TEMA 1: BIOMATERIALES DESDE LA PREHISTORIA HASTA EL SIGLO XXI

1. INTRODUCCIÓN

La tecnología de producción es la técnica que produce un cambio en la microestructura sin

cambiar la composición química y dando propiedades distintas al material, teniendo en

consecuencia aplicaciones diferentes.

Al cambiar la aplicación al cuerpo humano pasan a denominarse biomateriales. A pesar de hay

multitud de materiales y están perfectamente definidos, cuando dejan de tener una aplicación

industrial para pasar a ser biomateriales, no hay realmente una definición que sintetice qué

hace un biomaterial.

Existen varias definiciones, pero una de las más completas para definir un biomaterial es la

“Material de origen natural o sintético en contacto con tejidos, sangre o fluidos biológicos,

diseñado para aplicaciones protésicas, de diagnóstico, terapéuticas o de almacenamiento, que

no afecta adversamente al tejido vivo y sus componentes” Bruck, 1980.

Como puede deducirse de la definición anterior, un biomaterial no debe ser necesariamente

implantado, incluyéndose aquellos utensilios quirúrgicos, bolsas que contienen fluidos…

Si aunamos la sociología y la calidad de vida de un segmento de la población cada vez más

envejecido se consideran 3 puntos importantes en cuanto a biomateriales:

- ¿Qué calidad de vida proporcionan?

- ¿Cuánto duran?

- ¿Cuál es el precio?

Si no consideramos los biomateriales en odontología, la mayor parte de los biomateriales no

están al alcance económico de la mayoría del sector poblacional.

La ciencia de los biomateriales no surge hasta la segunda guerra mundial, debido a la

necesidad masiva de solventar problemas cotidianos como consecuencia de la guerra. Durante

esta época se observa la gran variedad de materiales disponibles, que tienen innumerables

usos.

La ingeniería biomédica aplica los principios fundamentales de la electricidad, mecánica,

química… para comprender, modificar o controlar sistemas biológicos, así como diseñar y

fabricar productos que puedan controlar funciones fisiológicas y ayudar en el diagnóstico y

tratamiento de pacientes.

La ingeniería biomédica se divide en:

- La ciencia de los biomateriales estudia los parámetros que definen las interacciones

entre un biomaterial con un sistema biológico: síntesis, composición y propiedades.

- La ingeniería de los biomateriales modifica los materiales conocidos y diseña nuevos

materiales o unifica los ya existentes, dando control sobre la microestructura y su

superficie a escala de nanómetros.

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TEMA 1: BIOMATERIALES DESDE LA PREHISTORIA HASTA EL SIGLO XXI

1. INTRODUCCIÓN

La tecnología de producción es la técnica que produce un cambio en la microestructura sin cambiar la composición química y dando propiedades distintas al material, teniendo en consecuencia aplicaciones diferentes. Al cambiar la aplicación al cuerpo humano pasan a denominarse biomateriales. A pesar de hay multitud de materiales y están perfectamente definidos, cuando dejan de tener una aplicación industrial para pasar a ser biomateriales, no hay realmente una definición que sintetice qué hace un biomaterial. Existen varias definiciones, pero una de las más completas para definir un biomaterial es la siguiente: “Material de origen natural o sintético en contacto con tejidos, sangre o fluidos biológicos, diseñado para aplicaciones protésicas, de diagnóstico, terapéuticas o de almacenamiento, que no afecta adversamente al tejido vivo y sus componentes” Bruck, 1980. Como puede deducirse de la definición anterior, un biomaterial no debe ser necesariamente implantado, incluyéndose aquellos utensilios quirúrgicos, bolsas que contienen fluidos… Si aunamos la sociología y la calidad de vida de un segmento de la población cada vez más envejecido se consideran 3 puntos importantes en cuanto a biomateriales:

¿Qué calidad de vida proporcionan?
¿Cuánto duran?
¿Cuál es el precio? Si no consideramos los biomateriales en odontología, la mayor parte de los biomateriales no están al alcance económico de la mayoría del sector poblacional. La ciencia de los biomateriales no surge hasta la segunda guerra mundial, debido a la necesidad masiva de solventar problemas cotidianos como consecuencia de la guerra. Durante esta época se observa la gran variedad de materiales disponibles, que tienen innumerables usos. La ingeniería biomédica aplica los principios fundamentales de la electricidad, mecánica, química… para comprender, modificar o controlar sistemas biológicos, así como diseñar y fabricar productos que puedan controlar funciones fisiológicas y ayudar en el diagnóstico y tratamiento de pacientes. La ingeniería biomédica se divide en:
La ciencia de los biomateriales estudia los parámetros que definen las interacciones entre un biomaterial con un sistema biológico: síntesis, composición y propiedades.
La ingeniería de los biomateriales modifica los materiales conocidos y diseña nuevos materiales o unifica los ya existentes, dando control sobre la microestructura y su superficie a escala de nanómetros.

2. BREVE HISTORIA DE LOS BIOMATERIALES

Hay evidencias de que los biomateriales se han estado usando desde tiempos muy remotos. Se descubrió por accidente la existencia de un biomaterial de hace 900 años en EEUU por parte del hombre de Kennewick. Se encontró en su organismo una punta de flecha, que no suponía ningún tipo de impedimento para realizar su vida con normalidad. Esto demuestra que el cuerpo humano es capaz de adaptarse perfectamente a materiales y objetos externos a él sin rechazarlos. Aunque hay casos en los que sí reacciona negativamente. A lo largo de la historia, los implantes más desarrollados son los dentales. Existieron dientes de madera unidos por alambre de oro durante la época romana, prótesis dentales fenicias entre el 400 - 600 a.C. y prótesis dentales de la civilización etrusca en el 300 a.C. La primera aparición escrita del uso de un metal como biomaterial, data de la época de los faraones. En esta época se utilizaba el oro para la sutura de heridas y otros biomateriales para reducir las luxaciones del hombro y fracturas de huesos. El faraón Tutankamon, también tenía implantes, que eran de bastones de caña de azúcar. La evolución de los biomateriales está determinada por los implantes metálicos y el desarrollo de técnicas quirúrgicas, es decir, por aspectos de la medicina. En el siglo XIX una serie de descubrimientos produjeron un avance en la ciencia de los biomateriales:

1870 J. Lister desarrolló una serie de técnicas quirúrgicas asépticas, usando antisépticos locales en cirugía.
1883 Pasteur llevó a cabo la pasteurización
1895 W. Roentgen descubrió los rayos X Las técnicas quirúrgicas asépticas y la pasteurización permiten esterilizar el material antes de ser implantado y los rayos X permiten observar si el implante sigue en un sitio determinado tras un tiempo. Con la revolución industrial empiezan a aparecer los primeros materiales hechos por el hombre para aplicaciones médicas (aleaciones), ya que hasta ahora la selección del material se debía a que se encontrase disponible físicamente en la naturaleza. En el siglo XX, junto con la revolución industrial, son muy importante los aceros inoxidables. Como el cuerpo humano es un medio muy corrosivo, los primeros materiales utilizados en el cuerpo humano como biomateriales eran aquellos que habían tenido éxito en ambientes muy corrosivos. Con la llegada de la segunda guerra mundial se llega a un nuevo biomaterial: los polímeros. H. Ridley observó que los pilotos de los aviones dañados con plástico acrílico de los aviones, no presentaban reacción. Propuso el uso de lentes artificiales intraoculares de acrílico para corregir casos de cataratas. En la década de los 60 empiezan a presentarse los materiales porosos, que aseguran el crecimiento del hueso alrededor del implante. La cerámica constituye el tercer grupo dentro de los biomateriales. Aparecen tan tarde porque son frágiles. Tienen por el contrario las malas propiedades mecánicas de tracción y flexión, pero son los mejores materiales a compresión, siendo su campo de aplicación la odontología.

3.1.3. Polímeros Los polímeros son materiales relativamente sencillos, construidos por C, H y O. Actualmente son los materiales fabricados en mayor cantidad y muy utilizados en clínica. Tienen un procesamiento sencillo (50-60º para consolidarlos) y son fácilmente manipulables, pudiendo obtener diversas formas. En contra, presenta un módulo de Young bajo. Se pueden usar en prótesis o en sistemas de liberación de fármacos. Un problema de los polímeros es la esterilización y degradación. A bajas temperaturas puede empezar a degradarse, por lo que la esterilización se dificulta. Por otra parte, su degradación suele ser rápida, por lo que hay que tener muy en cuenta le fin con el que se va a utilizar, ya que una degradación rápida, no se da tiempo suficiente al tejido para que se regenere. 3.1.4. Compuestos Los compuestos están constituidos por un mínimo de 2 fases. Las distintas fases deben distinguirse perfectamente y en ningún caso se pueden mezclar 2 fases que reaccionen para dar una tercera fase. Tienen dos partes:

Matriz: suele ser un polímero y es la fase continua. No tiene por qué ser la más abundante.
Relleno: Puede ser un material cerámico en polvo y es la fase dispersa. Es la parte que da las propiedades mecánicas. El objetivo es mejorar las propiedades de los materiales. Según la tecnología de producción, la matriz del composite será diferente, pudiendo ser en partículas, fibras discontinuas orientadas o al azar o fibras continuas orientadas: 3.2. Clasificación según evolución
Primera generación: se busca sustituir un tejido dañado mediante el uso de materiales completamente inertes.
Segunda generación: se busca reparar tejidos, requiriéndose interacción entre organismo y materiales bioactivos o biodegradables. Estos materiales controlan la acción y reacción en el entorno fisiológico.
Tercera generación: se busca regenerar el tejido mediante la activación a nivel celular y molecular de los tejidos, es decir, mediante la expresión génica. Se usan materiales de segunda generación que se modifican pasando a ser de tercera generación. Esto último se puede hacer de dos maneras:  Ingeniería de tejidos: consiste en la siembra de células progenitoras sobre una esponja reabsorbible. Las células crecen dentro de esta estructura, fuera del cuerpo humano, llevando así a la diferenciación y formación de un tejido que imita al natural.  La regeneración de tejido in situ: envuelve el uso de biomateriales en forma de polvo, soluciones o micro-partículas para estimular la reparación local del tejido.

3.3. Clasificación según la respuesta del tejido frente al implante 3.3.1. Bioinertes Los materiales bioinertes son aquellos que no se unen químicamente o biológicamente con el tejido, por lo que el organismo no los puede absorber y no producen, por tanto, ninguna reacción secundaria. Son totalmente biocompatibles, resistentes a la corrosión y no son tóxicos. Los materiales bioinertes forman una cápsula de tejido fibroso que los aísla del medio. Principalmente son biomateriales metálicos (aleaciones de titanio y cerámicos (alúmina y circona), polímeros (polietileno de alta densidad). 3.3.2. Reabsorbible o biodegradable Los materiales reabsorbibles son aquellos que se disuelven en el tejido, es decir, se degradan gradualmente y son reemplazados por el mismo tejido. Hay que considerar el tiempo de degradación, ya que poco tiempo podría hacer que no cumpliese correctamente su función y mucho tiempo podría implicar una estancia demasiado larga del implante en el cuerpo. Principalmente son polímeros y cerámicas. 3.3.3. Bioactivos Los materiales bioactivos se caracterizan por ser materiales que reaccionan químicamente, produciéndose una unión química entre la parte inorgánica del material y la parte orgánica del tejido óseo. Algunos ejemplos son el hidroxiapatito, biovidrios, wollastonita, vitrocerámicos y bioeutécticos.

4. ÉXITO DE UN BIOMATERIAL EN EL CUERPO HUMANO Existen distintos factores de éxito al aplicar un biomaterial en el cuerpo humano.

Factores controlables: dependen de las propiedades del material, su diseño y de su biocompatibilidad.
Factores no controlables: técnica utilizada por el cirujano, salud del paciente y actividad física del paciente. Las propiedades del material pueden clasificarse según si se deben cumplir siempre o si dependen del lugar de aplicación:
Se debe cumplir siempre:  No debe ser tóxico: si es tóxico no se utilizará  Ha de ser biocompatible con el huésped.

¿Es mejor tener un índice de bioactividad alto o bajo? La respuesta es depende. Un índice muy alto significa que el biomaterial va a tardar poco tiempo en unirse a un hueso, regenerando el tejido en poco tiempo. Una desventaja de que sea demasiado alto es que, a más tejido óseo generado, mayor interfase producida, lo que se traduce en inestabilidad mecánica. Preferiblemente se debe obtener una interfase lo más estrecha posible, con lo que debe haber una balanza entre índice de inactividad y propiedades mecánicas. Los ensayos de bioactividad se hacen in vitro, con un protocolo de suero fisiológico artificial (SFA), que simula el que existe en el organismo. Al poner un material en el SFA durante un tiempo determinado, se forma una capa de hidroxiapatito sobre la superficie del material, que es la capa que se formaría de forma natural. El proceso de formación consta de 5 pasos:

Rápido intercambio de iones lábiles (alcalinos y alcalinotérreos) del material con protones de la solución para que empiece la reacción.
Liberación al SFA de sílice soluble en forma de SI(OH)-^4
Condensación y repolimeración de una capa rica en Si sobre la superficie del vitrocerámico empobrecida en alcalinos y alcalinotérreos.
Migración de iones calcio y fosfatos a la superficie a través de la capa rica en Si formando una capa amorfa de fosfato de calcio sobre la capa de Si, seguida del crecimiento de la capa de fosfato cálcico.
Cristalización de la capa amorfa de fosfato de calcio mediante la incorporación de aniones OH-, CO 3 -^2 o F-desde la solución a la capa de hidroxi/carbón/fluoroapatita. 4.3. Interés de los materiales inorgánicos bioactivos El interés en los materiales inorgánicos bioactivos reside en que hay muchas zonas del cuerpo humano, que, por determinadas circunstancias, requieren un reemplazamiento o recrecimiento de tejido óseo. Los materiales que producen tejido óseo se pueden obtener de distintas ubicaciones:

Injertos óseos del mismo individuo
Injertos de bancos de huesos
Injertos derivados de animales Los tres tienen desventajas, que se pueden solventar con el uso de materiales inorgánicos bioactivos y/o biodegradables de composición definida.

Biomateriales, tema 1, Apuntes de Biomateriales

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