículos artificiales, lentes de contacto, e implantes de mamas. POLIURETANOS Son copolímeros que pueden ser de dos tipos flexibles o rígidos, dependiendo del poliol usado. Son empleados en aislamiento de conductores en marcapasos, injertos vasculares , vejigas artificiales, etc. POLIAMIDAS Son usadas como catéteres intracardiacos, equipos de diálisis, y para la reparación de tendones y ligamentos POLIPROPILENO ~ 21 ~
  22. 22. Tiene una alta rigidez, buena resistencia química y alta tensión de ruptura. Su resistencia a la figuración por tensiones es superior a la del polietileno y es empleado en las mismas aplicaciones. POLIGLICOLILACTIDA (PGL) Es un copolímero empleado para suturas quirúrgicas reabsorbibles (el organismo se encarga de disolverlas). POLIDIMETILSILOXANO (PDMS) Se emplea en las membrabas oxigenadoras debido a su alta permeabilidad de oxígeno. Por su excelente flexibilidad y estabilidad es utilizado en una variedad de prótesis tales como articulaciones de dedos, válvulas de corazón, implantes de pechos, narices, orejas y barbillas. POLICARBONATO Son viables para plasma, drenajes y anestesia, también para equipos de asistencia al corazón y a los pulmones POLIACRILATO Una de las familias de polímeros más usada en Medicina es la de los poliacrilatos. Éstos se utilizan en la fabricación de prótesis dentales, sellantes dentales, obturantes dentales restaurativos, y dientes artificiales, así como de lentes de contacto e intraoculares. En el campo de la reposición de articulaciones y relleno de cavidades óseas, estos polímeros se emplean para unir prótesis artificiales con la estructura ósea y se les conoce como cementos óseos acrílicos. 5.5.2. Biomateriales para el transporte de drogas Las aplicaciones medicas y farmacéuticas de los biopolimeros constituyen actualmente uno de los campos de mayor interés en los desarrollos de macromoléculas, por su utilización como dispositivos terapéuticos cardiovasculares, ortopédicos, oftalmológicos y dentales, sustitutos de la piel, sistemas de liberación de fármacos y sensores para propósitos de diagnostico. Los polímeros fueron incluidos oficialmente en el campo farmacéutico en 1980 en la Farmacopea Americana y desde entonces se han empleado como auxiliares de formulación en medicamentos y como materiales de envases y empaques. La aplicación de estos materiales en el campo biomédico y en sistemas terapéuticos farmacéuticos conlleva la formación de una interface con el sistema biológico. ~ 22 ~
  23. 23. Los polimeros tambien son materiales ideales para el transporte y liberacion de drogas (farmacos) porque son capaces de incorporar grandes cantidades y liberarlos lentamente. El polimero mas utilizado para este fin ha sido la silicona, la cual es capaz de transportar, entre otros, benzocaína, testosterona y difosfato de cloroquina (antimalaria). Un “polímero transportador” debe exhibir ciertas propiedades como: • Ser soluble, facil de sintetizar y con una masa molecular precisa. • Debe contener sitios de unión y liberación del fármaco, o la posibilidad de incorporar residuos de unión. • Ser compatible con el entorno biológico, no tóxico, no antigénico y no alterar propiedades de dicho entorno. • Debe ser reconocido o dirigirse a un tipo predeterminado de células. • Debe ser biodegradable o poder ser eliminado por el organismo después de realizada su función. existe consenso en definir a un biomaterial como: un material no biológico usado en un dispositivo médico, destinado a interaccionar con sistemas biológicos. En esta definición están comprendidos materiales muy diferentes tales como los metales, los cerámicos o los polimeros, tanto naturales como sintéticos. Habitualmente se utilizan en forma de materiales compuestos en los que la asociación de dos o más sustancias con características propias forman un nuevo material cuyas propiedades son superiores a la de cada uno de sus componentes, para los fines de la aplicación que se le quiere dar. Sobre la base de la duración y la forma del contacto que se establece con el organismo, los biomateriales suelen clasificarse como de uso temporaroa o permanente y de localización intra o extracorpórea. Desde el punto de vista de su función se pueden distinguir entre ellos los dispositivos destinados al soporte, al diagnóstico o al tratamiento. Algunos biomateriales contienen drogas y son considerados medicamentos, otros pueden incluir células vivas y construir los llamados biomateriales híbridos. También hay biomateriales que incluyen compuestos capaces de responder a señales provenientes del medio biológico que reciben el nombre de materiales inteligentes. Los biomateriales tienen un campo de aplicación muy amplio que se extiende desde dispositivos de uso masivo y cotidiano en centros de salud como es el caso de jeringas, vendajes, catéteres, bolsas para suero y sangre, y recipientes para residuos -hasta sofisticadas piezas que se emplean para promover la regeneración de tejidos o para reemplazar órganos Los dispositivos construidos con biomateriales están cobrando creciente importancia y su número aumenta continuamente. La prevención, el diagnóstico y el tratamiento de muchos trastornos de la salud se han hecho posibles merced a la existencia de nuevos materiales y de formulaciones, y dispositivos que participan en ellos. En la actualidad, en muchos casos, los ~ 23 ~
  24. 24. biomateriales se han convertido en los factores determinantes de la factibilidad y del éxito de una determinada práctica médica. 5.6. INTERACION CON PROTEINAS Y CELULAS El cuerpo humano está constituido por una estructura ósea rígida el esqueleto, siendo éste el soporte mecánico de los tejidos blandos Los tejidos blandos son:  Músculos.  Piel.  Órganos.  Mucosas. En el interior de los anteriores elementos se encuentran o circulan numerosos fluidos corporales como:  sangre,  plasma,  jugos gástricos,  saliva,  orina, etc. El fluido extracelular, localizado entre los diferentes tejidos, se mantiene a una temperatura de 37oC, es una solución acuosa, salina, con conductividad eléctrica y pH 7.4, que contiene 1% de cloruro de sodio, así como cantidades menores de otras sales y componentes orgánicos. La saliva producida por diversas glándulas bucales es una solución acuosa compuesta por varias sales orgánicas e inorgánicas, ácidos orgánicos, proteínas, carbohidratos y lípidos, con una concentración total de 5 g/L y un pH 7.0. En la boca se produce un litro de saliva por día, utilizada principalmente durante la masticación de alimentos. El compuesto más común dentro del cuerpo humano es el colágeno, y otras proteínas que incluyen elastina, queratina, reticulita, miosina y actina. En contraste con las proteínas estructurales, proteínas globulares o enzimas. Gracias a la compleja organización el organismo humano tiene capacidad para identificar, rechazar o admitir cualquier cuerpo extraño (implante) introducido en él. Las interacciones entre el implante o cuerpo extraño y el medio fisiológico determinan el período de tiempo necesario para su reconocimiento y la intensidad de la reacción del organismo para rechazar o asimilarle, hasta restablecer el equilibrio interno . En este sentido ha de considerarse que al introducir un implante en el seno de un tejido, se produce la separación física de los perfiles en contacto con la prótesis, disminuyendo al menos a la mitad las vías de alimentación y oxigenación celular de la interfase tejido-implante . ~ 24 ~
  25. 25. La implantación de un dispositivo en el organismo humano, requiere que se garantice su total reconocimiento por parte del complejo sistema fisiológico. Las superficies de los biomateriales pueden ser:  Hidrofobos.  Hidrofilos. Son la propiedad que condiciona que las proteínas sean absorbidas por la superficie del material en cuestión, lo cual está directamente relacionado con la tolerancia del organismo al material. Los materiales dentales ubicados en la cavidad oral, en contacto con la saliva que contiene sales, por ejemplo los sulfuros, corroen, manchan o empañan las amalgamas de plata y oro, así como las prótesis dentales; alterando el color natural del esmalte de los dientes. 5.6.1. Respuesta inmunológica La capacidad del cuerpo humano para reconocer objetos físicos o sustancias químicas que le son ajenas, es el principal problema que enfrenta la ciencia médica. Por ello, se fabrican con materiales inertes y sin ningún grado de toxicidad. Los biomateriales ideales no existen. Es verdad que hay materiales que se adaptan mejor al sistema inmunológico que otros. Pero estos materiales no pueden insertarse en el cuerpo de cualquier manera y no esperar rechazo por parte del sistema inmunológico. La característica primordial de un biomaterial es que sea biológicamente inerte, es decir que no presenten respuesta inmunológica o daño celular donde se aplique, no ser tóxico, ni carcinógeno, ser químicamente estable (no presentar degradación en el tiempo), tener propiedades mecánicas adecuadas. Además de la composición química y la estructura atómica del material, hay otros factores que deciden si un material será aceptada por el sistema inmunológico. Entre ellos esta la forma, el tamaño, la rugosidad superficial, la localización, la fijación de la prótesis y la función que desempeña. Para que un material pueda sustentar el nombre de biomaterial debe pasar pruebas de bio- compatibilidad 5.6.2. Estudios in vitro e in vivo Pruebas In vitro Se llevan acabo en un tubo de ensayo o en una placa de cultivo, fuera de un organismo vivo. Son ensayos muy diversos, pero en general se realizan colocando el material en contacto directo con poblaciones celulares o bacterias y miden: el grado de citotoxicidad o crecimiento celular, funciones metabólicas de la célula y el efecto del material sobre el material genético de la célula ~ 25 ~
  26. 26. (mutagénesis). Dentro de las ventajas que tienen estas pruebas es que son rápidas, fáciles de realizar y relativamente menos costosas en comparación a otros ensayos disponibles, permite tamizaje a gran escala, se logra obtener un excelente control experimental y son altamente reproducibles. La desventaja principal es que la relevancia clínica es cuestionable, debido a que no hay presencia de una respuesta inflamatoria u otros mecanismos de protección por parte de los tejidos que podrían modificar los resultados, como consecuencia se pueden obtener resultados poco fiables sobre la respuesta biológica de un material . Figura3 Cuando las pruebas son directas se puede mostrar el efecto tóxico de un material sobre un cultivo celular, pero no permite medir efectivamente el efecto de sustancias tóxicas solubles presentes en el material. Con las pruebas indirectas, en donde hay algún tipo de barrera entre el material y el cultivo celular, sí es posible medir el efecto de las sustancias solubles, por lo que se considera importante realizar ambas pruebas para evaluar un solo material . Las pruebas directas se pueden subdividir; en el primer grupo, el material está físicamente presente con el cultivo celular y en el otro grupo, algún extracto del material entra en contacto con el cultivo celular . Los cultivos idealmente utilizados para estas pruebas son las de células primarias. Aquí las células son tomadas de tejido animal, crecen durante un periodo corto de tiempo y mantienen las características In vivo, pero tienen la desventaja de provenir de un solo individuo. También se utilizan cultivos de células continuas, éstas son células primarias transformadas para ser cultivadas indefinidamente, son más estables genética y metabolicamente que las primarias, por lo que permite estandarizar las pruebas, aunque son la segunda opción para estudios de citotoxicidad (6). Pruebas de citotoxicidad Estos ensayos evalúan el efecto de los materiales sobre diferentes poblaciones celulares midiendo el número o crecimiento celular luego de la exposición a los materiales. Además estas pruebas determinan daños a nivel de la membrana celular, biosíntesis o actividad enzimática y el material genético (7). Número y crecimiento celular Cuando se evalúa el crecimiento o número celular, el material es colocado directamente en contacto son un cultivo celular. Si el material no es citotóxico, las células permanecen en contacto con el material y continúan creciendo normalmente, por otra parte si el material es citotóxico, el ~ 26 ~
  27. 27. crecimiento celular se detiene y se observará un halo de inhibición alrededor del material. La densidad celular puede ser descrita de forma: cualitativa, semi-cualitativa, o cuantitativamente. El Teflón es utilizado como control negativo ya que es un material inherte, por otra parte el Cloruro de polivinilo plastificado es utilizado como control positivo ya que es un material altamente citotóxico . Estas pruebas son utilizadas para medir la capacidad antimicrobiana de los materiales endodónticos sobre microorganismos patógenos. Materiales endodónticos con una elevada capacidad antibacteriana, frecuentemente inducen inducen efectos adversos severos durante y después del tx endodóntico, además de ser citotóxicos y mutagénicos (8). Figura4 Permeabilidad de la membrana Otro grupo de pruebas miden la citotoxicidad de un material evaluando los cambios en la permeabilidad de membrana celular. Esto se realiza observando la facilidad con que un colorante pueda atravesar la membrana celular, estas pruebas se basa en la primicia que la pérdida de la permeabilidad de la membrana es equivalente a un daño celular severo o a la muerte celular. La gran ventaja de estas pruebas es que identifican tanto células vivas como muertas, esto es importante debido a que las células pueden estar físicamente presentes pero muertas. Existen dos tipos de tintes utilizados para realizar estos ensayos: Colorantes vitales, estos son transportados activamente al interior de la célula y quedan retenido cuando la célula está vital y el material no generado un efecto citotóxico sobre la célula. Por otra parte, si el material es citotóxico, el colorante sale del interior de la célula, indicando así muerte celular. Dentro del los colorantes vitales utilizados se encuentran el Na51CRO4 (51Cr) y el Rojo neutro (RN) (5). Colorantes no vitales, estos no son transportados activamente al interior de una célula viva, por otra parte si un material es citotóxico, genera daños a nivel de la membrana celular, ocasionando así que el colorante sea transportado al interior de la célula indicando muerte celular (5). ~ 27 ~
  28. 28. Imagen ilustrando la permeabilidad selectiva de una célula con la membrana intacta, en donde componentes como el Cromo 51 y el Rojo Neutro son secuestrados activamente por células sanas, pero salen cuando se pierde la integridad de la membrana. Otros componentes como el Tripán azul son excluidos por una célula sana, pero pueden difundirse a través de una membrana celular lesionada. Biosíntesis enzimática Algunas pruebas in Vitro utilizan la actividad biosíntesis enzimática de las células para evaluar la respuesta citotóxica. Pruebas que miden la síntesis de DNA o la síntesis proteica son un ejemplo de este tipo de pruebas, estas se llevan acabo agregando precursores de radioisótopos marcados (3H- timidina o 3H-leucina) al cultivo celular y luego los que son incorporados al DNA o proteína, son cuantificados. De esta forma se determina la influencia del material sobre la síntesis de proteínas en un cultivo celular (5). El ensayo con MTT es otra prueba enzimática comúnmente utilizada para medir la citotoxicidad de los materiales, tiene como propósito medir la actividad de la deshidrogenasa celular. Es una prueba simple debido a que no requiere de radioisótopos, es rápida y precisa ya que permite cuantificar exactamente el número de células viables (9). La deshidrogenasa celular tiene la capacidad de convertir la molécula denominada MTT, por medio de distintos agentes reductores, en un compuesto de formazan, azul insoluble. Si la deshidrogenasa se encuentra inactiva por efectos citotóxicos de un material, no se formará el formazan. La producción de formazan puede ser cuantificada disolviendo el líquido y midiendo la densidad óptica de la solución restante. La cantidad de Formazan producida es directamente proporcional al número de células viables (Imagen #4) (5). Figura 4 Imagen 4 tomada de CRAIG, R. Materiales de Odontología restauradora. Ed. Harcourt ~ 28 ~
  29. 29. Brace. 11 edición p 137, para ilustrar como la deshidrogenasa celular convierte la molécula MTT (la cual es amarilla y soluble), por medio de distintos agentes reductores, en un compuesto de formazan, azul insoluble. Pruebas indirectas (uso de barreras) En la mayoría de las pruebas de citotoxicidad, el material entra en contacto directo con los cultivos celulares. Investigadores reconocen que In vivo, existe poco contacto directo entre las células y el material, esto debido a la presencia de un epitelio queratinizado, dentina o matriz extracelular, debido muchos estudios sin el uso de barreras, no son extrapolables a lo que sucede en la clínica. Por ejemplo, el Oxido de zinc y Eugenol, es un material que genera una respuesta relativamente leve sobre el tejido pular, en comparación con las respuestas severas que se obtienen cuando el mismo material entra en contacto directo con células In Vitro, o en ensayos de implantación. Debido a lo anterior, se han ideado pruebas In Vitro utilizando barreras para simular mejor las condiciones In Vivo. Un ejemplo de ensayos indirectos es Método de cubierta de Agar. El Agar forma una barrera entre las células y el material dental, el cual es colocado encima del agar. Nutrientes, gases y sustancias tóxicas solubles pueden difundirse a través del agar, si el material es citotóxico, las células serán lesionadas y el rojo neutro será liberado, dejando así una zona de inhibición de crecimiento celular (Imagen 5) (10). MÉTODO DE CUBIERTA DE AGAR Figura 6 Estrato de células teñidas con rojo neutro Si el material es citotóxico → lesiona las células → rojo neutro se libera → zona de inhibición Pruebas de barrera dentinal Muchos estudios han demostrado que la dentina forma una barrera por la cual atraviesan sustancias tóxicas que logran lesionar el tejido pulpar, por este motivo se han ideado ensayos que utilizan discos de dentina como barrera entre el material y el cultivo celular. Este método ofrece la ventaja de difusión direccional entre el material restaurador y el medio de cultivo celular (Imagen # 6). ~ 29 ~
  30. 30. Figura 6 Para llevar acabo esta prueba (Imagen 7), se coloca el material a evaluar (A) sobre el disco de dentina (B). Al otro lado del disco se encuentra en contacto con el cultivo celular o cámara de recolección (C). Componentes del material se logran difundir atreves de la dentina y el efecto sobre el medio de cultivo puede ser evaluado. Para determinar la rata de difusión, se puede recolectar el fluido circulando dentro y fuera de la cámara de recolección. A. El material B. Disco de dentina en el aparato utilizado para sujetarlo C. Lado del disco en contacto con cultivo celular (cámara de recolección). Figura 7 D. Cultivo celular Citotoxicidad del material Pruebas de Mutagénesis y carcinogénesis Estas pruebas estudian el efecto de los materiales sobre el material genético tanto en células como en bacterias y posteriormente se evalúan los materiales en mamíferos. Se realizan en un orden específico y se detienen cuando existe cualquier indicio de mutagenicidad por parte del material o químico. Existen muchos mecanismos por los cuales una sustancia puede afectar el material genético de la célula. Los mutágenos genotóxicos alteran directamente el DNA de la célula a través de diferentes tipos de mutaciones, pero estos no son considerados cancerígenos. Pueden ser mutagénicos en su estado nativo, o en algunos casos requieren de activación o biotransformación, por lo que se denominan promutágenos. Los mutágenos epigenéticos no alteran el DNA directamente, pero si favorecen el crecimiento tumoral alterando la bioquímica celular, su sistema inmune, actuando como hormonas o por medio de otros mecanismos. Debido a lo anterior, estos materiales sí se consideran cancerígenos. Carcinogénesis se denomina como la capacidad del material dental para producir neoplasia In Vivo. Los mutágenos pueden o no ser carcinogénicos, de igual manera los materiales carcinogénicos ~ 30 ~
  31. 31. pueden o no ser mutágenos, por esto la cuantificación y relevancia de las pruebas que intentan medir mutagénesis y carcingénesis de los materiales son extremadamente complejas (Imagen#8). Para ilustrar los cambios estructurales que se pueden observar entre una célula en estado normal y una célula cancerígena. Célula normal Célula cancerigena Figura 8 El ensayo de mutagénesis a corto plazo más comúnmente utilizado y con excelente valides es la prueba de AMES. Se utilizan Cepas mutantes de Salmonella typhurium (Imagen #9), las cuales requieren de histidina exógena, las cepas nativas no necesitan histidina exógena, por esto la exclusión de la histidina exógena del medio de cultivo permite evaluar si un material tiene la habilidad de convertir células mutantes en células nativas. Químicos con una elevada frecuencia de conversión celular tienen una alta probabilidad de ser carcinogénicos en mamíferos, ya que altera el material genético celular (Imagen #10). Figura 9 ~ 31 ~
  32. 32. Figura 10 Imagen 10 ilustra como se puede evaluar si un material tiene la habilidad de convertir células mutantes en células nativas, por medio de la exclusión de la histidina exógena. Otra prueba para evaluar la mutagénesis es la prueba de transformación celular de STYLES. Fue creada con el objetivo de ofrecer una alternativa a los ensayos en bacterias como la de AMES, ya que utiliza cultivos celulares de mamíferos, principalmente fibroblastos. Cuantifica la capacidad de cancerígenos potenciales para transformar líneas celulares estandarizadas, esto se lleva acabo de la siguiente forma: normalmente fibroblastos nativos no crecen en un cultivo de agar blando, en cambio células geneticamente transformadas sí crecen en este medio, basandose en esto, fibroblastos nativos son colocados en contacto con el material que se esta evaluando, luego de un tiempo determinado los fibroblastos son colocados en un gel de agar, si el crecimiento celular es positivo, significa que las células fueron transformadas a una cepa mutante y por ende el material evaluado es un potencial cancerígeno (Imagen 11) (11). Figura 11 Imagen11 ilustra como los fibroblastos nativos crecen en un Medio de Eagle, luego de colocar el material dental sobre el cultivo, si las células son capaces de crecer en el gel de agar, las células fueron mutadas por el material, por lo que se concluye ya que el material es un potencial cancerígeno. Es importante mencionar que aunque la mayor parte de las pruebas de Mutagénesis y carcinogénesis son realizadas In Vitro, también se mide el aumento en la inducción tumoral por reacciones químicas cuando los materiales son evaluados en animales por otra serie de pruebas que se van a mencionar a continuación. Pruebas In vivo (en animales) Se realizan directamente sobre mamíferos como ratones, ratas, hamseters y conjillos de indias, aunque se utilizan muchos otros animales. Se mide la alteración en la fx hepática y el aumento en en la inducción tumoral por una reacción química. ~ 32 ~
  33. 33. Estas son diferentes a las Pruebas de uso (realizadas en algunos casos en animales), ya que el material no es colocado en el animal para observar su uso final. Figura 12 La gran ventaja de estos ensayos es que permiten muchas interacciones complejas entre el material y un sistema biológico funcional, por ejemplo, se puede generar una respuesta inmune o del sistema de complemento, difícilmente recreado en un ensayo In Vitro. Lo que permite la obtención de resultados más relevantes. Estas pruebas presentan la desventaja que los resultados son difíciles de interpretar y controlar. Además son muy costosas, se demoran mucho tiempo, e involucran muchos aspectos ético-legales (5). Prueba de Irritación de mucosas Determina si un material puede generar inflamación a nivel de mucosas o piel erosionada. El ensayo se realiza colocando el material a evaluar, además de los controles positivos (+) y negativos (-) sobre la mejilla de un animal, en estos casos se utilizan preferiblemente animales pequeños como por ejemplo el hámster, rata o conejo. Luego de varias semanas de estar en contacto con el material los animales son fotografiados y luego sacrificados para llevar acabo los respectivos estudios histopatológicos del tejido y así determinar finalmente la respuesta inflamatoria que generó el material (Imagen 13). Figura 13 Se coloca el material Luego de varias semanas se observa la respuesta ~ 33 ~
  34. 34. Imagen 13, ilustra como se coloca el material a evaluar sobre la mejilla de un animal. Luego los animales son fotografiados y posteriormente sacrificados para llevar acabo los respectivos estudios histopatológicos. Prueba de Sensibilización cutánea Estos ensayos evalúan si un material genera una respuesta inflamatoria ya sea con eritema, edema o puede no generar respuesta alguna. Se llevan acabo inyectando el material de forma intradérmica para crear una respuesta de hipersensibilidad de la piel. Primer se debe inyectar el coadyuvante de Freund, para potencializar la respuesta. Seguidamente se colocan parches adhesivos que contienen el material que se está examinando y se observa la respuesta que se genere sobre los tejidos, las cuales pueden ser desde muy leves hasta muy severas con enrojecimiento intenso e inflamación. El grado de respuesta y el porcentaje de animales que muestren una reacción frente al material son la base para estimar el grado de alergenicidad de un material (Imagen 13). Figura 13 Imagen 13, muestra como primero se inyecta el coadyuvante de Freund, para potencializar la respuesta. Seguidamente se colocan parches adhesivos que contienen el material que se está examinando y se observa la respuesta que se genere sobre los tejidos. Las pruebas en animales que miden las propiedades mutagénicas y carcinogénicas de un material han sido creadas por toxicólogos. Estas pruebas se realizan bajo un orden específico, y se detienen cuando hay algún indicio de que un material o químico es un potencial mutagénico. La valides de cualquiera de estas pruebas depende de la especie del animal, el tejido, genero entre otros factores. Los experimentos normalmente se dividen en los que son a corto plazo o con límite de tiempo, o pruebas a largo plazo o sin límite de tiempo. Las pruebas a corto plazo miden alteración funcional del hígado o un aumento en la inducción tumoral cuando los animales son expuestos a los químicos. Las pruebas a largo plazo se llevan acabo manteniendo el químico en contacto con el animal durante la mayor parte de su vida. Prueba de Implantación Estos ensayos sirven para evaluar los materiales que entrarán en contacto con tejidos subcutáneos o hueso, ya que determinan la alergenicidad, inflamación crónica o formación de tumores. El ~ 34 ~
  35. 35. implante es colocado dependiendo de los tejidos que entren en contacto con el material durante su uso clínico (por ejemplo tejido conectivo, hueso o músculo). La mayoría de estas pruebas se llevan acabo en materiales que entren en contacto directo con tejidos blandos como son los implantes dentales, materiales utilizados en endodoncia y en periodoncia, aunque la amalgama y ciertas aleaciones son evaluadas también ya que entran en contacto con tejido gingival en algunas restauraciones. La prueba de implantación a corto plazo se realiza colocando el material a evaluar en tubos de polietileno con un extremo abierto. Se colocan tanto las muestras como los controles en zonas aparte y se dejan durante 1-11 semanas, posteriormente la respuesta de los tejidos es evaluada ya sea histológicamente, por métodos de histoquímica o inmunohistoquímica. Las pruebas de implantación a largo plazo, se llevan a cabo para identificar inflamación crónica o formación de tumores. Se realizan de igual forma que las de corto plazo, la diferencia es que el material se deja durante 1-2 años antes de ser examinado (Imagen 14). Figura 13 Pruebas de Uso Son estudios clínicos esenciales de un material ya que son las más relevantes de todas y se diferencian de otros ensayos en animales porque en este caso el material debe ser utilizado bajo las condiciones idénticas a las de su futuro uso clínico. Esta relevancia es directamente proporcional a la exactitud con que se hayan recreado las condiciones clínicas, tomando en cuenta el tiempo, localización, ambiente y la técnica con que se coloca el material (8). Debido a lo anterior se utilizan animales mas grandes con condiciones orales similares a las de los humanos, como por ejemplo perros y monos. Si se realizan en humanos, estás pruebas se denominan ensayos clínicos (8). ~ 35 ~
  36. 36. La gran ventaja que presentan las pruebas de uso es su relevancia clínica, todas las otras pruebas se deben comparar con esta, finalmente se puede decir que los ensayos de Uso son definitivas para probar si un material es biocompatible o no. Por otra parte tiene las desventajas de ser extremadamente costosas, se demoran mucho tiempo, son sumamente difíciles de controlar e interpretar e involucran muchos aspectos ético-legales por lo que pocas veces se realizan en humanos (8). En humanos los estudios pueden ser de tipo retrospectivos, o preferiblemente prospectivos controlados, pero siempre se debe tener en cuenta que ningún estudio es definitivo, aunque un material obtenga excelente resultados de biocompatibilidad, podrían aún ocasionar respuestas adversas en muchos pacientes. Pruebas de Irritación pulpar No existe un material artificial que pueda ser colocado dentro de un diente que sea o actué mejor que la dentina ni que brinde una mejor protección a la pulpa que la dentina, por esto, el tejido pulpar, al estar frente a diferentes estímulos ya sea de tipo primarios o secundarios, responde depositando una matriz de dentina terciaria. Los estímulos pueden ser por ejemplo caries, atrición, abrasión, erosión, trauma y cualquier tipo de proceso restaurativo (9). Esta dentina terciaria, a diferencia de la primaria y secundaria que se depositan a lo largo de toda la unión pulpo-dentinal, se localiza localmente. Además la dentina terciaria se puede clasificar en reaccionaria o de origen reparativa. En general, la dentina reaccionaria es secretada por odontoblastos pre.-existenes y la reparativa por células parecidas a los odontoblastos. La secreción de dentina reaccionaria es la principal respuesta postoperatoria del odontoblasto ante algún proceso restaurativo (10). Existe mucha evidencia que muestra que los efectos de una preparación cavitaria, especialmente el grosor de la dentina residual pueden jugar un paple muy importante en la estimulación de formación de dentina reaccionaria que la irritación o toxicidad de los materiales de restauración. Aunque la naturaleza exacta de esta relación aún es incierta. La dificultad de medir la respuesta pulpar al corte de la dentina, se da porque es multifactorial, ya que los cambios a nivel pulpar se dan desde el momento en que se inicia la preparación hasta que finalmente se coloca la restauración final. Por otra parte los eventos que se llevan acabo varían entre una restauración y otra (12). Debido a lo anterior, existen muchas variantes que se deben considerar cuando se realizan pruebas de irritación pulpar, como por ejemplo: el método de preparación, la condición de la pared de dentina remanente, la presencia de bacterias, el método de aplicación del material restaurativo, entre otros (12). Generalmente estos ensayos se llevan acabo colocando el material a evaluar sobre preparaciones clase V en igual número de dientes y tanto maxilares como mandibulares, asegurándose así una distribución uniforme de todos los dientes, además se utilizan dientes sanos de monos u otros animales. Primero se coloca anestesia y luego de realizar profilaxis de los dientes, se preparan las cavidades ~ 36 ~
  37. 37. bajo estricto control de esterilización y suficiente irrigación para evitar generar cambios de temperatura en la pulpa, asegurándose de que todas las preparaciones sean lo más uniformes posibles. El material es colocado sobre las cavidades y se deja durante 1-8 semanas. Finalmente los dientes son extraídos y seccionados para ser evaluados bajo el microscopio, además por medio de un fotomicrómetro se mide el grosor de la dentina remanente y reparativa. Los tejidos seccionados son evaluados y las respuestas tanto inflamatorias como necróticas son clasificadas, basándose en su apariencia, disrupción de la estructura del tejido y el número de células inflamatorias (tanto crónicas como agudas) presentes, en tres grupos principales:  Leve: se observa poca hiperemia del tejido, pocas células inflamatorias y ligera hemorragia en la zona odondoblástica.  Moderado: hay un aumento considerable de células inflamatorias, hiperemia y una ligera desorganización de la capa odondoblástica  Severa: se observa un marcado infiltrado de células inflamatorias, hiperemia, desorganización completa de la capa odondoblástica en la zona de la preparación cavitaria, reducción o ausencia de la predestina y en algunos casos abscesos localizados. Al igual que en procesos cariosos, las células mononucleares son usualmente más prominentes en respuestas inflamatorias. Si hay presencia de neutrófilos, se debe sospechar la presencia también de bacterias o productos bacterianos se deben sospechar. La mayor parte de estos estudios han sido realizados en dientes sin caries con tejido pulpar sano o intacto. Actualmente se reconoce el hecho de que el tejido pulpar inflamado responde de forma diferente que el tejido pulpar sano a las bases cavitarias, los cementos y agentes restaurativos, por lo que se han hecho esfuerzos para crear técnicas que logren identificar las diferentes respuestas generadas por los tejidos pulpares en distintos estadíos. Estas pruebas son de suma importancia ya que el éxito de de una restauración depende del entendimiento y conocimiento por parte del clínico, sobre todos los posibles daños que se puedan generar sobre el tejido pulpar. De esta forma se el odontólogo podrá tomar decisiones más adecuadas, sobre el tratamiento a realizar, que no generen daños innecesarios sobre la pulpa. ~ 37 ~
  38. 38. 5.7. APLICACIONES DE LOS BIOMATERIALES La razón principal del empleo de biomateriales se encuentra en reemplazar físicamente a un tejido blando o duro, que ha sido dañado o destruido a través de un proceso patológico (enfermedad) o accidental. La aplicación de los biomateriales se puede resumir en tres fases: 1. Estructural Implantes hechos con un solo fin(ad hoc), Especificados por físicos usando materiales comunes o de ingeniería, la mayoría de los éxitos fueron accidentales más que planificados, por ejemplo: Rellenos de oro, dientes basados en madera, piezas dentales de PMMA, acero, oro, marfil, etc 2. Reemplazo de Tejidos En esta etapa de desarrollaron implantes desde la ingeniería usando materiales comunes de ingeniería, a través de colaboraciones entre físicos e ingenieros que los construyeron a partir de la experiencia previa. 3. Ingeniería Biomédica Implantes desde la bioingeniería usando materiales diseñados para este fin, instrumentos modificados y basados en polímeros. Esta etapa sigue en desarrollo 5.7.1. Implantes ortopédicos La finalidad de este tema es la exposision y analisis de los metales en implantes ortopedicos, teniendo un especial cuidado en aludir a los tipos de metales, sus tratamientos, propiedades quimicas y mecanicas asi como tambien sus fallas y caracteristicas. Material Biomedico Cualquier sustancia o combinación de sustancias, de origen natural o sintético, que pueden ser usados por algún período, como todo o como parte de un sistema que trata, aumenta, o reemplaza algún tejido, órgano o función del cuerpo. Clasificacion: Se pueden clasificar segun: ~ 38 ~
  39. 39. El tiempo de permanencia Material de osteosíntesis: tornillo, clavo, roscados, clavos intra medulares, placas, clavos-placas, etc. La función de estos implantes es el sostén o soporte interno, intra medular, transóseo, adosado o fijado al hueso. En general pueden ser extraídos cuando el proceso biológico reparativo ha terminado, puesto que el hueso es capaz de soportar las exigencias habituales sin su auxilio. Prótesis Se las emplea para reemplazar total o parcialmente un hueso o una articulación irreparablemente dañados en su morfología, estructura o función. Colocacion de una protesis Los materiales utilizados en las prótesis totales están diseñados para permitir una movilidad similar a la de la articulación normal. Los componentes artificiales suelen estar compuestos por un elemento metálico que encaja exactamente en un elemento de plástico. Sus principales caracteristicas: • Acero inoxidable, aleaciones de cobalto, cromo, ceramicas, materiales compuestos y titanio. • El plastico es polietileno, extremadamente duradero y resistente al desgaste. • Se utiliza cemento para fijar el componente artificial al hueso. • Tambien existen protesis no cementadas, que son directamente encajadas al hueso • Según la naturaleza química De los biomateriales, se describe la siguiente clasificación: • Polímeros • Cerámicas • Materiales derivados de procesos biológicos • Metales • Compuestos (combinación de polímeros, cerámicos y metales) Medios en los que se encuentran los implantes Medio Bioquimico: Las condiciones en las que tienen que actuar los implantes quirúrgicos dentro del cuerpo humano, son muy severas, ya que se trata de un medio con predisposición a producir corrosión en los metales de estos dispositivos. ~ 39 ~
  40. 40. La norma ASTM (G 15) define la corrosión como el deterioro de un material y de sus propiedades, provocado por reacción química o electroquímica entre dicho material y su entorno. Medio Dinámico: La perfecta reducción del hueso permite que todo el implante sea soportado por él, restituyendo de nuevo el equilibriode fuerzas. En este caso solo existen sobre los implantes cargas relativamente pequeñas y no críticas, y las complicaciones relacionadas con los implantes son mínimas. Ceramicas en aplicaciones biomedicas Las ceramicas tambien tienen uso extensivo en el campo biomedico, como en implantes ortopedicos, lentes, utensilios de laboratorio y de modo mas importante en aplicaciones dentales. Algunos de los factores que hacen de los biomateriales ceramicos excelentes candidatos para sus aplicaciones son su biocompatibilidad, resistencia a la corrosion, alta dureza, resistencia al desgaste en aplicaciones donde hay articulacion de superficies (materiales de protesis dentales, de cadera y rodilla) ademas su principal ventaja de algunos biomateriales ceramicos es que se unen muy bien al hueso, lo cual es importante en aplicaciones ortopedicas y dentales. Alumina en implantes ortopedicos La alumina de alta pureza tiene resistecia a la corrosion, al desgaste, alta solidez y es biocompatible, es por eso que ha aumentado su uso como el material preferido para reemplazos de cadera. Son reemplazos con protesis artficiales. Requisitos para los implantes • Biocompatibilidad. • Resistencia a la corrosión en el medio biológico. • Propiedades mecánicas y físicas compatibles con su función específica en el cuerpo humano. • Resistentes a la fatiga para las aplicaciones de cargas cíclicas. • Óseo integración. Tipos de metales utilizados Los metales puros no tienen las resistencias, elasticidad, ductilidad y purezas que requieren los distintos tipos de implantes actualmente utilizados en traumatología y ortopedia. Por esa razón se ~ 40 ~
  41. 41. recurre a la adición de uno o mas metales al elemento base para modificar su estructura cristalina y por lo tanto sus propiedades físicas. Cada estructura cristalina se denomina fase; las aleaciones que tienen mas de una fase se llaman alotrópicas o polimorfas. El numero de fases de una aleación depende del numero y cantidad de elementos de que consta, así como el tratamiento en que ha sido sometido. Las tres mayores familias de aleaciones empleadas son: •Aleaciones de Cobalto-Cromo-Molibdeno (Co-Cr-Mo) •Titanio-Aluminio-Vanadio (Ti-Al-V) y Ti casi puro •Aceros inoxidables tipo AISI 316 (L) (en base a Fe-Ni-Mo) 5.7.2. Aplicaciones dentales Dentro de la boca, tanto los dientes como lostejidos que los sostienen pueden deteriorarse a causa de:  Enfermedades bacterianas  Por el paso de tiempo Causas de la pérdida parcial o total de la dentadura:  Caries  La desmineralización  Placa  Sarro Mediante técnicas quirúrgicas específicas es posible reemplazar pieza dentales perdidas por otras sintéticas, con las mismas funciones y gran duración. La prótesis consta de 3 partes fundamentales, llamadas corona, perno o muñón que soportara a la corona y el implante propiamente dicho que reemplazara la raíz del diente. En la actualidad, existe una gran variedad de materiales que pueden utilizarse para la fabricación de implantes siendo la mayoría de Titanio o unas de sus aleaciones Ti6AI4V. Asegurarse de que el medio biológico responda correctamente a los estímulos y disturbios bioquímicos producidos por el material Implantado En el caso del titanio, una capa de óxido superficial se forma espontáneamente, y luego de muchos años de investigación, se ha comprobado la biocompatibilidad de dicho óxido. 5.7.3. Aplicaciones cardiovasculares Biomateriales cardiovasculares pueden dividirse básicamente en tres catogories amplio: Ellos son: ~ 41 ~
  42. 42. 1. Los polímeros absorbibles 2. Los polímeros no absorbibles 3. Metales Los polímeros absorbibles se utilizan generalmente en situaciones donde la parte polimérica del dispositivo ya no es necesario. Por ejemplo en el caso de las suturas quirúrgicas, el uso de suturas absorbibles elimina la necesidad de que el paciente vaya al cirujano para quitar la sutura después de una herida se cura Algunos de los polímeros conocidos y utilizados son en realidad co-polímeros a partir de diferentes tipos de monómeros mezclados en proporciones diferentes. El ácido poliláctico, ácido poliglicólico, polidioxanona son algunos de los ejemplos. La mayoría de los dispositivos cardiovasculares utilizar estos tipos de polímeros. En el injerto de stent endovascular, el injerto vascular (prótesis), anillo anuloplastia, parche cardíaco, o el anillo en la base de una válvula cardiaca para la colocación de sutura, todos lo general utilizan el polímero de poliéster. En el caso de los materiales de sutura no absorbible, nylon y polipropileno son los más comúnmente utilizados. Aplicaciones cardiovasculares 1. Angioplastia y colocación de stents El stent es una malla metálica de forma tubular. Cuando se implanta un stent dentro de una arteria coronaria, éste actúa como un soporte o armazón para mantener abierto el vaso sanguíneo. El stent, al mantener abierto el vaso, contribuye a mejorar el flujo de sangre al músculo cardíaco y a reducir el dolor de la angina de pecho. 2. Desfibrilador cardioversor implantable (DCI) Los DCI son para aquellas personas que han tenido una frecuencia cardíaca alta anormal que les produjo un desmayo o afectó a la capacidad de bombeo del corazón. El DCI es típicamente del tamaño de un buscapersonas (beeper) y consta de dos partes: 1. Un generador de impulsos, que incluye la batería y varios circuitos electrónicos. 2. Alambres o cables denominados electrodos. Según el tipo de DCI, éste puede tener uno o dos electrodos. ~ 42 ~
  43. 43. 3. Marcapasos El marcapasos es un pequeño dispositivo alimentado por una batería que ayuda al corazón a latir con un ritmo constante. Los marcapasos pueden ayudar a regular el ritmo del corazón en casos de frecuencia cardíaca lenta, rápida o irregular, o de bloqueo en el sistema de conducción eléctrica del corazón. Los electrodos son de tatinum, plata, titanio, acero inoxidable, o aleaciones de cobalto. La mayoría de los marcapasos utilizar una batería de litio-yodo. 4. Válvulas cardiacas Las válvulas mecánicas son de dos tipos: la bola y la inclinación de jaula de disco. Los materiales más utilizados son de elastómero de silicona, cobalto-cromo-aleaciones basadas en titanio y carbono pirolítico. De elastómero de silicona se ha utilizado para la de asiento o en las válvulas de bola enjaulada. El corazón bombea la sangre en una sola dirección. Las válvulas cardíacas desempeñan un papel clave en este flujo unidireccional de sangre, al abrirse y cerrarse con cada latido. Válvulas mecánicas, que normalmente están hechas de materiales tales como el plástico, el carbono o el metal. Las válvulas mecánicas son resistentes y duraderas. Como la sangre suele adherirse a las válvulas mecánicas y formar coágulos, los pacientes que tienen estas válvulas deben tomar diluyentes de la sangre (anticoagulantes) el resto de su vida. 5. Injertos vasculares Estos materiales están constituidos por aproximadamente un 50 por ciento de polímeros sintéticos y un 50 por ciento de proteínas. La porción de polímero de los materiales es un derivado del polietilenglicol. Se utiliza para el tratamiento de aneurisma de aorta abdominal. ~ 43 ~
  44. 44. 6. Filtros venales Los filtros se introducen en la vena cava inferior de pacientes que han tenido o están en riesgo de sufrir una embolia pulmonar, pero en los que el tratamiento anticoagulante para prevenir la recurrencia está contraindicada. El filtro "paraguas" que se haga de elastómero de silicona recubiertos de acero inoxidable y se pasa como un paraguas cerrado, bajo anestesia local, a través del cuello la yugular () vena por medio de un catéter, 7. Anillos de anuloplastía El anillo Anuloplastia se utiliza para mantener el diámetro de la abertura de la válvula del corazón. Esto es necesario porque si el diámetro es superior a la medida en que las válvulas se puede cerrar, entonces hay un riesgo de flujo de retorno de la sangre. 8. Aparato de Asistencia Ventricular Ayuda a bombear sangre desde el ventrículo izquierdo a la aorta. El procedimiento se utiliza en caso de pacientes con debilidad de los músculos cardíacos que no pueden proporcionar suficiente contracción durante la sístole, para bombear la sangre hacia la aorta. Este es un dispositivo implantable de forma permanente, por lo tanto los materiales utilizados para hacer que este dispositivo tienen que ser bicompatible. 9. Catéteres El catéter tiene un papel muy importante en el campo de productos sanitarios cardiovasculares. Se trata de los primeros dispositivos que hace contacto con el tejido disesease el interior del cuerpo en caso de aneurismas. La función más importante de este dispositivo se va a ofrecer un pasaje ininterrumpido camino para los cirujanos para poder llegar a la profundidad en el cuerpo, para tratar las enfermedades por diferentes tipos de cirugías. ~ 44 ~
  45. 45. 10. Soporte Cardiaco El saco cardíaco como se muestra en la figura anterior se utiliza para proporcionar presión positiva desde el exterior. Esto ayuda al corazón para mantener su forma normalmente. Hay otras aplicaciones de la malla de polímero, tales como un parche cardíaco. Esto se utiliza para corregir las condiciones, como un agujero en el corazón. 11. Suturas Las suturas son uno de los dispositivos médicos más importantes que se utiliza en la cirugía En los procedimientos cardiovasculares las suturas se pueden utilizar para la reparación de tejidos con el tejido, o tejido con un dispositivo implantable. Estos están disponibles en varios tamaños (diámetro de sutura) y polímeros (absorbible y no absorbible). 12. Corazón artificial El trasplante de corazón se ha convertido en una forma efectiva de tratamiento para los pacientes con insuficiencia cardiaca intratable, 1 en la actualidad y la supervivencia a 5 años son aproximadamente el 80% y 70%, respectivamente. 5.7.4. Fallas en implantes Un implante se considera que ha fallado si debe ser extraído prematuramente y, se asumen dos tipos de fallas: la primera incluye deformaciones permanentes, fracturas por sobrecarga, fracturas por fatiga, corrosión, desgaste, etc., y la segunda por infección, inflamación y otras reacciones del cuerpo ante la presencia del implante. Las cargas estáticas y cíclicas, que en general se presentan en forma combinada, generan en el dispositivo un sistema de tensiones sumamente complejo a lo que debe sumar que él debe permanecer en un medio químico hostil. ~ 45 ~
  46. 46. Las fallas son asociadas a: 1) La selección de materiales destinados a implantes metálicos 2) El diseño de los sistemas de fijación internos 3) El medio biológico y su interacción con los implantes 4) El medio bioquímico 5) El medio dinámico ~ 46 ~

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