ingenieria bionica y avances

7/22/2019 Ingenieria Bionica y Avances

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Autor| Gustavo DuffoGua didcticaCaptulo 8Biomateriales

Materiales y

materias primas


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Autoridades

Presidente de la Nacin

Dra. Cristina Fernndez de Kirchner

Ministro de Educacin

Dr. Alberto E. Sileoni

Secretaria de Educacin

Prof. Mara Ins Abrile de Vollmer

Directora Ejecutiva del Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica

Lic. Mara Rosa Almandoz

Director Nacional del Centro Nacional de Educacin Tecnolgica

Lic. Juan Manuel Kirschenbaum

Director Nacional de Educacin Tcnico Profesional y Ocupacional

Ing. Roberto Daz

Ministerio de Educacin.Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica.Saavedra 789. C1229ACE.

Ciudad Autnoma de Buenos Aires.

Repblica Argentina.

2011

Director de la Coleccin:

Lic. Juan Manuel Kirschenbaum

Coordinadora general de la Coleccin:

Claudia Crowe

Diseo didctico y correccin de estilo:

Lic. Mara Ins Narvaja

Ing. Alejandra Santos

Coordinacin y produccin grfica:

Augusto Bastons

Diseo grfico:

Mara Victoria BardiniAugusto BastonsMartn Alejandro GonzlezFederico Timerman

Ilustraciones:

Diego Gonzalo FerreyroMartn Alejandro GonzlezFederico Timerman

Administracin:

Cristina CaratozzoloNstor Hergenrether

Colaboracin:Jorgelina LemmiPsic. Soc. Cecilia L. VzquezDra. Stella Maris Quiroga


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ADVERTENCIALa habilitacin de las direcciones electrnicas y dominios de la web asociados, citados en este libro, debe

ser considerada vigente para su acceso, a la fecha de edicin de la presente publicacin. Los eventuales

cambios, en razn de la caducidad, transferencia de dominio, modificaciones y/o alteraciones de conteni-

dos y su uso para otros propsitos, queda fuera de las previsiones de la presente edicin -Por lo tanto, las di-

recciones electrnicas mencionadas en este libro, deben ser descar tadas o consideradas, en este contexto-.

Coleccin Encuentro Inet.

Director de la Coleccin: Juan Manuel Kirschenbaum.Coordinadora general de la Coleccin: Claudia Crowe.

Queda hecho el depsito que previene la ley N 11.723. Todos los derechos reservados por el Minis-

terio de Educacin - Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica.

Reproduccin autorizada haciendo mencin de la fuente.

Industria Argentina


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Coleccin Materiales y materias primas

Serie producida por el Canal Encuentro junto con el Instituto Nacionalde Educacin Tecnolgica (INET). A lo largo de catorce captulos* el ciclodesarrolla el origen, las propiedades, el contexto de descubrimiento y lautilizacin de diferentes materiales y materias primas, y el impacto quecausaron en la vida de la humanidad durante su historia.

Aire, aluminio, hierro, azufre, polmeros, madera, cermicos son algunosde los protagonistas de esta coleccin.

Captulo 1Los Materiales y la humanidad

Captulo 3Madera

Captulo 2Aire

Captulo 8

Biomateriales

Captulo 10Materiales compuestos

Captulo 9

Polmeros

Captulo 11Silicio

Captulo 12Nanomateriales

Captulo 4Azufre

Captulo 6Cermicos

Captulo 5Minerales de hierro

Captulo 7Aluminio

* La versin impresa de la coleccin Materiales y materias primas est constituda por doce captulos. La parte 1 y 2 de las series Los mate-riales y la humanidad y Nanomateriales fueron unificadas respectivamente.

DVD 3

DVD 4

DVD 2

DVD 1


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ndice | Biomateriales

Red conceptual

8.1. Introduccin8.2. Qu es un Biomaterial?8.3. Breve historia de los biomateriales

8.4. Algunas aplicaciones de los biomateriales8.4.1. Ortopedia

8.4.2. Aplicaciones cardiovasculares8.4.3. Oftalmologa

8.4.4. Aplicaciones dentales

8.4.5. Cicatrizacin de heridas y reparacin de fracturas

8.4.6. Sistemas para la distribucin de medicamentos

8.5. Tipos y propiedades de biomateriales

8.6. Biomateriales metlicos8.6.1. Pasos en la fabricacin de un implante metlico

8.7. Materiales cermicos

8.8. Materiales polimricos8.8.1. Polmeros ms comunes empleados como biomateriales

8.9. Materiales compuestos o composites

Bibliografa y webgrafa


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Red Conceptual

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DISTINTOS REQUERIMIENTOSMECNICOS-QUMICOS-FUNCIONALES

APLICACIONES

Ortopedia

CardiovascularesOftalmolgicasDentalesDermatolgicasLiberacin de medicamentosOtras...

BIOMATERIALES

BIOCOMPATIBILIDAD

Propiedades

Ejemplos

PVCPolietileno

PolipropilenoPolister

PolimetilmetacrilatoPolidimetisiloxano

POLIMRICOS

Propiedades

Ejemplos

AlminaZirconia

HidroxiapatitaVidrios Bioactivos

CERMICOS

Propiedades

Matriz Refuerzo

Ejemplos

FiberglassKevlar

COMPUESTOS

Propiedades

Formas de procesar

Ejemplos

Acero inoxidableAleaciones base cobalto

Aleaciones base titanioAleaciones paraaplicaciones dentales

METLICOS

TIPOS DE BIOMATERIALES


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8. Biomateriales8.1. INTRODUCCIN

Qu tienen en comn los rotores de una turbina de generacin de electricidad que trabaja aaltas temperaturas y en condiciones fuertemente agresivas, con una prtesis dental que per-mite reemplazar piezas dentarias perdidas?

Que ambas estn fabricadas de la misma aleacin metlica formada por nquel y cromo.

Qu tienen en comn los parabrisas de los aviones caza ingleses Spitfire de la Segunda Gue-rra Mundial con las lentes intraoculares que se aplican luego de una operacin de cataratasy que permiten recuperar la visin a miles de personas que sufren esta enfermedad?

Que ambos estn fabricados con el mismo material polimrico denominado polimetilmetacri-lato o, ms comnmente llamado acrlico.

Finalmente, qu tienen en comn los motores de propulsin de los transbordadores espa-ciales con las prtesis de cadera que, sin ellas, se condenara a la inmovilidad a pacientes

cuyas articulaciones estn gastadas?

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Imagen 2. Prtesis odontolgica de cobalto-cromoImagen 1. Turbina de aleacin nquel-cromo para ungenerador de electricidad

Imagen 4. Lentes intraoculares para operaciones decataratas, fabricados en polimetilmetacrilato

Imagen 3. Caza britnico Spitfire de la Segunda GuerraMundial con parabrisas de polimetilmetacrilato


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Que ambas estn fabricadas con el mismo material, una aleacin de titanio, aluminio y vanadio.

Cul es el hilo conductor que une a estos tres ejemplos?

Que en los tres casos se trata de materiales desarrollados para usos industriales, pero que seestn empleando en seres humanos en aplicaciones no previstas durante la etapa de su desarro-

llo. Son los denominados BIOMATERIALES y que, como veremos, nos ayudan a tener una mejorcalidad de vida.

En los aos 70, la serie televisiva El hombre nuclear (The Six Million Dollar Man) contaba lahistoria del astronauta Steve Austin (protagonizado por Lee Majors), quien, tras haber sufridoun accidente en el cual perdi ambas piernas, un ojo y un brazo, recibi implantes artificialesque resultaban inadvertidos visualmente, pero que le permitan correr a ms de 100 kilmetrospor hora, ver con la precisin de una mira telescpica y levantar objetos de varias toneladas.Cada captulo de la serie comenzaba con una voz en offque deca: Steve Austin. Astronauta.Su vida est en peligro. Usaremos la ms avanzada tecnologa para convertirlo en un orga-nismo ciberntico, poderoso, superdotado. El hombre nuclearconst de 103 episodios emi-

tidos entre 1973 y 1978.

En esa poca, quienes mirbamos la serie de televisin, sin importar nuestra edad, estbamosconvencidos de que se trataba de ciencia-ficcin. Sin embargo, muchos de nosotros no dej-bamos de preguntarnos dnde terminaba la ciencia-ficcin y dnde comenzaba el hecho cien-tfico.

Ya han pasado 30 aos de la emisin de El hombre nucleary, en la actualidad, es muy fre-cuente encontrarnos con personas que tienen alguna parte de su cuerpo reparada o reempla-zada, artificialmente, con el empleo de componentes fabricados con biomateriales.

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Imagen 6. Componentes metlicos de un implante total decadera fabricados en aleacin titanio-aluminio-vanadio

Imagen 5. Imagen del trasbordador espacial,cuyos motores de empuje son fabricados enuna aleacin titanio-aluminio-vanadio


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8.2. QU ES UN BIOMATERIAL?

Se han propuesto muchas definiciones diferentes; tal vez tantas como libros de texto sobre el te-

ma hayan sido publicados. Por lo tanto, no existe una nica definicin obtenida por el acuerdo ge-neral entre los expertos en el campo. Sin embargo, las siguientes definiciones dan una idea generalde las cosas que se abarcan:

a) Material utilizado en un dispositivo mdico, pensado para interactuar mutuamente con sis-temas biolgicos.

b) Cualquier sustancia o combinacin de sustancias de origen natural o artificial que puedeser usada durante cierto tiempo como un todo o como parte de un sistema que permite tra-tar, aumentar o reemplazar algn tejido, rgano o funcin del cuerpo humano.

c) Material sinttico empleado para reemplazar parte de un sistema vivo o que est en ntimocontacto con fluidos biolgicos.

Obviamente, que no cualquier material puede ser empleado como BIOMATERIAL. Para ello,debe tener una caracterstica muy especial, serBIOCOMPATIBLE.

La BIOCOMPATILIDAD es la habilidad de un material para ser aceptado por el cuerpo delpaciente y que, adems, no irrite a los tejidos circundantes, no provoque una respuestainflamatoria, no produzca reacciones alrgicas y que no tenga efectos carcinogenticos,o sea, que no produzca cncer.

El hecho concreto es que los biomateriales estn preparados para ser utilizados en seres vivosy su estudio es un tema que tiene un auge indiscutible en la actualidad y que ha experimen-

tado un espectacular avance en los ltimos aos, motivado fundamentalmente por el hechode que la esperanza de vida de la poblacin aumenta de forma considerable.

Segn datos de las Naciones Unidas, dentro de unos cinco aos es muy probable que hayams personas de ms de 60 aos que nios menores de 15. Hoy en da una de cada diez indi-viduos tiene 60 aos o ms, pero en el ao 2050 se prev que ser uno de cada cinco. Tambinse prev que el nmero de personas que tendrn 80 aos se multiplicar por cinco.

La longevidad masiva tiene implicancias muy importantes relacionadas con mantener la calidad devida, y ello implica que harn falta ms y ms dispositivos biomdicos fabricados con biomateriales.

En la actualidad, ms de cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantadoalgn tipo de prtesis y es un hecho bien conocido en nuestra sociedad la utilidad y necesidadde todo tipo de implantes, siendo relativamente frecuente que conozcamos algn caso de fa-miliar o amigo que est utilizando algn dispositivo biomdico.

Utilizar biomateriales para reconstruir partes daadas del cuerpo humano es una realidad, y paraello deben cumplir una serie de condiciones y asegurar una determinada duracin. Por otra parte,tienen que aportar las prestaciones especficas que requiera la aplicacin a la que vayan a serdestinados. Hasta hace poco tiempo, los biomateriales eran, esencialmente, materiales indus-triales seleccionados con el criterio de que fueran capaces de cumplir ciertos requisitos de acep-tabilidad biolgica. Sin embargo, en la actualidad, muchos de ellos son diseados, sintetizados

y procesados con el nico fin de tener una aplicacin en el campo mdico.

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Todos estos factores han impulsado un gran avance en el campo de los biomateriales poten-ciando su investigacin. Si a esto se le aade la mejora de las tcnicas quirrgicas, se puedeentender el crecimiento acelerado en la utilizacin de prtesis, implantes, sistemas y dispo-sitivos mdicos que deben trabajar en contacto con los tejidos corporales.

Estos hechos condujeron a la aparicin de una nueva disciplina cientfico-tecnolgica deno-minada CIENCIA DE LOS BIOMATERIALES, cuyos orgenes, caractersticas e implicancias sernabordadas a continuacin.

8.3. BREVE HISTORIA DE LOS BIOMATERIALES

Lo que, actualmente, se denomina CIENCIA DE LOS BIOMATERIALES es muy reciente como dis-ciplina cientfica; sin embargo, el uso de biomateriales data de tiempos remotos.

Hace unos aos, se encontraron los restos de un humano en el estado de Washington,

en los Estados Unidos de Norteamrica, cuya antigedad data de aproximadamente 9000aos. Este individuo, al que se lo conocecomo El Hombre de Kennewick fue des-crito como una persona alta, saludable yactiva; y que se movilizaba con la puntade una flecha clavada en su cadera. La he-rida haba cicatrizado y la presencia deesa flecha en su cuerpo, aparentemente,no le impeda ejercer su actividad. Esteimplante no deseado nos muestra la ca-pacidad que tiene el cuerpo humano para

relacionarse con materiales extraos. Porsupuesto que la punta de la flecha noguarda ningn parecido con los biomate-riales actuales, pero demuestra cmo unmaterial extrao puede ser bien toleradopor el cuerpo humano.

Es un hecho conocido el que los fenicios, etruscos, chinos y aztecas emplearan el oro en cirugadental, hace ms de 2000 aos.

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Imagen 7. Estudios llevados a cabo sobre El Hombrede Kennewick, en los Estados Unidos de Norteamrica

Imagen 8. Dientes de maderaunidos entre s por alambre de

oro (origen romano)

Imagen 10. Prtesis dentaletrusca (circa 300 a.C.)

Imagen 9. Prtesis dental feni-cia (circa 400-600 a.C.)


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Por su parte, los implantes y dispositivos biomdicos ms empleados a lo largo de la historiahan sido los ojos de vidrio y los dientes de madera.

En 1829, H. S. Levert realiz los primeros estudios tendientes a determinar la compatibilidad bio-lgica de materiales para implantes, ensayando plata, oro, plomo y platino en perros.

En 1870, el cirujano ingls Lord Joseph Lister introduce las tcnicas quirrgicas aspticas, lasque reducen la infeccin abriendo as las puertas a las modernas prcticas quirrgicas.

En 1886, el cirujano alemn H. Hansmann emple por primera vez placas de acero para facilitarla reparacin de fracturas de huesos. stas adolecan de defectos de diseo y se de-terioraban rpidamente en el cuerpo humano.

Aos ms tarde, en el 19 Congreso de la Sociedad Alemana de Ciruga se presentaron los primerosconceptos para el transplante total de cadera, algunos de los cuales todava estn en prctica.

En 1893, W. A. Lane desarrolla un sistema de tornillos de carbn para placas de fijacin defractura de huesos y un par de aos ms tarde, William Roentgen descubre los RayosX, los cuales se transforman en una herramienta insustituible de diagnstico en laortopedia y traumatologa.

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11Imagen 13a y 13b. William Roentgen, descubridor de los Rayos X y primera radiografa tomada por el mismo Roentgen

Imagen 11. Implante de ojo de material cermico Imagen 12. Dentadura postiza de madera pertene-

ciente a G. Washington (Siglo XVIII)


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En el siglo XXcomienza a trabajarse con aceros inoxidables (que fueron desarrollados a partirde 1912) como material resistente a la corrosin y adecuado para dispositivos ortopdicos.

En 1928, Alexander Fleming introduce el primer antibitico, la penicilina, que es seguido, pos-

teriormente, por las sulfamidas (1932).

En 1931, un cirujano de Boston, Marius Smith-Petersen desarrolla un dispositivo de vidrio des-tinado a la aplicacin en prtesis parciales de cadera y clavos para la fijacin de huesos.

En 1936, se introducen las aleaciones base cobalto para ciruga ortopdica, gracias a los tra-bajos de C. S. Venable y W. G. Stuck. Estas aleaciones se convertiran en las ms po-pulares dentro del campo de la ortopedia.

En 1938, cirujanos britnicos llevan a cabo el primer reemplazo total de cadera y, como con-secuencia de los desarrollos generados por la medicina durante la Segunda Guerra

Mundial, se introducen nuevas tcnicas ortopdicas y quirrgicas.

Luego de la Segunda Guerra Mundial, Sir Harold Ridley inventa las lentes intraoculares de acr-lico. Esto surge a partir de cuidadosas observaciones realizadas sobre aviadores, quienescomo consecuencia de accidentes, tenan implantados en sus ojos fragmentos de parabrisasde los aviones caza Spitfire y Hurricane. Dichos aviadores no presentaban reaccin alrgica almaterial implantado (lo que hoy denominaramos Material Biocompatible) y basado en esasobservaciones, Ridley averigu el origen de dicho material (denominado ICI Perspex) y con l,fabrico las primeras lentes intraoculares para ser aplicadas luego de las operaciones de cata-ratas. El primer implante se efectu en noviembre de 1949, y a pesar de los fracasos iniciales,las ingeniosas observaciones de Ridley, su creatividad y talento han permitido la implantacin

de ms de 7 millones de lentes intraoculares por ao. El concepto de biocompatibilidad deRidley cambi el curso de la historia y mejor la calidad de vida de millones de pacientes quesufren de cataratas.

En 1943, P. H. Harmon experiment con copas de acrlico para reemplazo de la articulacin decadera y, tres aos ms tarde, los hermanos Judet introducen una cadera de acrlico.sta, poco tiempo despus, demuestra ser muy dbil, con lo que se concluye que

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Imagen 14a y 14b. Lente intraocular de polimetilmetacrilato diseada por H. Ridley y momento en el que es nombradoCaballero del Imperio Britnico por la Reina Isabel II en al ao 2000


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debe realizarse un esfuerzo para estudiar y mejorar las aleaciones metlicas comocandidatas para futuras prtesis.

A principios de la dcada del 50, se desarrollan las aleaciones base titanio, las que an siguen

emplendose con xito en implantes. En esa misma dcada, las caderas de acero inoxidablecomienzan a ser implantadas en forma regular.

En 1959, se produce un hito que pasar a ser el ms importante dentro de la historia de losimplantes de cadera. El cirujano ortopedista ingls Sir John Charnley comienza un es-tudio sistemtico de reemplazos totales de cadera con bajo coeficiente de friccin,siendo el primero en introducir al polmero Tefln como integrante del reemplazo decadera y al polimetilmetacrilato como cemento para huesos. Posteriormente, estoscementos son refinados a efectos de producir una adhesin a ms largo plazo.

En la dcada del 70, comienza el uso de materiales porosos para asegurar el crecimiento del

hueso alrededor del implante y, en la siguiente dcada, se mejoran, sustancialmente, tantolos materiales como las tcnicas quirrgicas. En 1984, el cirujano William Harris, en colabora-cin con el MIT (Massachusetts Institute of Technology) desarrolla el equipamiento necesariopara medirin vivo (en el cuerpo de un ser vivo) la presin real a la que es sometida una caderafuncional; y, finalmente, en ese mismo ao, se introduce el sistema modular de reemplazo decadera que consista en una prtesis formada por varias partes cambiables.

A pesar del extendido uso de estos materiales en medicina, el trmino biomateriales an nohaba sido empleado oficialmente. Es probable que el campo de la ciencia que, en la actuali-dad, se denomina biomateriales se solidificara a partir de los simposios llevados a cabo en laUniversidad de Clemson (Carolina del Sur, EEUU) a partir de 1969. El xito cientfico de estossimposios llev a la formacin de la Sociedad de Biomateriales de los Estados Unidos de Amricaquien llev a cabo su primera reunin en 1975, donde asistieron 382 participantes de 15 pases:se dispona ya de investigadores e ingenieros que diseaban materiales con un criterio espec-fico; y cientficos que exploraban la naturaleza de la biocompatibilidad.

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Imagen 15a y 15b. Radiografa de una prtesis de cadera mostrando el co-tilo, la cabeza del fmur y el tallo femoral metlico. Este diseo es debido aSir John Charnley

Imagen 16. Partes componentesde un implante total de cadera


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En la actualidad existen grupos acadmicos enteros dedicados a los biomateriales, muchosprogramas de estudios de biomateriales en diversas universidades e institutos de investi-gacin que se consagraron a la educacin y a la exploracin en ciencia e ingeniera de losbiomateriales. Paralelamente a la investigacin y al esfuerzo educativo, se han desarrollado

cientos de compaas que utilizan biomateriales para fabricar dispositivos biomdicos. Fi-nalmente, es de destacar que recin a partir de 1990 comienza la publicacin de libros detexto sobre la ciencia de los biomateriales.

8.4. ALGUNAS APLICACIONES DE LOS BIOMATERIALES

Los biomateriales son empleados en distintos contextos y cada uno de ellos asociado aalgn tipo de aplicacin particular. Veamos algunas posibilidades:

a) Para reemplazo de partes daadas, enfermas o faltantes: mquina para dilisis renal,

reemplazo de la articulacin de la cadera, implantes y prtesis dentales, etc.b) Para asistir en cicatrizaciones y curaciones: suturas quirrgicas, placas y tornillos para

fijacin de fracturas seas, etc.c) Para mejorar funciones: marcapasos cardaco, lentes de contacto, etc.d) En correcciones estticas: modificacin de labios, pechos, barbilla, etc.e) Como ayuda para diagnsticos y tratamientos: catteres, electrodos especficos, dre-

najes, etc.

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Aplicacin

Sistema seoReemplazo de articulacionesPlacas para la fijacin de fracturasCemento para huesosReparacin de defectos seosLigamentos y tendones artificialesImplantes dentales

Sistema cardiovascularPrtesis vascularesVlvulas de corazn

Catter

rganosCorazn artificialPlacas para reparacin de la pielRin artificial (hemodilisis)Respiradores artificiales

SentidosLentes intraocularesLentes de contacto

Material frecuentemente empleado

Aleaciones de titanio, acero inoxidable, polietilenoAcero inoxidable, aleacin cobalto-cromoPolimetilmetacrilatoHidroxiapatitaTefln, Dacrn

Titanio, almina, fosfato de calcio

Dacrn, Tefln, poliuretanoTejido reprocesado, acero inoxidable, Dacrn

Goma de silicona, Tefln, poliuretano

PoliuretanoMateriales compuestos de silicona-colgenoCelulosa, poliacrilonitriloGoma de silicona

Polimetilmetacrilato, goma de siliconasSilicona-acrilato, hidrogeles


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La razn primaria del empleo de biomate-riales se encuentra en que reemplazan f-sicamente a un tejido blando o duro queha sido daado o destruido a travs de un

proceso patolgico (enfermedad) o acci-dental. Aunque los tejidos y las estructu-ras del cuerpo humano llevan a cabo correc-tamente su funcin durante un largo per-odo de tiempo, pueden sufrir una ampliavariedad de procesos degradativos que in-cluyen fracturas, infecciones, cncer, etc.,y que causan desfiguraciones y/o prdi-das de la funcin. Bajo tales circunstan-cias, puede ser posible remover el tejidodaado y reemplazarlo o corregirlo por

medio de un adecuado biomaterial.

En el siguiente esquema se muestrandistintas aplicaciones de los biomate-riales en la fabricacin de dispositivosbiomdicos para el cuerpo humano.

A continuacin se har una breve mencin de algunas de las aplicaciones ms frecuentes delos biomateriales en el campo de la ortopedia, la ciruga cardiovascular, la oftalmologa, laodontologa, la cicatrizacin y reparacin de heridas y fracturas y en sistemas de distribucinde medicamentos en el organismo.

8.4.1. Ortopedia

Una de las ms prominentes reas de los biomateriales es su aplicacin en implantes ortop-dicos. Existen enfermedades que afectan la estructura de las articulaciones tales como cadera,rodilla, hombro, codo, etc., que originan dolor y eventualmente inmovilidad. Con el adveni-miento de la anestesia, antispticos y antibiticos, ha sido posible el reemplazo total de dichas

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Prtesis de tobillo

Tendones

Clavos para huesos yplacas para fijacin de fracturas

Prtesis de rodilla

Prtesis dearticulacin

de cadera

Ligamentosy suturas

Piel

Vasossanguneos

Marcapasosy vlvulascardacas

Prtesis dearticulacinde hombro

Prtesis eimplantesdentales

Lentes de contactoy lentes intraoculares

Placas cranealesImplantes

maxilofacialesPrtesisde codo

Respidadorartificial

Rinartificial

Discosintervertebrales

Coraznartificial

Imagen 17. Aplicacin de biomateriales en la reparacin o reem-plazo de diversas partes del cuerpo humano


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articulaciones y la recuperacin de los pacientes, tanto en lo concerniente a la prdida deldolor como de la movilidad de la articulacin es, prcticamente, total.

En particular, la articulacin de la cadera humana est sujeta a altas tensiones mecnicas y

sufre un desgaste considerable y no es sorprendente que luego de estar sometida a 50 o msaos de tensiones mecnicas cclicas, o debido a una enfermedad degenerativa o reumatol-gica las caderas se enferman, la articulacin natural se desgasta y se produce una considerableprdida de movilidad del paciente y, a menudo, el confinamiento a una silla de ruedas. Lasarticulaciones artificiales de cadera son fabricadas en titanio, acero inoxidable, aleaciones co-balto-cromo, cermicas, materiales compuestos y polietileno de ultra alto peso molecular.

En los EE.UU. se reemplazan articulaciones de cadera en ms de 90 mil pacientes cadaao. Para algunos tipos de articulaciones y con adecuados procedimientos quirrgicos,la funcin ambulatoria se restaura pocos das despus de la ciruga. Para otros tipos, serequiere un perodo durante el cual se forma una unin entre el implante y el hueso, antes

de que la articulacin pueda soportar el peso total del cuerpo. En la mayora de los casos,el reemplazo de la articulacin es exitosa, permitiendo incluso las actividades deportivas(aunque generalmente no se aconsejan). Despus de 10 a 15 aos, el implante se puedeaflojar y debe llevarse a cabo otra operacin de reemplazo.

En forma anloga, tambin se han desarro-llado prtesis para el reemplazo completo dela articulacin rotuliana (rodilla), fabricadasen diversos materiales: acero inoxidable, po-lietileno de ultra alto peso molecular, etc.

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Agente deFijacin

Agente deFijacin

CopaacetabularPelvis

Esfera

Tallofemoral

Fmur

Imagen 18. Esquema de prtesis total de caderacementada

Imagen 19. Esquema de una prtesis total de caderay componentes principales de la misma

Imagen 20. Componentes de un implante total de rtula


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8.4.2. Aplicaciones cardiovasculares

En el sistema cardiovascular, es decir, el corazn y los conductos que permiten circular la san-gre por todo el cuerpo, pueden generarse problemas con las vlvulas del corazn y las arterias;problemas que pueden subsanarse con el adecuado empleo de biomateriales. Las vlvulasdel corazn sufren cambios estructurales que le impi-den abrirse o cerrarse totalmente y que pueden ser re-sueltos a travs del reemplazo por una amplia variedadde sustitutos. En la mayora de los casos despus deque una vlvula ha sido implantada, la funcin cardacase restaura a su estado normal y los pacientes mues-tran una rpida mejora. A pesar del xito global obser-vado con los reemplazos de vlvulas de corazn, anexisten problemas con los diferentes diseos de vl-vulas que incluyen la degeneracin de tejidos, el fra-caso mecnico, la infeccin postoperatoria, y la in-duccin a la formacin de cogulos de sangre. Al igualque con los implantes ortopdicos, para esta aplica-cin se emplea una gran cantidad de biomaterialesmetlicos, cermicos y polimricos.

Tambin es frecuente que las arterias en particular las coronarias se bloqueen por la pre-sencia de depsito de grasas (aterosclerosis), en cuyo caso, tales sectores pueden reempla-zarse con arterias artificia-les o ensanchar su dimetrocon un dispositivo denomi-nado stent, que suelen estarfabricados de una aleacintitanio-nquel.

A su vez, para aquellas enfermedades que implican una modificacin en el ritmo cardaco, lamedicina ha dado la respuesta a este problema por medio de los marcapasos. Los marcapasosson dispositivos elctricos que hacen latir el corazn a base de descargar impulsos elctricosque reemplazan al propio sistema de control del cora-zn y garantizan un latido sincronizado y suficiente. Pue-den ser transitorios o definitivos. De cualquier modo,cuando el corazn late normalmente, se quedan de ma-nera automtica en reposo. En general, consisten en undispositivo que se implanta debajo de la piel y del cualsalen unos contactos flexibles que se hacen llegar hastala aurcula derecha por una vena grande bajo la piel. Eldispositivo incluye una batera que dura ms de 10aos. Hay marcapasos de muchos tipos, incluyendo al-gunos muy especializados para tratar tipos especficosde arritmias resistentes a medicacin. Los marcapasosestn fabricados con una amplia variedad de materialesplsticos y con contactos elctricos metlicos. |G

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Imagen 22. Stent utilizado para ensanchar el dimetro de vasos sanguneos

Imagen 21. Vlvula cardaca artificial condisco de carbono piroltico y armazn detitanio

Imagen 23. Marcapasos y sus correspon-dientes electrodos para el sensado y es-

timulacin cardaca


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8.4.3. Oftalmologa

Los tejidos oculares pueden sufrir diversas enfermedades que conducen a una reduccin enla visin y, eventualmente, a la ceguera. Por ejemplo, las cataratas causan una visin nublada.Para resolver dichos problemas, se utilizan las lentes intraoculares (IOL= intraocular lens) quese fabrican en polimetilmetacrilato, elastmeros de silicona u otros.

A los 75 aos, aproximadamente, ms del 50% de la po-blacin padece cataratas lo suficientemente severas comopara requerir implantes de IOL. Esto se traduce en ms de1,4 millones de implantes oculares en los Estados Unidoscada ao y el doble de ese nmero en todo el mundo.

En general, la visin correcta se reestablece casi inmediata-mente despus del implante y los xitos que se logran con estedispositivo son muy altos. El procedimiento de implantacinde IOL es muy sencillo y se lleva a cabo casi siempre sobre pa-cientes ambulatorios.

8.4.4. Aplicaciones dentales

Dentro de la boca, tanto los dientescomo los tejidos que los sostienen pue-den deteriorarse a causa de enfermeda-des bacterianas o, simplemente, comoconsecuencia del paso del tiempo. Lascaries dentales, la desmineralizacin yla disolucin de los dientes asociadascon la actividad metablica de la placadental (pelcula viscosa que adhiere alas bacterias a la superficie de los dien-tes) pueden ocasionar la prdida parcialo total de la dentadura. Los biomateriales permiten, a travs del empleo de prtesis dentales,fabricadas con diversos cermicos, polmeros y aleaciones metlicas; de llenados directos conamalgamas (aleaciones de mercurio con determinados metales); de implantes dentales fabri-cados con titanio y de aparatos de ortodoncia construidos con acero inoxidable, reestableceradecuadamente la funcin masticatoria ya sea a travs de reparaciones o del reemplazo totalde las piezas dentarias perdidas.

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Imagen 24. Lente de contacto in-traocular de siliconas con asasde poliamida

Imagen 25. Prtesis dentales no permanentes fabricadas conmetal, polmero y cermica

Imagen 26. Implantes dentales de titanio comer-cialmente puro

Imagen 27. Aparato de ortodoncia fabricado con aceroinoxidable y accesorios de material elastomrico


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8.4.5. Cicatrizacin de heridas y reparacin de fracturas

Una de las aplicaciones ms antiguas de los biomateriales est relacionada con su empleoen la sutura y cierre de heridas. Los antiguos egipcios (aproximadamente 2000 a.C.) ya em-pleaban hilos de lino para suturas y, en la actualidad, los materiales para suturas incluyen po-lmeros (el material ms empleado para suturas) y algunos metales (acero inoxidable ytantalio).

Dentro de los dispositivos empleados para lareparacin de fracturas cabe incluir placasseas, tornillos, barras, alambres, etc. Aunquese han investigado para estos usos materialesno metlicos (placas seas de fibras de car-bono), la mayora de los elementos de fijacinseos estn fabricados en metales, especial-mente, de aceros inoxidables.

8.4.6. Sistemas para la distribucin de medicamentos

Una de las reas de mayor crecimiento en las aplicaciones de implantes es para la distribucinen el organismo de medicamentos que tienen un destino especfico. Se ha desarrollado grancantidad de dispositivos que se implantan en el cuerpo, de forma de reservorios de medicamen-tos que posteriormente son liberados al organismo en forma controlada. En la mayora de loscasos se emplean tipos especiales de polmeros tales como el polixido de etileno y poli cidoL-lctico, que tienen la particularidad de disolverse en el organismo a la temperatura corporal.

8.5. TIPOS Y PROPIEDADES DE LOS BIOMATERIALES

La consideracin del sitio anatmico donde estar localizado un implante implica desafospara el diseador del dispositivo biomdico ya que se tendrn requerimientos particulares encuanto a las propiedades del material a utilizar.

Por ejemplo, en cuanto a las propiedades mecnicas, depender del tipo de dispositivo afabricar. Una prtesis de cadera debe ser fuerte y rgida; un material para reemplazar un ten-dn debe ser fuerte y flexible; una vlvula de corazn debe ser flexible y dura; una membranade dilisis debe ser fuerte y flexible; un reemplazo de cartlago de articulaciones debe sersuave y elastomrico (estos materiales presentan alta elasticidad y se pueden deformarmucho antes de que se rompan, como por ejemplo, una banda elstica). En cuanto a la du-rabilidad, un catter slo debe durar 3 das, una placa de fijacin de huesos debe cumplirsu funcin durante 6 meses o ms; una vlvula del corazn debe flexionar 80 veces por mi-nuto sin romperse durante toda la vida del paciente (se espera que sea durante 10 aos oms); una articulacin de cadera no debe fallar bajo cargas pesadas durante ms de 10 aos.Finalmente, en cuanto a lo relacionado con las propiedades en volumen, una membrana dedilisis debe tener una permeabilidad especfica; la copa acetabular de la articulacin de ca-dera debe tener lubricidad, y las lentes intraoculares deben tener una claridad y requisitosde refraccin especficos. Para reunir todas estas caractersticas, se debe recurrir a las bases

de la ciencia de materiales, la qumica, la fsica, etc.

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Imagen 28. Placa de fijacin de fracturas con tornillosde sujecin de distintos tamaos


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Todo esto lleva a concluir que el tipo de material empleado en la construccin de un determi-nado dispositivo biomdico, depende de los factores qumicos, fsicos y mecnicos a los quese ver sometido.

Al mismo tiempo que se ha llevado a cabo un gran esfuerzo para investigar cmo funcionan losbiomateriales y cmo perfeccionarlos, muchos de ellos surgieron como resultado de una con-siderable experiencia acumulada, pruebas y errores, suposiciones inspiradas, y a veces azar.En la actualidad se dispone de una variedad de materiales que realizan satisfactoriamente lasfunciones biolgicas en el cuerpo y los mdicos pueden usarlos con razonable confianza, y lafuncin en los pacientes es aceptable. Las complicaciones generadas por los dispositivos bio-mdicos, de existir, son menores que las que surgen de las enfermedades originales.

Estos materiales pueden ser divididos en materiales metlicos, polimricos, cermicos y ma-teriales compuestos.

8.6. BIOMATERIALES METLICOSLos metales fueron los primeros materiales que revolucionaron el modo de vida de la huma-nidad, acompandola, virtualmente, desde el inicio de su existencia. Salvo algunas excep-ciones, como lo son los metales preciosos tales como el platino, oro y la plata, por ejemplo,los metales rara vez se encuentran en la naturaleza en forma pura, por lo que tuvieron quedesarrollarse mtodos para obtenerlos puros. Los metales, en su estado natural, son relativa-mente blandos; es decir, muy fciles de deformar. Sin embargo, por medio de diversos trata-mientos puede conseguirse que aumenten su dureza. Tambin pueden fabricarse aleaciones,que son mezclas de distintos metales y que originan materiales ms duros que sus compo-nentes originales.

La mayora de los metales y aleaciones metlicas tienen a sus tomos distribuidos segn di-ferentes estructuras cristalogrficas, y que se denominan cbica centrada en las caras (fcc:face-centered cubic), cbica centrada en el cuerpo (bcc: body-centered cubic) y hexagonal com-pacta (hcp: hexagonal closed-packed).

A su vez, los metales estn formados por una gran cantidad de cristales -o granos- que puedenser observados al microscopio luego de atacarlos con ciertos reactivos qumicos mediante unproceso denominado metalografa; o mediante la fractura de dichos materiales bajo determi-

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Imagen 29 a, b y c. Diferentes estructuras cristalogrficas de los metales. (a) Cbica centrada en las caras (fcc);(b) cbica centrada en el cuerpo (bcc) y (c) hexagonal compacta (hcp)

a b c


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nadas condiciones, y su posterior observacin al microscopio electrnico de barrido. En el pri-mer caso, lo que se observa son los lmites de granos, mientras que en el segundo se observanlos granos directamente.

Los metales y aleaciones se emplean, bsicamente, como componentes estructurales, a fin dereemplazar determinadas partes del cuerpo humano. De forma ms precisa, puede afirmarseque los materiales metlicos son imprescindibles, hoy por hoy, para aquellas aplicaciones cl-nicas que requieran soportar carga y eso es debido a dos razones bsicas, sus propiedades me-cnicas y su resistencia a la corrosin en el organismo humano. Adems pueden ser conformadoso sea, darle diversas formas, por medio de una gran variedad de tcnicas. Todo esto explica su fre-cuente empleo como biomateriales. En efecto, los metales y las aleaciones encuentran mltiplesaplicaciones en ortopedia, especialmente como materiales estructurales en dispositivos para lafijacin de fracturas y en sustitucin total o parcial de articulaciones; pero tambin para la fabri-cacin de instrumental. En el mbito de la odontologa se emplean para aplicaciones en orto-

doncia para prevenir el desplazamiento de la dentadura, en la construccin de puentes dentalesy coronas y en la realizacin de implantes y prtesis. Tambin suelen emplearse en ciruga paraprtesis vasculares y en vlvulas cardacas e injertos vasculares, y en algunos casos como hilode suturas en ciruga.

Es de destacar que, en trminos generales, si se tiene en cuenta que ms de las tres cuartas par-tes de los elementos qumicos son metales, el nmero de materiales metlicos que se utilizanen la fabricacin de dispositivos biomdicos es muy limitado. El primer requisito para su utiliza-cin en implantes es que deben ser tolerados por el organismo, es decir, ser biocompatibles,por lo que es muy importante que la cantidad de metal que se puedan liberar a los tejidos vivossea muy baja. Otro requisito tambin imprescindible es que tengan una buena resistencia a la

corrosin, esto es, que no se degraden por efecto del medio que los rodea. La corrosin es unproblema general de los metales, ms an si estn inmersos en un medio tan hostil como es elorganismo humano, y a temperaturas del orden de 37 C. Algunos metales escapan a este pro-blema, como son los preciosos (platino y oro). Otros, al formar una capa de xido protectorasobre su superficie, lo pasivan y protegen del proceso corrosivo, tal como ocurre con el titanio ylos aceros inoxidables.

Los materiales metlicos ms utilizados en la actualidad para la fabricacin de implantes sonlos aceros inoxidables, las aleaciones cobalto-cromo y el titanio puro o aleado con otros me-tales. Como puede observarse, si bien las aplicaciones de los biomateriales metlicos sonmltiples, el nmero aleaciones metlicas que pueden soportar ese medio tan agresivo que

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Imagen 30 a y b. (a)Metalografa de un acero inoxidable donde se aprecian los lmites de grano de la aleacin. (b) Imagenpor microscopio electrnica de barrido de titanio comercialmente puro mostrando los granos que forman el material

a b


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es el organismo humano es muy reducido. Pero adems, los implantes realizados con estosmateriales tampoco son enteramente satisfactorios, ya que en muchos casos se producen fa-llos en su aplicacin tales como desgaste, corrosin, liberacin de especies qumicas al orga-nismo, prdida de la unin con los tejidos seos y de la transmisin de esfuerzos a los tejidos

circundantes. Dentro de las tcnicas que tienden a mejorar su comportamiento en ese sentido,existen algunas expectativas interesantes por la va de los tratamientos superficiales, e inclusose dispone de tecnologas que hacen que la superficie del sustrato metlico sea bioactiva, loque posibilita su unin con los tejidos circundantes.

8.6.1. Pasos en la fabricacin de un implante metlico

Es necesario conocer la secuencia de pasos que son necesarios seguir durante la fabricacinde un dispositivo metlico para entender las propiedades de un implante. Puesto que cadadispositivo metlico difiere en los detalles de su manufactura, los pasos que se citarn a con-tinuacin son simplemente genricos.

1. El primer paso consiste en la extraccin del mineral desde las minas, su posterior separaciny concentracin, la extraccin qumica del metal, su purificacin y eventual mezcla con otrosmetales para la fabricacin de una aleacin metlica.

2. Luego se lo transformar en lingotes, los que posteriormente y, a travs de diversos proce-sos, se los lleva a la forma de barras, tubos, alambres, placas, lminas, polvo, etc.

3. A continuacin comienza el proceso de fabricacin del dispositivo hasta llegar a su forma pre-liminar, la que debe ser sometida a modificaciones superficiales que le darn su forma final deutilizacin.

El fabricante de implantes, generalmente, compra el material en diversos formatos (barras, l-

minas, tubos, alambres o polvos) y lo manipula hasta darle la forma final por medio de algunospasos especficos que dependen de la geometra final del implante, las propiedades de con-formado y maquinado del metal y el costo de mtodos de fabricacin alternativos.

Para el caso de la fabricacin de una prtesis de cadera de cobalto-cromo, primeramente se fundela aleacin y se le vierte en un molde fabricado por una tcnica denominada a la cera perdida.Cuando el material se enfra, se solidifica, luego se rompe el molde y se tiene una primera versinde la pieza deseada. Posterior-mente, a esta pieza se la some-te a una serie de pasos, hastalograr el dispositivo final.

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Imagen 31. Cuatro pasos sucesivos en la fabricacin de un tallo femoral deuna prtesis de la articulacin de cadera


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En general, los mtodos de fabricacin incluyen el fundido y colado de los metales por mediodel mtodo de la cera perdida, el maquinado convencional o computarizado (CAD/CAM), laforja, procesos de fabricacin a partir de la aplicacin de presin y temperatura (denominadametalurgia de polvos) y una variedad de procesos de pulidos.

En necesario recurrir a una amplia variedad de mtodos de fabricacin debido a que notodas las aleaciones para implantes pueden ser procesadas de la misma forma (ya seadesde el punto de vista tcnico o econmico). Por ejemplo, las aleaciones base cobaltoson extremadamente difciles de maquinar, por eso los implantes se llevan a su formafinal ya sea por el mtodo de fundido y colado (mtodo de la cera perdida) o por metalur-gia de polvos. Por otra parte, el titanio es relativamente difcil de fundir y por eso es fre-cuente llevarlo a su forma final por medio de diversas mquinas (tornos, fresas, amola-doras, etc.) en un proceso denominado maquinado, aunque es sabido que el titanio noes considerado como un material fcilmente maquinable.

Otro aspecto de la fabricacin de implantes y que forma parte del tratamiento superficial final,implica la aplicacin de recubrimientos macro o microporosos. Esto se ha transformado en algopopular en los ltimos aos como un medio de facilitar la fijacin de los implantes sobre elhueso. El recubrimiento poroso puede adoptar varias formas y requiere de diferentes tecnologasde aplicacin. Este paso contribuye, enormemente, a las propiedades metalrgicas finales delimplante o dispositivo. Por ejemplo, en algunos casos se procede al sinterizado. Este es un pro-cedimiento en el cual se calienta una pieza metlica (en este caso, el implante) a temperaturaspor debajo del punto de fusin del material y, en presencia de partculas metlicas pulverulentas,las que se sueldan entre s y con la pieza metlica, confirindole a sta, determinadas caracte-rsticas superficiales. Esto se produce por medio de un mecanismo difusivo que forma unionesentre las partculas del recubrimiento entre s y con la superficie del implante.

Una alternativa al tratamiento superficial de sinterizado es el plasma-spray de un metal sobrela superficie del implante. En este caso, un plasma de gas de alta velocidad es cargado conun polvo metlico que es dirigido luego hacia la superficie del implante. Las partculas depolvo son total o parcialmente fundidas y caen sobre el sustrato metlico, solidificndose demanera rpida y formando una superficie porosa.

Otro tratamiento superficial es la implantacin inica (que mejora las propiedades superficiales) yel nitrurado (endurecimiento superficial obtenido por la interaccin entre un material metlico y unaatmsfera que provee tomos de nitrgeno). En este ltimo caso, un haz de iones nitrgeno de altaenerga es dirigido hacia el implante bajo vaco. Segn la aleacin, este proceso produce una mejora

en algunas de las propiedades del implante, tales como dureza superficial y resistencia al desgaste.

Finalmente, los implantes metlicos pueden sufrir una serie de pasos de terminacin, quepueden variar con el metal y su fabricante, pero que tpicamente incluyen limpieza qumica ypasivacin en cidos apropiados, o tratamientos electrolticos controlados para remover lasimpurezas que quedan embebidas en la superficie del implante y una esterilizacin posterior.Estos pasos son extremadamente importantes para el rendimiento biolgico del implante, yaque es la superficie del mismo la que queda en contacto con el medio biolgico.

Adems de los materiales empleados en la fabricacin de implantes, hay una gran cantidadde aleaciones que se emplean exclusivamente para aplicaciones odontolgicas.

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Las aleaciones metlicas usadas en restauraciones, prtesis e implantes dentales se dividenen dos grupos: las que contienen metales nobles o preciosos que incluyen al oro, platino, pa-ladio; y las de metales no preciosos, como las aleaciones base plata, nquel, cobalto, cobre,hierro y titanio. Uno de los requisitos que se les exige a estos materiales es su alta resistencia

a la corrosin debido a la agresividad del medio con el cual van a interactuar: saliva y fluidosseos. Otra de las condiciones es su compatibilidad con la dureza y/o suavidad de los tejidosdentarios de modo de no dar lugar a reacciones adversas.

El oro fue, histricamente, el metal de uso predilecto en odontologa restaurativa debido a sunobleza, color, resistencia a la corrosin y buena compatibilidad biolgica. Tiene una capaci-dad casi exclusiva de mantener el brillo sin mancharse. Otra de sus propiedades ms impor-tante es que permite una menor acumulacin de placa dental comparada con otros materialesmetlicos. Sin embargo, sus desventajas son dos: en primer lugar, es muy costoso, y en se-gundo lugar, al igual que la mayora de los metalespuros, es blando y dctil e inadecuado para sopor-

tar tensiones, aunque sean moderadas; por esemotivo se lo combina con otros elementos comoplata, paladio, cobre y cinc para mejorar sus pro-piedades mecnicas. El platino es incorporado ala aleacin oro-cobre-plata para mejorar an msla resistencia mediante la precipitacin de unafase rica en platino. Se usa en coronas, dentadurasparciales fijas, conectores y como base para res-tauraciones de porcelana fundida sobre metal.

Las aleaciones base paladio, como paladio-plata,

se usan en una gran variedad de aplicaciones den-tales incluyendo fusin de porcelana sobre metal,coronas, dentaduras parciales fijas, pilares de va-rias formas y dentaduras parciales removibles. Engeneral, las aleaciones con alto contenido de pa-ladio y baja plata tienen buena resistencia a la co-rrosin y al opacamiento generado por compues-tos de azufre naturalmente presentes en la saliva.

Las aleaciones de metales no preciosos fueron desarrolladas para sustituir a las aleacionespreciosas por su alto costo, y hacer accesible la reconstruccin dental a todos los niveles eco-nmicos. Se las utiliza para la fabricacin de coronas, dentaduras parciales fijas, implantes(ya fue mencionado que para su fabricacin se emplean el titanio y sus aleaciones), dentadu-ras parciales removibles, soldaduras y aparatos de ortodoncia (para la correccin de la masti-cacin). Los principales componentes de estas aleaciones son plata, nquel, cobalto, cromo,cobre, hierro y titanio. En contraste con las aleaciones preciosas, stas no son termodinmi-camente estables y su resistencia a la corrosin depende de una delgada pelcula de xido(pasivante) que se forma en su superficie.

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Imagen 32. Prtesis dental fabricada en unaaleacin de oro

Imagen 33. Prtesis dental fabricada en unaaleacin de paladio


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Las aleaciones base nquel combinadas con cromo aumentan su resistencia a la corrosin yaque estas aleaciones forman en su superficie una pelcula de xido protector debido a su altocontenido en cromo. Otros elementos que aumentan la resistencia a la corrosin son el man-ganeso y molibdeno.

Las aleaciones base cobalto son usadas para fabricar dentaduras parciales removibles e im-plantes quirrgicos (en forma de raz, tornillo, lmina y subperisteos). Los elementos agre-gados a estas aleaciones para fines dentales son cromo, molibdeno, nquel, silicio, tungsteno,manganeso y hierro. Estas aleaciones tambin tienen buena resistencia a la corrosin debidoa la formacin de la pelcula protectora de xido de cromo sobre la superficie del metal.

Las aleaciones base hierro usadas en odontologa son los aceros inoxidables fundamental-mente para la fabricacin de aparatos de ortodoncia. Son resistentes a la corrosin debido auna pelcula de xido protector. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, los aceros inoxidablesson susceptibles al ataque corrosivo.

Las aleaciones base cobre se utilizan para fabricar coronas y puentes. stas contienen hastaun 87% de cobre y se lo alea con aluminio, cinc, nquel, hierro, cobalto y manganeso. Estasaleaciones son ms atractivas por su color amarillo (semejante al oro) que el color gris metlicode las aleaciones cobalto-cromo o nquel-cromo; sin embargo, su resistencia a la corrosin enel medio oral es menor.

Las amalgamas son aleaciones de mercurio conuno o ms metales como plata, estao y cobre.Son empleadas para restauraciones dentales porcaries. Es un material que presenta buenas propie-

dades mecnicas; sin embargo, posee como des-ventajas su falta de esttica debido a su colormetlico y al hecho de que el empleo de mercurioel que puede ser nocivo para la salud del paciente.

Otra aplicacin de metales en el cuerpo humano,son los denominados Dispositivos Intrauterinos,ms comnmente conocidos como DIU. Los ms usua-les consisten en un armazn de material sinttico,

recubiertos por un arrollamiento de cobre. Este esun caso particular de aplicacin de un biomaterial,ya que, si bien el cobre no es biocompatible, justa-mente, lo que se busca es su efecto txico sobre lasclulas (en este caso los espermatozoides) para quecumplan una funcin anticonceptiva.

8.7. MATERIALES CERMICOS

Cronolgicamente, las cermicas aparecieron despus que los metales y, debido a que nuncaexisti un perodo especfico en el que fueran las cermicas el material ms relevante, su im-

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Imagen 34. Aplicacin odontolgica de unaamalgama base mercurio

Imagen 35. Distintos tipos de Dispositivos Intrau-terinos (DIU) mostrando el arrollamiento de cobre


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portancia no qued plasmada en una Edad de laCermica equivalente a la Edad del Hierro o Edaddel Bronce, tal como ocurri con los metales. La fa-bricacin de ladrillos permiti la construccin de

casas que resistan a las inclemencias del tiempo,y los recipientes de barro cocido permitieron el al-macenamiento de agua y alimentos. Hoy en da,existen muchos tipos de cermicas que se desta-can debido a su gran variedad de propiedades.

Las cermicas son los materiales ms duros que existen,pero por eso mismo no soportan los golpes y se quiebrancon mucha facilidad. Existen aplicaciones donde la re-sistencia a la deformacin es fundamental.

En una escultura, cuya forma tiene valor artstico noes de extraarse casi siempre sean de cermica,aunque haya que pagar el precio de tener cuidadosespeciales con ellas puesto que, como es harto sa-bido, si llegan a caerse se destruirn por completo.

Otra caracterstica de las cermicas es que resisten muy bien las altas temperaturas: a tempe-

raturas para las cuales otros materiales ya se encuentran en estado lquido, las cermicas si-guen siendo slidas e incluso, en algunos casos, su dureza aumenta.Las cermicas, al no ser reciclables, incrementan sus costos de fabricacin. La gran mayorade ellas son mala conductora de la electricidad y muchas aplicaciones tecnolgicas se derivande esta propiedad: es comn ver piezas de cermica utilizadas como aislantes elctricos enlas lneas de transmisin urbanas. De los biomateriales cermicos, a primera vista podra pen-sarse que su principal ventaja es su baja reactividad qumica por su carcter casi inerte, y queconduce a una buena biocompatibilidad. Pero no todas las biocermicas son inertes y, dehecho, muchos materiales cermicos que se utilizan en ciruga reconstructiva se degradan conel tiempo, pero en este caso, es un efecto deseado.

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Imagen 36. Vasija para transportar agua fabri-cada en material cermico (arcilla)

Imagen 37. El Laocoonte, escultura deorigen griego, actualmente en el MuseoVaticano. Construida en mrmol

Imagen 38 a y b. Aisladores elctricos para lneas de alta tensin


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Las cermicas con aplicaciones mdicas constituyen un interesante campo de investigacin ydesarrollo para la fabricacin y/o fijacin de implantes.Las cermicas se introdujeron como biomaterial en la dcada del 70 cuando comenzaban adetectarse fracasos en algunos de ellos utilizados hasta ese momento, como eran el acero in-

oxidable, las aleaciones base cobalto y el acrlico (polimetilmetacrilato). Los fracasos se de-ban, entre otras razones, a la encapsulacin de estos materiales (recubrimiento por un tejidofibroso), lo que hizo dirigir la mirada hacia las cermicas en un intento de buscar una buenaoseointegracin. Sin embargo, la fragilidad de las cermicas restringi en gran medida sucampo de aplicacin, seleccionndolas nicamente para aplicaciones que no necesitaran ele-vadas prestaciones mecnicas, a excepcin de la almina y la zirconia, que se emplearon yemplean en articulaciones de cadera. Las cermicas permiten recambiar muchas piezas delcuerpo humano, aunque sus aplicaciones hoy en da estn centradas en la fabricacin de dis-positivos que no deban soportar cargas, como es el caso de la ciruga del odo medio, en elrelleno de defectos seos tanto en ciruga bucal como en ciruga ortopdica y en el recubri-miento de implantes dentales y articulaciones metlicas; pero su futuro como biomaterial es

mucho ms ambicioso ya que presentan determinadas propiedades que son difciles de imitarcon otros materiales.

Las cermicas son materiales compuestos por elementos metlicos y no metlicos que se man-tienen unidos por enlaces inicos y/o covalentes. Al igual que en los metales, los enlaces inter-atmicos en las cermicas producen un arreglo tridimensional con estructuras cristalinasdefinidas, pero los vidrios no tienen estructura cristalina alguna (son amorfos). En contrastecon los enlaces metlicos, los electrones en los enlaces inicos y covalentes estn localizadosentre los iones/tomos que los constituyen, y por ese motivo las cermicas son malos con-ductores de la electricidad y del calor. La fuerza de los enlaces inicos y covalentes hacen delas cermicas unos materiales duros y frgiles, y que se rompen con muy baja deformacin

plstica (eventualmente ninguna), y son sensibles a la presencia de defectos o fisuras en ellas.La naturaleza inica y/o covalente de las cermicas determina su comportamiento qumico.

Aunque las cermicas y los vidrios no sufren corrosin, presentan alguna forma de degradacincuando son expuestas al medio biolgico, siendo el mecanismo de la degradacin depen-diente del tipo particular de material considerado. Aun las cermicas consideradas inertes qu-micamente (almina, por ejemplo) experimentan una degradacin de sus propiedadesmecnicas como consecuencia del contacto con la solucin salina del medio biolgico.

La mayor desventaja de las cermicas y los vidrios es su fragilidad y pobres propiedades me-cnicas: aunque pueden soportar grandes cargas en compresin, fallan cuando son cargadas

en traccin o en flexin; pero son empleados donde la resistencia al desgaste es de vital im-portancia y se utilizan, generalmente, para reparar o reemplazar tejido conectivo duro del es-queleto. Sin embargo, hay que destacar que el xito de la aplicacin depende de lograr unaunin estable entre estos biomateriales y el tejido conectivo.

Para analizar este fenmeno es importante conocer cul ser la respuesta del tejido a lapresencia del material implantado y, para ello, se reconocen cuatro situaciones diferentes:

a) Si el material empleado es txico, el tejido circundante muere.b) Si el material no es txico y es, biolgicamente, inactivo (inerte), se forma un tejido fi-

broso alrededor del material de espesor variable.|GUA

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c) Si el material no es txico y es, biolgicamente, activo (bioactivo), se producen nuevosenlaces qumicos entre el material y el tejido que lo rodea.

d) Si el material no es txico pero se disuelve en el medio biolgico, el tejido circundante,gradualmente, va reemplazando al material que se va disolviendo.

Dando por evidente la idea de que un biomaterial debe ser no txico (eliminando la si-tuacin a), quedan por considerar 3 situaciones, obteniendo de ese modo la posibilidadde existencia de cermicas inertes (tipo b), cermicas bioactivas (tipo c) y cermicas re-absorbibles (tipo d).

Las cermicas inertes producen una respuesta mnima por parte del organismo y llevan al en-capsulamiento del material como consecuencia de lo que se denomina respuesta al cuerpoextrao. Estos materiales son, en extremo, estables tanto qumica como fsicamente, y sufrenmuy poca alteracin en contacto con el medio biolgico.

Las cermicas inertes ms frecuentemente empleadas son la almina (Al2O3), la zirconia (ZrO2)y nitruro de silicio (Si3N4). Estos tres materiales tienen la caracterstica de que presentan unaalta resistencia a la compresin, una excelente resistencia al desgaste y una inercia qumicacasi total.

La almina es la cermicabioinerte ms frecuentemen-te utilizada y ha venido sien-do usada desde hace msde 35 aos. Debido a su du-reza y a que, adecuadamen-

te, pulida presenta un bajodesgaste se la emplea parafabricar la cabeza del fmuren los reemplazos totales decadera.

El uso de la almina como biomaterial est motivado, fundamentalmente, por su excelentebiocompatibilidad, por la formacin de una cpsula muy fina de tejido a su alrededor lo quepermite la fijacin de la prtesis sin cementar; y su baja friccin y baja velocidad de desgaste.

La zirconia tambin es empleada como esfera articular en reemplazos totales de cadera. Es,fundamentalmente, ZrO2 con el agregado de algn xido metlico tal como el xido de mag-nesio (MgO). La ventaja potencial de la zirconia en prtesis bajo cargas es su alta resistenciamecnica y su buena tenacidad, comparada con otras cermicas. Sin embargo, hasta ahorahay insuficiente cantidad de datos para determinar si esas propiedades conducirn a un xitoclnico luego de ms de 15 aos de uso.

Las cermicas bioactivas producen un enlace qumico directo con los tejidos, en particular conlos huesos. Son materiales cuya superficie es muy reactiva, aunque presentan una baja solu-bilidad en el medio biolgico. Son empleadas frecuentemente para la fijacin de implantesen el sistema seo.

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Imagen 39. Prtesis total de caderamostrando la cabeza de fmur fabri-cada en almina

Imagen 40. Distintos tipos decabeza de fmur construidacon almina


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El exponente ms importante de esta familia de cermicas est dado por la hidroxiapatita(HA), cuya frmula qumica es Ca10(PO4)6(OH)2, que es el componente fundamental (pero noel nico) de los huesos vivos, ya que el hueso natural es un material compuesto que contieneaproximadamente 80% de hidroxiapatita (que le proveen dureza) y 20% de fibras colgenas

(que le proveen flexibilidad).

Este material tiene pobres propiedadesmecnicas y se lo emplea para aplica-ciones que no deben soportar cargas,como por ejemplo, en recubrimientos deace-ro inoxidable, titanio o aleacionesde cobalto-cromo en implantes seos ydentales y para reconstrucciones maxi-lofaciales.

La hidroxiapatita natural, obtenida a partir de corales, tam-bin tiene aplicacin en la fabricacin de prtesis oculares,en las cuales los msculos del ojo se unen, directamente,al implante permitiendo el movimiento de la rbita oculardel mismo modo que lo hara un ojo natural.

Otro grupo de materiales bioactivos son los denominadosvidrios bioactivos (como el Bioglass). Se ha demostrado queciertas composiciones de vidrios se enlazan, qumicamente,

con los tejidos. Una caracterstica comn de estos materialeses una modificacin de su superficie que es dependiente deltiempo transcurrido luego de su implantacin. La superficieforma una pelcula, biolgicamente, activada de hidroxiapatita carbonatada que resulta la in-terfase enlazante con los tejidos.

Los materiales que son bioactivos desarrollan una interfase adherente con los tejidos que re-sistirn esfuerzos mecnicos importantes. La unin con los huesos fue primeramente demos-trada para un rango de vidrios bioactivos que contenan dixido de silicio (SiO2), xido de sodio(Na2O), xido de calcio (CaO) y xido de fsforo (P2O5) en proporciones especficas que hacenque su superficie tenga una alta reactividad cuando son expuestos a un medio acuoso.

Las aplicaciones clnicas de los vidrios bioactivos y los vidrios cermicos incluyen la ciruga yreemplazo del odo medio, ciruga vertebral y en el mantenimiento de las crestas seas, comoas tambin en la reparacin de defectos dentales.

Por su parte, algunas cermicas, tienen la particularidad que son destruidas qumica-mente por el medio biolgico o sea reabsorbidas. Los productos qumicos generados porsu degradacin son capaces de ser procesados por las rutas metablicas normales delorganismo sin producir efectos nocivos. La velocidad de su disolucin est dada por sucomposicin qumica y por la relacin entre el rea expuesta al medio biolgico y el volu-men del material.

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Imagen 41. Reemplazo total de cadera con el tallo femoral re-cubierto con hidroxiapatita

Imagen 42. Prtesis ocular fabricadacon hidroxiapatita


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Uno de los exponentes ms importantes de este tipo de cermicas son las de fosfato decalcio, que se vienen empleando en medicina y odontologa desde hace aproximada-mente 25 aos. Las aplicaciones incluyen implantes dentales, tratamientos periodontales,aumento de la cresta alveolar, ortopedia y ciruga maxilofacial y otorrinolaringologa.

8.8. MATERIALES POLIMRICOS

A diferencia de los metales y las cermicas, los polmeros sintticos hicieron su aparicinmucho ms recientemente. Los polmeros sintticos son materiales orgnicos que se obtienena partir del petrleo y se caracterizan por su poca resistencia a la temperatura. Cuando se so-meten a altas temperaturas los termoplsticos se derriten mientras que los plsticos termo-rresistentes se chamuscan o se queman.

Los polmeros son mucho ms blandos que los metales y, en cuanto a su conductividad tr-

mica, son mejores aislantes que las cermicas. Tanto sus propiedades de aislamiento elctricocomo de aislamiento trmico estn limitadas por su poca resistencia a la temperatura. A bajastemperaturas el mejor aislante ser un polmero, pero a altas temperaturas, las cermicassiempre sern la mejor opcin. En todos aquellos casos en que no es necesaria resistencia aaltas temperaturas los polmeros han logrado introducirse en todos los mbitos, desplazandomuchas veces a otros materiales ms consolidados. Las bolsas del mercado estn hechas depolietileno y dejaron en el olvido a aquellas hechas de fibras naturales. Elpolister, a su vez,compite tambin con bastante xito con las fibras naturales en la industria del vestido. Lospolmeros ms duros han reemplazado a las cermicas en la fabricacin de vasos y platos queno se rompen al caer y, tambin, pueden reemplazar a los metales en la fabricacin de tornillosy otros componentes estructurales en mquinas ligeras.

Los biomateriales polimricos, ampliamente utilizados en clnica, deben su xito a las enormesposibilidades que presentan, tanto en variedad de compuestos como en la posibilidad de fabri-carlos de muy distintas formas con caractersticas bien determinadas y con facilidad de confor-marlos en fibras, tejidos, pelculas o bloques. Pueden ser tanto naturales comosintticos y, encualquier caso, se pueden encontrar formulaciones bioestables (con carcter permanentey particularmente tiles para sustituir de forma parcial o total tejidos u rganos lesionados odestruidos) o biodegradables (con carcter temporal, con una funcionalidad adecuada duranteun tiempo limitado, el necesario mientras el problema subsista).

Existen aplicaciones de polmeros tanto en implantes quirrgicos como en membranas pro-tectoras o ensistemas de dosificacin de frmacos y tienen, particular importancia, los ce-

mentos seos acrlicos que han encontrado importantes campos de aplicacin, en particular,en odontologa y traumatologa dadas las ventajas que presentan frente a otros cementos,como son su fcil aplicacin y su rpida polimerizacin. Sin embargo, por desgracia presentandesventajas, tales como el calor que se desprende durante la polimerizacin que conduce enmuchos casos a problemas de toxicidad y a la contraccin que sufre una vez endurecido loque origina movilidad de la prtesis fijada. Sin embargo, pese a estos problemas, su utilizacinhoy por hoy es, prcticamente, insustituible.

La palabra polmero proviene de las palabras griegas Poly y Mers que significan muchas partes.Son grandes molculas (o macromolculas) formadas por la unin de muchas pequeas mo-lculas (denominadas monmeros) que pueden ser iguales o diferentes. Cuando en particular

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se unen entre s ms de un tipo de molculas (monmeros), la macromolcula resultante sedenomina copolmero. Como los polmeros se forman por la unin de un gran nmero de mo-lculas pequeas tienen altos pesos moleculares. Es frecuente que los polmeros tengan pesosde 100.000 gramos por mol o mayores.

Los polmeros pueden ser de tres tipos:

1. Polmeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo:celulosa, almidn, protenas, caucho natural y cidos nucleicos.

2. Polmeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos qumicosde ciertos polmeros naturales. Por ejemplo: nitrocelulosa.

3. Polmeros sintticos: son los que se obtienen por procesos de polimerizacin contro-lados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon,polietileno, y cloruro de polivinilo.

A su vez, otros elementos tales como el silicio, tambin, forman polmeros llamados polmerosinorgnicos (por ejemplo, siliconas).

Los polmeros se clasifican en termoplsticos y en termoestables. Los termoplsticos son aque-llos polmeros sintticos que, para darles forma (conformarlos), se requiere de la aplicacinde calor previo al enfriamiento que les confiere su forma definitiva. Estos materiales puedenser recalentados y reformados varias veces sin sufrir cambios significativos en sus propieda-des. Muchos termoplsticos poseen una larga cadena principal de tomos de carbono unidosen forma covalente. A veces existen tomos de nitrgeno, oxgeno o azufre unidos por enlacecovalente en la cadena molecular principal. A esta cadena tambin se les pueden unir otrostomos o grupos de tomos en forma covalente. En este grupo de termoplsticos, las cadenas

moleculares se unen entre s por enlaces secundarios (denominados enlaces dipolo-dipolo opuentes de hidrgeno).

Por su parte, los polmeros sintticos termoestables son los fabricados con una forma perma-nente y endurecida por reacciones qumicas. No se pueden refundir y son degradados o des-compuestos por calentamiento a temperatura elevada. Por ese motivo, los plsticostermoestables no se pueden reciclar. El trmino termoestable (la palabra griega therme signi-fica calor), deriva del hecho de que el calor es necesario para el endurecimiento permanentedel polmero. De todos modos existen muchos plsticos llamados termoestables que han sidoendurecidos o vulcanizados (en el caso de los elastmeros o gomas) a temperatura ambientesolamente por una reaccin qumica. Muchos plsticos termoestables constan de una red de

tomos de carbono unidos con enlaces covalentes para formar un slido rgido. Pero, a veces,hay tomos de nitrgeno, oxgeno, azufre u otros enlazados en forma covalente formandoparte de la red estructural termoestable.

El primer polmero artificial se origin como resultado de un concurso realizado en los EstadosUnidos de Norteamrica en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelanand Collander ofreci una recompensa de 10.000 dlares a quien consiguiera un sustituto acep-table del marfil natural destinado a la fabricacin de bolas de billar. Una de las personas quecompitieron fue el inventor norteamericano Wesley Hyatt, quien desarroll un mtodo de proce-samiento a presin de la piroxilina (un nitrato de celulosa de baja nitracin) tratado previamentecon alcanfor y una cantidad mnima de alcohol como solvente. Si bien Hyatt no gan el premio,

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su producto, patentado con el nombre de celuloide, seutiliz para fabricar diferentes objetos. Este tuvo un no-table xito comercial a pesar de ser inflamable y de sudeterioro al exponerlo a la luz.

El celuloide comenz a fabricarse, industrialmente, disolviendo celulosa un hidrato de car-

bono obtenido de las plantas en una solucin de alcanfor y etanol y nitrando (tratndolo concido ntrico) posteriormente la mezcla. Con l se empezaron a fabricar distintos objetos comomangos de cuchillo, armazones de lentes y pelculas cinematogrficas. Sin el celuloide, nohubiera podido iniciarse la industria cinematogrfica a finales del siglo XIX. Puede ser ablan-dado repetidamente y moldeado de nuevo mediante calor, por lo que pertenece a la familiade los termoplsticos.

En 1909 el qumico norteamericano de origen belga, Leo Hendrik Baekeland, sintetiz un pol-

mero de inters comercial a partir de molculas de fenol y formaldehdo. Este producto podamoldearse a medida que se formaba y resultaba duro al solidificar. No conduca la electricidad,era resistente al agua y los disolventes pero, fcilmente, mecanizable. Se lo bautiz con el nom-bre de baquelita (o bakelita) y fue el primer plstico, totalmente, sinttico de la historia. Con lse han fabricado miles de productos que incluyen telfonos, carcasas de radios, mangos deplanchas, accesorios para automviles, etc. Baekeland nunca supo que, en realidad, lo que ha-ba sintetizado era lo que hoy conocemos con el nombre de copolmero.

Otra cosa que Baekeland desconoca era que el alto grado de entrecruzamiento de la estructuramolecular de la baquelita le confera la propiedad de ser un plstico termoestable, es decirque puede moldearse apenas concluida su preparacin. En otras palabras, una vez que se en-

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Imagen 43. Bolas de billar fabricadas conmaterial polimrico

Imagen 44 a y b. Rollos de celuloide para la industria cinematogrfica y proyector de pelculas


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fra la baquelita no puede volver a ablandarse. Esto la diferencia de los polmeros termopls-ticos que pueden fundirse y moldearse varias veces debido a que las cadenas pueden ser li-neales o ramificadas; pero no presentan entrecruzamiento de molculas entre s.

Aunque el conocimiento de la estructura qumica de un polmero parecera ser un tema depoca relevancia para quien disee un dispositivo biomdico es, realmente, muy importanteya que, dicha estructura, regula la mayora de sus propiedades. Muchos de los procesos em-pleados para disear plsticos se basan en optimizar sus propiedades a travs de la correctamanipulacin de la estructura bsica del polmero. Por ejemplo: se emplean tcnicas espe-ciales para procesar fibras polimricas debido a que las mismas tienen ms rigidez y resisten-cia a lo largo de las fibras que la que tiene el polmero desorientado a partir del cual se lasfabrica (esto es debido a un proceso especial que se ha usado durante su fabricacin y que

ha sido empleado para orientar los enlaces covalentes de la cadena polimrica en direccinaxial a la fibra). El diseo de tal proceso hubiese sido imposible sin el conocimiento de la es-tructura qumica del polmero.

En cuanto a las propiedades mecnicas de los polmeros sintticos, los plsticos rgidos comoel poliestireno, el polimetilmetacrilato o los policarbonatos pueden soportar una gran tensin,pero no demasiada deformacin antes de su ruptura; adems son poco tenaces. Se concluyeque estos materiales son resistentes, pero no muy duros y rgidos.

Por su parte, el polietileno y el polipropileno son plsticos flexibles y difieren de los plsticosrgidos, en el sentido de si se ejerce demasiada tensin sobre ellos finalmente se deformar

y, una vez que se ha deformado lo suficiente, lo har cada vez con mayor facilidad.

Finalmente, los elastmeros como el poliisopreno, el polibutadieno y el poliisobutileno mues-tran un comportamiento mecnico, completamente, diferente del de los otros tipos de mate-riales ya que pueden ser fcilmente deformado (estirado), pero esto no le da demasiadautilidad, a menos que el material pueda volver a su tamao y forma original una vez que el es-tiramiento ha terminado; y sta es una propiedad fundamental de los elastmeros (las bandi-tas de goma no serviran de nada si slo se estiraran y no recobraran su forma original).

A bajas temperaturas, los polmeros de cadena larga son vtreos: slidos poco elsticos quecon un fuerte impacto se fracturan. Cuando se eleva la temperatura se llega a un momento en

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Imagen 45 a y b. Leo Hendrik Baekeland, inventor de la Bekelita y uno de los amplios usos del materia


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el cual un polmero muy cristalino se vuelve flexible y moldeable. Se dice que es un termo-plstico porque la aplicacin de calor lo ha hecho plstico (moldeable). A medida que se elevams la temperatura, el polmero alcanza la temperatura de fusin cristalina, a la cual los cris-talitos se funden y las molculas individuales se deslizan entre s.

La degradacin de los polmeros requiere de la rotura de su estructura molecular y esto puedeocurrir, o bien por la alteracin de los enlaces covalentes a lo largo de la cadena, o por la altera-cin de la interaccin entre cadenas polimricas entre s. Estos fenmenos (que pueden ocurrirsimultneamente) se deben a procesos denominados hidrlisis (rotura debida a la presencia demolculas de agua) y oxidacin (serie de reacciones qumicas en las que la especie que la generasuele ser el oxgeno o debido a altas temperaturas). Los productos liberados como consecuenciade la degradacin de los polmeros pueden inducir reacciones adversas en el organismo quecausan complicaciones clnicas. Sin embargo, existe una familia de polmeros denominados bio-degradables (empleados para suturas, fijacin de fracturas o para la liberacin controlada demedicamentos) que en el organismo se degradan en pequeos fragmentos (que inclusive pue-

den ser los mismos monmeros) y que son eliminados por el organismo a travs de procesosmetablicos normales.

8.8.1. Polmeros ms comunes empleados como biomateriales

El consumo de polmeros o plsticos ha aumentado en los ltimos aos y la tarea del ingenierobiomdico ser seleccionar un biomaterial cuyas propiedades se asemejen lo ms posible aaquellas partes que se intente reemplazar y, en orden de elegir un tipo de polmero para unaaplicacin particular, las propiedades de los polmeros utilizables deben ser previamente co-nocidas.

Los homopolmeros estn compuestos por la repeticin de un solo tipo de monmero y en la ima-gen 46 se muestran las estructuras qumicas de algunos de ellos.

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C H2 C H 2( )n C H2 C H

C H 3

( )n

C H2 C H

C l

( )n C F 2 C F 2( )n

C H3

CC H2

C O

O

C H3

( )n

C H 3

CC H 2

C O

O

C H 2

C H 2OH

( )n

C H3

S i

C H3

O( )n

HO C

C H 3

C H 3

O C

O

O( )n

Polietileno P olipropileno P VC P T F E

PMMA

Poli HEMA

PDMS

NH (C H2)6 NH C

O

(C H 2)4 C

O

( )n

P olicarbonato Nylon 6,6

Imagen 46. Estructura qumica de algunos polmeros empleados como biomateriales


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Elpolietileno es el polmero de mayor empleo y sus aplicaciones van desde materiales de cons-truccin y aislantes elctricos hasta material de empaque. Es barato y puede moldearse a casicualquier forma, extruirse para hacer fibras o soplarse para formar pelculas delgadas. Segnla tecnologa que se emplee se pueden obtener varios tipos de polietileno.

El polietileno de baja densidad se fabrica de dos maneras: a alta presin o a baja presin. Enel primer caso se emplean los llamados iniciadores de radicales libres como catalizadores depolimerizacin del etileno. El producto obtenido es el polietileno de baja densidad ramificado.Cuando se polimeriza el etileno a baja presin se emplean catalizadores especiales (denomi-nados tipo Ziegler-Natta) y se usa el 1-buteno como comonmero. De esta forma es como seobtiene el propileno de baja densidad lineal que posee caractersticas muy particulares, comola de poder hacer pelculas delgadas y resistentes.

Cuando se polimeriza el etileno a baja presin y en presencia de catalizadores Ziegler-Natta,se obtiene el polietileno de alta densidad (HDPE). La principal diferencia es la flexibilidad de-

bido a las numerosas ramificaciones de la cadena polimrica a diferencia de la rigidez delHDPE. Se emplea para hacer recipientes moldeados por soplado, como botellas y caos pls-ticos (flexibles, fuertes y resistentes a la corrosin).

El polietileno, en fibras muy finas con forma de red, sirve para hacer cubiertas de libros ycarpetas, tapices para muros, etiquetas y batas plsticas.

Para aplicaciones biomdicas, el polietileno es empleado en su forma de alta densidad debidoa que el de baja densidad no puede soportar las temperaturas de esterilizacin.

Empleado en tubos para drenajes y catteres, hilos de sutura, ciruga plstica, etc. En su

forma de ultra alto peso molecular (UHMW) se emplea como componente acetabular enlos reemplazos de cadera, de rodilla y articulaciones de la mano.

Este material tiene una buena tenacidad, resistencia a las grasas y aceites y tiene un costo re-lativamente bajo.

Elpolipropileno (PP) se produce desde hace mucho tiempo pero, su aplicacin data de los l-timos veinte aos, debido a la falta de produccin directa, pues siempre fue un subproductode las refineras o de la desintegracin del etano o etileno.

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Imagen 47 a y b. Cotilo de un implante total de cadera e implante de dedo de la mano fabricados en Polietilenode Ultra Alto Peso Molecular (UHMW)


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El polipropileno posee una alta cristalinidad por lo que sus cadenas quedan bien empacadasy producen resinas de alta calidad.

Se lo utiliza para elaborar bolsas de freezer y microondas ya que tienen una buena resis-

tencia trmica y elctrica; adems de baja absorcin de humedad.

Otras propiedades importantes son su dureza, resistencia a la abrasin e impacto, transpa-rencia y no es txico.

Asimismo se usa para fabricar carcasas, juguetes, valijas, jeringas, bateras, tapicera,ropa interior y ropa deportiva, alfombras, cables, selladores, partes automotrices y suelasde zapatos.

En cuanto a las aplicaciones biomdicas, el polipropileno est relacionado qumicamente conel polietileno y tiene una alta rigidez, buena resistencia qumica y alta tensin de ruptura. Su

resistencia a la fisura por tensiones es superior a la del polietileno y es empleado en las mis-mas aplicaciones.

El cloruro de polivinilo (PVC) se obtiene polimerizando el cloruro de vinilo. Existen dos tiposde cloruro de polivinilo, el flexible y el rgido. Ambos tienen alta resistencia a la abrasin y alos productos qumicos. Pueden deformarse linealmente hasta 4 veces y se suele copolimerizarcon otros monmeros para modificar y mejorar la calidad de la resina. Las resinas de PVC casinunca se usan solas sino que se mezclan con diferentes aditivos.

El PVC flexible se destina para hacer manteles, cortinas para bao, muebles, alambres y cableselctricos. El PVC rgido se usa en la fabricacin de tuberas para riego, juntas, techado y bo-

tellas. En aplicaciones biomdicas, el PVC es usado, principalmente, en mangueras y bolsaspara transfusiones de sangre, alimentacin y dilisis; catteres, etc. El PVC puro es un materialduro y frgil, pero con la adicin de plastificantes, se lo transforma en flexible y blando. El PVCtiene problemas para aplicaciones a largo plazo debido a que los plastificantes pueden serdisueltos por los fluidos corporales. Si bien esos plastificantes tienen baja toxicidad, su pr-dida hace que el PVC se transforme en menos flexible y quebradizo.

Elpolitetrafluoretileno (PTFE), tambin conocido como Tefln, tiene la misma estructura queel polietileno, excepto que los tomos de hidrgeno son reemplazados por flor. El PTFE esun polmero muy estable tanto trmico como qumicamente y, por ello, es muy dificultoso suprocesamiento. Es muy hidrfobo (rechaza al agua y, por ende, es difcil mojarlo) y tiene exce-

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Imagen 48 a y b. Aplicaciones m-dicas de mangueras y bolsas fabri-cadas en PVC


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lente lubricidad. Fue el polmero seleccionado ori-ginalmente por Sir Charnley para los implantes to-tales de cadera pero, posteriormente, debido a laaparicin de fallas, fue reemplazado por el UHMW.

En su forma microporosa es empleado para injer-tos vasculares.

Elpolimetilmetacrilato (PMMA) es un polmero decadena lineal hidrfobo, vtreo a temperatura am-biente y se lo reconoce, por sus nombres comercia-les tales como Lucite o Plexiglas (o ms comn-mente acrlico). Tiene una muy buena transparenciaa la luz, tenacidad y estabilidad, lo que hace de lun excelente material para lentes intraoculares y len-tes de contacto duras. Tambin se lo emplea en de-

terminados reemplazos de cadera para cementar eltallo femoral metlico al fmur y la copa acetabulara la cadera.

Las lentes de contacto blandas son fabricadas apartir de la misma familia de polmeros pero conla adicin de un grupo CH2OH al grupo lateral delPMMA, resultando en el poli-2-hidroxietilmetacrilato(Poli HEMA). El grupo CH2OH adicional produceque el polmero sea hidrflo (fcilmente mojadopor el agua). Para lentes de contacto blandas, el

poli-HEMA es, levemente, entrecruzado con el di-metacrilato de etilnglicol (EGDM) para evitar queel polmero se disuelva cuando est hidratado.Cuando el poli-HEMA est completamente hidratadose transforma en un hidrogel dilatable (esta clase de polmeros ser discutida ms adelante).

El polidimetilsiloxano (PDMS) es un polmero extremadamente verstil y es el nico en el cualla cadena carbonada es reemplazada por un esqueleto de silicio-oxgeno. Sus propiedadesmecnicas son menos susceptibles a los cambios de temperatura.

El PDMS es empleado en catteres y mangue-

ras de drenaje como aislante en marcapasos ycomo componentes de algunos sistemas de in-jertos vasculares. Se emplea tambin para lasmembranas oxigenadoras debido a su alta per-meabilidad de oxgeno. Por su excelente flexi-bilidad y estabilidad es utilizado en unavariedad de prtesis tales como articulacionesde dedos, vlvulas de corazn, implantes depechos, narices, orejas y barbillas.

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Imagen 49. Cabezas de fmur fabricadas enPTFE y dao producido en algunas de ellas

Imagen 50. Prtesis mamaria de Polidimetilsiloxano

Imagen 50. Radiografa de un implante total decadera cementado


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El Nylon es el nombre dado por la emp

ingenieria bionica y avances

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