Biomateriales : aplicación a cirugía ortopédica y traumatológica

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El siguiente proyecto tiene por objeto el estudio de los pasados y actuales biomateriales para ortopedias y traumatologías. Se evaluarán las principales propiedades que han de cumplir los materiales para ser considerados biomateriales. Se darán a conocer los diferentes biomateriales clasificados según el tipo de material (metálico, cerámico, polímero o naturales) y según la aplicación que vayan a tener (sistema esquelético, sistema vascular,....). Se estudiarán las propiedades mecánicas de cada material en el transcurso de su descripción. Se relacionará el método de fabricación mediante el tipo de componentes que están hechos los biomateriales. De este modo se diferenciarán las mejores opciones para los diversos implantes y mejoras de los mismos, y se conocerán las distintas aplicaciones específicas que un material puede tener dentro del organismo. Se describirán a su vez las alergias, motivos de fallo y otros síntomas que se pueden producir. Con ello, se estudiará la durabilidad de los biomateriales, considerando tanto la degradación del material debido a la interacción con el medio fisiológico que lo rodea, como la falta de adaptación del tejido vivo al material introducido en el organismo junto a los tipos de respuesta del tejido al implante. Se analizarán como aspectos mecánicos las superficies de deslizamiento entre los diferentes materiales de los que están realizadas las ortopedias y prótesis. También se verán las homologaciones de los materiales e implantes y las normas tan necesarias en los aspectos reglamentarios que regulan la comercialización del mercado de los implantes. Por último, se cerrará el proyecto con las aplicaciones actuales (se resumirán las sustituciones más frecuentes) y futuras de los biomateriales en cirugía ortopédica y traumatológica.
Ingeniería Técnica en Mecánica
Publicado el : viernes, 01 de enero de 2010
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Ingeniería Técnica Industrial: Mecánica

Universidad Carlos III Departamento

de Madrid de Mecánica
Proyecto Fin de Carrera: Biomateriales. Aplicación a
cirugía ortopédica y traumatológica











BIOMATERIALES:
APLICACIÓN A CIRUGÍA ORTOPÉDICA Y
TRAUMATOLÓGICA



Tutor: José Luis San Román García
Alumna: Beatriz Pérez Rojo










PROYECTO FIN DE CARRERA

Fdo.: Beatriz Pérez Rojo

Ingeniería Técnica Industrial: Mecánica

Universidad Carlos III Departamento

de Madrid de Mecánica
Proyecto Fin de Carrera: Biomateriales. Aplicación a
cirugía ortopédica y traumatológica


ÍNDICE DEL PROYECTO

1. OBJETIVOS DEL PROYECTO.................................................................................... 4

2. INTRODUCCIÓN A LOS BIOMATERIALES ................................................................. 6

3. EVOLUCIÓN HISTORICA EN EL CAMPO DE LOS BIOMATERIALES..............................11

4. ÁREAS ESPECÍFICAS DE ESTUDIO: MATERIALES DE USO BIOMÉDICO......................37
4.1. Metales ...............................................................................................................37
4.1.1. Aceros inoxidables.........................................................................................37
4.1.2. Problemas que plantean los biomateriales metálicos.........................................41
4.1.3. Evolución de los biomateriales metálicos .........................................................43
4.2. Polímeros ............................................................................................................46
4.2.1. Cemento acrílico en cirugía ortopédica ............................................................46
4.2.2. Polietileno ....................................................................................................50
4.2.3. Polímeros biodegradables ..............................................................................58
4.3. Cerámicas70
4.3.1. Sustitutivos y cementos .................................................................................76
4.3.2. Recubrimientos de hidroxiapatita....................................................................82
4.3. Naturales .............................................................................................................87
4.3.1. Biomateriales biológicos87

5. REACCIONES BIOLÓGICAS A LOS BIOMATERIALES Y SU BIOCOMPATIBILIDAD.........99
5.1. Reacciones biológicas locales y generales................................................................99
5.2. La reacción tisular básica y sus modalidades .........................................................100
5.3. Reacciones regionales. Ostopenia por descarga. ....................................................106
5.4. Reacciones generales. .........................................................................................108
5.5. Biología y biomecánica de los injertos y sustitutivos óseos......................................109

6. ASPECTOS MECÁNICOS EN PRÓTESIS: SUPERFICIES DE DESLIZAMIENTO..............122
6.1. Superficies alternativas........................................................................................122
6.2. El material cerámico en superficies: propiedades ...................................................122
6.3. Uso clínico en cadera: ventajas y problemas..........................................................123
6.4. Resultados del par cerámica-cerámica ..................................................................126
6.5. Resultados derámica-polietileno.................................................................127
6.6. Alternativas en cadera: par metal-metal................................................................128
6.7. Otras alternativas: recubrimiento diamantizado .....................................................129

7. HOMOLOGACIÓN DE MATERIALES E IMPLANTES ..................................................131
7.1. Aspectos generales .............................................................................................131
7.2. Normalización.....................................................................................................133
7.3. Acceso de los productos sanitarios al mercado.......................................................134
7.4. Armonización global y acuerdo de reconocimiento mutuo .......................................137
7.5. Consideraciones prácticas....................................................................................138
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8. APLICACIONES ACTUALES DE LOS BIOMATERIALES EN CIRUGÍA ORTOPÉDICA Y
TRAUMATOLÓGICA...................................................................................................143
8.1. Biomateriales para reparación ostearticular ...........................................................143
8.2. Implantes más comunes......................................................................................145

9. APLICACIONES FUTURAS DE LOS BIOMATERIALES EN CIRUGÍA ORTOPÉDICA Y
TRAUMATOLÓGICA160
9.1. Los nuevos nanomateriales y sus aplicaciones en cirugía ortopédica y
traumatológica .........................................................................................................160
9.2. Implantes biónicos más actuales y futuros avances para la próxima evolución de un
hombre biónico completo ..........................................................................................169

10. CONCLUSIONES..................................................................................................179

11. BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................182

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OBJETIVOS DEL PROYECTO












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cirugía ortopédica y traumatológica


1. OBJETIVOS DEL PROYECTO

El siguiente proyecto tiene por objeto el estudio de los pasados y actuales biomateriales para
ortopedias y traumatologías. Se evaluarán las principales propiedades que han de cumplir los
materiales para ser considerados biomateriales.

Se darán a conocer los diferentes biomateriales clasificados según el tipo de material (metálico,
cerámico, polímero o naturales) y según la aplicación que vayan a tener (sistema esquelético,
sistema vascular,....). Se estudiarán las propiedades mecánicas de cada material en el
transcurso de su descripción.

Se relacionará el método de fabricación mediante el tipo de componentes que están hechos los
biomateriales. De este modo se diferenciarán las mejores opciones para los diversos implantes
y mejoras de los mismos, y se conocerán las distintas aplicaciones específicas que un material
puede tener dentro del organismo.

Se describirán a su vez las alergias, motivos de fallo y otros síntomas que se pueden producir.
Con ello, se estudiará la durabilidad de los biomateriales, considerando tanto la degradación del
material debido a la interacción con el medio fisiológico que lo rodea, como la falta de
adaptación del tejido vivo al material introducido en el organismo junto a los tipos de respuesta
del tejido al implante.

Se analizarán como aspectos mecánicos las superficies de deslizamiento entre los diferentes
materiales de los que están realizadas las ortopedias y prótesis. También se verán las
homologaciones de los materiales e implantes y las normas tan necesarias en los aspectos
reglamentarios que regulan la comercialización del mercado de los implantes.

Por último, se cerrará el proyecto con las aplicaciones actuales (se resumirán las sustituciones
más frecuentes) y futuras de los biomateriales en cirugía ortopédica y traumatológica.


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INTRODUCCIÓN A LOS BIOMATERIALES












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2. INTRODUCCIÓN A LOS BIOMATERIALES

Los biomateriales son aquellos materiales que pueden ser implantados en organismos vivos. Se
pueden fabricar con materiales naturales o artificiales y para implantarlos deben ser
biológicamente compatibles con el cuerpo humano. Se utilizan generalmente para reparar o
reemplazarle tejido natural dañado (huesos, dientes, piel… y en un futuro próximo, tejidos de
órganos como órganos, riñones…)



Figura 1: Piezas que pueden implantarse y sustituirse actualmente en el cuerpo humano
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El objetivo principal de la utilización de biomateriales es salvar vidas, mejorar calidad de vida,
reducir sufrimiento e incluso aumentar años de vida.


Figura 2: Esperanza de vida por edad y sexo en España con proyección hasta el año 2020.


Según datos de la ONU, la esperanza de vida en España, ronda la media de 80 años en el 2009.
La utilización de biomateriales en muchos de los campos de la medicina será negativo y positivo
a la vez. Negativo porque aumentarán los costes de las asistencias médicas y hay mucho
camino que recorrer en el mundo de los biomateriales. Y positivo porque aumenta la
expectativa de vida, cumpliendo con el objetivo de vivir en buenas condiciones.

Los mayores avances en el campo de los biomateriales se han producido en países
desarrollados como consecuencia de la necesidad de tratar clínicamente a un gran número de
pacientes. Además, la búsqueda de posibles soluciones a los problemas de tejidos óseos hace
que se produzca una gran demanda de materiales para sustituir o reparar artificialmente los
huesos. Pero no solo los tejidos duros, también la sustitución de tejidos blandos que ha dado
lugar al desarrollo de un número importante de biomateriales. Más de cincuenta millones de
personas en todo el mundo tienen implantado algún tipo de prótesis.

Los biomateriales, materiales implantables intracorporalmente, pueden ser provisionales o
definitivos, pero en cualquier caso deben llevar a cabo una función adecuada, y no ocasionar
ningún daño al organismo. Entre sus características no pueden faltar la de ser biocompatibles o
biológicamente aceptables. Factores decisivos a la hora de evaluar los biomateriales son su
compatibilidad y duración, para que no se produzcan reacciones no deseadas en la interfaz
tejido-material, y que mantengan sus prestaciones durante el tiempo que tengan que estar en
servicio. Naturalmente, ese tiempo será muy diferente según la función a que esté destinado un
determinado biomaterial.

Un aspecto importante a destacar es que los biomateriales en los años 70, eran materiales
industriales a los que se les pedían ciertos requisitos de aceptación biológica. En la actualidad,
se diseñan, fabrican y procesan muchos biomateriales con el único fin de que tengan una
aplicación en el campo médico.
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Los biomateriales se sintetizan y elaboran específicamente para cada sistema o aparato médico.
La optimización de cada pieza o componente en función del biomaterial utilizado requiere un
adecuado diseño biomecánico y geométrico que necesariamente debe ir unido a un procesado
que permita, no sólo las mejores prestaciones de la pieza, sino también su reproductividad y
fiabilidad en toda la cadena de producción. Estos hechos dan gran versatilidad al campo de los
biomateriales, pero requiere estudios de investigación avanzados para definir los verdaderos
límites o las propiedades necesarias para la sustitución de tejidos con fiabilidad a largo plazo.

En un biomaterial destinado a su aplicación en seres vivos, es imprescindible la coordinación de
expertos en muy diversos campos, para según la función que se exija al biomaterial, la
selección de expertos sea la adecuada.

La enorme variedad en el campo de los biomateriales se hace patente cuando tratamos de
enumerar algunas de sus áreas de actualidad y con proyección de futuro, tales como materiales
bioactivos y biodegradables, materiales “casi” bioinertes, dosificación controlada de fármacos,
retirada de implantes, materiales inteligentes, dispositivos de invasión mínima, modulación de la
regeneración tisular, materiales naturales e híbridos, nuevos métodos de evaluación, superficies
e interfaces, materiales biomagnéticos, dispositivos electrónicos,…































Figura 3: Diversas etapas para la realización de un implante

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En cualquier caso, todo biomaterial tiene que ser biocompatible tanto química como mecánica y
médicamenente. Los materiales utilizados como biomateriales tienen que poseer un carácter
inerte/tolerado o bioactivo, y sus productos de degradación no deben originar toxicidad. Todo
esto implica que los materiales necesitan una composición adecuada no sólo del material
implantado, sino también de las partículas liberadas de cualquier implante, como consecuencia
de su desgaste y de los productos de degradación a que pueda dar lugar; pero tanto tolerancia
como toxicidad dependen de la concentración en la que ésta se encuentre presente en cada
organismo humano en particular. Los materiales de uso biomédico pueden tener origen artificial
o biológico. Atendiendo a la naturaleza del material con el que se fabrica el implante, los
biomateriales artificiales, se pueden clasificar en materiales metálicos, poliméricos, cerámicos o
naturales.

El mundo de los biomateriales debe recorrer un largo camino, formado por muchas etapas, que
se inicia cuando surge la idea de que prótesis implantable fabricar, y finaliza cuando se coloca
en el paciente. Durante ese largo camino deben intervenir muy diversos expertos puesto que es
un campo multidisciplinar. (Ver Figura 3)
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