clase 1 biomateriales intro

BIOMATERIALES Y BIOCOMPATIBILIDAD

Biomateriales - BiocompatibilidadBiomaterial: Material en contacto con el tejido biolgicoBiocompatibilidad: Cualidad que tiene un biomaterial de no tener efecto txico o daino en un sistema fisiolgico. Es una interaccin qumica y fsica entre el material y el tejido cuya respuesta reproducible debe ser descripta y caracterizada.

Evaluacin Biolgica de dispositivos mdicosAspectos a considerarMaterial utilizado en el dispositivoTipo de contacto con el cuerpoDispositivos de contacto superficial Dispositivos de comunicacin externaDispositivos implantablesDuracin del contactoLimitado (< 24 hs)Prolongado ( >24 hs y < 30 das)Permante (> 30 das)

Matriz para evaluacin biolgica

NORMA ISO 10993 Hoja 1 de 3Parte 1: Evaluation and testing (2003)Parte 2: Animal welfare requirements (2006)Parte 3: Test for genotoxicity, carcinogenicity and reproductive toxicity (2003)Parte 4: Selection for tests for interactions with blood (2002)Parte 5: Test for in vitro cytotoxicity (1999)Parte 6: Test for local effects after implantation (2007)Parte 7: Ethylene oxide sterilization residuals (2008) Parte 8: Selection and qualification of reference materials for biological tests (2000)

NORMA ISO 10993 Hoja 2 de 3Parte 9: Framework for identification and quantification of potential degradation products (1999)Parte 10: Test for irritation and delayed-type hypersensivity (2002 / Amd 1:2006)Parte 11: Test for systemic toxicity (2006)Parte 12: Sample preparation and reference materials (2007)Parte 13: Identification and quantification of degradation products from polymeric medical devices (1998)Parte 14: Identification and quantification of degradation products from ceramics (2001)Parte 15: Identification and quantification of degradation products from metals and alloys (2000)

NORMA ISO 10993 Hoja 3 de 3Parte 16: Toxicokinetic Study Design for Degradation Products and Leachables (1997 R2003)Parte 17: Establishment of allowable limits for leachable substances (2002)Parte 18: Chemical characterization of materials (2005)Parte 19: Physico-chemical, mechanical and morphological characterizationm (2006)Parte 20: Principles and methods for immunotoxicology testing of medical devices (2006)

Subtemas:1.1 Definicin, propiedades, historia1.2 Biomolculas, estructura y propiedades1.3 Relaciones estructura-propiedades demateriales biolgicos1.4 Implantes metlicos1.5 Aceros inoxidables1.6 Cobalto1.7 Titanio y aleaciones base titanio1.8 Aleaciones Titanio-Nquel, memoria de forma1.9 Metales para aplicaciones dentales1.10 Otros metales1.11 Problemas con implantes metlicosUNIDAD I. Introduccin a losbiomateriales e implantesmetlicos

Unidad I. BiomaterialessOBJETIVO DE LA UNIDAD I

El alumno conocer el concepto de Bicompatibilidad, los procesos de elaboracin de materiales biocompatibles, propiedades y aplicaciones

Unidad I. Biomaterialess

Presente: La sustitucin tisularMateriales bioactivosImplantesPasado: La extirpacinTransplante de injertosIngeniera de tejidosFuturo: Integracin tisularDESARROLLO HISTORICO DE LOS BIOMATERIALES

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

Unidad I. Biomateriales

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


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


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


Unidad I. Biomateriales1. Ser biocompatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo, no provocar que ste desarrolle sistemasde rechazo ante la presencia del biomaterial 2. No ser txico, ni carcingeno. 3. Ser qumicamente estable (no presentar degradacin en el tiempo) e inerte. 4. Tener una resistencia mecnica adecuada. 5. Tener un tiempo de fatiga adecuado. 6. Tener densidad y peso adecuados. 7. Tener un diseo de ingeniera perfecto; esto es, el tamao y la forma del implante deben ser los adecuados.8. Ser relativamente barato, reproducible y fcil de fabricar y procesar para su produccin en gran escala. Requisitos de un BiomaterialLOS BIOMATERIALES


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


Unidad I. BiomaterialesPero existe otra clasificacin prctica que comprende dispositivos implantables: ortopdicos y vasculares (como los tubos de dacrn utilizados como sustitutos de venas), marcapasos, anticonceptivos, dentaduras fijas y removibles. LOS BIOMATERIALES


Unidad I. BiomaterialesLos dispositivos no implantables incluyen sondas, catteres y globos angioplsticos que permiten realizar operaciones de dilatacin de venas o arterias obstruidas.

LOS BIOMATERIALES


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


Tambin se aplican materiales avanzados como las aleaciones con memoria de forma, las cuales pueden cambiar por efecto de la temperatura dentro del cuerpo humano, amoldndose a las cavidades en las que han sido insertadas.LOS BIOMATERIALES

Los materiales porosos, por su parte, permiten el crecimiento del hueso dentro de los poros y su posterior unin con las fibras de los tejidos adyacentes. Las espirales elsticas de acero inoxidable introducidas en venas o arterias cubren el objetivo de evitar que stas se colapsenLOS BIOMATERIALES

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


Unidad I. Biomateriales Las propiedades requeridas de un material para aplicaciones mdicas, vara de acuerdo con la aplicacin particular. Debemos considerar que las pruebas fisicoqumicas de los materiales para implante in vivo son difciles, si no imposibles. Las pruebas in vitro deben ser realizadas antes del implante. La fabricacin y el uso de los materiales depende de sus propiedades mecnicas, tales como resistencia, dureza, ductibilidad, etctera. Las propiedades elsticas y viscoelsticas sern caracterizadas antes que las estticas y dinmicas. CARACTERIZACION BIOMATERIALES


Unidad I. Biomateriales La naturaleza (inico, covalente y metlico), y la fuerza de los enlaces atmicos determinan qu tan estable es el material cuando se le aplica una carga, es decir, cuando se le somete a un esfuerzo de tipo mecnico; este tipo de propiedades son conocidas como mecnicas. Cuando se determina la estabilidad del material en funcin de cambios en la temperatura, se habla de propiedades trmicas. CARACTERIZACION BIOMATERIALES


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

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

Unidad I. BiomaterialesLa composicin qumica de los metales y aleaciones afecta en forma significativa el comportamiento de corrosin en el cuerpo humano; un ejemplo puede ser el caso del contenido de carbono y nitrgeno, as como su microestructura, el tamao de grano, la presenciade inclusiones no metlicas y la rugosidad de la superficie, factores que se rigen por normas nacionales.CARACTERIZACION BIOMATERIALES


BIOMATERIALESVentajas:Formacin de implantes, prtesis o dispositivos implantables.Desarrollo, produccin y aplicacin a nivel internacional.Disponibilidad de materialesAplicaciones avanzadas de tejidos: blandos, duros, bioestables o biodegradables.Creacin de compuestos bioactivos.

Desventajas:Problemas de estabilidad en la superficie de sus interacciones con los tejidos humanos y los fluidos fisiolgicos.Incongruencia biomecnica implante-tejido.Liberacin de micropartculas por friccin y desgaste.La nula autoreparacin o autoregeneracin y limitada modulacin de la respuesta biomecnica.Vida limitada aun cuando sea un implante biosteable.

INGENIERA DE TEJIDOS

TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOSHomoinjertos:

Ventajas: Avances en la manipulacin y conservacin de los tejidos u rganos.Disponibilidad a partir de donantes vivos o muertos (o postmorten).Transplantes de rin, hgado , corazn, pulmn, retina, cornea, etc.

Desventajas:Administracin de medicamentos inmunosupresores (evitar el rechazo)Contaminacin vrica (dependiendo de la procedencia y manipulacin)Aspectos eticos, religiosos y legales.

TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOSHeteroinjertos o xenoinjertos. Los xenoinjertos son injertos procedentes de especies biolgicas diferentes de la del injertado, o sea, en nuestro caso, que no son humanas

Ventajas:Disponibilidad de tejido u rganos de especies animales (bovino y porcino).Confeccin de vlvulas coronarias y uso de tejido seo (relleno y reemplazo)

Desventajas:Infeccin por enfermedad de las vacas locas y asociacin a la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob

Ventajas: Buen comportamiento inmunolgicoAceptacin de cuestiones ticas.

Desventajas:Disponibilidad y posible rechazoMorbilidad de donde se obtiene el injertoProblemas de infeccin y de resorcinBajo compromiso respecto al comportamiento biomecnico.TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOSInjertos autologo o autoinjerto: El trasplante o injerto mdico consiste en trasladar rganos, tejidos, o clulas de una persona a otra. El rgano trasplantado reemplaza y asume la funcin del rgano daado del receptor, salvndole la vida o mejorando la calidad de vida. Una variedad de rganos macizos y tejidos pueden ser trasplantados, incluyendo riones, pulmones, corazones, y precursores hematopoyticos.

Isotrasplante o trasplante singnico

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

TRANSPLANTE DE TEJIDOS O DE ORGANOS

Unidad I. BiomaterialesUna necesidad de que tanto los componentes como los productos que se generen en procesos biodegradativos deben ser aceptados por el cuerpo es decir, sin alguna respuesta negativa.De ah que los biomateriales deben tener la capacidad de dar una respuesta apropiada en una aplicacin especificaBIOCOMPATIBILIDAD


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


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

BIOCOMPATIBILIDAD


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

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

Ingeniera de Tejidos La ingeniera de cultivo de tejidos (medicina regeneratica) es una nueva disciplina de aplicacin biomdica que abarca a la biologa, la medicina, la qumica, la ciencia de los materiales y la informtica. Esta nueva disciplina combina las ltimas investigaciones en la ciencia de los materiales y en la ingeniera biomdica con el objetivo de producir tejidos que puedan ser trasplantados sin riesgo de rechazo. En la aplicacin de formacin de tejido seo, los ingenieros de tejidos acostumbran a colocar las clulas seas sobre materiales porosos y biodegradables a fin que actuasen como andamios o moldes. Con las seales qumicas y fsicas adecuadas, se logra que las clulas produzcan o regeneren el nuevo tejido seo. De modo que a medida que el andamio se degradaba, es reemplazado por la nueva estructura sea. El tipo de andamio o molde ideal es que sea muy poroso, sin toxicidad y biodegradable, pero lo bastante resistente para soportar la carga estructural del hueso que lo reemplazar en el futuro.APLICACIONES BIOMEDICAS

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

La ingeniera de tejidos se basa en el uso, de forma conjunta o separada, de tres elementos:

Clulas cultivadas y/o modificadas genticamente en el laboratorio.Molculas que actan como seales qumicas sobre esas clulas haciendo que, por ejemplo, comiencen a multiplicarse.Estructuras 3D que pueden imitar la estructura de un rgano. Sirven para reemplazar parte de un rgano daado que ha dejado de desarrollar su funcin o como vehculo para transportar clulas y molculas en su interior hasta el tejido u rgano diana.APLICACIONES BIOMEDICAS

Ingeniera de tejidos

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

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

APLICACIONES BIOMEDICAS

1.Una de las estrategias consiste en inyectar en el tejido u rgano daado clulas sanas cultivadas in vitro procedentes del propio paciente u obtenidas en el laboratorio (mediante procesos de investigacin).

Ventajas: Son clulas del propio paciente, esto tiene una serie de ventajas. La principal es que no existe rechazo inmunolgico. Tambin se pueden emplear clulas madre, clulas indiferenciadas cultivadas en el laboratorio capaces de originar cualquier clula del organismo ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA INGENIERIA DE TEJIDOS

2. La estrategia ms completa y a la vez la ms compleja es la que utiliza estructuras 3D como vehculos para enviar a un punto concreto de nuestro organismo las clulas y sustancias qumicas necesarias para su reparacin. Por tanto combina todos los elementos de la ingeniera de tejidos.

En funcin de lo que se quiera reparar (p.ej. hueso) se crea un andamio o matriz que imite la forma de ese tejido u rgano y se introducen dentro las clulas que van a formar ese tejido (en nuestro caso clulas formadoras de hueso u osteoblastos) y las molculas necesarias para que se lleve a cabo el proceso (denominados factores de crecimiento, que son especficos para cada tejido y activan la divisin de las clulas).

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA INGENIERIA DE TEJIDOS

Ingeniera Tisular

ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA INGENIERIA DE TEJIDOS

Mientras el andamio aporta consistencia al rgano, las clulas empiezan a multiplicarse dentro por la accin de las seales qumicas que favorecen su crecimiento. Poco a poco la masa de clulas va aumentando y va llenando el espacio libre. Las clulas a la vez van organizndose y adquiriendo la forma del armazn que a su vez imita la estructura del rgano diana (en nuestro caso el hueso). ESTRATEGIAS QUIRURGICAS EN LA INGENIERIA DE TEJIDOS

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

Unidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. BiomaterialesUnidad I. Biomateriales

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