Materiales Bio-Compatibles

Se ha tenido la necesidad de desarrollar materiales que permitan la reparación o el remplazo de tejidos. Estos materiales deben de satisfacer requerimientos elevados. Por ejemplo, está el requerimiento de la bio-compatibilidad y en otros casos la habilidad para estimular el crecimiento de las células. También deben ser capaces de resistir los ataques de los fluidos del cuerpo y deben resistirlo de una manera benigna para permitir que el cuerpo los absorba. Otra cosa es que deben satisfacer necesidades mecánicas demandantes como la habilidad de resistir las cargas cíclicas impuestas sobre ellos debido al funcionamiento normal del cuerpo y deben hacerlo por muchos años.

La bio – compatibilidad es una propiedad de los materiales que no causan lesión, reacción tóxica o inmunológica a tejido vivo. Puesto en palabras más simplificadas: de ser colocado en la piel, entre tus dientes o implantado en tu cuerpo el paciente no se encontrará peor de lo que estaba antes. En cirugía un bio – material es un material sintético o natural usado para remplazar una parte de un sistema viviente o para funcionar en contacto íntimo con tejido vivo. Estos materiales tienen el objetivo de interactuar con sistemas biológicos para evaluar, tratar, aumentar o remplazar cualquier tejido, órgano o función del cuerpo.

Además de la bio – compatibilidad estos materiales también pueden presentar la característica de ser bio – activos. Esto es aquellos materiales que tienen un efecto o provocan una respuesta sobre el tejido vivo.

Estos materiales se dividen en tres grandes grupos: bio – metales, bio – polímeros y bio – cerámicos.

Bio – metales

La mayoría de los metales al ser implantados en el cuerpo humano se corroen, liberando productos que dañan las células. Solo unos pocos metales basados en elementos como el níquel, cobalto, titanio o metales preciosos (oro, plata, platino) liberan iones muy lentamente de tal manera que el cuerpo humano es capaz de tolerarlo indefinidamente.

Aleaciones de cobalto – cromo

Esta aleación es usada en el campo médico como puentes dentales o como implantes óseos. Esto debido a su excelente resistencia a la corrosión y su bio – compatibilidad. Sin embargo, el cobalto, tiene un costo muy elevado por lo cuál esta aleación es utilizada principalmente cuando aleaciones más baratas son inadecuadas.

En general esta aleación es apta para implantes que requiere soportar carga. Lo negativo de esta aleación es que tienen el módulo de Young más elevado de cualquier implante ortopédico, lo cual puede causar problemas debido a que es mucho más elevado que el del hueso.

Comparación hueso - aleación

Composición

Cobalto: 60% en peso

Cromo: 28% en peso

Molibdeno: 6% en peso

Níquel: 2.5% en peso

Implante ósea de cobalto - cromo

Aleaciones cromo – níquel

Este tipo de aleación es principalmente utilizado en aplicaciones dentales para hacer puentes y coronas. Su gran virtud es su gran resistencia a la corrosión y su resistencia. Sus propiedades no son tan buenas como las del resto de los bio – metales, sin embargo su bajo costo lo hace muy utilizado.

Un puente dental hecho de una aleación de níquel – cromo.

Aleaciones níquel – titanio (Nitinol)

Esta aleación de níquel titanio, conocida comercialmente como Nitinol, es un metal inteligente, es decir una aleación con memoria de forma (SMA, Shape Memory Alloy). Existen dos tipos de SMA, aquellos que solo tienen memoria de forma cuando son calentados y aquellos que también recuperan la forma al ser enfriados. Sin embargo, los SMA en los que se tiene más interés son aquellos que recuperan una cantidad substancial de estrés, es decir, aquellos que producen una fuerza significativa al cambiar de forma. El nitinol tiene un estrés de cambio de forma de hasta el 8% siendo capaz de generar un estrés de hasta 700 MPa. También importante para aplicaciones biomédicas es que son térmicamente estables y además tienen excelente resistencia a la corrosión.

La temperatura de transformación del Nitinol puede ser ajustada entre los – 200 y los +110 grados centígrados ajustando la composición de la aleación. Aunque se mencionó previamente que tiene un estrés de cambio de forma de hasta el 8%, éste no puede ser sostenido por muchos ciclos; para 100 ciclos solamente es común un 6%; y para 100,000 ciclos es el 4%.

Sus aplicaciones médicas más comunes son en stents y en filtros de coágulos de sangre.

Composición

Níquel: 55%

Titanio: 45%

Stent de Nitinol, utilizado para expandir la aorta o las arterias.

Metales preciosos

Los metales preciosos utilizados en aplicaciones médicas son normalmente el oro y aleación plata – paladio y no son baratas. Son usadas únicamente en aquellas aplicaciones en donde su resistencia a la corrosión, ductilidad y otras propiedades ofrecen una calidad que no puede ser equiparada por ningún otro material.

Su aplicación más notable es en la odontología al ser usada para puentes, coronas e incrustaciones. La razón de su aplicación es que tienen una excelente durabilidad, no se fracturan bajo estrés ni sufren corrosión en la boca y se vuelven más suaves con el tiempo.

Composición

Existe una gran variedad de aleaciones disponible, basadas en oro, plata, cobre y paladio. La siguiente composición que se presenta es de “Jenric Pentron Special Inlay Gold” que tiene una composición de: oro al 77% en peso, plata al 13% en peso, cobre al 8.5% en peso y paladio al 1% en peso.

Aleación de oro utilizado como corona dental.

Acero inoxidable

El acero inoxidable es una aleación de hierro, cromo, níquel y molibdeno. Éste tiene una excelente resistencia a la corrosión y por lo tanto no se degrada dentro del cuerpo. Su gran virtud es que puede ser moldeado fácilmente, lo cual es una importante consideración tomada en cuenta por los fabricantes de implantes para reducir los costos. Sin embargo a su virtud, corresponde una gran desventaja, debido a su elevada rigidez puede causar problemas al ser implantado; también ocurre que los pacientes a los que se les implanta esta aleación pueden desarrollar una reacción alérgica al contenido de níquel presente en esta aleación.

Las virtudes de esta material lo han convertido en el metal más utilizado para vástagos femorales en remplazos de cadera. También es utilizado para fabricar correas y pernos para reparar huesos y utilizado también para fabricar frenos dentales.

Composición:

La siguiente composición es de un grado comúnmente utilizado el SS 316 L: hierro al 63% en peso, cromo al 18% en peso, níquel al 12% en peso, molibdeno al 3% en peso y carbono con menos de 0.03% en peso.

Una parte de remplazo de cadera hecho de acero inoxidable 316L. Esta parte corresponde al vástago femoral.

Titanio

El titanio y sus aleaciones forman una capa espontáneamente de TiO2. Esta capa es totalmente estable e inerte a los fluidos del cuerpo permitiendo que el tejido y el hueso en contacto con ésta prospere y se enlace. El titanio puro comercial (CP) y varias de sus aleaciones están aprobadas para ser utilizadas como implantes.

Uno de sus usos más típicos es en la odontología al ser utilizados como implantes introducidos en la mandíbula. Pero también es utilizado para hacer prótesis en diferentes partes del cuerpo.

Implantes de titanio para dientes. Estos implantes son introducidos en la mandíbula y el diente con su corona artificial son colocados en la parte superior del perno.

Bio – polímeros

De entre los polímeros, las poliolefinas, compuestas únicamente de átomos de carbón e hidrógeno, son las menos tóxicas y tienen propiedades más similares a los tejidos que los metales.

Acrílico

El acrílico, o polimetilmetacrilato (PMMA) es utilizado como un bio – material en forma de cemento para huesos para asegurar a las articulaciones, como las de rodilla y cadera. Este cemento empieza como polvo de PMMA al cual se le mezcla un 10% de sulfato de bario para hacerlo opaco a los rayos X. Para poder usar el cemento, el polvo es mezclado con un monómero de metilmetacrilato y un catalizador, y es aplicado en la articulación entre el implante y el hueso y después se le permite polimerizarse.

Composición

El acrílico (PMMA) tiene la siguiente composición química: (CH-C(CH3)COOCH3)n. El cemento para huesos no es más que PMMA con un añadido de un 10% de sulfato de bario (BaSO4).

En esta imagen el cemento de acrílico para el hueso es utilizado para unir un vástago femoral al hueso para realizar una prótesis de cadera.

Silicón

El silicón y los elastómeros de fluoro – silicón tienen una baja resistencia pero tienen como virtud la capacidad de tener una excelente estabilidad química. A pesar de que varios silicones han sido aprobados por la FDA, existe una preocupación acerca de los efectos a largo plazo de los trasplantes de silicón.

Sus usos médicos más comunes son en implantes de seno, apósitos para quemaduras, implantes en los oídos e injertos arteriales.

Composición

(O-Si(CH3)2)n

Implantes de seno hechos de silicón aprobados por la FDA.

Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE)

El UHMWPE es un termoplástico, que tiene como característica el tener cadenas de carbono excepcionalmente largas. Esto hace que el material sea excepcionalmente duro (al menos para ser un polímero), con la resistencia al impacto más alta de cualquiera de las poliolefinas sin reforzar. Tiene una absorción de humedad bastante baja y es completamente inerte en los fluidos del cuerpo. Éste también tiene un coeficiente de fricción comparable con el Teflón, es auto – lubricante y es resistente a la abrasión.

Es utilizado comúnmente en implantes, particularmente como parte de remplazos completos de articulaciones.

Esta pieza es fabricada de UHMWPE y es un menisco a utilizarse en un remplazo de rodilla. Para este caso solo el menisco es el que esta conformado de este material. Este diseño en particular es conocido como rodilla Oxford.

Bio – cerámicos

Los cerámicos tienen la ventaja de ser mucho más estables que los metales o los polímeros. Muchos de estos son óxidos, químicamente inertes y son capaces de realizar funciones mecánicas útiles. Unos pocos de éstos tienen la gran ventaja de que tienen una constitución química similar a la de los huesos lo cual estimula el crecimiento celular.

Bio – alumina

Esta alumina es de alta pureza, alta densidad y granos muy finos con una elevada resistencia mecánica. También es de una alta dureza y alta resistencia al desgaste, lo que hace que de un mayor tiempo de vida en comparación con las aleaciones de polietileno-metales utilizadas en los remplazos de articulaciones. Es completamente inerte y por lo tanto no es tóxica en los fluidos corporales. Es utilizado típicamente en implantes médicos como superficie de cojinetes.

Composición

Alumina (Al2O3) > 99.8%

Cabeza humeral hecha de Bio – Alumina (Vitox) para ser utilizada en un remplazo de hombro.

Bio - cerámica de fosfato de calcio

Estas son usadas como ‘scaffolds1’ para el metabolismo del hueso y regeneración de cartílagos. La razón por la que son usadas en las aplicaciones anteriores es porque éstas son capaces de soportar las propiedades funcionales de las células osteogénicas. En el caso del metabolismo del hueso es porque este proceso

1 Los scaffolds son estructuras capaces de soportar una formación de tejido tridimensional. Sirven de objetivos para permitir que las células se adhieran a ellos, migren y se nutran.

involucra la reabsorción de el hueso existen por los osteoclastos y la subsecuente formación de una nueva matriz de hueso por los osteoblastos.

Este material además de ser considerado bio – compatible también es considerado bio –activo debido a que espontáneamente forma una unión con el hueso vivo. Existen tres tipos de fosfatos de calcio que son utilizados como materiales para ‘scaffold’: fosfato tricálcico, fosfato tetracálcico y hidroxiapatita.

Composición

Fosfato tricálcico: Ca3(PO4)2

Fosfato tetracálcico: Ca4P2O9

Hidroxiapatita: Ca10(PO4)6(OH)2

Scaffold de fosfato de calcio

Ionómero de vidrio

Este material es usado principalmente para usar cementos (GIC por sus siglas en inglés que son Glass Ionomer Cements). Estos materiales son logrados al mezclar polvo de vidrio con un ionómero (ácido de poliacrílico). Son usados en la odontología para pegar las coronas a los dientes, pero en aplicaciones más nuevas también se le utiliza en la reconstrucción dental debido a que se une fuertemente con el tejido dental duro. Otras de sus aplicaciones son para sellar fisuras dentales, empastes dentales temporales o para el revestimiento de la base de una cavidad.

Composición

Polvo de vidrio alúmina – silicato de tamaño de grano entre las 15 y 50 micras incrustado en ácido poliacrílico.

Restauración dental utilizando GIC. (Izquierda: antes, Derecha: después)

Carbono vítreo

El carbono vítreo es una forma pura del carbón obtenido mediante la descomposición térmica de un polímero tridimensional, reticular y amorfo. Tiene propiedades importantes como una alta resistencia a la flexión y una sorprendente resistencia a la fatiga y al desgaste. Además también tiene una baja permeabilidad a los gases y al agua así como también una excelente resistencia a una amplia gama de ambientes químicos agresivos. Particularmente no es tóxico y es inerte en fluidos corporales por lo cuál es usado en algunas aplicaciones médicas. Las aplicaciones médicas más importantes de esta material son válvulas de corazón y en prótesis de articulación de dedo.

Composición

Carbono puro. (Su dureza puede ser incrementada al ser aleado con silicón o tungsteno)

Una válvula de corazón hecha a base de carbono vítreo.

Bio – cerámica de zirconio

El zirconio, en especial el zirconio endurecido con itria (Y – ZTP), es el nuevo elemento que viene a remplazar a la bio – alúmina en aplicaciones de implantaciones médicas. El Y – ZTP tiene una excelente combinación de fuerza y dureza junto con propiedades bio – inertes y una buena resistencia al desgaste. Una de las aplicaciones en donde la alúmina está siendo remplaza por este material es en la construcción de cabezas femorales para remplazos completos de cadera. Lo anterior debido a que las cabezas femorales hechas con zirconio tienen el doble de resistencia en comparación con aquellas hechas de alúmina, logrando así reducir el diámetro de la cabeza a menos de 26 mm, llevando a una reducción del trauma del paciente durante el remplazo de cadera. Este material también es utilizado para reparar las articulaciones de las rodillas, hombros, articulaciones de las falanges e implantes espinales.

Composición

Es una mezcla de zirconio (ZrO2) estabilizado en su forma tetragonal por una adición de itria (Y2O3).

Productos realizados a base de zirconio para ser usado en implantaciones de cadera, rodillas y hombros.

Aplicaciones de los materiales bio – compatibles

Stent o Endoprótesis Vascular

El stent es un pequeño tubo de malla que se utiliza para tratar las arterias estrechas o débiles. El stent es colocado durante el procedimiento llamado angioplastia, que consiste en restaurar el flujo sanguíneo en las arterias estrechas o bloqueadas. Este tubo ayuda a mantener la pared interior de la arteria durante los meses o años después de la angioplastia.

El stent hecho de Nitinol (SMA) es aquel que no necesita de un globo para incrementar su diámetro si no que lo hace debido a su capacidad de cambiar de forma a diferentes temperaturas. El stent de Nitinol funciona de la siguiente manera: en su estado austenítico (a alta temperatura) el stent tiene su forma original con un diámetro grande que es capaz de abrir las arterias; cuando el stent de Nitinol pasa a su estado martensítico (baja temperatura) el stent puede ser deformada para que tenga un diámetro más pequeño y así pueda ser introducido dentro de las arterias de los seres humanos. Entonces el stent es colocado primeramente dentro de la arteria en su estado martensítico con un diámetro pequeño y una vez colocado dentro del cuerpo y sometido a su temperatura ambiente, el stent se empieza abrir hasta recuperar su diámetro grande del estado austenítico.

Diagrama que muestra la transformación del Nitinol del estado martensítico al estado austenítico. El rango de transición de temperatura puede ser ajustado dentro de los 40°C para satisfacer las necesidades médicas de los stents.