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DEFINICIÓN

La ciencia de los BIOMATERIALES es la rama de la ingeniería biomédica que se encarga delestudio de la síntesis, composición y evaluación de los materiales empleados para lafabricación de dispositivos que entran en contacto con los tejidos de los seres vivos,considerando no sólo las reacciones entre ellos sino también los cambios tanto a nivelestructural como a nivel propiedades de los mismos.

“Biomecánica articular y Sustituciones protésicas”. Instituto de Biomecánica de Valencia

CLASIFICACIONESMODO DE OBTENCIÓN (sintético o natural)

PERMANENCIA EN EL CUERPO (permanente o transitorio)

TEJIDO DONDE SEA IMPLANTADO (duro o blando)

RESPUESTA DEL TEJIDO FRENTE AL IMPLANTE

Inertes o biológicamente inactivos, con formación de tejido fibroso en la interfaseBioactivo o biológicamente activo, con formación de enlace interfacial

Reabsorbible o biodegradable, que se disuelve con el tiempo en el medio biológico y eltejido circundante lo sustituye.


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Los metales esenciales son los que están presentes en los organismos vivientes y ejercenuna función biológica insustituible.

Elem. Cerebro Riñón Hígado Pulmón Músculo Piel Sangre Plasma

Ca 320 390 140 480 100 360 62 99

Cl 8000 9000 4800 12000 2800 11000 2900 4000

Co 0.0005 0.05 0.23 0.06 0.02 0.03 0.0003 0.0004Cr 0.12 0.05 0.03 0.6 0.04 0.3 0.03 0.02

Cu 22 12 20 6 3 1.7 1.1 1.1

Fe 200 290 520 1300 140 29 480 1.1

I 0.4 0.09 0.0015 0.001 0.1 1.7 0.06 0.08

K 11600 7800 7400 8600 10500 1900 1700 170

Mg 550 550 480 410 630 150 41 22Mn 1.1 3.8 3.7 0.8 0.2 0.2 0.03 0.003

Mo 0.2 1.4 2.8 0.2 0.2 0.07 0.004 0.04

Na 10000 800 5500 1200 4000 9300 2000 3300

Ni 0.3 0.2 0.2 0.2 0.008 0.8 0.04 0.04

Se 2.1 2.1 2.1 - 2.5 - 0.27 0.11

Contenido de diferentes elementos esenciales (en ppm) en tejidos secos de mamíferos.

¿BIOMATERIAL METÁLICO?


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Elemento Efectotóxico

Elemento Efectotóxico

I - 10 000 Ba(II) 200

K(I) 6 000 Li(I) 200

B(borato) 4 000 Sb(III o V) 100

Br - 3 000 Ag(I) 60

Sn(II) 2 000 As(III o V) 5 - 50

Co(II) 500 F- 20Cu(II) 250-500 Se(IV) 5

Cr(VI) 200 Cd(II) 3

Tabla 2.1. Toxicidad en humanos de

algunos elementos, expresada en mg/dia

/Bowen,1966/

Metal Tipo de metal Efecto dedeficiencia

Efecto de exceso

Cadmio (Cd) tóxico reduce

crecimiento

nefritis

Calcio (Ca) esencial deformación

ósea

cataratas, cálculos,

arterio-esclerosis

Cromo (Cr) esencial incorrecto

metabolismoglucosa

Cobalto (Co) esencial anemia falla coronaria,

policitemia

Cobre (Cu) esencial anemia enfermedad

Wilson

Hierro (Fe) esencial anemia hemocromatosis,

siderosis

Paladio (Pd) tóxico reduce

crecimiento

anemia, encefalitis

Litio (Li) tóxico depresión

maníaca

neuritis

Magnesio (Mg) esencial convulsiones anestesia

Manganeso

(Mn)

esencial deformación

ósea

ataxia

Tabla 2.2 Principales efectos por defecto o

exceso en el organismo de algunos metales.

¿TÓXICIDAD?

MATERIALESMETÉLICOS


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75% son metales

Muy pocos son utilizados

como biomateriales


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Concepto variable a lo largo del tiempo

Biocompatible BiocompatibleBiofuncional

BiocompatibleBiofuncionalBioactivo

1ª

generación

2ª

generación

3ª

generación


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Biocompatibilidad:Biológicamente aceptable (aceptado por el organismo sin provocar rechazo)

No tóxico

Inerte o químicamente estable

Biofuncionalidad: capacidad de desempeñar la función para la que ha sidocreado

Propiedades mecánicas (de acuerdo con utilidad, tiempo de vida, etc.)Flexibilidad, dureza, resistencia a fatiga…

Densidad y peso adecuados

Diseño adecuado y adaptabilidad

Bioactividad:

Integración con moléculas biológicasRegeneración del tejido

Capacidad de responder a señales provenientes del medio induciendo unarespuesta específica del tejido biológico circundante


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Reacciones entreSuperficie del material

Respuesta inflamatoria deltejido huésped

FactoresCaracterísticas del paciente

Procedimiento quirúrgico

Fluido y tejidos circundantes

Características del biomaterial:Toxicidad

Reacciones químicas superficiales

Hidrofobicidad/hidrofilicidad

Liberación de iones (corrosión)Topografía (rugosidad, porosidad…)

Efectos mecánicos

Interfase implante-tejidoReacción del sistema inmune

ResultadoIntegración del implante o

Encapsulamiento en capa fibrosa


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Capa fibrosa

Impide la correcta integración del implante al hueso

ToxicidadTolerancia biológica

al metal


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CorrosiónPérdida de purezadel material

Liberación de ionesal medio

DependeNobleza del material

Pasivación formaciónde capa de óxido

Medio biológico (pH, cargas,…)


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Corrosión - Tipos

Corrosión por fisuras o “crevice”

Corrosión por picaduras o “pitting”Ruptura de la película de óxido

Tipo especial

Fretting

Corrosión bajo tensión

Corrosión intergranularProducido por átomos de C

Debido a malos tratamientos

térmicos


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Materiales Módulo

Elástico(Mpa)

Resistencia

(Mpa)

Deformación

Máxima(%)

Densidad

(g/cm3)

Polímeros

Silicona

Nailon

UHMW polietileno

PMMA

1-10

2,800

1,500

60

6-7

76

34

60

350-360

90

200-250

1-3

1.12-1.23

1.14

0.93-0.94

1.10-1.23

Metales Aceros Inoxidable 316L

Co-Cr

Ti6Al4V

200,000

230,000

110,000

540-620

900

900

55-60

60

10

7.9

9.2

4.5

Cerámicas y carbones

Al2O3

Carbón pirolítico

Hidroxiapatita

363,000

280,000

120,000

490

517

150


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Desde inicio de la historia…

Las prótesis y elementos sustitutivos de miembros del cuerpohan existido debido a necesidades de tipo:

Necesidad sustitutiva en caso de amputaciones(traumáticas, de castigo…)

Estéticas (dentales)

Estando, hasta bien entrado el siglo XVIII, al alcance de pocos,debido a su coste, y a sus características morfológicas (peso y

estética)


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Prótesis metálicas, edad moderna

Al final del siglo XVI aproximadamente, empieza la protésica demiembro superior con elementos metálicos (mano de Götz).Accesible para miembros del estamento militar y nobles (cara y

pesada), y hecha por orfebres.

En el siglo XIX, las prótesis dentales empiezan a utilizarelementos mixtos, también otros materiales metálicos

(inventados por Fronzi), Pt y Ag.


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Prótesis Metálicas. Edad contemporánea

Primera Guerra Mundial: Empieza la protésica exterior(exoprótesis), por los tullidos (Otto Bock), usando elementosmetálicos: Fe, Bronce.

Segunda Guerra Mundial y posteriores: Gracias” a laAdministración de Veteranos (US), industria (GER), MinisterioEjército (USSR), se crean escuelas de protésicos, y se empiezana desarrollar materiales para las mismas (endo y exoprótesis):

Acero Inoxidable (50-60`s)Fibra Carbono (70-80’s)

Ti / Cr y aleaciones (90’s) actualidad


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“La principal aplicación de los

biomateriales metálicos es reparar oreconstruir las partes del cuerpo humanoque han sufrido daño o se han perdido.”

“Biomateriales para la rehabilitación del cuerpo humano” .

BENJAMÍN VALDEZ S., MICHAEL SCHORR W., ERNESTO VALDEZ S. YMÓNICA CARRILLO B.

CLASIFICACIONES

Disposición en el cuerpo(interno o externo)

Tiempo de permanencia,Material de osteosíntesis: En general

pueden ser extraídos cuando el proceso biológicoreparativo ha terminado, puesto que el hueso escapaz de soportar las exigencias habituales sin suauxilio.

Prótesis: se las emplea para reemplazartotal o parcialmente un hueso o una articulación

irreparablemente dañados en su morfología.


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Hierro, Cromo, Níquel, Titanio y Molibdeno(pueden ser tolerados por el cuerpo en pequeñas cantidades)

Biocompatibilidad Biofuncionalidad Bioactividad

Acero

Inoxidable

Aleaciones de

Cromo-Cobalto

Aleaciones de

Titanio


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Elemento Composición

Carbono 0.03 max.

Manganeso 2.00 max.Fósforo 0.03 max.

Azufre 0.03 max.

Silicio 0.75 max.

Cromo 17.00-20.00Níquel 12.00-14.00

Molibdeno 2.00-4.00

Composición química del acero

Inoxidable 316L(ASTM,1992)

“Biomecánica articular y

Sustituciones protésicas”. Instituto de

Biomecánica de Valencia

El acero es una aleación de hierro ycarbono, a la que la adición de otroselementos le confieren la propiedad de

ser resistente a la oxidación

ACERO INOXIDABLEDEFINICIÓN

EVOLUCIÓN1º para implantes fue el 18-8 (18%Ni-8%Cr)

+ Molibdeno(2-4%),aumentar la resistencia a corrosión en medio salino

316L, disminuye el Carbono 0,08% del 316 a 0,03%Mejora la corrosión in vivo

Para mantener las condiciones de corrosión Cr >11%


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ACERO INOXIDABLE

“Biomecánica articular y

Sustituciones protésicas”. Instituto de

Biomecánica de Valencia

Efecto del Níquel y del Cromo en la

estructura austenítica (ASTM,1992)

ESTRUCTURA

Ferrítica(con resistencia mecánica reducida)

De cementita (carburos de hierro duros y frágiles)

Perlítica (una matriz ferrítica con láminas de cementita)

Austenítica (dura y resistente)


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ACERO INOXIDABLE

CONDICIÓN RESISTENCIAA TRACCIÓN

(MPa)

TENSIÓN DEFLUENCIA

(MPa)

ALARGAMIENTO MÁXIMO (%)

DUREZAROCKWELL

Recocido 485 172 40 95HRB

Trabajadoen frío

860 690 12 -

Propiedades mecánicas del acero inoxidable 316L (ASTM,1992)


Las características microestructurales ypropiedades mecánicas de un acero

inoxidable no se deben sólo a sucomposición química, sino también al

tratamiento térmico y mecánico aplicado

ACERO 316L

Trabajado en frío(Acritud)


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ACERO INOXIDABLE

Para la fabricación de prótesis de acero inoxidable 316L,

PROBLEMA Corrosión en zonasanexas a tornillos

Fabricación depieza trabajadoen frío

Soldadura porcalentamientouniforme

Eliminación deoxido en lasuperficie

Tratado de superficiepor pulido espejo oacabado mate por

arenado

Pasivadomediante Ácido

Nitrico


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ALEACIONES DE CROMO-COBALTO

Comercialmente, Stellite®, Vitallium®, Vinertia®, según fabricante

Elem CoCrMo(F75) CoCrWNi(F90) CoNiCrMo(F562) CoNiCrMoWFe(F563)

Min Max Min Max Min Max Min Max

Cr 27.0 30.0 19.0 21.0 19.0 21.0 18.0 22.0

Mo 5.0 7.0 - - 9.0 10.5 3.0 4.0

Ni - 2.5 9.0 11.0 33.0 37.0 15.0 25.0

Fe - 0.75 - 3.0 - 1.0 4.0 6.0

C - 0.35 0.05 0.15 - 0.025 - 0.05

Si - 1.0 - 1.0 - 0.15 - 0.5

Mn - 1.0 - 2.0 - 0.15 - 1.0

W - - 14.0 16.0 - - 3.0 4.0

P - - - - - 0.015 - -

S - - - - - 0.010 - 0.010

Ti - - - - - 1.0 0.5 3.5

Co Hasta el total

Características químicas de las aleciones de CR-CO más comunes (Se,litsch,1980)



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Fundición CoCrMo(F75) Forja CoCrWNi(F90) Forja CoNiCrMo(F562)Tratado en frío

RESISTENCIA A TRACCIÓN(Mpa)

655 860 1793 min

LÍMITE DE FLUENCIA(0,2% offset) (MPa)

450 310 1585

ALARGAMIENTO(%) 8 10 8.0

REDUCCIÓN ÁREA (%) 8 35.0

RESISTENCIA A FATIGA(MPa)

310

CrCoMo Técnica deCera Perdida Prótesis dentales yactualmente prótesisarticulares

Técnica deForja

Vástagos de prótesis derodilla y cadera

CrCoMoNi

Características químicas de las aleciones de CR-CO más comunes (Semlitsch,1980)



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ALEACIONES DE TITANIO

Comercialmente existen cuatro tipos de Ti no aleado, dependiendo de lasimpurezas. El O es l má simportante para la ductilidad y resistencia.

Para prótesis se utiliza el Ti aleado Ti6Al4V. (5,5-6,5% Alumino, 3,5-4,5% Vanadio)

Comercialmente, Tivanium®, Tivaloy®, Tikrutan®, según fabricante


Composición química del titanio no aleacdo y de la aleación Ti6Al4V (ASTM ,1992)

Elemento Grado 1 Grado2 Grado3 Grado4 Ti6Al4V

Nitrógeno 0.03 0.03 0.05 0.05 0.05

Carbono 0.10 0.10 0.10 0.10 0.08

Hidrógeno 0.015 0.015 0.015 0.015 0.0125

Hierro 0.20 0.30 0.30 0.50 0.25

Oxigeno 0.18 0.25 0.35 0.40 0.13

Titanio Hasta el total


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Propiedades Grado 1 Grado2 Grado3 Grado4 Ti6Al4V Ti3Nb13Zr

RESISTENCIA ATRACCIÓN (MPa)

240 345 450 550 860 1030

LÍMITE DE FLUENCIA(0,2% offset) (MPa)

170 275 380 485 795 900

ALARGAMIENTO(%) 24 20 18 15 10 15

REDUCCIÓN ÁREA (%) 30 30 30 25 25 45


Propiedades mecánicas del titanio y sus aleaciones (Davidson et al.,1994)

Titanio puro presenta unas propiedades mecánicas muy bajas. En implantesnormalmente se utiliza el titanio aleado Ti6Al4V

Cuanto mayor grado de impurezas mayor resistencia y menor ductilidad.

Titanio tiene poca ersistencia a esfuerzos cortates, poco recomendable para tornillos,placas de osteosistesis, etc.


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Titanio es muy

reactivo

POSITIVO

NEGATIVO

Biocompatibilidad

Procesado a alta temperaturaatmósfera inerte o fundido en vacío

FABRICACIÓN

Forjado a menos de 925° y mecanizado a baja velocidad y herramientas afiladas

Algunas aplicaciones de titanio se recubren con microesferas de titanio de diamentroente 50-200µm que se sueldan a 1200°.Esto repercute negativamente a laspropiedades mecánicas a fatiga, lo fragiliza y lo hace anisótropo.


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Y en el futuro..http://www.youtube.com/watch?v=sJ4J69EEpu4

Hay miles de prótesis distintas,restructuraciones parciales, totales,

placas, implantes dentalesendoprótesis, exoprótesis, etc.

http://www.youtube.com/watch?v=sJ4J69EEpu4http://www.youtube.com/watch?v=sJ4J69EEpu4


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Principales componentes son Compuestos con una altaconductividad y propiedades plásmicas, capacidad deresistencia y biocompatibilidad:Fe: Los primeros caracterizados en nanonpartículas(usualmente recubiertas)

Au: Dando lugar a nanogold®, con aplicaciones inmensasen biotecnología y sensores.

Ag: Por su alta biocompatibilidad y resistencia a microbiosy bacterias.

Pt, Ti: Alto rango de absorcióny antioxidantes

Estructuras en forma de «puntos»


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Estructuras más comunes

Usualmente en forma de «puntos», bien esféricos, bien en forma deconchas, «shells», bicapa, a veces (Pt) en suspensión coloidal ó enforma de «polvillo» para crear «arrays».

Se han desarrollado, ultimamente,sobre todo en con nanopartículas

de plata, la forma de placas,«plates», para dotar a estasnanopartículas de un rango deabsorción mucho mayor al de yapor sí alto que disfrutan, debido

a las variaciones de potencial altener el efecto plasmónico ó devariación de potencial de e- ensu superficie.


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© CIEMAT

Ejemplos de nanoestructuras metálicas


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Nanopartículas de Au

En general suspendidas en suspensión coloidal deagua, de color rojo intenso (100nm).

Tienen importantes propiedades eléctricas y unabanda de absorción grande y modulable, debido a laexistencia del efecto plasmódico en su superficiel.

Su producción (caracterización) se derivafundamentalmente de la reducción del ácidoCloroaúrico (Cl4AuH), por cualquier metal, queprovoca la precipitación de iones Au3+


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Nanopartículas de Au

Usos particularmente interesantes son:Agentes de contraste en microscopía electrónicaTratamientoexperimentalde enfermedades

relacionadas con elsistema óseo (artritisreumatoide)

Radiofármacos en eltratamiento de

enfermedadestumorales.

Abad, J. M.; Mertens, S. F. L.; Pita, M.; Fernandez, V. M.; Schiffrin, D. J. "Functionalization of Thioctic Acid-Capped Gold Nanoparticles for

Specific Immobilization of Histidine-Tagged Proteins" J. Am. Chem. Soc.; 2005; 127, 5689-5694.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717ihttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja042717i


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Nanopartículas de Ag

Tamaño entre 1 y 100 nmGeneralmente cubiertas porÓxido u otros agentes (poliuretano)

Puede formar nanobarras, nanotubos…

Su caracterización se hace fundamentalmente por tresmétodos:

PVD ó deposición de vapor.

Implantación iónica (bombardeo de iones sobre una placa con

sustrato)Química húmeda: Reducción de una sal de plata con agentes comoborohidrido de Sodio (NaBH4) ó azúcares como beta-D-Glucosa.


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Aplicaciones específicas:Bactericida y antifúngicoImportantes propiedades de agenteque se fija a membranas plasmáticas.

Instrumentos quirúrgicos

Cementos óseos

Agentes antiviralesTratamiento VIH

Jose Luis Elechiguerra “Interaction of silver

nanoparticles with HIV-1” a) HAADF image of

an HIV-1 virus exposed to BSA-conjugated

silver nanoparticles. b) HAADF image of HIV-

1 viruses without silver nanoparticle

treatment.


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Aplicaciones específicas:Cicatrizante: especialmente en heridas producidas porcontínuos roces (prótesis), eliminación olores por sudor.

Fibras sintéticas:

Inconvenientes:Ambientales (contaminación de aguas)

Constantin Ciobanu “Polyurethane Gel

with Silver Nanoparticles for the

Treatment of Skin Diseases” Imágenes

antes de tratamiento,y 19 y 57 díasdespués


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Pureza 99,9%

Apariencia nanopolvos negro

APS 25 nm

SSA 40-60 m 2 / g

Proceso de fabricación Procesos de REDOX.

Morfología Esférica

La densidad aparente 0.1-0.25g/cm3

densidad real 7,90 g / cm 3

Prevención de la corrosión Parcialmente apaciguada

Nanopartículas de Fe

Habitualmente obtenidas por procesos redox


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Nanopartículas de Fe

Sus usos más habituales son:Tratamiento de contaminación de Aguas

Biodiagnóstico (por imagen ó contraste)

Nanoaleaciones

Plásticos (Recubrimiento)


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Nanopartículas de Pt

Habitualmente suspendidas en coloideMuy pequeñas, entre 2-3 nm ó incluso máspequeñas

Principal interés reside en sus propiedades anti-oxidantes

Su síntesis es a través de la reducción delhexacloroplatinato (PtCl6)2-, se consiguen partículas

sub-nano –neutras- de Pt, y el resto del precipitado,se va «pegando» a ellas, para conseguirnanopartículas de muy uniforme tamaño.


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Nanopartículas de Pt

Aunque el rango de aplicaciones podría serextremadamente amplio, el hecho de que sean muypequeñas, pero tiendan a agregarse, y que puedanactuar como catalizadores en ciertas reacciones, ha

hecho que debido a potenciales problemas conefectos sobre la salud, todavía estemos en una fasemuy prematura de investigación sobre aplicacioesbiomédicas.

En cambio, sí hay tecnologías en marcha para suaplicación en superconductores ysupercomputación.


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Micro-páncreas artificial ® Universidad Illinois

Aplicaciones Biomédicas - Ejemplo


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Válvulas cardiacas

Jaulas, pivotes, anillo y ciertos discosmetálicos.

Jaula-bola, lenticulares,de disco oscilante,

bivalvasAcero inoxidable,Cr-Co, titanio


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StentsEndovasculares, esofágicas,de próstata, de ureter, coronarias, biliares,EVAR (abdominal aortic aneurysm)…

MaterialAcero inoxidable, Tantalio, Aleaciones de Cobalto, Platino, Nitinol

Revestimientos de diferentes materiales: (medicamentosen los liberadores de droga, polímeros u oro en losbioactivos, y membranas biológicas en stent grafts)

Estructura y diseñoTubo fenestrado

Malla multicelular

Espirilados (coil)


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MarcapasosRegulación del ritmo cardiaco

Generador de impulsos + batería + circuitos electrónicos + electrodos

Electrodos de titanio, plata, acero inoxidable, aleaciones de cobalto;baterías litio-yodo; carcasas de titanio


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Intrumentación quirúrgicaTubos, catéteres, grapas…

Dispositivos anticonceptivosDIU de cobre

Corrosión en el útero

Impide la implantación del óvulo

OdontologíaCoronas, puentes, implantes, alambres dentales,

pernos, tornillos…Titanio, aceros inoxidables,aleaciones de plata, níquelcobalto, NiTi


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NitinolAleación de Ni-Ti (alrededor de 50-50%)

2 fases:Baja TemperaturaMartensita

Dureza, resistencia y módulo elástico inferiores

Alta Temperatura Austenita

Memoria de formaTransformación entre fases por cambios de temperatura


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NitinolMemoria de forma simple

Austenita se deforma y se enfría en esa posición Forma a recordar

Martensita se deforma a temperaturas bajas

Aumento de temperatura vuelta a la forma inicial austenítica

Memoria de forma

dobleNecesita adiestramiento(muchos ciclos dememoria simple)

Cambios dedislocaciones

Favorecer apariciónde variantesmartensíticas

Impedir otras


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NitinolSuperelasticidad

Md>T>Af

Transformación entre fases por aplicación de carga

Sin carga Austenita

Puede estabilizarse en fase Martensita al aplicar cierta tensión

Carga:AB=deformación elástica Austenita

BC=transformación en Martensita

CD=deformación elástica Martensita

D=límite elasticidad. Deformacionesplásticas hasta rotura

Descarga:

C’F=recuperación elástica MartensitaFG=transformación en Austenita

GH=recuperación elástica Austenita


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Magnesio

VentajasMaterial biodegradable y reabsorbibleExistencia natural en tejido óseo y elemento esencial enmetabolismo (4º catión más abundante: 0.7-1.05 mmol/L)

Iones solubles en medio fisiológico,

no tóxicos y exceso excretado por laorina

DesventajasCinética de biodegradación rápida

Altos niveles pueden provocarparálisis, hipotensión, problemascardiacos y respiratorios.


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Aplicaciones ortopédicas – Implantes óseos

MagnesioPropiedades mecánicas más cercanas al hueso:

Baja densidad

Módulo elástico

Resistencia a compresión

Es necesario Magnesio para la incorporación de Ca al hueso

Puede estimular el crecimiento de nuevo tejido óseo


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Recubrimientos de conversión química aplicados sobremagnesio puro: a) capa de carbonato y b) capa de fluoruro.

Sección transversal de magnesio puro

con recubrimiento de fluoruro de

magnesio.

Imágenes: M. Carboneras et al. “Tratamientos químicos de conversión para la protección de magnesio biodegradable en

aplicaciones temporales dereparación ósea”


MagnesioProblemasAlta corrosión en fluidos corporales (10,5-210 mm/año en solución NaCl 3%)pérdida integridad mecánica

Mejorar resistencia a corrosiónModificación superficialrecubrimientos

Conversión química

Anodizado

Electrodepósito de

hidroxiapatita…Aleaciones de Magnesio

Al, Mn, Cd, Ag,tierras raras…


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Magnesio

Recubrimientos de conversión química aplicados sobre Recubrimiento de MgF2 e hidroxiapatita en Magnesio(izda) y osteoblastos adosados a la superficie del material


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Materiales porososCellular metals o metal foamsIngeniería de tejidos

Mejora integración implante-tejidonatural Regeneración ósea

Fabricación:

Característicasporos

• Número

• Tamaño

• Forma

• Conectividad

CaracterísticasMecánicas

• Módulo Young

• Elasticidad

• Tensión Rotura

• Densidad …


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Materiales porososMagnesio

Otros (titanio, níquel, hierro,aluminio…)

SEM micrograph of amagnesium material withporous microstructureproduced using space-holding particles. Wen et al.

“Compressibility of porousmagnesium foam:dependency on porosity and

pore size”

Tantalio

Zimmer Trabecular

Metal™ Technology

Imágenes de titanio, níquel y hierro porosos. John Banhart, Manufacture,characterisation and application of cellular metals and metal foams


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Aplicaciones vasculares

Stents biodegradablesHierro, magnesioRealizan su función y se degradan

Evitan reestenosis, trombosis, disfunciónendotelial prolongada, heterogeneidad de

propiedades mecánicas en distintos puntosde los vasos, peligro de ruptura…

Disminuyen la inflamación

Stents de Magnesio VS Aceroinoxidable después tras 30días desde la implantación

en coronarias porcinas. RonWaksman, BiodegradableStents: They Do Their Job andDisappear: WhyBioabsorbable Stents?


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Aplicaciones vascularesStents autoexpandibles NiTi

Stents basados en la Superelasticidad del NitinolSuperelasticidad: Md >T>Af

Ausencia fuerzas exteriores: máximo diámetro Austenita

Tensiones superiores a σBMartensita inducida por tensión

Introducción stent comprimido

Colocación expansión


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Stents autoexpandibles NiTiStents basados en la Superelasticidad del NitinolHistéresis del material gran absorción de E en ciclos

Expansión en conducto conestenosis fuerza sobre las

paredes correspondiente a latensión de descarga delmaterial

Resistencia a CompresiónRadial (RCR) alta evitacolapso frente a contracción(espasmos, presión por

tumor, mov peristálticos…)Fuerza crónica expansiva(FCE) baja aumento dediámetro sin producirlesiones (vasodilatación…)


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Stents autoexpandibles NiTiStents basados en la Memoria de Forma del Nitinol

Introducción a temperaturabaja (fase martensita)

Expansión al aumentar latemperatura en el interior(fase austenita)

Necesita:Af cercano a T del interiordel cuerpo (37ºC)

Ms bajo, pero nodemasiado para noproducir lesiones en lacolocación (necrosis)


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Aplicaciones dentales

Alambres dentales de NitinolMediante tratamiento calórico diferencial, puede adecuar la fuerzaque ha de generar el alambre en cada segmento de la arcada


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Los biomateriales metálicos han sido, históricamente, los másutilizados en biomedicina, en especial en elementos

estructurales cómo prótesis, por su alta resistencia a rotura.Sus propiedades mecánicas su pueden variar a través de sucomposición química y su procesos de fabricación, lo que loshace muy interesantes para muchas aplicaciones

Aunque la investigación científica está más centrada en laobtención de nuevos biomateriales no metálicos su utilizaciónsigue siendo primordial en muchos campos

La investigación actual en biometales se centra en:

Diseño de recubrimientos, modificaciones superficiales, aleaciones, etc.con características mejores para la biomedicina

Utilización de materiales metálicos en nuevos campos como lananomedicina

Desarrollo de materiales bioactivos


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¿¿PREGUNT S

uchas gracias

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