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 . El campo de estudio correspondiente, llamado ciencia de biomateriales o ingeniería de biomateriales , tiene alrededor de cincuenta años. [ necesita actualización ] Ha experimentado un crecimiento constante a lo largo de su historia, con muchas empresas invirtiendo 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 y la ciencia de los materiales .
Un biomaterial es diferente de un material biológico, como el hueso , que se produce mediante un sistema biológico . Sin embargo, "biomaterial" y "material biológico" se utilizan a menudo indistintamente. Además, se ha propuesto la palabra "biomaterial" como una posible palabra alternativa para materiales producidos biológicamente, como el hueso o los biocompuestos fúngicos. [ cita requerida ] Además, se debe tener cuidado al definir un biomaterial como biocompatible , ya que es específico de la aplicación. Un biomaterial que es biocompatible o adecuado para una aplicación puede no ser biocompatible en otra. [1]
Material explotado en contacto con tejidos vivos, organismos o microorganismos. [2] [a] [b] [c]
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 adaptan para una aplicación médica y, por lo tanto, comprenden la totalidad o parte de una estructura viva o un dispositivo biomédico que realiza, aumenta o reemplaza una función natural. Dichas funciones pueden ser relativamente pasivas, como las que se utilizan para una válvula cardíaca , o tal vez bioactivas con una funcionalidad más interactiva, como los implantes de cadera recubiertos con hidroxiapatita . Los biomateriales también se utilizan comúnmente 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 medicamento durante un período prolongado de tiempo. Un biomaterial también puede ser un autoinjerto , un aloinjerto o un xenoinjerto utilizado como material de trasplante . [ cita requerida ]
La capacidad de un biomaterial diseñado para inducir una respuesta fisiológica que favorezca la función y el rendimiento del biomaterial se conoce como bioactividad. Más comúnmente, en los vidrios bioactivos y las cerámicas bioactivas, este término se refiere a la capacidad de los materiales implantados de unirse bien con el tejido circundante, ya sea en funciones osteoconductivas u osteoproductivas. [4] Los materiales para implantes óseos suelen estar diseñados para promover el crecimiento óseo mientras se disuelven en el fluido corporal circundante. [5] Por lo tanto, para muchos biomateriales, es deseable una buena biocompatibilidad junto con una buena resistencia y tasas de disolución. Comúnmente, la bioactividad de los biomateriales se mide por la biomineralización de la superficie en la que se forma una capa nativa de hidroxiapatita en la superficie. En la actualidad, el desarrollo de biomateriales clínicamente útiles se ve mejorado en gran medida por la llegada de rutinas computacionales que pueden predecir los efectos moleculares de los biomateriales en un entorno terapéutico basado en una experimentación in vitro limitada . [6]
El término autoensamblaje es el más común en la comunidad científica moderna para describir la agregación espontánea de partículas (átomos, moléculas, coloides , micelas , etc.) sin la influencia de ninguna fuerza externa. Se sabe que grandes grupos de tales partículas se ensamblan por sí mismos en conjuntos termodinámicamente estables y estructuralmente bien definidos, que recuerdan bastante a uno de los siete sistemas cristalinos que se encuentran en metalurgia y mineralogía (por ejemplo, cúbico centrado en las caras, cúbico centrado en el cuerpo, etc.). La diferencia fundamental en la estructura de equilibrio está en la escala espacial de la celda unitaria (parámetro reticular) en cada caso particular.
El autoensamblaje molecular se encuentra ampliamente en los 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 encontrados en la naturaleza. Por lo tanto, el autoensamblaje también está surgiendo como una nueva estrategia en la síntesis química y la nanotecnología . Los cristales moleculares, los cristales líquidos, los coloides, las micelas, las emulsiones , los polímeros separados en fases, las películas delgadas y las monocapas autoensambladas representan 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]
Casi todos los materiales podrían considerarse estructurados jerárquicamente, ya que los cambios en la escala espacial provocan diferentes mecanismos de deformación y daño. [10] 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 temprano de dispersión de rayos X sobre la estructura jerárquica del cabello y la lana por Astbury y Woods. [11] 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 de calcio) formando fibrillas que se enrollan en helicoides de direcciones alternas. Estas " osteonas " son los bloques de construcción básicos de los huesos, con una distribución de fracción de volumen entre la fase orgánica y mineral de aproximadamente 60/40.
En otro nivel de complejidad, los cristales de hidroxiapatita son plaquetas 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. [12]
De manera similar, la jerarquía de la concha de abulón comienza en el nivel nanométrico, con una capa orgánica que tiene un espesor de 20 a 30 nm. Esta capa continúa con cristales individuales de aragonita (un polimorfo de CaCO 3 ) que consisten en "ladrillos" con dimensiones de 0,5 y terminan con capas de aproximadamente 0,3 mm (mesoestructura). [13]
Los cangrejos son artrópodos cuyo caparazón está formado por un componente duro mineralizado (que 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 "barras" minerales (de 1 μm de diámetro) contiene fibrillas de quitina-proteína con un diámetro aproximado de 60 nm. Estas fibrillas están formadas por canales de 3 nm de diámetro que unen el interior y el exterior del caparazón.
Los biomateriales se utilizan en:
Los biomateriales deben ser compatibles con el organismo y, a menudo, existen cuestiones de biocompatibilidad que deben resolverse antes de que un producto pueda comercializarse y usarse en un entorno clínico . Debido a esto, los biomateriales suelen estar sujetos a los mismos requisitos que los nuevos tratamientos farmacológicos . [19] [20] También se exige a todas las empresas fabricantes que garanticen la trazabilidad de todos sus productos, de modo que, si se descubre un producto defectuoso, se puedan rastrear otros del mismo lote.
El sulfato de calcio (sus hemihidratos α y β) es un material biocompatible bien conocido que se utiliza ampliamente como sustituto de injerto óseo en odontología o como aglutinante. [21] [22]
En los Estados Unidos, el 49% de los 250.000 procedimientos de reemplazo de válvulas que se realizan anualmente implican un implante de válvula mecánica. La válvula más utilizada es una válvula cardíaca de disco bivalvola o válvula St. Jude. La mecánica implica dos discos semicirculares que se mueven hacia adelante y hacia atrás, y ambos permiten el flujo de sangre y la capacidad de formar un sello contra el reflujo. La válvula está recubierta de carbono pirolítico y se asegura al tejido circundante con una malla de tela tejida llamada Dacron (el nombre comercial de Du Pont para el tereftalato de polietileno ). La malla permite que el tejido del cuerpo crezca, al mismo tiempo que incorpora la válvula. [23]
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 biocompatibles, las células pueden adherirse al andamio, mecánicamente fuerte y biodegradable . Un andamio exitoso es un copolímero de ácido láctico y ácido glicólico . [23]
Como se ha comentado anteriormente, los biomateriales se utilizan en dispositivos médicos para tratar, ayudar o sustituir una función dentro del cuerpo humano. La aplicación de un biomaterial específico debe combinar la composición, las propiedades del material, la estructura y la reacción in vivo deseadas necesarias para realizar la función deseada. Se definen categorizaciones de diferentes propiedades deseadas para maximizar los resultados funcionales. [24] [25]
La respuesta del huésped se define como la "respuesta del organismo huésped (local y sistémica) al material o dispositivo implantado". La mayoría de los materiales tendrán una reacción al entrar en contacto con el cuerpo humano. El éxito de un biomaterial depende de la reacción del tejido huésped con el material extraño. Se pueden generar reacciones específicas entre el tejido huésped y el biomaterial a través de la biocompatibilidad del material. [25] [26]
La funcionalidad in vivo y la longevidad de cualquier dispositivo médico implantable se ven afectadas por la respuesta del cuerpo al material extraño. [27] El cuerpo experimenta una cascada de procesos definidos en la respuesta a cuerpo extraño (FBR) para proteger al huésped del material extraño. Las interacciones entre el dispositivo y el tejido/sangre del huésped, así como el tejido/sangre del huésped sobre el dispositivo, deben comprenderse para prevenir complicaciones y fallas del dispositivo.
La lesión tisular causada por la implantación del dispositivo provoca respuestas inflamatorias y curativas durante la FBR. La respuesta inflamatoria ocurre en dos períodos de tiempo: la fase aguda y la fase crónica. La fase aguda ocurre durante las primeras horas o días de la implantación y se identifica por la exudación de líquido y proteínas [28] junto con una reacción neutrofílica. [29] Durante la fase aguda, el cuerpo intenta limpiar y curar la herida mediante el suministro de exceso de sangre, proteínas y monocitos al sitio. [30] La inflamación continua conduce a la fase crónica, que se puede clasificar por la presencia de monocitos, macrófagos y linfocitos. [29] Además, se forman vasos sanguíneos y tejido conectivo para curar el área herida. [31]
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 inmunitaria en un organismo determinado, y puede o no ser capaz de integrarse con un tipo de célula o tejido en particular . Los biomateriales inmunoinformados que dirigen la respuesta inmunitaria en lugar de intentar eludir el proceso son un enfoque que muestra ser prometedor. [32] 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 un marcapasos o un reemplazo de cadera )". Los dispositivos médicos y prótesis modernos a menudo están hechos de más de un material, por lo que puede que no siempre sea suficiente hablar de la biocompatibilidad de un material específico. [33] 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, existen otras reacciones posibles, que pueden ser tanto locales como sistémicas. Entre ellas se incluyen la respuesta inmunitaria, la reacción a un cuerpo extraño con el aislamiento del implante con un tejido conectivo vascular, la posible infección y el 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 a múltiples órganos y tejidos y causando complicaciones graves en la práctica clínica, tanto durante el trasplante como durante la implementación de materiales biocompatibles. [34]
Un biomaterial debe realizar su función prevista dentro del cuerpo vivo sin afectar negativamente a otros tejidos y órganos corporales. Para evitar interacciones no deseadas con órganos y tejidos, los biomateriales deben ser no tóxicos . La toxicidad de un biomaterial se refiere a las sustancias que se emiten desde el biomaterial mientras está in vivo . Un biomaterial no debe emitir nada a su entorno a menos que esté destinado a hacerlo. La no toxicidad significa que el biomaterial es: no cancerígeno, no pirogénico , no alergénico , compatible con la sangre y no inflamatorio . [35] Sin embargo, un biomaterial puede diseñarse para incluir toxicidad para un propósito previsto. Por ejemplo, la aplicación de biomaterial tóxico se estudia durante las pruebas de inmunoterapia contra el cáncer in vivo e in vitro . Los biomateriales tóxicos ofrecen una oportunidad para manipular y controlar las células cancerosas. [36] Un estudio reciente afirma: "Los nanobiomateriales avanzados, incluidos los liposomas , los polímeros y la sílice , desempeñan un papel vital en la administración conjunta de fármacos e inmunomoduladores . Estos sistemas de administración basados en nanobiomateriales podrían promover eficazmente las respuestas inmunitarias antitumorales y, al mismo tiempo, reducir los efectos adversos tóxicos". [37] Este es un excelente ejemplo de cómo se puede alterar la biocompatibilidad de un biomaterial para producir cualquier función deseada.
Los biomateriales biodegradables se refieren a materiales que son degradables a través de reacciones enzimáticas naturales . La aplicación de polímeros sintéticos biodegradables comenzó a fines de la década de 1960. [38] Los materiales biodegradables tienen una ventaja sobre otros materiales, ya que tienen un menor riesgo de efectos nocivos a largo plazo. Además de los avances éticos que implica el uso de materiales biodegradables, también mejoran la biocompatibilidad de los materiales utilizados para implantes. [38] Varias propiedades, incluida la biocompatibilidad, son importantes al considerar diferentes biomateriales biodegradables. Los biomateriales biodegradables pueden ser sintéticos o naturales según su fuente y el tipo de matriz extracelular (ECM). [39]
Algunos de los materiales biocompatibles (o biomateriales) más utilizados son los polímeros debido a su flexibilidad inherente y sus propiedades mecánicas ajustables . Los dispositivos médicos hechos de plástico suelen estar hechos de unos pocos, entre ellos: copolímero de olefina cíclica (COC), policarbonato (PC), polieterimida (PEI), cloruro de polivinilo de grado médico (PVC), polietersulfona (PES), polietileno (PE), polieteretercetona (PEEK) e incluso polipropileno (PP). Para garantizar la biocompatibilidad , existe una serie de pruebas reguladas que el material debe pasar para ser certificado para su uso. Estas 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 de la Organización Internacional de Normalización (ISO 10993). 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 tanto, las pruebas requeridas para un material determinado dependen de su uso final (es decir, sangre, sistema nervioso central, etc.). [40]
Dos propiedades que tienen un gran efecto en la funcionalidad de un biomaterial son las propiedades superficiales y volumétricas . [41]
Las propiedades en masa se refieren a las propiedades físicas y químicas que componen el biomaterial durante toda su vida útil. Pueden generarse específicamente para imitar las propiedades fisicoquímicas del tejido que el material reemplaza. Son propiedades mecánicas que se generan a partir de la construcción atómica y molecular de un material.
Propiedades importantes a granel: [42]
Las propiedades de la superficie se refieren a las características químicas y topográficas de la superficie del biomaterial que tendrán interacción directa con la sangre/tejido del huésped. [43] La ingeniería y modificación de la superficie permite a los médicos controlar mejor las interacciones de un biomaterial con el sistema vivo del huésped.
Propiedades superficiales importantes: [44]
Además de que un material esté certificado como biocompatible , los biomateriales deben estar diseñados específicamente para su aplicación objetivo dentro de un dispositivo médico . Esto es especialmente importante en términos de propiedades mecánicas que rigen la forma en que se comporta un biomaterial determinado. 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 una compatibilidad óptima entre el dispositivo y el cuerpo, ya sea que el dispositivo esté implantado o montado externamente. La coincidencia 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 puede provocar un fallo mecánico . 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 usarse para establecer límites de tensión a los que puede estar sujeto un dispositivo dentro o fuera del cuerpo. Dependiendo de la aplicación, puede ser deseable que un biomaterial tenga 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 equilibrio cuidadoso entre la resistencia y la rigidez que determina qué tan robusto a las fallas es el dispositivo biomaterial. Por lo general, a medida que aumenta la elasticidad del biomaterial, la resistencia máxima a la tracción disminuirá y viceversa. Una aplicación en la que un material de alta resistencia no es deseable es en las 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 al tejido cerebral y una baja resistencia a la tracción si se espera una carga aplicada. [46] [47]
Para los biomateriales implantados que pueden experimentar fluctuaciones de temperatura , por ejemplo, los implantes dentales , la ductilidad es importante. El material debe ser dúctil por una razón similar a la de 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 material de tenacidad también es importante para los implantes dentales, así como para cualquier otro implante rígido que soporte carga, como una articulación de cadera de reemplazo . La tenacidad describe la capacidad del material para deformarse bajo una tensión aplicada sin fracturarse y tener una tenacidad alta permite que los implantes de biomateriales duren más tiempo dentro del cuerpo, especialmente cuando se someten a una gran tensión o tensiones cargadas cíclicamente , como las tensiones aplicadas a una articulación de cadera durante la carrera. [46]
Para los dispositivos médicos que se implantan o se adhieren 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 el contacto conforme con la superficie del tejido , lo que 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 la electrónica epidérmica. Dado que la rigidez a la flexión depende del espesor 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 conformidad es primordial. [48]
La composición molecular de un biomaterial determina las propiedades físicas y químicas de un biomaterial. Estas composiciones crean estructuras complejas que permiten que el biomaterial funcione y, por lo tanto, es necesario definirlas y comprenderlas para desarrollar un biomaterial. Los biomateriales pueden diseñarse para replicar organismos naturales, un proceso conocido como biomimética . [49] La estructura de un biomaterial se puede observar en diferentes niveles para comprender mejor las propiedades y la función de un material.
La disposición de los átomos y los iones dentro de un material es una de las propiedades estructurales más importantes de un biomaterial. La estructura atómica de un material puede verse en diferentes niveles, el nivel subatómico , el nivel atómico o molecular , así como la ultraestructura creada por los átomos y las moléculas. Las fuerzas intermoleculares entre los átomos y las moléculas que componen el material determinarán sus propiedades materiales y químicas. [50]
El nivel subatómico observa la estructura eléctrica de un átomo individual para definir sus interacciones con otros átomos y moléculas. La estructura molecular observa la disposición de los átomos dentro del material. Finalmente, la ultraestructura observa la estructura 3-D creada a partir de las estructuras atómicas y moleculares del material. El estado sólido de un material se caracteriza por los enlaces intramoleculares entre los átomos y las moléculas que componen el material. Los tipos de enlaces intramoleculares incluyen: enlaces iónicos , enlaces covalentes y enlaces metálicos . Estos enlaces dictarán las propiedades físicas y químicas del material, así como determinarán el tipo de material ( cerámica , metal o polímero ).
La microestructura de un material se refiere a la estructura de un objeto, organismo o material visto con aumentos superiores a 25 veces. [51] Está compuesta por las diferentes fases de forma, tamaño y distribución de granos, poros, precipitados, etc. La mayoría de las microestructuras sólidas son cristalinas , sin embargo, algunos materiales como ciertos polímeros no cristalizarán cuando estén en estado sólido. [52]
La estructura cristalina es la composición de iones, átomos y moléculas que se mantienen unidos y ordenados en una forma 3D. La principal diferencia entre una estructura cristalina y una estructura amorfa es el orden de los componentes. La estructura cristalina tiene el mayor nivel de orden posible en el material, mientras que la estructura amorfa consiste en irregularidades en el patrón de ordenamiento. [53] Una forma de describir las estructuras cristalinas es a través de la red cristalina , que es una representación tridimensional de la ubicación de un factor repetitivo ( celda unitaria ) en la estructura denotada con redes . [54] Hay 14 configuraciones diferentes de disposición de átomos en una estructura cristalina, y todas están representadas bajo redes de Bravais . [ cita requerida ]
Durante la formación de una estructura cristalina, pueden formarse diferentes impurezas, irregularidades y otros defectos. Estas imperfecciones pueden formarse por deformación del sólido, enfriamiento rápido o radiación de alta energía. [55] Los tipos de defectos incluyen defectos puntuales, defectos lineales y dislocación de bordes.
La macroestructura se refiere a las propiedades geométricas generales que influirán en la fuerza de falla, la rigidez, la flexión, la distribución de la tensión y el peso del material. Requiere poco o ningún aumento para revelar la macroestructura de un material. Observar la macroestructura revela propiedades como cavidades, porosidad , burbujas de gas, estratificación y fisuras . [56] La resistencia y el módulo elástico del material son independientes de la macroestructura.
Los biomateriales se pueden construir utilizando únicamente materiales de origen vegetal y animal para alterar, reemplazar o reparar tejidos u órganos humanos. El uso de biomateriales naturales se ha utilizado desde el antiguo Egipto, donde los indígenas utilizaban piel de animales como sutura. Un ejemplo más moderno es un reemplazo de cadera con material de marfil, que se registró por primera vez en Alemania en 1891. [57]
Criterios valiosos para biomateriales naturales viables:
Ejemplos de biomateriales naturales:
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 ejemplos de biopolímeros, en los que las unidades monoméricas , respectivamente, son azúcares , aminoácidos y nucleótidos . [60] 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. [61] [62] De manera similar, la seda (biopolímero proteínico) ha generado un enorme interés de investigación en una gran variedad de dominios, incluida la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa, la microfluídica y la administración de fármacos. [63] [64]
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