Dirección de educación media superior




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Los biomateriales de hoy y de mañana

La mayoría de los materiales utilizados actualmente en dispositivos médicos constituyen materias primas (commoditties) estándar que se usan no sólo en medicina sino en otras y muy variadas áreas de la producción industrial. De entre ellas es posible señalar unas veinte formulaciones básicas que se aplican en biomateriales, catorce de ellas son poliméricas, cuatro metálicas y dos cerámicas.
Los polímeros son materiales constituidos por grandes moléculas (macromoléculas) formadas por la unión entre sí de moléculas pequeñas llamadas monómeros. Es habitual designar a un polímero en particular anteponiendo "poli" al nombre del monómero que lo forma, de allí por ejemplo "polietileno", asociación de moléculas de etileno o "policloruro de vinilo", asociación de moléculas de cloruro de vinilo. La unión de los monómeros puede dar lugar a cadenas lineales, a cadenas ramificadas o a redes. Las distintas formas de asociación de los monómeros participa en la determinación de las propiedades del polímero y, por lo tanto, en su utilidad para diversas aplicaciones. Los principales polímeros empleados en aplicaciones médicas y farmacológicas son: (el número que sigue a cada uno de ellos representa la participación porcentual de este en el total de los polímeros que se usan como biomateriales) el polietileno de baja densidad LDPE (acrónimo de Low Density Poly Ethylene) 22%, el policloruro de vinilo (PVC) 20%, el poliestireno (PS) 20%, el polietileno de alta densidad HDPE, (acrónimo de High Density Poly Ethylene) en la que los monómeros de etileno están asociados en forma de cadenas lineales 12%; el polipropileno (PP) 10%, los poliésteres termorrígidos 4%, los poliuretanos (PU) 2%, los acrílicos 2%, el nylon (poliacetato) 2%, epoxis 1% y otros (poliacetales, celulósicos, poliésteres termoplásticos, policarbonatos, polisulfonas, siliconas, resinas urea-formaldehído) en un 5%.

Entre los materiales metálicos se destacan los aceros inoxidables tipo 316L, las aleaciones de cobalto y cromo, las aleaciones titanio, aluminio y vanadio y las aleaciones cobalto, níquel, cromo y molibdeno.

Los cerámicos son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos principalmente por enlaces iónicos (electrostáticos) y uniones covalentes (electrones compartidos). Los cerámicos suelen tener gran estabilidad química frente al oxígeno, el agua, los medios ácidos, alcalinos y salinos, y los solventes orgánicos. Son muy resistentes al desgaste y generalmente se comportan como buenos aislantes térmicos y eléctricos. Todas estas propiedades son ventajosas para su aplicación como biomateriales. Los materiales cerámicos han adquirido recientemente una gran importancia como candidatos para la fabricación de implantes. Los principales dentro de esta categoría son la alúmina (monocristal de óxido de aluminio), el carbón pirolítico, la hidroxiapatita (fosfato de calcio hidratado) y los vitrocerámicos basados en Si02 - CaO -Na2O - P205 y algunos en MgO y K20, (Si=silicio, Ca=calcio, Na =sodio, P=fósforo, Mg magnesio y K= potasio).

A pesar de que han demostrado ser clínicamente aceptables, ninguno de los materiales mencionados hasta ahora fue originalmente diseñado para ser aplicado en medicina. Metafóricamente pueden ser considerados como "dinosaurios" condenados a su extinción y progresivo reemplazo por nuevos y más eficaces materiales que surgirán de los actuales procedimientos de desarrollo racional en los que se pueda definir y controlar la naturaleza de la respuesta biológica que generarán. Como establece la definición mencionada al comienzo, se intenta de este modo adecuar la interacción del material con el medio biológico con el que estará en contacto.

Tradicionalmente, se consideraba que un material era adecuado para su uso cuando no producía daño ni reacción adversa del organismo. En esos casos el material era definido como inerte. Sin embargo, con el correr de los años se ha demostrado que todo cuerpo extraño causa alguna reacción biológica. En el caso de los materiales mencionados hasta ahora, la respuesta biológica es habitualmente inespecífica y lenta. Durante ella se activan en forma simultánea una variedad amplia de procesos, lo que confiere consecuencias impredecibles a sus efectos a largo plazo.

El desarrollo racional de un dispositivo o pieza implantable debe tener en cuenta los requerimientos de la aplicación y adoptar criterios racionales para la selección o diseño y desarrollo de los materiales. Debe considerar tanto la capacidad del material para adquirir de manera reproducible la forma que debe tener la pieza final, as como su biocompatibilidad y bioestabilidad.

La aplicación de criterios racionales de diseño ha recibido un fuerte impulso con el desarrollo de técnicas tales como la microscopia de fuerza atómica (AFM, acrónimo de Atomic Force Microscopy) y la microscopia de efecto túnel (STM, acrónimo de Scanning Tunnel Microscopy), dos procedimientos que permiten conocer la topografía y la organización de las moléculas en la superficie de un material con una resolución de nanómetros (esto es, de una milésima de millonésima de metro), lo que hace posible caracterizar la superficie de un material a escala atómica. Esta información, junto al conocimiento de cuáles son los procesos biológicos que se estimulan como consecuencia de la estructura química y la topografía de cada biomaterial, ha llevado al desarrollo de una nueva generación de biomateriales cuyo diseño se basa en la observación del ordenamiento estructural de su superficie. También, en el reconocimiento en ella de sitios precisos donde tienen lugar las reacciones que definen la respuesta biológica y en general, del estudio de cómo el ensamble de moléculas en una superficie es capaz de desencadenar y controlar diferentes reacciones en la materia viva.
Áreas especificas de estudio

El desarrollo de nuevos biomateriales obliga a la complementación de conocimientos provenientes de dos áreas muy diferentes: la ciencia de materiales y la biología. La investigación actual y futura se concentra principalmente en los siguientes temas:

Materiales cerámicos: Entre los más estudiados se encuentran los biovídrios y la hidroxiapatita, empleados para la reparación de huesos debido a su capacidad de integración eficiente con el tejido vivo. Otro tema de investigación actual es el desarrollo de cementos quirúrgicos que contienen rellenos cerámicos provistos de actividad biológica. Esto mejora la fijación y estabilización del implante a largo plazo, ya que la incorporación de rellenos promueve la diferenciación celular e induce la formación de depósitos de hidroxiapatita proveniente del medio biológico en la zona de contacto entre el cemento y el hueso, lo que así posibilita el crecimiento de tejido nuevo.

Materiales metálicos: Se buscan nuevas técnicas de procesamiento para maximizar las propiedades mecánicas de las aleaciones actuales y lograr que sus superficies tengan texturas adecuadas para inducir la respuesta biológica deseada. Por ejemplo, está en estudio el desarrollo de microelectrodos para dispositivos neurológicos que resistan la corrosión y en particular, el fenómeno de tensión-corrosión (stress corrosión cracking) inducida por el medio biológico También se está prestando atención a las propiedades superelásticas de aleaciones de níquel y titanio, y al fenómeno de memoria de forma para "stents".

Los "stents" son dispositivos tubulares expansibles que se usan en medicina para mantener abiertos a conductos tales como arterias, venas, uretra, tráquea y evitar su colapso. El término superelásticos describe la capacidad de algunas aleaciones metálicas de sufrir grandes deformaciones y retornar a la forma original una vez que la fuerza que genera la deformación desaparece. Por ejemplo, un acero inoxidable común sufre deformaciones elásticas de un 0,5%, mientras que las aleaciones utilizadas en los stents, alcanzan deformaciones de hasta un 11%.
Materiales poliméricos: La gran variedad de fórmulas y la versatilidad de diseño de estos materiales los han convertido en los componentes más frecuentemente utilizados en la fabricación de dispositivos biomédicos. Entre los campos de estudio actual con estos materiales cabe mencionar el desarrollo de polímeros bioabsorbibles (esto es, que son degradados en el medio biológico y sus productos de degradación son eliminados mediante la actividad celular), utilizados en estructuras, en sistemas de liberación de drogas, como soporte de células vivas, en el reemplazo de tejidos, ya sean duros o blandos, y en piezas y dispositivos para la fijación de fracturas.

Un tema de gran interés actual es el desarrollo de materiales híbridos, formados por la combinación de materiales sintéticos y naturales. Estos tienen múltiples aplicaciones, entre las que se pueden mencionar los biosensores (esto es, dispositivos capaces de reconocer señales químicas), los sistemas de liberación controlada de drogas y los materiales con superficies modificadas que contienen moléculas capaces de interaccionar en forma específica con el medio biológico. La modificación de las superficies constituye una línea de investigación importante en medicina cardiovascular. En este caso, el objetivo es incrementar la compatibilidad con la sangre de los materiales en contacto con ella, disminuyendo el daño de los componentes sanguíneos (por ejemplo hemólisis) producido por la formación de depósitos en la superficie del dispositivo. Las superficies modificadas también tienen importancia en neurología, en particular en la búsqueda de recubrimientos poliméricos para microelectrodos que permitan una adhesión selectiva de estos al tejido nervioso asegurando un buen contacto que facilite la efectiva transmisión de señales eléctricas.

Dispositivos para la liberación de drogas: La necesidad generada por el desarrollo de drogas que no pueden ser administradas por las vías tradicionales, intramuscular, subcutánea o endovenosa y la frecuente conveniencia de suministrar un fármaco de manera localizada y controlada en el lugar donde debe ejercer su acción, han promovido un área de investigación y desarrollo de biomateriales dentro del campo de la farmacia. Por ejemplo, en la elaboración de dispositivos que incorporan una droga en una matriz bioabsorbible, la liberación y consiguiente disponibilidad de la droga está determinada por la velocidad con que se degradá el polírnero que la contiene.

Soporte e implante de células vivas: En el ya mencionado campo de los órganos artificiales, se destacan las investigaciones actuales orientadas a retener células hepáticas o pancreáticas dentro de soportes formados por polímeros. Esto permite, por un lado la función normal de las células y por el otro, la protección de ellas contra el ataque del sistema inmune. El uso de materiales como soporte de células también tiene su aplicación en cardiologia donde se busca obtener prótesis vasculares en cuya superficie interna se puedan fijar las células endoteliales, lo que no se ha logrado aún con las actuales prótesis comerciales de dacrónTM o tefíónTM. Recuérdese que en condiciones fisiológicas, las células endoteliales son las que tapizan la superficie interna de los vasos sanguíneos y del corazón, y constituyen por lo tanto el material biológico que está en contacto directo con la sangre.

Tejido óseo: El campo de la ortopedia es uno de los más estudiados. Entre los temas en investigación se destaca el desarrollo de materiales para la fijación de fracturas. Estos incluyen dispositivos metálicos y materiales bioabsorbibles. La utilización de estos últimos evita el trauma de una segunda operación para extraer el dispositivo metálico, una vez que se haya soldado la fractura. También se encuentran en estudio y desarrollo materiales para implantes y regeneración del tejido. En estos casos, se emplean materiales compuestos en los que uno de sus componentes es bioabsorbible. Esto permite que el crecimiento del nuevo tejido óseo tenga lugar en forma sincronizada con la desaparición por degradación del biomaterial y contribuye a lograr la integración efectiva del implante con el tejido óseo.

Ingeniería de tejidos: Esta puede ser considerada una ciencia en sí misma. Se encarga del desarrollo de sustitutos biológicos para restaurar, mantener e inducir el crecimiento de tejidos. Además del caso del tejido duro (óseo) mencionado, se estudian materiales para el tratamiento de alteraciones del músculo esquelético, del sistema cardiovascular y de trastornos neurodegenerativos.

Trastornos causados por la adhesión de tejidos: Una complicación común en las intervenciones quirúrgicas es la aparición de adherencias entre diferentes tejidos u órganos vecinos. Ello puede ocasionar trastornos más graves que el que causó la operación. Es común luego de una intervención quirúrgica sencilla, como por ejemplo la extirpación de un quiste de ovario, que el tejido manipulado se adhiera a los tejidos de órganos circundantes. Estas adherencias pueden, por ejemplo, impedir la libertad de movimiento del intestino delgado y dar lugar a obstrucciones intestinales. Para prevenir la aparición de las adherencias postoperatorias, se están desarrollando delgadas películas (films) de polímeros, en la mayoría de los casos bioabsorbibles, las que al evitar el contacto entre diferentes tejidos durante la fase postoperatoria, impiden la generación de adherencias.

Mejoría de los ensayos de biocompatibilidad: Es necesario desarrollar métodos más rápidos y menos costosos que los actuales, que puedan aplicarse sobre sistemas celulares, esto es in vitro, para evaluar la biocompatibilidad de nuevos materiales. Estos desarrollos reducirían el gran número de ensayos en animales y en humanos "in vivo" que deben realizarse actualmente para obtener esta información. Además, podrían predecir con un alto grado de certidumbre el rendimiento biológico del material sometido a estudio.

Otros temas de interés actual son: la búsqueda de materiales de referencia para la estandarización de los estudios de la interacción del biomaterial con la sangre y los tejidos, y la definición de los procesos de esterilización adecuados a las distintas formulaciones y diseños existentes.

4.4.2 NUEVOS MATERIALES POLIMÉRICOS
PLÁSTICO BIODEGRADABLE

http://www.acercar.org.co/industria/biblioteca/memorias_2007/polimeros_biodegradables.pdf Mayo, 2009

“Plásticos biodegradables son materiales poliméricos los cuales son transformados en compuestos de bajo peso molecular donde al menos un paso en los procesos de degradación es a través del metabolismo en la presencia de organismos presentes naturalmente”. Existe dependencia de la biodegradabilidad con el medio por: pH, humedad, temperatura, presencia o no de oxígeno, presencia de metales. Predecir los tiempos de biodegradación es un proceso semejante, a predecir los tiempos de envejecimiento.



Fig. 1. Representa el proceso de degradación.

Los plásticos biodegradables pueden ser obtenidos a partir de: Recursos renovables de origen animal o vegetal (biopolímeros) y recursos no renovables.

Tabla 1. FUENTES DE POLÍMEROS BIODEGRADABLES

Fuentes Renovables

PLA (poliéster alifático)

PHB (polihidroxibutirato)

Almidón

Celulosa

Gelatina

Quitosan

Alignato

Cadena hidrolizable

Natural, Poliéster bacterial

Natural, Polisacárido

Natural, Polisacárido

Natural, Polipéptido

Natural, Polisacárido

Natural, Polisacárido

Petróleo

PBS (polisocianato de butileno)

Poliésteres alifáticos, PGA

PCL(policaprolactona)

PVOH (polivinilalcohol)

Poliacrilatos

Copoliésteres alifáticos-aromáticos


Cadena hidrolizable
Cadena hidrolizable Cadena de carbono Cadena de carbono Cadena hidrolizable
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