Materiales biocompatibles

Materiales biocompatibles

Un biomaterial o material biocompatible aplicable es un material de origen sintético u orgánico utilizado para crear dispositivos capaces de sustituir una parte de un sistema vivo o para funcionar en contacto directo con tejido vivo fiable, biocompatible y económicamente seguro.
En términos médicos, un biomaterial es un compuesto farmacológicamente inerte diseñado para ser implantado o incorporado en el sistema vivo. En ese sentido, el biomaterial se implanta para reemplazar o regenerar los tejidos vivos y sus funciones.

De hecho, hay muy pocos materiales biocompatibles que sean aceptados por todos los cuerpos, por lo que un material no puede ser clasificado como tal definitivamente. Algunos de los materiales biocompatibles más comunes son el titanio para implantes o el acero.
La biocompatibilidad puede interpretarse como el grado de «aceptabilidad biológica», que a su vez constituye el estudio de la interacción de los biomateriales con los tejidos que pueden estar en contacto con ellos. La aceptabilidad biológica puede ser examinada en varios niveles de interacción:

1. La interacción entre el material y los tejidos.
2. La reacción resultante de la degradación del material.
3. Factores, elasticidad mecánica, tenacidad, propiedades tribológicas entre otros.

La interacción puede hacerse tanto desde el implante al tejido como viceversa. Cualquier riesgo biológico que pueda resultar del uso de biomateriales depende de una serie de factores, incluyendo el uso, la frecuencia, la duración de la exposición, la cantidad o la identidad de las sustancias migradas al cuerpo humano, así como la actividad biológica de dichas sustancias.

Clasificación de Biomateriales

1. Según su fuente:

Natural

• Autólogo: se obtiene del mismo individuo que recibirá el injerto.
• Aloinjerto: de otro individuo y no del que recibirá el injerto.
• Xenoinjerto: de una especie distinta de la humana.

Sintéticos

2. Según su papel biológico:

Tóxico

• Bio-inertes: no hay interacción con el cuerpo, pueden permanecer largos periodos de tiempo en un ambiente fluido altamente corrosivo. Generalmente se utilizan para implantes permanentes, cirugía maxilofacial y craneal. Ejemplos: titanio, cromo cobalto y sus aleaciones o alúmina, circonio y óxido de magnesio.
• Bioactivo: participa activamente en la reparación de tejidos. Se utilizan para implantes dentales y prótesis ortopédicas. Ejemplos: hidroxiapatita de alta densidad, compuestos de titanio, vidrios bioactivos y algunas cerámicas vítreas.
• Bio-resorbible: se reabsorbe y aporta los elementos necesarios para la reparación de los tejidos.

3. Por su tiempo de uso y funcionamiento:

Temporal

No reabsorbibles (supuestamente eliminados) o biodegradables

Permanente

4. Por su composición:

• Cerámica: tienen buena biocompatibilidad, resistencia a la corrosión e inercia química. Sin embargo, presentan problemas con altos esfuerzos de impacto, son inelásticos, tienen alta densidad y son difíciles de producir. Algunos ejemplos son el óxido de aluminio, los aluminatos de calcio, los óxidos de titanio y algunos carbonos.
• Polímeros: tienen la ventaja de ser elásticos, de baja densidad y fáciles de fabricar. Su principal desventaja es la baja resistencia mecánica y la degradación en el tiempo. Algunos ejemplos son el teflón, el nylon, el dacrón y las siliconas.
• Metales y aleaciones: tienen alta resistencia al impacto y al desgaste. Sin embargo, son de baja biocompatibilidad, viables para ser corroídos en medios fisiológicos, alta densidad y dificultad para lograr la conexión con tejidos conectivos blandos.
• Composites: Algunos ejemplos son los nanocompuestos, las cerámicas metal-carbono o nitrometal y las aleaciones intermetálicas complejas.

5. Por su estructura:

• A granel: tornillos, clavos, chapas, etc.
• Recubrimientos: como protección o bioactivos
• Poroso: capa superficial metálica porosa, andamios de aluminio para ingeniería de tejidos, etc.

Clases de materiales biocompatibles

1. Los materiales dentales que han sido tratados por separado pueden ser colocados en interiores o exteriores, incluyendo en esta categoría. Actualmente, reparan o reemplazan la piel o los tejidos óseos naturales dañados y, en el futuro, pueden utilizarse en tejidos orgánicos como el hígado o los riñones.

2. Los biomateriales están sujetos a situaciones adversas, ya que están expuestos temporal o permanentemente a fluidos corporales donde ocurre la corrosión de los componentes del implante, o el implante causa envenenamiento del organismo vivo.

3. Los biomateriales restauran las funciones de los tejidos y órganos vivos del cuerpo. Por lo tanto, es esencial entender las relaciones entre las propiedades, funciones y estructuras de los materiales biológicos, ya que las propiedades requeridas de un material varían según la aplicación particular. Es importante admitir que el ensayo físico-químico de los materiales para la implantación in vivo es casi imposible. Sin embargo, se deben realizar pruebas in vitro antes de la implantación.

4. Los dispositivos como las extremidades artificiales, los amplificadores de sonido para el oído y las prótesis faciales externas no se consideran implantes.

5. Los biomateriales de naturaleza polimérica (Teflón, nylon, Dacron, siliconas) tienen la ventaja de ser elásticos, de baja densidad y fáciles de fabricar. Su principal desventaja es la baja resistencia mecánica y su degradación en el tiempo.

6. Algunos metales, como los aceros 316, 316 LS y de bajo carbono, y las aleaciones de titanio, se utilizan a menudo como biomateriales. Sus principales ventajas son su resistencia al impacto y al desgaste. Sin embargo, son de baja biocompatibilidad, viables para ser corroídos en medios fisiológicos, de alta densidad y de difícil conexión con tejidos conectivos blandos.

7. Como biomateriales se utilizan materiales cerámicos como el óxido de aluminio, aluminatos cálcicos, óxidos de titanio y algunos carbonos. Sus ventajas son una buena biocompatibilidad, resistencia a la corrosión e inercia química. Sin embargo, tienen problemas con los esfuerzos de alto impacto, son inelásticos, tienen alta densidad (algunos) y son difíciles de producir.

8. Nuevos materiales como los nanocompuestos, las cerámicas metal-carbono o el nitrógeno metálico y las complejas aleaciones intermetálicas son la mayor promesa en términos de biocompatibilidad. Tienen la mayoría de las ventajas mencionadas anteriormente, siendo la dificultad y el coste de la síntesis su mayor desventaja.

Tipos de Biomateriales

Biomateriales en Órganos

Biomateriales en Sistemas del Cuerpo

Biomateriales Metálicos

En la década de 1920, Reiner Erdle y Charles Orange, que se unieron al conocimiento del odontólogo y a la metalurgia respectivamente médica, desarrollaron la aleación Vitallium, que fue el primer biomaterial metálico en aleación con características mecánicas de biocompatibilidad y resistencia a la corrosión, aceptable para aplicaciones en prótesis quirúrgicas. Esta aleación de cobalto (Co 65 por ciento, Cr 30 por ciento y Mo 5 por ciento) fue el punto de partida para una serie de investigaciones multidisciplinarias en el desarrollo de nuevas aplicaciones ortopédicas, como clavos, tornillos y fijadores de huesos fracturados, además de varios tipos de implantes de reemplazo articular, como cadera, rodilla, hombro, codo, entre otros.
Más tarde, en la década de 1930, se desarrolló el acero inoxidable 316LQ, que es un acero con bajo contenido de carbono, 18% cromo, 8% níquel y 2% molibdeno.
Otras aleaciones se han vuelto muy importantes en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales y las aplicaciones médicas para implantes quirúrgicos están basadas en titanio, especialmente la aleación TY6AI4V, que tiene ventajas superiores en peso, propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión con respecto a las aleaciones basadas en cobalto y el acero inoxidable. Sin embargo, tiene una baja resistencia al desgaste, así como un alto costo. Esta aleación ha sido modificada de Vanadio a Niobio, lo que ha dejado una notable mejora en el índice de biocompatibilidad.
Además, para aumentar la resistencia al desgaste, se aplicó el uso de recubrimientos duros en las cabezas de los fémures, aplicados mediante técnicas de deposición física por vapor (PVD), utilizando también materiales cerámicos como la alúmina (Al2O3) o la zirconia (ZrO2).

Biomateriales Poliméricos

Una variedad de polímeros biocompatibles: polímeros naturales como celulosa, glucosamina, etc., y polímeros sintéticos como polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), PVC, nylon, silicona, etc. El desarrollo de biopolímeros en aplicaciones incluye prótesis faciales, partes de audífonos, aplicaciones dentales, marcapasos, riñones, hígado y pulmones.
Se utilizan películas delgadas y capas de PVC en bolsas de almacenamiento y embalajes de sangre para cirugía y otras soluciones; partes esofágicas, segmentos arteriales, suturas biodegradables, partes de implantes de finger joint, acetábulos de cadera y rodilla, entre otros.

Biomateriales Cerámicos

Las biocerámicas son compuestos químicos complejos que contienen elementos metálicos y no metálicos. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, suelen ser duros y frágiles. Además de tener un alto punto de fusión y una baja conductividad térmica y eléctrica, las cerámicas se consideran resistentes al desgaste. Las principales biocerámicas son la alúmina, la zirconia, la hidroxiapatita, la porcelana, los vidrios bioactivos, etc. Sus principales aplicaciones son en el sistema óseo, con todo tipo de implantes y recubrimientos en prótesis articulares; también se utilizan en aplicaciones dentales, válvulas artificiales, cirugía de columna y reparaciones craneales.

Propiedades requeridas en biomateriales

Las características requeridas por el cuerpo humano para una articulación artificial hacen que las propiedades requeridas en los materiales utilizados en las prótesis sean muy restrictivas. Por esta razón, son necesarios materiales biocompatibles, es decir, materiales que produzcan un grado mínimo de rechazo en el cuerpo humano. Los fluidos corporales son altamente corrosivos y las aleaciones de metal deben ser resistentes a la corrosión.
Otro aspecto a tener en cuenta son las propiedades mecánicas, que son importantes en la selección de los materiales para las prótesis, ya que el sistema musculoesquelético, junto con el movimiento, promueven fuerzas considerables para las prótesis.
Como las superficies de las articulaciones están en contacto y tienen un movimiento relativo entre ellas, las prótesis están sujetas a desgaste. Una de las consecuencias del desgaste de las superficies de los implantes es la generación de partículas de residuos. La acumulación de estas partículas en los tejidos circundantes de la articulación puede causar inflamación y dolor.
Además de las condiciones mencionadas anteriormente, otro aspecto a tener en cuenta a la hora de seleccionar los materiales para los implantes quirúrgicos es que sus componentes son ligeros, de bajo coste y sus propiedades estables en el tiempo.
Lo ideal es que una prótesis implantada funcione satisfactoriamente durante toda la vida del paciente, de modo que no sea necesario reemplazarla. Sin embargo, en los proyectos actuales, la vida de la prótesis varía entre 10 y 15 años en el caso del reemplazo total de cadera, por lo que existe un gran interés en la comunidad científica por desarrollar prótesis de durabilidad para la mayor longevidad de la que disfruta actualmente la población.

Algunas aplicaciones de los biomateriales

Prótesis total de cadera

La solución para este tipo de fracturas y enfermedades como la artritis, entre otras, puede ser una prótesis total de cadera vista en la parte b). Se forma esta articulación cuyo tallo (Co-Cr, 316LQ, TÍ6AI4V) está incorporado en el fémur por una copa acetabular (UHMWPE, de Co-Cr, Al2O3, ZrO2), que se fija en la pelvis y sirve como asiento para una esfera. Los dos elementos artificiales restauran el sistema de articulación tipo articulación, con el que el paciente puede volver a caminar.

Implante de rodilla

El reemplazo de rodilla es uno de los avances más importantes en la cirugía ortopédica y se realizó por primera vez en 1968.

Válvulas cardíacas

El corazón es una parte vital de la anatomía humana, porque es una bomba de recirculación de la sangre a través del cuerpo. Las válvulas cardíacas permiten que el corazón bombee la sangre eficientemente. Estas válvulas son propensas a fallar debido a enfermedades; sin embargo, pueden ser reemplazadas por válvulas protésicas artificiales. Las válvulas mecánicas son excelentes en términos de durabilidad, pero se ven obstaculizadas por la tendencia a coagular la sangre. Las válvulas biológicas son menos duraderas y deben ser reemplazadas periódicamente.

Implantes dentales

La aparición de los implantes dentales ha influido en importantes cambios en la odontología clínica de la segunda mitad del siglo XX. Mediante técnicas quirúrgicas específicas, es posible sustituir las piezas dentales perdidas por piezas sintéticas, con las mismas funciones y de larga duración. La prótesis se compone de tres partes fundamentales, llamadas corona, alfiler o muñón, que soportarán la corona y el propio implante que sustituirá a la raíz del diente.

Espina dorsal

El primer procedimiento quirúrgico para una hernia de disco torácico fue reportado por Middleton y Teacher en 1911. Desde la década de 1930 hasta la actualidad, se ha utilizado material metálico en prótesis en cirugías.