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Comportamiento Mecánico de

Biomateriales

¿Qué es un Biomaterial?

• Los institutos nacionales de salud (NIH)

Definen a los biomateriales como cualquier sustancia o material o combinación de ambos que pueden ser utilizados como un todo o como una parte de un sistema que es considerado parte del tratamiento, aumento o reemplazo de algún tejido, órgano o función del organismo (Williams 1992).

Son aquellos materiales utilizados para evaluar, tratar,

corregir o reemplazar a cualquier tejido, órgano o

función del cuerpo humano (Elices, 2002)

¿Cómo surgen los biomateriales?

• Necesidad humana de reemplazar órganos o tejidos para mantener el buen funcionamiento del cuerpo humano.

Guerras

Catástrofes naturales

Accidentes

Defectos de nacimiento

¿Se puede usar cualquier tipo de

material? • Pruebas

– Citotoxicidad • Esta prueba verifica si el material o sustancia a utilizar es tóxicos o no para las células. Para ello se

preparan tres cultivos celulares; en uno se pone un material reconocidamente tóxico, en otro uno inocuo y en el tercero el material que se quiere probar. De esta manera se caracteriza la agresividad del material para con las células.

– Genotoxicidad. • Verifica si existe alguna alteración de los genes de las células causada por el material o sustancia

empleado.

– Biocompatibilidad. • Es una prueba realizada en animales. En ella se trata de observar efectos adversos ocasionados por

el material o sustancia en estudio.

¿Dónde se usan?

• Aplicación de los materiales biocompatibles

• Tipo de materiales metálicos cerámicos, polímeros e incluso algunos compuestos

Clasificación general de los biomateriales

• Metales

• Polímeros

• Cerámicos

Sintéticos

Naturales

Pericardio Bovino…

Hidroxiapatita

Biomateriales Sintéticos

Metales

Materiales con memoria de forma

Aneurisma cerebral

• Memoria de forma

• Ni-Ti

Es un ensanchamiento o abombamiento

anormal de una sección de un vaso

sanguíneo en el cerebro. Aneurisma

Materiales

Angioplastia

• Patología Cirugía

Imágenes y videos tomados de:

http://www.argosymedical.com

Stent de Ni-Ti

¿Que hay detrás de estas valiosas

aplicaciones?

¿Qué tipo de material se utiliza?

¿Cómo es posible un cambio de forma tan considerable?

Material con memoria de forma

• Presentan formas predeterminadas

( o T)

• Soportan deformaciones grandes

• Aparentemente permanentes

• Recuperables al retirar ( o T)

• Debido a una transformación

martensítica

Efectos asociados

EMFS

DEMF

ES

Temperatura

de transformación Descripción

MS Temperatura de inicio de transformación directa

(austenita-martensita)

Mf Temperatura del fin de la transformación directa

AS Temperatura de inicio de transformación inversa

(martensita-austenita)

Af Temperatura del fin de la transformación inversa

Temperaturas críticas de transformación

MPaMT

BeAlCM

sc

s

)(97.1

)(%893)(%711245)(

Comportamiento mecánico de los materiales con

memoria de forma

Comportamiento macro

Comportamiento micro

Polímeros biocompatibles

Se utilizan varios tipos de productos implantables,

entre ellos

Gore-Tex, un polímero de material biocompatible

llamado PTFEe que se utiliza para otras

intervenciones quirúrgicas no relacionadas,

SoftForm, PTFEe que viene en forma circular y

puede ser más suave que los implantes del

pasado, y

AlloDerm, derivados de tejidos humanos para

cumplir con los requisitos de biocompatibilidad.

Artefill también encaja en la categoría de implantes,

debido a que el ancla de microesferas de PMMA en

los labios después de que el producto de colágeno

bovino se absorbe.

En implantes mamarios se usan materiales donde el

exterior es una goma de silicona (elastómero) , que

puede ser simple o doble, liso o texturizado o cubierto

con espuma de poliuretano

Clasificación general de los biomateriales

Naturales

Pericardio Bovino…

Hidroxiapatita

• Biomaterial cerámico

Ca10-x (PO4) x (HPO4) 6-x (OH) 2-

•Principal componente inorgánico del

hueso de los vertebrados

•También se encuentra en la dentina y

el esmalte dental.

Hidroxiapatita

A- Condroblastoma de fémur

B- Curetaje y relleno con hidroxiapatita

Coralina® HAP-200

C- Radiografía evolutiva a los 6 meses,

donde se observa un excelente soporte

estructural

Clasificación general de los biomateriales

Naturales

Pericardio Bovino…

Hidroxiapatita

Pericardio bovino

Forti F.; JBA, 2006

Válvulas cardiacas

• ¿Por que se tiene que reemplazar a las válvulas cardiacas?

Patologías cardiacas

Malos hábitos:

Tabaquismo

Colesterol

Stress

Diabetes

Hipertensión

Obesidad

Dieta pobre en vegetales

Sedentarismo

Alcohol

¿Cómo Solucionar el problema?

Válvulas cardiacas

¿Qué involucra el diseño de válvulas cardiacas?

• Conocer las solicitaciones a las

que va estar sometido el

material

• Conocer la propiedades

mecánicas del material

• Hemodinámica

hemodinámicos (apertura óptima,

obstrucción de flujo, reflujo e

incluso ruido en exceso.

• Durabilidad

Bioprótesis cardiacas

Prótesis de Hufnagel,

1952

Válvulas Starr-Edwards

Válvula de disco oscilante

1963

Válvula de bola en jaula

Nylon

CrCoMo

A. Inox.

Carbono

Pirolítico

Algunos modelos resultaban en mayores

complicaciones

Pericardio bovino empelado como

Biomaterial

Válvula biológica

Heteroinjerto

Biocompatibilidad

Resistencia mecánica

Durabilidad 10 años

Hemodinámica adecuada

Las investigaciones continúan con el propósito de obtener mejores válvulas

Nuevas técnicas experimentales

Nuevos materiales

Calcificación

Ensayo de tensión uniaxial en materiales

convencionales

F

F [MPa]

F

A

l lo

lo

Ley de Hooke E

Curva característica Esfuerzo vs

deformación del pericardio bovino

Neo-Hooke

2

1G

)15.0(12G

Ogden

Curvas características de PB con

diferente estructura en las fibras

de colágeno

Comportamiento mecánico del

pericardio bovino

Anisotropía

mecánica

Comportamiento mecánico complejo

Controlar variables como Geometría

Buena planeación de experimentos

Suaje

Dimensiones de la probeta de ensayo y sus

contribuciones al comportamiento mecánico

FEM

Tejido de PB Orientación de las fibras

de colágeno

Dimensiones del tejido

Probetas de Pericardio Bovino

Dispositivo experimental

PXI-NI

LabVIEW

Adquisición de

Datos e imágenes

PC

Cámara Digital

alta definición

Fuente de

Luz Blanca

Validación

• Aluminio comercial

Deformación y módulo elástico en Al

EAl= 60 GPa 10

Caracterización mecánica del

pericardio bovino

Imágenes y campos en PB

Campo de desplazamientos

x

v

y

u

y

v

x

u

xy

yy

xx

2

1 yyyxy

xxyxx

txyxyxv

tyyxyxu

),(

),(

(x1,y1)(u1,v1)

(x2,y2)(u2,v2)

(x3,y3)(u3,v3)

Los desplazamientos de tres puntos nos dan un sistema de 6 ecuaciones

Si los tres puntos no son colineales, Det 0 y el sistema tiene solución

Modelo lineal de 6 parámetros