Biomateriales. Materiales y materias primas.

¿Cómo han evolucionado los biomateriales?

Introducción a la serie y avances tecnológicos

• En 1972 se estrenó una popular serie de ciencia ficción donde el protagonista tenía implantes que le otorgaban habilidades sobrehumanas, como correr a 100 km/h y levantar toneladas.

• Más de 35 años después, los avances en biomedicina y tecnología han reducido la brecha entre ficción y realidad, especialmente en el campo de los biomateriales.

Biomateriales: Definición y características

• Los motores de transbordadores espaciales y prótesis comparten materiales como aleaciones de titanio, aluminio y vanadio; estos fueron inicialmente desarrollados para usos industriales antes de ser aplicados en medicina.

• Un biomaterial es cualquier sustancia que interactúa con sistemas biológicos para tratar o reemplazar tejidos u órganos del cuerpo humano.

• La biocompatibilidad es crucial; un material debe ser aceptado por el cuerpo sin causar irritación o enfermedades.

Historia de la biocompatibilidad

• Se menciona un hallazgo arqueológico en Kennewick, Washington, donde un hombre vivió con una flecha incrustada durante mucho tiempo, lo que demuestra la capacidad del cuerpo para tolerar ciertos materiales extraños.

• La compatibilidad implica que un material no cause reacciones adversas como inflamaciones o alergias.

Avances históricos en biomateriales

• Desde 1938 se realizaron reemplazos totales de cadera; tras la Segunda Guerra Mundial hubo un impulso significativo en técnicas quirúrgicas gracias a experiencias previas.

• Harold Ridley observó que fragmentos de parabrisas no causaban reacciones alérgicas en pilotos heridos, lo que llevó al desarrollo de lentes intraoculares.

Impacto actual y futuro de los biomateriales

• A partir de los años 50 se comenzaron a utilizar aleaciones base titanio para implantes; esto marcó una evolución significativa respecto al uso anterior del acero inoxidable.

• Con el aumento proyectado de personas mayores para 2050, hay una creciente necesidad por dispositivos biomédicos debido a la longevidad masiva.

Avances en Biomateriales y Prótesis

Introducción a los Biomateriales

• Se mencionan diversos tipos de biomateriales utilizados en medicina, incluyendo marcapasos, válvulas cardíacas, implantes mamarios y prótesis articulares.

• A finales de los años 80, la ciencia comenzó a transformar conceptos de ficción como "Robocop" en realidades tecnológicas.

El Hombre Biónico

• Jess Sullivan, conocido como el hombre biónico, perdió sus brazos en un accidente; su prótesis avanzada responde a las órdenes del cerebro.

• La prótesis utiliza cuatro clases diferentes de biomateriales: metálicos, cerámicos, poliméricos y compuestos.

Características de los Materiales Cerámicos

• Los materiales cerámicos son duros pero frágiles; se utilizan en aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas.

• Las cerámicas inertes generan una mínima reacción del organismo y son utilizadas para recubrir articulaciones metálicas.

Aplicaciones de Cerámicas Bioactivas

• Las cerámicas bioactivas se enlazan químicamente con tejidos vivos; la hidroxiapatita es fundamental para implantes óseos y dentales.

• Los vidrios bioactivos también tienen aplicaciones médicas importantes, incluyendo cirugía del oído medio y reparaciones dentales.

Importancia del Titanio

• El titanio ha sido crucial tanto en la exploración espacial como en avances médicos; se usa ampliamente por su resistencia y ligereza.

• Este metal es utilizado en componentes aeroespaciales y tiene propiedades que lo hacen ideal para implantes médicos.

Propiedades Mecánicas del Titanio

• El titanio es más liviano que el acero pero ofrece mayor resistencia mecánica; esto ha permitido su uso extensivo en tecnología médica.

• Se emplea comúnmente en piezas dentales e implantes ortopédicos debido a su durabilidad.

Requisitos para Metales como Biomateriales

• Los metales deben ser tolerados por el organismo y resistir la corrosión para ser considerados biomateriales efectivos.

• Aunque hay muchos metales disponibles, solo unos pocos cumplen con los requisitos necesarios para dispositivos biomédicos.

Proceso de Fabricación de Implantes Metálicos

• La fabricación implica extracción mineral, purificación química y transformación del metal en diversas formas útiles para implantes.

Procesos de Fabricación de Implantes

Métodos de Fabricación

• Se realiza el fundido y colado de metales mediante el método de la acera perdida, así como mecanizado y forja, aplicando presión y temperatura.

• Los recubrimientos macro o microporosos se utilizan como parte del tratamiento superficial final para facilitar la fijación de implantes en el hueso.

• Las aleaciones para prótesis se dividen en dos grupos: metales preciosos (oro, platino, paladio) y metales no preciosos (plata, níquel, cobre, cobalto, hierro y titanio).

Propiedades de los Metales

• El oro es blando e inadecuado para tensiones; se combina con otros metales para mejorar su resistencia.

• Las aleaciones no preciosas son más económicas y se utilizan en coronas dentales e implantes.

La Historia del Teflón en Biomedicina

Orígenes del Teflón

• El teflón fue producido en 1938 por un químico de DuPont; es conocido por su alta resistencia química y térmica.

• Durante la Segunda Guerra Mundial, su uso fue mantenido en secreto debido a su alto valor tecnológico.

Aplicaciones Biomédicas

• John Charl utilizó teflón en el primer reemplazo total de cadera; aunque luego se abandonó por fallas.

• Desde la segunda mitad del siglo XX, los polímeros sintéticos han tenido una gran difusión en aplicaciones biomédicas.

Polímeros Sintéticos y sus Usos

Características Generales

• Los polímeros pueden ser naturales o sintéticos; ofrecen versatilidad en formas y compuestos para aplicaciones médicas.

Tipos Comunes de Polímeros

• El polietileno es utilizado en tubos para drenajes y catéteres; es moldeable y económico.

• El PVC tiene aplicaciones tanto flexibles como rígidas; se usa comúnmente en mangueras médicas.

Innovaciones con Materiales Poliméricos

Avances Tecnológicos

• El polimetil metacrilato (PMMA), conocido comercialmente como acrílico, es usado para lentes intraoculares debido a su buena transparencia.

Uso del Nylon

• Nylon fue la primera fibra artificial producida por DuPont; actualmente se utiliza también como biomaterial en suturas quirúrgicas.

Desafíos Éticos y Deportivos

Controversias sobre Prótesis

Materiales Compuestos: Innovaciones y Aplicaciones

Introducción a los Materiales Compuestos

• Los materiales compuestos son combinaciones de dos o más materiales que aprovechan las mejores propiedades de cada uno, transformando la vida de las personas.

• Un ejemplo destacado es el plástico reforzado con fibra de vidrio, que resulta en un material mucho más resistente a la rotura que sus componentes individuales.

Ejemplos y Usos de Materiales Compuestos

• La fibra de vidrio se utiliza en diversas aplicaciones, desde carrocerías de automóviles hasta tablas de surf.

• El Kevlar es otro material compuesto conocido por su alta resistencia mecánica y bajo peso, utilizado en chalecos antibalas y carrocerías.

Aplicaciones Biomédicas

• En el ámbito biomédico, los materiales compuestos se utilizan para fijar fracturas, reemplazar cartílagos y fabricar prótesis como las piernas artificiales de Oscar Pistorius.

• La fibra de carbono combina alta resistencia mecánica con bajo peso, lo que ha llevado a su uso en bicicletas de carrera.

Avances Futuro en Biomateriales

• Desde 1969, la colaboración entre ingenieros y médicos ha impulsado avances significativos en biomateriales, incluyendo corazones artificiales.