Modulo 1.1 Introduccion A Los Biomateriales 5e1u4v

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

[email protected]

Módulo 1: Introducción a los biomateriales ¿Qué son los BIOMATERIALES? Es habitual encontrar en la bibliografía varias definiciones que han ido complementándose o matizándose conforme ha pasado el tiempo, así pues nos encontramos con que el término biomaterial se ha definido como:

1980

1982

1987

1992

2002

Materiales de origen sintético así como de origen natural en o con tejidos, sangre y otros fluidos biológicos, destinados a ser utilizados para la fabricación de prótesis, dispositivos para diagnóstico o para fines terapéuticos y aplicaciones de almacenamiento sin que tengan efectos adversos para el organismo vivo y sus componentes (S. D. Bruck) Material empleado para fabricar dispositivos para reemplazar una parte o función del cuerpo humano de modo seguro, fiable, económico y psicológicamente aceptable (Hench & Erthridge) Cualquier sustancia (diferente de los fármacos) o combinación de sustancias, sintéticos o de origen natural, que se pueden usar para cualquier período de tiempo, como un todo o como parte de un sistema que trata, aumenta, o sustituye a cualquier tejido, órgano, o la función del cuerpo (D.F. Williams) Material inerte empleado en dispositivos médicos destinado a interactuar con tejidos biológicos (J. Black) Material que constituye partes de implantes médicos, dispositivos extracorpóreos, y elementos desechables que han sido utilizados en medicina, cirugía, odontología, y medicina veterinaria, así como en cada aspecto de la atención de salud del paciente (Dee, K.C. Puleo, D.A. & Bizios, A)

Bruck, S.D. Properties of Biomaterials in the Physiological Environment CRC Press, Boca Raton, FL. 1980. Hench, L. L. & Ethridge, E. C. Biomaterials: An Interfacial Approach, Academic Press, New York. 1982. Black, J. Biological Performance of Materials. 2nd ed., Marcel Dekker, New York. 1992 Dee, K.C., Puleo D.A. & Bizios, R. An Introduction to Tissue-Biomaterial Interactions. Wiley-Liss. 2002.

Una definición actual y consensuada del concepto de BIOMATERIAL es la siguiente:

BIOMATERIAL: material destinado a interaccionar con los sistemas biológicos para evaluar, tratar, aumentar o reemplazar algún tejido, órgano o función del cuerpo (ESB, Sociedad Europea de Biomateriales) A lo largo del tiempo esa interacción del biomaterial con tejidos biológicos ha pasado de ser totalmente inerte o pasiva, a poder incluso jugar un papel activo, siendo éste determinante en algunos casos, como veremos más adelante.

Curso de Especialización en Biomateriales

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

Diferentes usos de los BIOMATERIALES

[email protected] •PROTESIS E IMPLANTES •HERRAMIENTAS Y MATERIAL AUXILIAR EN O CON TEJIDOS VIVOS •SISTEMAS DE TRANSPORTE Y LIBERACIÓN DE FÁRMACO •ADHESIVOS, SELLANTES, CEMENTOS, MATERIAL DE SUTURA •MEDIO DE CULTIVO Y PROLIFERACIÓN CELULAR

Los biomateriales comprenden por una parte lo que se denomina prótesis o implantes, que de manera muy intuitiva pueden pensarse como piezas de repuesto en el cuerpo humano. Dichos implantes han de tener una serie de características de tipo mecánico, químico y biológico que hagan que una vez instalada, puedan llevar a cabo de modo satisfactorio en términos de eficacia y seguridad la función que le corresponde. Los ejemplos son realmente numerosos, y a lo largo de la práctica totalidad del cuerpo humano es posible encontrar implantes fabricados con biomateriales:       

Prótesis de articulación de cadera, hombro o dedos de la mano Marcapasos y válvulas cardíacas artificiales Varillas y tornillos de fémur, tibia o tobillo Prótesis de estribo (oído) Prótesis mamarias y de pene Implantes dentales Implante de lente intraocular

Por otra parte también son biomateriales los materiales sintéticos empleados en la fabricación de herramientas y dispositivos usados para reemplazar parte de un sistema biológico o el material que está en o directo con tejidos, sangre y otros fluidos del cuerpo humano. Se incluyen aquí, como ejemplos: o Agujas o Catéteres o Hilo de sutura o Fundas dentales o Stent coronario o Dispositivos de percutáneo o Máquinas de circulación extracorpórea o Máquinas de hemodiálisis

Curso de Especialización en Biomateriales

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

[email protected]

Marcapasos

Válvula cardíaca artificial

Implante mamario

Lente intraocular

Paciente sometido a hemodiálisis

Máquina de circulación extracorpórea

Otra función llevada a cabo por un tipo de biomateriales muy importante en medicina es el actuar como soporte para el transporte y la liberación de fármaco. Habitualmente el biomaterial forma parte de una red polimérica a la que se añade el fármaco. Se busca mediante el empleo de biomateriales, y con técnicas diversas en función de cada caso, el poder ofrecer dosis eficaces de fármaco durante un tiempo prolongado y de manera focalizada. Algunos ejemplos pueden ser:  Antibiótico dentro del cemento óseo en cirugía ortopédica.  Anticoagulante depositado en stent coronario.  Fármaco de liberación ocular mediante geles.  Apósitos bioactivos para curación de úlceras u otras enfermedades.

Curso de Especialización en Biomateriales

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

[email protected]

Igualmente son biomateriales ciertos productos adhesivos y sellantes empleados en cirugía, con el objetivo de cortar hemorragias; existen biomateriales empleados como barrera para evitar la adhesión entre tejidos tras una intervención quirúrgica; los cementos óseos y dispositivos de fijación de hueso requieren empleo también de biomateriales y la gran variedad de hilos de sutura, reabsorbibles y no reabsorbibles, son también técnicamente biomateriales. Pero sin lugar a dudas, es dentro de la INGENIERÍA DE TEJIDOS donde los biomateriales juegan un papel novedoso, con gran potencial a día de hoy, que puede cambiar radicalmente en los próximos años el ejercicio de la medicina. Ésta consiste en la fabricación de tejidos biológicos in vitro o bien la incorporación al cuerpo humano de elementos que faciliten la regeneración y el crecimiento de los tejidos vivos. Los ejemplos más conocidos desde hace ya algunos años se refieren a la regeneración de tejidos epiteliales (piel artificial), pero recientemente numerosos ensayos clínicos han concluido con buenos resultados en la obtención de tejido óseo, cartilaginoso, neuronal o hepático. Los biomateriales se emplean fundamentalmente como estructuras tridimensionales de soporte físico e incluso bioquímico. Facilitan el crecimiento, proliferación y orientación de las células; la difusión de nutrientes y factores de crecimiento; y su vascularización posterior, todo ello con el objetivo de regenerar un tejido desde el punto de vista funcional. El objetivo a la vista es poder llegar a desarrollar en un futuro un órgano de manera artificial. Los avances en la investigación de células madre, de los que hablaremos, suponen un incremento en las posibilidades de la ingeniería de tejidos. Un aspecto muy importante en ingeniería de tejidos en relación a las estructuras tridimensionales construidas con biomateriales, conocidas con el nombre de scaffolds (en castellano andamios), es el que está en relación con el control de su arquitectura y en sus métodos de fabricación. Una serie de características estructurales como resistencia mecánica y tamaño de poro serán fundamentales en el éxito de esta disciplina. Por ejemplo, a la hora de intentar regenerar tejido óseo, que ciertas cerámicas bifásicas muestran una capacidad osteoinductiva intrínseca, atribuible a su composición y microestructura. Otra vía en ingeniería de tejidos es el empleo de elementos naturales (injertos) con biomateriales sintéticos, como ocurre en el caso de algunas válvulas cardíacas artificiales, donde se emplean injertos de origen bovino o porcino. Debido al aumento de la esperanza de vida, las necesidades de prótesis e implantes en los últimos años han ido en aumento, y se espera que siga así. Por aportar datos orientativos, se muestran en la siguiente tabla número de cierto tipo de implantes en los Estados Unidos durante 2006. (Enderle, 2011)

Curso de Especialización en Biomateriales

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

[email protected]

IMPLANTES TOTALES DE RODILLA

1 349 641 unidades

IMPLANTES DENTALES

1 040 172 unidades

STENT CORONARIO

1 489 980 unidades

CATÉTER CORONARIO

1 648 235 unidades

En España durante el período 1997-2012 se han colocado 430 000 prótesis de rodilla y 426 000 prótesis de cadera, de las que a su vez alrededor de 58 000 eran prótesis reimplantadas como consecuencia de un fallo en una primera intervención. Según datos de Consumers Union del año 2011 en los Estados Unidos hay previsiones que auguran que en el año 2030 se necesitarán 4 millones de prótesis de cadera y rodilla (Vallet, 2013).

Prótesis de rodilla

Prótesis de cadera

El campo de los biomateriales requiere del trabajo de profesionales de diferentes disciplinas. Es fundamental que ese trabajo sea coordinado, lo cual no siempre es fácil y posible. Desde que es detectado el problema clínico, que precisa de una respuesta, hasta el desarrollo y comercialización final de la solución, hay una serie de eslabones, con sus peculiaridades, que deben ser analizados desde perspectivas diferentes que incluyen no solo aspectos médicos o de ingeniería de materiales, sino también aspectos económicos, legales y bioéticos. En el siguiente esquema se muestra paso a paso el proceso desde que se detecta un problema susceptible de ser resuelto mediante algún dispositivo o sistema que contenga un biomaterial, se piensa y ensaya una solución y se implementa el producto final.

Curso de Especialización en Biomateriales

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

[email protected]

MÉDICO O INVESTIGADOR

DETECCIÓN DE LA NECESIDAD DE RESOLVER PROBLEMA

DISEÑO DEL DISPOSITIVO O IMPLANTE FÍSICOS, QUÍMICOS, INGENIEROS, VETERINARIOS, FARMACÉUTICOS

ENSAYO DE MATERIALES

TEST DIVERSOS: MECÁNICOS, TOXICOLÓGICOS, ETC

INGENIERO

DISEÑO Y FABRICACIÓN

INGENIERO O MÉDICO

ENSAYOS PREVIOS, CLÍNICOS, ANÁLISIS DE FALLOS

ABOGADOS y OTROS

ASPECTOS ÉTICOS, LEGALES, HOMOLOGACIÓN

ECONOMISTAS

VIABILIDAD ECONÓMICA Y EMPRESARIAL

MÉDICO Y OTRO PERSONAL SANITARIO

APLICACIÓN CLÍNICA DEL PRODUCTO FINAL

Aparte de la coordinación global entre todas estas parcelas del saber es especialmente necesario un conocimiento integral de los aspectos de la ciencia y tecnología de materiales en relación a los componentes biológicos, así como nociones de anatomía en relación a la especialidad médica sobre la que se va a actuar. De modo que existe la necesidad de que, por ejemplo, el profesional de la ingeniería que trabaje con biomateriales tenga conocimientos de biología y el biólogo tenga conocimientos de diseño e ingeniería, y ambos a su vez dominen conceptos de anatomía y fisiología.

Curso de Especialización en Biomateriales

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

[email protected]

Solamente de esta manera los retos a los que se enfrenta la ingeniería biomédica en relación al empleo de biomateriales podrán ser resueltos eficazmente.

CIENCIAS DE LOS MATERIALES: RELACIÓN ESTRUCTURA-PROPIEDADES DE MATERIALES

Sintéticos y de origen natural, incluyendo metales, cerámica, polímeros, materiales compuestos, tejidos (sangre y los tejidos conectivos), etc.

BIOLOGÍA Y FISIOLOGÍA

Biología celular y molecular, anatomía, fisiología animal y humana, histopatología, cirugía experimental, inmunología, etc. ciencias clínicas

TODAS LAS ESPECIALIDADES CLÍNICAS

Odontología, maxilofacial, neurocirugía, obstetricia y ginecología, oftalmología, ortopedia, otorrinolaringología, cirugía plástica y reconstructiva

Notas históricas sobre los biomateriales Hace aproximadamente a unos cuatro mil años, ya empleaban materiales de origen natural como el cuero o el algodón para llevar a cabo suturas. Desde un punto de vista histórico existen vestigios acerca de prótesis e implantes construidos en madera empleados con toda probabilidad por el hombre de Neanderthal. Son conocidos también los ejemplos de prótesis de dedo gordo del pie supuestamente del antiguo Egipto. Durante el Imperio Romano, el Imperio Chino y en la época de los aztecas el oro era empleado para las prótesis dentales y en Grecia y Roma hace siglos, usaron metales y otros compuestos de origen natural para intentar cuestiones de salud. El comienzo del uso de biomateriales de una manera quizás más formal puede situarse cronológicamente en la década de 1860, con el empleo de técnicas de asepsia desarrolladas por el Dr. Lister. Avances científicos como los antibióticos y un mejor conocimiento de los procesos biológicos consecuencia del o de la materia viva con los biomateriales supusieron la disminución del riesgo de infecciones. La colocación del implante solía conllevar que se crease una región inaccesible a las células del sistema inmunitario. En las etapas previas, el uso de biomateriales solía tener generalmente como resultado infecciones que llevaba a un fracaso. En los comienzos del s. XX comenzaron a ser habituales diversos implantes de tipo traumatológico en los que se emplearon metales y cuyas prestaciones fueron mejorándose con el tiempo. Las consecuencias de los conflictos bélicos precisaron del desarrollo de la ciencia y la tecnología para resolver los problemas de soldados y civiles heridos y mutilados. Sorprendentemente se observó que los restos de metralla en el cuerpo humano que traían algunos soldados no originaban problemas de infecciones al nivel que se creía que

Curso de Especialización en Biomateriales

DQbito Formación y Desarrollo en Ingeniería Biomédica www.dqbito.com

[email protected]

era esperable. De modo que esos metales podrían ser empleados a priori sin problemas. Como ejemplos podemos destacar implantes metálicos para corregir daños en el cráneo o clavos de fijación. El polimetil metacrilato (PMMA) empleado en la fabricación de ventanillas de aviones se “convirtió” en biomaterial de manera también azarosa. Trozos de ese material se introducían en el cuerpo de soldados afectados en las guerras sin que originase ningún problema de rechazo o infección (incluso pequeños fragmentos incrustados los ojos. Por lo tanto de manera sorprendente, las guerras han propiciado el avance y el descubrimiento de nuevos biomateriales, como es el caso de los biovidrios, que veremos posteriormente. Si había materiales que el cuerpo toleraba, ¿por qué no utilizarlos en nuestro propio beneficio?

Bibliografía An Introduction to Tissue-Biomaterial Interactions. Kay C. Dee, David A. Puleo & Rena Bizios. Wiley-Liss. 2002. Introduction to Biomedical Engineering. J. Enderle & J. Bronzino. Academic Press; 3rd edition 2011 Biomaterials, principles and applications. J.B. Park & J. D. Bronzino. CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. Biomateriales. María Vallet Regí. CSIC. Catarata. 2013 Las imágenes han sido obtenidas de fuentes sin derechos de autor

Curso de Especialización en Biomateriales