Las biocerámicas y los biovidrios son materiales cerámicos que son biocompatibles . [1] Las biocerámicas son un subconjunto importante de los 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 finalmente 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 típicamente como materiales rígidos en implantes quirúrgicos , aunque algunas biocerámicas son flexibles. Los materiales cerámicos utilizados no son los mismos que los materiales cerámicos de tipo porcelana . Más bien, las biocerámicas están estrechamente relacionadas con los materiales del propio cuerpo o son óxidos metálicos extremadamente duraderos .
Antes de 1925, los materiales utilizados en la cirugía de implantes eran principalmente metales relativamente puros. El éxito de estos materiales fue sorprendente teniendo en cuenta 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 vitalio .
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 mientras se dirigía a una conferencia sobre materiales. Estaba sentado al lado de 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 rechazaban 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 en la biocerámica creció rápidamente.
El 26 de abril de 1988 se celebró en Kioto, Japón, el primer simposio internacional sobre biocerámicas. [7]
En la actualidad, las cerámicas se utilizan habitualmente en el campo médico, como implantes dentales y óseos . [8] [9] Los cermets quirúrgicos se utilizan con regularidad. Los reemplazos articulares suelen recubrirse 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]
Las biocerámicas están destinadas a ser utilizadas en sistemas de circulación extracorpórea ( diálisis , por ejemplo) o biorreactores diseñados; sin embargo, son más comunes como implantes . [10] Las cerámicas muestran numerosas aplicaciones como biomateriales debido a sus propiedades fisicoquímicas. Tienen la ventaja de ser inertes en el cuerpo humano, y su dureza y resistencia a la abrasión las 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 articulaciones que funcionan mal . Propiedades como la apariencia y el aislamiento eléctrico también son una preocupación para aplicaciones biomédicas específicas.
Algunas biocerámicas incorporan alúmina ( Al2O3 ) ya que su vida útil es mayor que la del paciente. El material puede emplearse en huesecillos del oído medio , prótesis oculares, aislamiento eléctrico para marcapasos, orificios de catéteres y en numerosos prototipos de sistemas implantables como bombas cardíacas. [11]
Los aluminosilicatos se utilizan habitualmente en prótesis dentales, puros o en compuestos cerámicos-poliméricos . Los compuestos cerámicos-poliméricos son una forma potencial de rellenar cavidades en sustitución de las amalgamas sospechosas de tener efectos tóxicos. Los aluminosilicatos también tienen una estructura vítrea. A diferencia de los dientes artificiales de resina, el color de la cerámica dental permanece estable [10] [12] La zirconia dopada con óxido de itrio se ha propuesto como sustituto de la alúmina para prótesis osteoarticulares. Las principales ventajas son una mayor resistencia a la rotura y una buena resistencia a la fatiga.
También se utiliza el carbono vítreo , ya que es 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. [11]
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 sintéticos sustitutos óseos o de andamiaje 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, dichos 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 causar tensiones mecánicas en la interfaz ósea. [10] Los fosfatos de calcio que generalmente se encuentran 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 la biocerámica [11]
Tabla 2: Propiedades mecánicas de los biomateriales cerámicos [11]
Existen varias cerámicas implantables que no han sido diseñadas para aplicaciones biomédicas específicas, pero que logran introducirse en diferentes sistemas implantables gracias a sus propiedades y a 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 el TiN como superficie de fricción en prótesis de cadera. Si bien las pruebas de cultivo celular muestran una buena biocompatibilidad, el análisis de los implantes muestra un desgaste significativo , relacionado con una deslaminación de la capa de TiN. El carburo de silicio es otra cerámica moderna que parece ofrecer una buena biocompatibilidad y que puede utilizarse en implantes óseos. [10]
Además de utilizarse 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 minerales-orgánicos como HAP, alúmina o dióxido de titanio con los polímeros biocompatibles (polimetilmetacrilato): PMMA, ácido poli(L-láctico): PLLA, poli(etileno). Los compuestos se pueden diferenciar como biorreabsorbibles o no biorreabsorbibles, siendo estos últimos el resultado de la combinación de un fosfato de calcio biorreabsorbible (HAP) con un polímero no biorreabsorbible (PMMA, PE). Estos materiales pueden llegar a ser más generalizados en el futuro, debido a las muchas posibilidades de combinación y su aptitud para combinar una actividad biológica con propiedades mecánicas similares a las del hueso. [11]
Las propiedades anticorrosivas, biocompatibles y estéticas de las biocerámicas las hacen muy adecuadas para uso médico. La cerámica de zirconio es bioinerte y no citotóxica. El carbono es otra alternativa con propiedades mecánicas similares al hueso, y también presenta compatibilidad sanguínea, no reacciona con los tejidos y no es tóxica para las células. Las cerámicas bioinertes no exhiben unión con el hueso, conocida como osteointegración. Sin embargo, la bioactividad de las cerámicas bioinertes se puede lograr formando compuestos con cerámicas bioactivas. Las cerámicas bioactivas, incluidos los biovidrios, deben ser no tóxicas y formar una unión con el hueso. En aplicaciones de reparación ósea, es decir, andamiajes para la regeneración ósea, la solubilidad de las biocerámicas es un parámetro importante, y la lenta tasa de disolución de la mayoría de las biocerámicas en relación con las tasas de crecimiento óseo sigue siendo un desafío en su uso correctivo. Como era de esperar, se pone mucho énfasis en mejorar las características de disolución de las biocerámicas al tiempo que se mantienen o mejoran sus propiedades mecánicas. Las cerámicas de vidrio presentan propiedades osteoinductivas , con tasas de disolución más altas en relación con los materiales cristalinos, mientras que las cerámicas de fosfato de calcio cristalino también exhiben no toxicidad para los tejidos y biorresorción. El refuerzo de partículas de cerámica 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 descubierto 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 en 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 una 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. [11]
Técnicamente, las cerámicas se componen de materias primas como polvos y aditivos químicos naturales o sintéticos , que favorecen la compactación (caliente, fría o isostática), el fraguado (hidráulico o químico) o aceleran 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. La porosidad es a menudo deseada en biocerámicas, incluidos los biovidrios. Para mejorar el rendimiento de las biocerámicas porosas trasplantadas, existen numerosas técnicas de procesamiento disponibles para el control de la porosidad , la distribución del tamaño de poro y la alineación de los poros. Para los materiales cristalinos, el tamaño de grano y los defectos cristalinos proporcionan vías adicionales para mejorar la biodegradación y la osteointegración, que son clave para los materiales de injerto y trasplante óseo eficaces. [10] Esto se puede lograr mediante la inclusión de dopantes de refinación de grano y mediante la impartición de defectos en la estructura cristalina a través de varios medios físicos.
Una técnica de procesamiento de materiales en desarrollo basada en procesos biomiméticos tiene como objetivo imitar los procesos naturales y biológicos y ofrecer la posibilidad de fabricar 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 propiedades mecánicas deficientes que se pueden mejorar, parcialmente, combinándolos con proteínas de enlace. [10]
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 y HA. Todos estos materiales forman un enlace interfacial con el tejido adyacente. [12]
Actualmente, varios productores comercializan biocerámicas de alúmina de alta pureza. 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 prótesis de cadera. MAC Bioceramics tiene la trayectoria clínica más larga en materiales cerámicos de alúmina, y fabrica alúmina HIP Vitox® desde 1985. [13] Algunos fosfatos deficientes en calcio con una estructura de apatita se comercializaron como "fosfato tricálcico", aunque no exhibían la estructura cristalina esperada del fosfato tricálcico. [13]
En la actualidad, numerosos productos comerciales denominados 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 oído, abrasivos y revestimientos rociados con plasma para implantes ortopédicos y dentales. [13]
Las biocerámicas también se han utilizado en dispositivos de cannabis o delta 8 como mechas para la vaporización de dichos extractos. [14]
Se han propuesto las biocerámicas como un posible tratamiento para el cáncer . Se han propuesto dos métodos de tratamiento: hipertermia y radioterapia . El tratamiento de hipertermia implica implantar un material biocerámico que contiene una ferrita u otro material magnético. [15] Luego, la zona se expone a un campo magnético alterno, que hace que el implante y el área circundante se calienten. Alternativamente, los materiales biocerámicos pueden ser dopados con materiales emisores de rayos β e implantados en el área cancerosa. [2]
Otras tendencias incluyen la ingeniería de biocerámicas para tareas específicas. Las investigaciones en curso abarcan la química, la composición y las micro y nanoestructuras de los materiales para mejorar su biocompatibilidad. [16] [17] [18]