Las biocerámicas y los biovidrios son materiales cerámicos biocompatibles . [1] Las biocerámicas son un subconjunto importante de biomateriales . [2] [3] Las biocerámicas varían en biocompatibilidad desde los óxidos cerámicos , que son inertes en el cuerpo, hasta el otro extremo de los materiales reabsorbibles, que eventualmente son reemplazados por el cuerpo después de haber ayudado a la reparación. Las biocerámicas se utilizan en muchos tipos de procedimientos médicos. Las biocerámicas se utilizan normalmente como materiales rígidos en implantes quirúrgicos , aunque algunas biocerámicas son flexibles. Los materiales cerámicos utilizados no son los mismos que los de la porcelana.tipo de materiales cerámicos. Por el contrario, las biocerámicas están estrechamente relacionadas con los propios materiales del cuerpo o son óxidos metálicos extremadamente duraderos .
Historia
Antes de 1925, los materiales utilizados en la cirugía de implantes eran principalmente metales relativamente puros. El éxito de estos materiales fue sorprendente considerando las técnicas quirúrgicas relativamente primitivas. La década de 1930 marcó el comienzo de la era de las mejores técnicas quirúrgicas, así como el primer uso de aleaciones como el vitallium .
En 1969, LL Hench y otros descubrieron que varios tipos de vidrios y cerámicas podían unirse al hueso vivo. [4] [5] Hench se inspiró en la idea cuando se dirigía a una conferencia sobre materiales. Estaba sentado junto a un coronel que acababa de regresar de la guerra de Vietnam. El coronel compartió que después de una lesión, los cuerpos de los soldados a menudo rechazan el implante. Hench estaba intrigado y comenzó a investigar materiales que fueran biocompatibles. El producto final fue un nuevo material al que llamó biovidrio . Este trabajo inspiró un nuevo campo llamado biocerámica. [6] Con el descubrimiento del biovidrio, el interés por la biocerámica creció rápidamente.
El 26 de abril de 1988 se celebró en Kioto, Japón, el primer simposio internacional sobre biocerámica. [7]
Aplicaciones
Las cerámicas ahora se utilizan comúnmente en los campos médicos como implantes dentales y óseos . [8] [9] Los cermets quirúrgicos se utilizan con regularidad. Los reemplazos de articulaciones se recubren comúnmente con materiales biocerámicos para reducir el desgaste y la respuesta inflamatoria. Otros ejemplos de usos médicos de las biocerámicas son los marcapasos , las máquinas de diálisis renal y los respiradores. [6] La demanda mundial de cerámica médica y componentes cerámicos fue de aproximadamente 9.800 millones de dólares EE.UU. en 2010. Se pronosticó un crecimiento anual del 6 al 7 por ciento en los años siguientes, y se pronostica que el valor del mercado mundial aumentará a 15.300 millones de dólares EE.UU. 2015 y alcanzar los 18.500 millones de dólares estadounidenses en 2018. [10]
Propiedades mecánicas y composición.
Las biocerámicas están destinadas a ser utilizadas en sistemas de circulación extracorpórea ( diálisis, por ejemplo) o biorreactores de ingeniería; sin embargo, son más comunes como implantes . [11] Las cerámicas presentan numerosas aplicaciones como biomateriales debido a sus propiedades físico-químicas. Tienen la ventaja de ser inertes en el cuerpo humano, y su dureza y resistencia a la abrasión los hace útiles para el reemplazo de huesos y dientes. Algunas cerámicas también tienen una excelente resistencia a la fricción, lo que las hace útiles como materiales de reemplazo para juntas defectuosas . Propiedades como la apariencia y el aislamiento eléctrico también son una preocupación para aplicaciones biomédicas específicas.
Algunas biocerámicas incorporan alúmina (Al 2 O 3 ) ya que su vida útil es mayor que la del paciente. El material se puede utilizar en huesecillos del oído interno , prótesis oculares, aislamientos eléctricos para marcapasos, orificios de catéteres y en numerosos prototipos de sistemas implantables como bombas cardíacas. [12]
Los aluminosilicatos son comúnmente utilizados en las prótesis dentales, puras o en-polímero de cerámica materiales compuestos . Los compuestos de cerámica y polímero son una forma potencial de rellenar las cavidades en sustitución de las amalgamas que se sospecha tienen efectos tóxicos. Los aluminosilicatos también tienen una estructura vítrea. A diferencia de los dientes artificiales en resina, el color de la cerámica dental permanece estable [11] [13] Se ha propuesto la circonia dopada con óxido de itrio como sustituto de la alúmina para las prótesis osteoarticulares. Las principales ventajas son una mayor resistencia a la rotura y una buena resistencia a la fatiga.
También se utiliza carbón vítreo por ser ligero, resistente al desgaste y compatible con la sangre. Se utiliza principalmente en el reemplazo de válvulas cardíacas. El diamante se puede utilizar para la misma aplicación, pero en forma de revestimiento. [12]
Las cerámicas a base de fosfato de calcio constituyen, en la actualidad, el material sustituto óseo preferido en aplicaciones ortopédicas y maxilofaciales, ya que son similares a la fase mineral principal del hueso en estructura y composición química. Dichos materiales de andamio o sustitutos óseos sintéticos son típicamente porosos, lo que proporciona un área de superficie aumentada que fomenta la osteointegración, lo que implica la colonización celular y la revascularización. Sin embargo, tales materiales porosos generalmente exhiben una resistencia mecánica menor en comparación con el hueso, lo que hace que los implantes altamente porosos sean muy delicados. Dado que los valores del módulo elástico de los materiales cerámicos son generalmente más altos que los del tejido óseo circundante, el implante puede provocar tensiones mecánicas en la interfaz del hueso. [11] Los fosfatos de calcio que se encuentran generalmente en biocerámicas incluyen hidroxiapatita (HAP) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ; fosfato tricálcico β (β TCP): Ca 3 (PO 4 ) 2 ; y mezclas de HAP y β TCP.
Tabla 1: Aplicaciones de biocerámica [12]
Dispositivos | Función | Biomaterial |
---|---|---|
Total artificial de cadera, rodilla, hombro, codo, muñeca. | Reconstruir articulaciones artríticas o fracturadas | Recubrimientos metálicos de biovidrio de alúmina de alta densidad |
Placas óseas, tornillos, alambres | Reparar fracturas | Compuesto de fibra de biovidrio y metal, Compuesto de fibra de polisulfona y carbono |
Clavos intramedulares | Alinear fracturas | Compuesto de fibra de biovidrio y metal, Compuesto de fibra de polisulfona y carbono |
Varillas Harrington | Corregir la curvatura crónica de la columna. | Compuesto de fibra de biovidrio y metal, Compuesto de fibra de polisulfona y carbono |
Miembros artificiales implantados de forma permanente | Reemplazar extremidades faltantes | Compuesto de fibra de biovidrio y metal, Compuesto de fibra de polisulfona y carbono |
Espaciadores y extensores de vértebras | Corregir la deformidad congénita | Al 2 O 3 |
Fusión espinal | Inmovilizar las vértebras para proteger la médula espinal | Biovidrio |
Reemplazos óseos alveolares, reconstrucción mandibular | Restaurar la cresta alveolar para mejorar el ajuste de la dentadura | Politetrafluoroetileno ( PTFE ) - compuesto de carbono, Al 2 O 3 poroso, Biovidrio, apatita densa |
Implantes de reemplazo de dientes óseos finales | Reemplazar dientes enfermos, dañados o flojos | Al 2 O 3 , Biovidrio, hidroxiapatita densa, carbono vítreo |
Anclajes de ortodoncia | Proporcionar postes para la aplicación de tensión necesaria para cambiar las deformidades. | Al 2 O 3 recubierto de biovidrio, vitallium recubierto de biovidrio |
Tabla 2: Propiedades mecánicas de biomateriales cerámicos [12]
Material | Módulo de Young (GPa) | Resistencia a la compresión (MPa) | Fuerza de unión (GPa) | Dureza | Densidad (g / cm 3 ) |
---|---|---|---|---|---|
Al 2 O 3 inerte | 380 | 4000 | 300-400 | 2000-3000 (alto voltaje) | > 3,9 |
ZrO 2 (PS) | 150-200 | 2000 | 200-500 | 1000-3000 (alto voltaje) | ≈6.0 |
Grafito | 20-25 | 138 | N / A | N / A | 1,5-1,9 |
(LTI) Carbón pirolítico | 17-28 | 900 | 270-500 | N / A | 1.7-2.2 |
Carbono vítreo | 24-31 | 172 | 70-207 | 150-200 (DPH) | 1.4-1.6 |
HAP bioactivo | 73-117 | 600 | 120 | 350 | 3.1 |
Biovidrio | 75 | 1000 | 50 | N / A | 2.5 |
Cerámica de vidrio AW | 118 | 1080 | 215 | 680 | 2.8 |
Hueso | 3-30 | 130-180 | 60-160 | N / A | N / A |
De múltiples fines
En realidad, algunas cerámicas implantadas no se han diseñado para aplicaciones biomédicas específicas. Sin embargo, logran abrirse camino en diferentes sistemas implantables por sus propiedades y su buena biocompatibilidad. Entre estas cerámicas, podemos citar el carburo de silicio , los nitruros y carburos de titanio y el nitruro de boro . Se ha sugerido TiN como superficie de fricción en prótesis de cadera. Mientras que las pruebas de cultivo celular muestran una buena biocompatibilidad, el análisis de los implantes muestra un desgaste significativo , relacionado con un deslaminado de la capa de TiN. El carburo de silicio es otra cerámica moderna que parece proporcionar una buena biocompatibilidad y se puede utilizar en implantes óseos. [11]
Uso especifico
Además de ser utilizadas por sus propiedades tradicionales, las cerámicas bioactivas han tenido un uso específico debido a su actividad biológica . Los fosfatos, óxidos e hidróxidos de calcio son ejemplos comunes. Otros materiales naturales, generalmente de origen animal, como el biovidrio y otros compuestos presentan una combinación de materiales compuestos mineral-orgánicos como HAP, alúmina o dióxido de titanio con los polímeros biocompatibles (polimetilmetacrilato): PMMA, ácido poli (L-láctico) : PLLA, poli (etileno). Los composites se pueden diferenciar en biorreabsorbibles o no biorreabsorbibles, siendo este último el resultado de la combinación de un fosfato de calcio biorreabsorbible (HAP) con un polímero no biorreabsorbible (PMMA, PE). Estos materiales pueden llegar a estar más extendidos en el futuro, debido a las múltiples posibilidades de combinación y su aptitud para combinar una actividad biológica con propiedades mecánicas similares a las del hueso. [12]
Biocompatibilidad
Las propiedades de las biocerámicas de ser anticorrosivas, biocompatibles y estéticas las hacen muy adecuadas para uso médico. La cerámica de zirconia tiene bioinertidad y no citotoxicidad. El carbono es otra alternativa con propiedades mecánicas similares a las del hueso, y también presenta compatibilidad con la sangre, sin reacción tisular y sin toxicidad para las células. Las cerámicas Bioinert no exhiben unión con el hueso, lo que se conoce como osteointegración. Sin embargo, la bioactividad de las cerámicas bioinertes se puede lograr formando materiales compuestos con cerámicas bioactivas. Las cerámicas bioactivas, incluidos los biovidrios, deben ser atóxicas y formar un vínculo con el hueso. En las aplicaciones de reparación ósea, es decir, andamios para la regeneración ósea, la solubilidad de las biocerámicas es un parámetro importante, y la tasa de disolución lenta de la mayoría de las biocerámicas en relación con las tasas de crecimiento óseo sigue siendo un desafío en su uso terapéutico. Como era de esperar, se pone mucho énfasis en mejorar las características de disolución de las biocerámicas mientras se mantienen o mejoran sus propiedades mecánicas. Las cerámicas de vidrio provocan propiedades osteoinductoras, con velocidades de disolución más altas en comparación con los materiales cristalinos, mientras que las cerámicas de fosfato de calcio cristalinas también exhiben no toxicidad para los tejidos y biorreabsorción. El refuerzo de partículas cerámicas ha llevado a la elección de más materiales para aplicaciones de implantes que incluyen compuestos de cerámica / cerámica, cerámica / polímero y cerámica / metal. Entre estos compuestos, se ha encontrado que los compuestos de cerámica / polímero liberan elementos tóxicos en los tejidos circundantes. Los metales enfrentan problemas relacionados con la corrosión y los recubrimientos cerámicos de los implantes metálicos se degradan con el tiempo durante aplicaciones prolongadas. Los compuestos de cerámica / cerámica disfrutan de superioridad debido a la similitud con los minerales óseos, exhibiendo biocompatibilidad y disposición para ser moldeados. La actividad biológica de las biocerámicas debe considerarse en varios estudios in vitro e in vivo . Las necesidades de rendimiento deben considerarse de acuerdo con el sitio particular de implantación. [12]
Procesando
Técnicamente, las cerámicas están compuestas por materias primas como polvos y aditivos químicos naturales o sintéticos , favoreciendo la compactación (caliente, fría o isostática), el fraguado (hidráulico o químico) o la aceleración de los procesos de sinterización . Según la formulación y el proceso de conformación utilizados, las biocerámicas pueden variar en densidad y porosidad como cementos , deposiciones cerámicas o compuestos cerámicos. A menudo se desea la porosidad en biocerámicas, incluidos los biovidrios. Para mejorar el rendimiento de las biocerámicas porosas trasplantadas, se encuentran disponibles numerosas técnicas de procesamiento para el control de la porosidad , la distribución del tamaño de los poros y la alineación de los poros. En el caso de los materiales cristalinos, el tamaño de grano y los defectos cristalinos proporcionan más vías para mejorar la biodegradación y la osteointegración, que son clave para un injerto óseo eficaz y materiales de trasplante óseo. [11] Esto se puede lograr mediante la inclusión de dopantes de refinación de granos y mediante la impartición de defectos en la estructura cristalina a través de diversos medios físicos.
Una técnica de procesamiento de materiales en desarrollo basada en los procesos biomiméticos tiene como objetivo imitar los procesos naturales y biológicos y ofrecer la posibilidad de hacer biocerámicas a temperatura ambiente en lugar de a través de procesos convencionales o hidrotermales [GRO 96]. La perspectiva de utilizar estas temperaturas de procesamiento relativamente bajas abre posibilidades para combinaciones minerales orgánicas con propiedades biológicas mejoradas mediante la adición de proteínas y moléculas biológicamente activas (factores de crecimiento, antibióticos, agentes antitumorales, etc.). Sin embargo, estos materiales tienen malas propiedades mecánicas que pueden mejorarse, parcialmente, combinándolos con proteínas de unión. [11]
Uso comercial
Los materiales bioactivos comunes disponibles comercialmente para uso clínico incluyen vidrio bioactivo 45S5, vitrocerámica bioactiva A / W, HA sintético denso y compuestos bioactivos como una mezcla de polietileno- HA . Todos estos materiales forman un enlace interfacial con el tejido adyacente. [13]
Las biocerámicas de alúmina de alta pureza están actualmente disponibles comercialmente de varios productores. El fabricante británico Morgan Advanced Ceramics (MAC) comenzó a fabricar dispositivos ortopédicos en 1985 y rápidamente se convirtió en un proveedor reconocido de cabezas femorales de cerámica para reemplazos de cadera. MAC Bioceramics tiene la historia clínica más larga de materiales cerámicos de alúmina, fabricando alúmina HIP Vitox® desde 1985. [14] Algunos fosfatos deficientes en calcio con una estructura de apatita se comercializaron como "fosfato tricálcico" a pesar de que no exhibían la estructura cristalina esperada. de fosfato tricálcico. [14]
Actualmente, numerosos productos comerciales descritos como HA están disponibles en diversas formas físicas (por ejemplo, gránulos, bloques especialmente diseñados para aplicaciones específicas). El compuesto HA / polímero (HA / polietileno, HAPEXTM) también está disponible comercialmente para implantes de oídos, abrasivos y recubrimiento rociado con plasma para implantes ortopédicos y dentales. [14]
Futuras tendencias
Se ha propuesto la biocerámica como posible tratamiento para el cáncer . Se han propuesto dos métodos de tratamiento: hipertermia y radioterapia . El tratamiento de la hipertermia implica la implantación de un material biocerámico que contiene ferrita u otro material magnético. [15] Luego, el área se expone a un campo magnético alterno, que hace que el implante y el área circundante se calienten. Alternativamente, los materiales biocerámicos pueden doparse con materiales emisores de β e implantarse en el área cancerosa. [2]
Otras tendencias incluyen la ingeniería de biocerámicas para tareas específicas. La investigación en curso involucra la química, composición y micro y nanoestructuras de los materiales para mejorar su biocompatibilidad. [16] [17] [18]
Ver también
- Tejidos impregnados de cerámica
Referencias
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