Un biomaterial es una sustancia que ha sido diseñada para interactuar con sistemas biológicos con un propósito médico, ya sea terapéutico (tratar, aumentar, reparar o reemplazar una función tisular del cuerpo) o diagnóstico. Como ciencia, los biomateriales tienen unos cincuenta años. El estudio de biomateriales se denomina ciencia de biomateriales o ingeniería de biomateriales . Ha experimentado un crecimiento sólido y constante a lo largo de su historia, con muchas empresas que invierten grandes cantidades de dinero en el desarrollo de nuevos productos. La ciencia de los biomateriales abarca elementos de la medicina , la biología , la química , la ingeniería de tejidos yciencia de materiales .
Tenga en cuenta que un biomaterial es diferente de un material biológico, como el hueso , que es producido por un sistema biológico . Además, se debe tener cuidado al definir un biomaterial como biocompatible , ya que es específico de la aplicación. Un biomaterial que sea biocompatible o adecuado para una aplicación puede no ser biocompatible en otra. [1]
Introducción
Los biomateriales pueden derivarse de la naturaleza o sintetizarse en el laboratorio utilizando una variedad de enfoques químicos que utilizan componentes metálicos, polímeros , cerámicas o materiales compuestos . A menudo se utilizan y / o se adaptan para una aplicación médica y, por lo tanto, comprenden la totalidad o parte de una estructura viva o dispositivo biomédico que realiza, aumenta o reemplaza una función natural. Tales funciones pueden ser relativamente pasivas, como cuando se usan para una válvula cardíaca , o tal vez bioactivas con una funcionalidad más interactiva, como los implantes de cadera recubiertos de hidroxiapatita . Los biomateriales también se utilizan todos los días en aplicaciones dentales, cirugía y administración de medicamentos. Por ejemplo, se puede colocar en el cuerpo una construcción con productos farmacéuticos impregnados, lo que permite la liberación prolongada de un fármaco durante un período de tiempo prolongado. Un biomaterial también puede ser un autoinjerto , aloinjerto o xenoinjerto utilizado como material de trasplante . [ cita requerida ]
Bioactividad
La capacidad de un biomaterial diseñado para inducir una respuesta fisiológica que respalde la función y el rendimiento del biomaterial se conoce como bioactividad. Más comúnmente, en vidrios bioactivos y cerámicas bioactivas, este término se refiere a la capacidad de los materiales implantados para unirse bien con el tejido circundante en funciones osteoconductoras u osteoproductivas. [4] Los materiales de implantes óseos a menudo están diseñados para promover el crecimiento óseo mientras se disuelven en el fluido corporal circundante. [5] Por tanto, para muchos biomateriales es deseable una buena biocompatibilidad junto con una buena resistencia y velocidades de disolución. Comúnmente, la bioactividad de los biomateriales se mide mediante la biomineralización de la superficie en la que se forma una capa nativa de hidroxiapatita en la superficie. En estos días, el desarrollo de biomateriales clínicamente útiles se ve reforzado en gran medida por el advenimiento de las rutinas computacionales que pueden predecir los efectos moleculares de los biomateriales en un entorno terapéutico basado en la experimentación in vitro limitada . [6]
Autoensamblaje
El autoensamblaje es el término más común en uso en la comunidad científica moderna para describir la agregación espontánea de partículas (átomos, moléculas, coloides , micelas , etc.) sin la influencia de fuerzas externas. Se sabe que grandes grupos de tales partículas se ensamblan en matrices termodinámicamente estables y estructuralmente bien definidas, que recuerdan bastante a uno de los siete sistemas cristalinos que se encuentran en la metalurgia y la mineralogía (por ejemplo, cúbico centrado en la cara, cúbico centrado en el cuerpo, etc.). La diferencia fundamental en la estructura de equilibrio está en la escala espacial de la celda unitaria (parámetro de celosía) en cada caso particular.
El autoensamblaje molecular se encuentra ampliamente en sistemas biológicos y proporciona la base de una amplia variedad de estructuras biológicas complejas. Esto incluye una clase emergente de biomateriales mecánicamente superiores basados en características y diseños microestructurales que se encuentran en la naturaleza. Así, el autoensamblaje también se perfila como una nueva estrategia en síntesis química y nanotecnología . Cristales moleculares, cristales líquidos, coloides, micelas, emulsiones , polímeros de fases separadas, películas delgadas y monocapas autoensambladas representan todos ejemplos de los tipos de estructuras altamente ordenadas que se obtienen utilizando estas técnicas. La característica distintiva de estos métodos es la autoorganización. [7] [8] [9]
Jerarquía estructural
Casi todos los materiales podrían verse como estructurados jerárquicamente, ya que los cambios en la escala espacial provocan diferentes mecanismos de deformación y daño. Sin embargo, en los materiales biológicos, esta organización jerárquica es inherente a la microestructura. Uno de los primeros ejemplos de esto, en la historia de la biología estructural, es el trabajo de dispersión de rayos X sobre la estructura jerárquica del cabello y la lana de Astbury y Woods. [10] En el hueso, por ejemplo, el colágeno es el bloque de construcción de la matriz orgánica , una triple hélice con un diámetro de 1,5 nm. Estas moléculas de tropocolágeno se intercalan con la fase mineral ( hidroxiapatita , fosfato cálcico) formando fibrillas que se enrollan en helicoides de direcciones alternas. Estos " osteones " son los componentes básicos de los huesos, con una distribución de la fracción de volumen entre la fase orgánica y mineral de aproximadamente 60/40.
En otro nivel de complejidad, los cristales de hidroxiapatita son laminillas minerales que tienen un diámetro de aproximadamente 70 a 100 nm y un espesor de 1 nm. Originalmente se nuclean en los espacios entre las fibrillas de colágeno. [11]
De manera similar, la jerarquía de la concha de abulón comienza en el nano nivel, con una capa orgánica que tiene un espesor de 20 a 30 nm. Esta capa procede con monocristales de aragonito (un polimorfo de CaCO 3 ) constituidos por "ladrillos" con dimensiones de 0,5 y terminando con capas de aproximadamente 0,3 mm (mesoestructura). [12]
Los cangrejos son artrópodos, cuyo caparazón está hecho de un componente duro mineralizado (presenta una fractura frágil) y un componente orgánico más blando compuesto principalmente de quitina . El componente frágil está dispuesto en un patrón helicoidal. Cada una de estas "varillas" minerales (1 μm de diámetro) contiene fibrillas de quitina-proteína con aproximadamente 60 nm de diámetro. Estas fibrillas están formadas por canales de 3 nm de diámetro que unen el interior y el exterior del caparazón.
Aplicaciones
Los biomateriales se utilizan en:
- Reemplazos de articulaciones
- Placas óseas [13]
- Lentes intraoculares (IOL) para cirugía ocular
- Cemento óseo
- Tendones y ligamentos artificiales
- Implantes dentales para la fijación de dientes.
- Prótesis de vasos sanguíneos
- Válvulas cardíacas
- Dispositivos de reparación de la piel (tejido artificial)
- Reemplazos cocleares
- Lentes de contacto
- Implantes de pecho
- Mecanismos de administración de fármacos
- Materiales sostenibles
- Injertos vasculares
- Stents
- Conductos nerviosos
- Suturas , clips y grapas quirúrgicas para el cierre de heridas [14] [15]
- Clavijas y tornillos para la estabilización de fracturas [16]
- Malla quirúrgica [17] [18]
Los biomateriales deben ser compatibles con el cuerpo y, a menudo, existen problemas de biocompatibilidad que deben resolverse antes de que un producto pueda comercializarse y utilizarse en un entorno clínico . Debido a esto, los biomateriales suelen estar sujetos a los mismos requisitos que los que experimentan las nuevas terapias farmacológicas . [19] [20] También se requiere que todas las empresas de fabricación garanticen la trazabilidad de todos sus productos, de modo que si se descubre un producto defectuoso, se puedan rastrear otros en el mismo lote.
Válvulas cardíacas
En los Estados Unidos, el 49% de los procedimientos de reemplazo de válvula de 2.5 lakh realizados anualmente involucran un implante de válvula mecánica. La válvula más utilizada es una válvula cardíaca de disco bileaflet o válvula St. Jude. La mecánica involucra dos discos semicirculares que se mueven hacia adelante y hacia atrás, permitiendo tanto el flujo de sangre como la capacidad de formar un sello contra el reflujo. La válvula se recubre con carbón pirolítico y se fija al tejido circundante con una malla de tela tejida llamada Dacron (nombre comercial de du Pont para el tereftalato de polietileno ). La malla permite que el tejido del cuerpo crezca, al tiempo que incorpora la válvula. [21] [ verificación necesaria ]
Reparación de la piel
La mayoría de las veces, el "tejido artificial" se cultiva a partir de las propias células del paciente. Sin embargo, cuando el daño es tan extremo que es imposible utilizar las propias células del paciente, se cultivan células de tejido artificial. La dificultad está en encontrar un andamio en el que las células puedan crecer y organizarse. Las características del andamio deben ser que sea biocompatible, las células puedan adherirse al andamio, mecánicamente fuerte y biodegradable . Un andamio exitoso es un copolímero de ácido láctico y ácido glicólico . [21]
Compatibilidad
La biocompatibilidad está relacionada con el comportamiento de los biomateriales en diversos entornos bajo diversas condiciones químicas y físicas. El término puede referirse a propiedades específicas de un material sin especificar dónde o cómo se utilizará el material. Por ejemplo, un material puede provocar poca o ninguna respuesta inmune en un organismo dado, y puede o no puede integrarse con un tipo de célula o tejido en particular . Los biomateriales inmuno-informados que dirigen la respuesta inmunitaria en lugar de intentar eludir el proceso es un enfoque que parece prometedor. [22] La ambigüedad del término refleja el desarrollo continuo de conocimientos sobre "cómo interactúan los biomateriales con el cuerpo humano " y, finalmente, "cómo esas interacciones determinan el éxito clínico de un dispositivo médico (como marcapasos o reemplazo de cadera )" . Los dispositivos médicos y las prótesis modernos a menudo están hechos de más de un material, por lo que puede que no siempre sea suficiente hablar sobre la biocompatibilidad de un material específico. [23] La implantación quirúrgica de un biomaterial en el cuerpo desencadena una reacción inflamatoria del organismo con la curación asociada del tejido dañado. Dependiendo de la composición del material implantado, la superficie del implante, el mecanismo de fatiga y la descomposición química, hay varias otras reacciones posibles. Estos pueden ser tanto locales como sistémicos. Estos incluyen respuesta inmune, reacción a cuerpo extraño con el aislamiento del implante con un tejido conectivo vascular, posible infección e impacto en la vida útil del implante. La enfermedad de injerto contra huésped es un trastorno autoinmune y aloinmune que presenta un curso clínico variable. Puede manifestarse de forma aguda o crónica, afectando múltiples órganos y tejidos y provocando graves complicaciones en la práctica clínica, tanto durante el trasplante como durante la implementación de materiales biocompatibles. [24]
Plásticos biocompatibles
Algunos de los materiales biocompatibles (o biomateriales) más utilizados son los polímeros debido a su flexibilidad inherente y propiedades mecánicas ajustables . Los dispositivos médicos hechos de plástico a menudo están hechos de unos pocos, incluidos: copolímero de olefina cíclica (COC), policarbonato (PC), polieterimida (PEI), cloruro de polivinilo (PVC) de grado médico , polietersulfona (PES), polietileno (PE), polieteretercetona ( PEEK) e incluso polipropileno (PP). Para asegurar la biocompatibilidad , hay una serie de pruebas reguladas que el material debe pasar para ser certificado para su uso. Estos incluyen la prueba de reactividad biológica de la Farmacopea de los Estados Unidos IV (USP Clase IV) y la Evaluación biológica de dispositivos médicos 10993 (ISO 10993) de la Organización Internacional de Normalización. El objetivo principal de las pruebas de biocompatibilidad es cuantificar la toxicidad aguda y crónica del material y determinar cualquier efecto adverso potencial durante las condiciones de uso, por lo que las pruebas requeridas para un material dado dependen de su uso final (es decir, sangre, sistema nervioso central, etc. .). [25]
Propiedades mecánicas
Además de que un material esté certificado como biocompatible , los biomateriales deben diseñarse específicamente para su aplicación objetivo dentro de un dispositivo médico . Esto es especialmente importante en términos de propiedades mecánicas que gobiernan la forma en que se comporta un biomaterial dado. Uno de los parámetros de material más relevantes es el módulo de Young, E , que describe la respuesta elástica de un material a las tensiones . Los módulos de Young del tejido y el dispositivo que se acopla a él deben coincidir estrechamente para lograr una compatibilidad óptima entre el dispositivo y el cuerpo, ya sea que el dispositivo esté implantado o montado externamente. La adaptación del módulo elástico permite limitar el movimiento y la delaminación en la biointerfaz entre el implante y el tejido, así como evitar la concentración de tensiones que pueden provocar fallos mecánicos . Otras propiedades importantes son las resistencias a la tracción y a la compresión que cuantifican las tensiones máximas que puede soportar un material antes de romperse y pueden utilizarse para establecer límites de tensión a los que un dispositivo puede estar sujeto dentro o fuera del cuerpo. Dependiendo de la aplicación, puede ser deseable que un biomaterial tenga una alta resistencia para que sea resistente a fallas cuando se somete a una carga, sin embargo, en otras aplicaciones, puede ser beneficioso que el material sea de baja resistencia. Existe un cuidadoso equilibrio entre la resistencia y la rigidez que determina qué tan robusto es el dispositivo de biomaterial frente a fallas. Normalmente, a medida que aumenta la elasticidad del biomaterial, la resistencia a la tracción máxima disminuirá y viceversa. Una aplicación en la que no se desea un material de alta resistencia es en sondas neuronales ; si se utiliza un material de alta resistencia en estas aplicaciones, el tejido siempre fallará antes que el dispositivo (bajo carga aplicada ) porque el módulo de Young de la duramadre y el tejido cerebral es del orden de 500 Pa . Cuando esto sucede, puede ocurrir un daño irreversible al cerebro, por lo que el biomaterial debe tener un módulo elástico menor o igual que el tejido cerebral y una baja resistencia a la tracción si se espera una carga aplicada. [26] [27]
Para los biomateriales implantados que pueden experimentar fluctuaciones de temperatura , por ejemplo , implantes dentales , la ductilidad es importante. El material debe ser dúctil por una razón similar que la resistencia a la tracción no puede ser demasiado alta, la ductilidad permite que el material se doble sin fracturarse y también evita la concentración de tensiones en el tejido cuando cambia la temperatura. La propiedad del material de dureza también es importante para los implantes dentales, así como cualquier otra rígida, de soporte de carga del implante , tal como una articulación de la cadera de reemplazo . La tenacidad describe la capacidad del material para deformarse bajo tensión aplicada sin fracturarse y tener una alta tenacidad permite que los implantes de biomaterial duren más dentro del cuerpo, especialmente cuando se someten a grandes tensiones o tensiones cargadas cíclicamente , como las tensiones aplicadas a la articulación de la cadera durante la carrera. [26]
Para los dispositivos médicos que se implantan o adheridos a la piel, otra propiedad importante que requiere consideración es la rigidez a la flexión, D . La rigidez a la flexión determinará qué tan bien la superficie del dispositivo puede mantener un contacto conforme con la superficie del tejido , lo cual es especialmente importante para los dispositivos que miden el movimiento del tejido ( tensión ), señales eléctricas ( impedancia ) o están diseñados para adherirse a la piel sin deslaminarse . como en electrónica epidérmica. Dado que la rigidez a la flexión depende del grosor del material, h , a la tercera potencia ( h 3 ), es muy importante que un biomaterial pueda formarse en capas delgadas en las aplicaciones mencionadas anteriormente donde la conformalidad es primordial. [28]
Biopolímeros
Los biopolímeros son polímeros producidos por organismos vivos. La celulosa y el almidón , las proteínas y los péptidos , y el ADN y el ARN son todos ejemplos de biopolímeros, en los que las unidades monoméricas , respectivamente, son azúcares , aminoácidos y nucleótidos . [29] La celulosa es el biopolímero más común y el compuesto orgánico más común en la Tierra. Aproximadamente el 33% de toda la materia vegetal es celulosa. [30] [31] De manera similar, la seda (biopolímero proteínico) ha ganado un gran interés en la investigación en una miríada de dominios que incluyen la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa, la microfluídica y la administración de fármacos. [32] [33]
Ver también
- Biónica
- Hidrogel
- Superficie polimérica
- Modificación superficial de biomateriales con proteínas.
- Polímero sintético biodegradable
- Lista de biomateriales
Notas al pie
- ^ La noción de explotación incluye la utilidad para aplicaciones y para la investigación fundamental para comprender también las perturbaciones recíprocas. [2]
- ^ La definición "material no viable utilizado en un dispositivo médico, destinado a interactuar con sistemas biológicos" recomendada en la ref. [3] no puede extenderse al campo ambiental donde personas significa "material de origen natural". [2]
- ^ Este término general no debe confundirse con los términos biopolímero o biomacromolécula . Se recomienda el uso de “biomaterial polimérico” cuando se trata de polímero o dispositivo polimérico de interés terapéutico o biológico. [2]
Referencias
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enlaces externos
- Revista de aplicaciones de biomateriales
- CREB - Centro de Investigación en Ingeniería Biomédica
- Departamento de Biomateriales del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam-Golm, Alemania
- Campus de innovación abierta para biomateriales