jueves, 28 de junio de 2012


BIOMATERIALES

Se define biomaterial como cualquier sustancia o combinación de sustancias, de origen natural o sintético, diseñadas  para actuar interfacialmente con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar, aumentar o sustituir algún tejido, órgano o función del organismo humano. Desafortunadamente, el término biomaterial se utiliza equivocadamente en un sentido más amplio para designar cualquier objeto utilizado en relación con la asistencia sanitaria, incluido el embalaje.

Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus funciones, lo que implica que están expuestos de modo temporal o permanente a fluidos del cuerpo.

Las condiciones que debe cumplir un material para ser un buen biomaterial son:

El material no debe incluir componentes solubles en el sistema vivo excepto si es de forma intencionada para conseguir un fin específico (por ejemplo en sistemas de liberación de medicamentos).
El sistema vivo no debe degradar del implante excepto si la degradación es intencionada y diseñada junto con el implante (por ejemplo en suturas adsorbibles).
Las propiedades físicas y mecánicas del polímero, deben ser las más apropiadas para ejercer la función para la que han sido elegidas (por ejemplo un tendón sustituido debe tener un módulo de tensión adecuado, una membrana de diálisis la permeabilidad apropiada, una junta de cadera debe tener un bajo coeficiente de rozamiento). Las propiedades mecánicas deseadas deben mantenerse durante el tiempo de vida esperado para el implante.
El material debe ser biocompatible, siendo este concepto extensible al potencial cancerígeno que pueda poseer y a la interacción con el sistema inmunológico del que va a formar parte.
El implante debe ser esterilizable y libre de bacterias y endotoxinas adheridas a las paredes de las células de las bacterias.
En general la mayor parte de los biomateriales no satisfacen todas estas condiciones, de manera que los materiales utilizados en medicina deben de ser diseñados específicamente para cumplir unas determinas funciones. Así se puede afirmar que es una labor que hay que realizar entre el médico, científico y el ingeniero. 
Atendiendo a su origen, los biomateriales pueden ser:
- naturales: son materiales complejos, heterogéneos y difícilmente caracterizables y procesables. Algunos ejemplos son el colágeno purificado, fibras proteicas (seda, lana ...), etc..
- sintéticos: Los biomateriales sintéticos pueden ser metales, cerámicas o polímeros y comúnmente se denominan materiales biomédicos, para diferenciarlos de los biomateriales de origen natural.
Se puede hacer una clasificación según el tiempo que deben mantener su funcionalidad cuando se aplican como  implantes quirúrgicos.
- En el primer grupo se incluyen todos aquellos implantes que deben tener un carácter permanente, como son los sistemas o dispositivos utilizados para sustituir parcial o totalmente a tejidos u órganos destruidos como consecuencia de una enfermedad o trauma.
- En el segundo grupo, se incluyen los biomateriales degradables de aplicación temporal, es decir, aquellos que se diseñan para desempeñar una función y finalmente ser absorbidos o integrados en el sistema biológico. Por tanto la eliminación quirúrgica de estos componentes no es necesaria.
Atendiendo a su naturaleza química pueden clasificarse en:

-          Biometales.
-          Biocerámicas.
-          Biopolímeros.

Esta va a ser la clasificación que vamos a seguir.


Breve historia de los biomateriales en medicina
La primera aplicación de biomateriales en medicina no se produce hasta 1860 con la introducción de las técnicas quirúrgicas asépticas. A principios de 1900 se aplican las primeras placas óseas hechas de metal con la finalidad de separar roturas o fracturas. Durante los siguientes años las aleaciones metálicas constituyen la única forma de biomateriales en uso. No es hasta la Segunda Guerra Mundial que se produce un rápido avance en la ciencia de los polímeros, principalmente enfocado a las aplicaciones médicas. El poli (metilmetacrilato) (PMMA) fue uno de los primeros polímeros utilizados como material biomédico, aplicándose como material par reparar la córnea humana [Robinson et al., 2001].
Los polímeros no únicamente reemplazaron a otros materiales en aplicaciones médicas, como la sustitución de los catéteres metálicos por polietileno, sino que abrieron el  campo a otras nuevas aplicaciones antes difícilmente asequibles. Así, en 1950 se fabrica el primer corazón artificial, llevado a la práctica a finales de 1960. En la actualidad los polímeros continúan en amplio crecimiento y sus aplicaciones son cada vez mayores dentro del campo de la medicina, mejorando las propiedades de los materiales ya existentes y desarrollando nuevos polímeros par aplicaciones específicas. En la figura 1 se muestra una secuencia histórica de los polímeros de mayor relevancia en el campo de la medicina desde su aparición.

BIOMETALES
La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la banda de valencia  la banda de conducción en su estructura electrónica, y es esto lo que le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad.
El concepto de metal refiere se refiere tanto a elementos puros, así como a aleaciones con características metálicas. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio.
Los metales tienen una serie de propiedades características como son:
-          Maleabilidad: Capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a esfuerzos de compresión
-          Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser sometidos a esfuerzos de tracción
-          Tenacidad: resistencia que presentan los metales a romperse al recibir fuerzas bruscas
-          Resistencia mecánica: Capacidad para resistir esfuerzo de tracción, comprensión,torsión y flexión sin deformarse ni romperse

Además tienen un punto de fusión  alto y son buenos conductores de calor y electricidad, todo estas propiedades aportan a los metales unas cualidades propias para utilizarse en el cuerpo humano.
A pesar de las cualidades ya descritas de los elementos metálicos, hay que señalar que el número de metales que se utilizan en la fabricación de implantes es muy limitado, teniendo en cuenta que más de tres cuartas partes del sistema periódico son elementos metálicos, y esto se debe a la falta de biocomatibilidad.
El primer requisito para su utilización en implantes es que sean tolerados por el organismo, por lo que es muy importante la dosis que puedan aportar a los tejidos vivos.


Elementos que se utilizan como biomateriales metálicos

Un requisito imprescindible para la utilización como biomaterial es que tengan una buena resistencia a la corrosión, ya que esto es un problema general de los metales, que se ve agravado en estos casos debido al entorno en el que se encuentra, el cuerpo humano es un medio hostil, ya que se encuentra a temperaturas elevadas, unos 37 º C y en condiciones agresivas. Es por eso que se buscan elementos metálicos que se escapan del problema de la corrosión como pueden ser los metales preciosos, o bien otros que se pasiven, es decir que formen una capa de óxido en su superficie protegiendo el interior del metal y evitando así el avance de la corrosión, como bien ocurre en el Titanio.

Los implantes metálicos se utilizan esencialmente cuando su función principal es la de soportar carga, ya que tienen una resistencia elevada y un módulo elástico superior al del hueso.
Una prótesis muy común realizada con elementos metálicos son los implantes de cadera, donde se utilizan aleaciones de Co-Cr.
















     El principal inconveniente de los implantes metálicos es el rechazo que pueda originarse a causa de un ataque del sistema inmune.

Interacción del biometal con el organismo

La biocompatibilidad del material esta ampliamente relacionada con las reacciones entre la superficie del material y la respuesta inflamatoria del tejido húesped. Esta respuesta depende de varios factores, no solo relacionados con el biomaterial, sino también con características del paciente y el procedimiento quirúrgico. Considerando solamente el material, la biocompatiblidad de los metales esta principalmente determinada por la toxicidad de los metales individuales presentes, las reacciones químicas superficiales, la rugosidad y la porosidad.
La respuesta casi inerte de los metales es consecuencia del proceso de encapsulamiento que toma lugar después de la implantación, a través del cual el metal queda rodeado y aislado del tejido circundante. El primer paso de estre proceso es que el implante es cubierto por coágulos sanguineos que contienen leucocitos, eritrocitos, trombocitos y proteinas coagulantes. Tanto el implante como la cirugía disparan una reaccion inflamatoria que elimina el tejido dañado, coágulos y bacterias.
Las células inflamatorias llegan a la zona dañada para expurgar los reisudos y materiales extraños. Al retardarse el proceso de limpieza, las enzimas de los macrófagos activados inducen a los fibroblastos a crear una capsula fibrosa alrededor del implante. El material queda encapsulado por una capa fibrosa delgada alrededor del implante, lo cual puede ser ideal par aimplantes en contacto o que sustituyan tejidos suaves. Por el contrario en tejidos duros la capa fibrosa impide la integración del implante al hueso, debilitando la unión implante-hueso.

Para  una interacción metal- tejido duro, un implante ideal se esperaria un comportamiento diferente, después de la reacción inflamatoria se inicia una respuesta reparativa entre dos o tres dias después de la colocación del implante. Entonces las células pluripotente provenientes de la médula ósea se diferencian en osteoblastos formando una capa cerca de la superficie del implante. Los osteoblastos, fibroblasots y capilares penetran en la capa de coágulo, reemplazandola y llenando el espacio entre el hueso y el implante con una matriz extracelular rica en colágeno, la cual posteriormente mineralizaría. Durante la mineralización se forman vesículas en la matriz que confinan al material calcificado. De modo que la presencia de vesículas sobre el biomaterial a corto tiempo del implante es un buen signo de aceptación primaria del material. Al romperse la membrana de las vesículas, emergen los cristales de apatita formando estructuras calcificadas. Estos continuan creciendo y mineralizando hasta alcanzar y unirse a la superficie del implante.




Interacción metal-sangre

Otra de las aplicaciones actuales de los biomateriales metálicos, donde se incluye el acero inoxidable, el nitino, el titanio y aleacciones de platino iridio y otras de magnesio son en aplicaciones cardiovasculares, donde tienen un particular interés en el desarrollo de stents. Los stents son utilizados para tratar la enfermedad coronaria arterial (ECA). La causa más frecuente de la ECA es una enfermedad denominada aterosclerosis que se produce cuando se forman una sustancia cérea dentro de las arterias (colesterol, calcio, fibrina…) dificultando el flujo de sangre al corazón. Se recurre a cirugía para reducir el riesgo de un ataque cardiaco, colocando un stent, que es una malla metálica de forma tubular que permite mantener abierto el vaso sanguíneo.



BIOCERÁMICAS

Un material cerámico es aquel de naturaleza inorgánica o mineral, no metálico, que se procesa mediante calor, en un horno o al fuego.
Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos, casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos.
Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a altas temperaturas, su gran dureza lo hace un material ampliamente utilizado como abrasivo.
Las biocerámicas se introducen en la década de los setenta, una época en la que comenzaban a detectarse fracasos en los biomateriales utilizados hasta ese momento, como eran el acero, aleaciones de cobalto y polimetilmetacrilato.
El fracaso se debía, entre otras razones, a la encapsulación de estos materiales, lo que hico dirigir las miradas hacia las cerámicas, en un intento de buscar una buena oseointegración. Sin embargo la fragilidad típica de las cerámicas restringió, en gran medida, su campo de aplicación, seleccionando sólo funciones que no necesitaran elevadas prestaciones mecánicas, a excepción de la alúmina y la zircona, que se emplearon y emplean en articulaciones de cadera.

Elementos que se utilizan como biomateriales cerámicos

Hay que tener presente que las biocerámicas podrían ser los biomateriales ideales, ya que poseen una buena biocompatibilidad y oseointegración, ya que tienen una baja reactividad química y son bastante inertes, y a su vez, son los materiales más parecidos al componente mineral del hueso

Ca10(PO4)6(OH)2

La estructura cristalográfica de la HAp consiste en un apilamiento casi compacto de los grupos fosfato que forman dos tipos de túneles paralelos en el eje C, donde se localizan los iones Ca2+.  Una de las principales características de la estructura apatítica es la de admitir un gran número de sustituciones que dejan sin cambio la estructura cristalográfica. La hidroxiapatita fosfocálcica cristaliza en el sistema hexagonal (grupo espacial =P6 3/m) de acuerdo con los siguientes parámetros cristalográficos:

                        a = 9,418 Å,                c = 6,881 Å,                b = 120°.



             
       Imagen por SEM                                                        Difractograma



Las aplicaciones de las biocerámicas hoy en día están centrada en la fabricación de implantes que no soporten cargas, como es el caso de la cirugía del oído medio, en el relleno de defectos óseos tanto en cirugía bucal como en cirugía ortopédica y en el recubrimiento de implantes dentales y articulaciones metálicas, pero su futuro es mucho más ambicioso.













                  


BIOPOLIMEROS

Aunque los polímeros son inferiores a los metales  y a las cerámicas en términos de propiedades de resistencia, poseen características que los hacen muy atractivos en aplicaciones biomédicas, entre ellas su baja densidad, resistencia química y facilidad de moldeo, lo que se traduce en menor coste. Debido a todas estas cualidades son los más utilizados en la actualidad.


APLICACIONES

A. CARDIOVASCULARES:
  • Válvulas cardiacas
Los biopolímeros se usan con éxito en válvulas cardiacas. Las válvulas cardiacas humanas son propensas a sufrir enfermedades como la estenosis y la insuficiencia. La estenosis se presenta porque la válvula cardiaca se vuelve rígida y eso impide que se abra completamente. La insuficiencia es una condición en la cual la válvula cardiaca permite cierto reflujo de sangre. Ambas condiciones son peligrosas  se deben tratar mediante el remplazo de la válvula cardiaca dañada, ya sea con una válvula de tejido animal o cadavérico o con una válvula artificial.
La ventaja de las válvulas de cerdo respecto a las mecánicas es que se trata de un tejido natural, mucho más parecido al tejido humano. El inconveniente es que, precisamente por ser natural, la fiablidad no siempre es del cien por cien, y el desgaste acostumbra a ser superior que en las válvulas mecánicas.
La válvula artificial consiste en un reborde, dos foliolos semicirculares y un aro de costura. El reborde y los foliolos pueden hacerse con materiales tales como aleaciones de Ti o Co-Cr. El aro está hecho de biopolímeros como PTFE(teflón) expandido o PET(Dracon). Tiene la función crucial de conectar la válvula al tejido cardiaco mediante la aplicación de suturas. Los materiales poliméricos son los únicos con los que se puede hacer esta conexión. Los foliolos permiten el flujo de la sangre en la posición que se muestra en la figura y en posición cerrada obstruyen dicho flujo. La coagulación de la sangre, que es un efecto colateral indeseable, se presenta debido a la interacción de los glóbulos rojos de la sangre con la valvula artificial. Los pacientes con valvulas cardiacas artificiales deben usar anticoagulantes.
  • Injertos vasculares
Los injertos vasculares se usan en operaciones de derivación coronaria para desviar el flujo sangúineo de arterias severamente obstruidas. Estos injertos vasculares pueden ser de tejidos naturales o artificiales. Los injertos artificiales deben tener alta resistencia a la tencsión y resistir las oclusiones (taponamientos) de la arteria causadas por trombosis (coagulación sanguínea). El teflón o el dracon se usan para esta aplicación. Sin embargo el teflón tiene mejor desempeño contra la oclusión.

A. OFTALMICAS

Los polímeros son cruciales e irremplazables en aplicaciones oftálmicas. Las funciones ópticas del ojo son corregidas por medio de anteojos, lentes de contacto (blandas y duras) e implantes intraoculares, y todos ellos están hechos principalmente de polímeros.
Las lentes duras se fabricaban inicialmente de PMMA que tiene excelente propiedades ópticas pero carece de permeabilidad al O2. En la actualidad se está investigando para fabricar lentes rígidas con mayor permeabilidad al O2, llamadas lentes rígidas permeables a gases (RGP). Para ello al PMMA se le añaden siliconas y fluoropolímeros.

Las lentes de contacto blandas están hechas de hidrogel, un material polimérico hidrofílico que absorbe el agua y al hacerlo se hincha hasta un nivel específico. Debida a su naturaleza blanda, los hidrogeles pueden adoptar la forma exacta de la córnea y permitir así un ajuste adecuado.
- Carácter hidrófilo: debido a la presencia en la estructura de grupos solubles en agua (-OH, -COOH, -CONH2, -CONH, SO3H).
- Insolubles en agua: debido a la existencia de una red polimérica tridimensional en su estructura.
- Presentan elástica la cual está determinada la baja densidad de entrecruzamiento del polímero. Gracias a esto pueden adoptar la forma exacta de la córnea. Permitiendo así un ajuste adecuado
- Se hinchan en agua aumentando considerablemente su volumen hasta alcanzar un equilibrio químico-físico, pero sin perder su forma. La forma no hidratada se denomina xerogel. 
- Además, la córnea necesita O2, que únicamente se puede permear a través de las lentes blandas. Los hidrogeles hidratados permiten un grado significativo de permeabilidad del O2.

El material original usado era el poli-HEMA (2-hidroetilmetacrilato), pero se han desarrollado otros nuevos polímeros con mejores técnicas de fabricación para producir lentes de contacto blandas más delgadas.

El tratamiento de afecciones tales como la catarata ( turbiedad del lente ocular debido al exceso de células muertas) requiere cirugía y la remoción del cristalino opaco del ojo, y su subsecuente reemplazo con implantes de lentes intraoculares. Los lentes intraoculares consisten en una lente y táctiles (brazas laterales), que son necesarios para unir las lentes a los ligamentos de suspensión a fin de mantener las lentes en su lugar. Al igual que con las lentes duras, tanto la porción óptica como los brazos laterales de la maoría de las lentes intraoculares están hechos de PMMA.






SISTEMAS DE ADMINISTRACIÓN DE MEDICAMENTOS

En muchas ocasiones no es posible administrar los medicamentos utilizando píldoras o inyecciones, por el efecto adverso del mismo en otros órganos o tejidos. Para ello usamos sistemas de implantes para la administración de estos medicamentos. Estos implantes se fabrican con polímeros biodegradables, como PLA y PGA. La matiz de polímero contiene al medicamento y es implantada en el lugar deseado del cuerpo. A medida que el polímero se degrada se va liberando progresivamente el medicamento.

MATERIALES DE SUTURA

Las suturas se usan para cerar heridas e incisiones. Deben poseer dos características:
           - Resistencia a la tensión para cerrar las heridas.
            - Resistencia en el nudo para mantener la fuerza de la sutura después de cerrar
Las suturas puede ser absorbibles o no absorbibles, cada una de ellas hechas de…

Las suturas no absorbibles permanecen intactas por un periodo de tiempo indefinido cuando se colocan en el cuerpo, mientras que las suturas absorbibles son biodegradables

  1. ORTOPÉDICAS

  • PRÓTESIS DENTALES
Durante los últimos años, han aparecido como alternativa a la cerámica unos materiales con una composición básica similar a las clásicas resinas compuestas, es decir, una matriz orgánica y un relleno inorgánico. La matriz orgánica suele ser de PE o PMMA.
Algunos estudios, como el aparecido en el Clinical Research Associates Newsletter (1998), indican como principales características de estos materiales (comparándolas con las cerámicas): menor capacidad de abrasionar los dientes antagonistas, mayor tendencia al desgaste sobretodo en zonas oclusales (término que se aplica a la superficie masticatoria de los dientes molares), mayor facilidad para su reparación clínica, una estética aceptable, mayor aparición de sensibilidades post-operatorias
o       PRÓTESIS DE ARTICULACIONES
Uno de los motivos más frecuentes en Cirugía Ortopédica de la artroplastia o implantación de una prótesis es la artrosis. También ciertas fracturas de cadera y hombro se tratan mediante la implantación de una prótesis, algunos tumores óseos articulares se tratan quirúrgicamente con un implante protésico.

Tradicionalmente para esto se utilizaban piezas de platino u otros materiales, pero el problema era que el paciente no recuperaba ni siquiera un mínimo de movilidad en estas partes del cuerpo, pues una pieza de platino no podía rotar sobre un hueso, y así quedaba condenado a una silla de ruedas o a usar muletas o bastones, ni hablar de su vida deportiva. Como alternativa ha surgido la utilización de ciertos materiales plásticos, como el UHMWPE (polietileno de densidad ultra alta).
El UHDPE puede entrecruzarse y hacerse mucho más resistente, y fabricar prácticamente cualquier forma caprichosa, pues la cabeza del fémur o la rótula de estos pacientes se puede fabricar a su medida anatómica, brindando al paciente una nueva oportunidad de poder recuperar movilidad, e incluso se han reportado casos en los que el paciente puede volver a practicar deporte (no a nivel profesional). A casi ocho años de estos primeros implantes, no se han reportado rechazos ni problemas secundarios derivados del uso de este plástico.

FUTURO DE LOS BIOMATERIALES
El desarrollo de nuevos biomateriales obliga a la complementación de conocimientos provenientes de dos áreas muy diferentes: la ciencia de materiales y la biología. La investigación actual y futura se concentra principalmente en los siguientes temas:
Materiales cerámicos: Entre los más estudiados se encuentran los biovídrios y la hidroxiapatita, empleados para la reparación de huesos debido a su capacidad de integración eficiente con el tejido vivo. Otro tema de investigación actual es el desarrollo de cementos quirúrgicos que contienen rellenos cerámicos provistos de actividad biológica. Esto mejora la fijación y estabilización del implante a largo plazo, ya que la incorporación de rellenos promueve la diferenciación celular e induce la formación de depósitos de hidroxiapatita proveniente del medio biológico en la zona de contacto entre el cemento y el hueso, lo que así posíbilita el crecimiento de tejido nuevo.
Materiales metálicos: Se buscan nuevas técnicas de procesamiento para maximizar las propiedades mecánicas de las aleaciones actuales y lograr que sus superficies tengan texturas adecuadas para inducir la respuesta biológica deseada.
Materiales poliméricos: La gran variedad de fórmulas y la versatilidad de diseño de estos materiales los han convertido en los componentes más frecuentemente utilizados en la fabricación de dispositivos biomédicos. Entre los campos de estudio actual con estos materiales cabe mencionar el desarrollo de polímeros bioabsorbibles (esto es, que son degradados en el medio biológico y sus productos de degradación son eliminados mediante la actividad celular), utilizados en estructuras, en sistemas de liberación de drogas, como soporte de células vivas, en el reemplazo de tejidos, ya sean duros o blandos, y en piezas y dispositivos para la fijación de fracturas.
Un tema de gran interés actual es el desarrollo de materiales híbridos, formados por la combinación de materiales sintéticos y naturales. Estos tienen múltiples aplicaciones, entre las que se pueden mencionar los biosensores (esto es, dispositivos capaces de reconocer señales químicas), los sistemas de liberación controlada de drogas y los materiales con superficies modificadas que contienen moléculas capaces de interaccionar en forma específica con el medio biológico. La modificación de las superficies constituye una línea de investigación importante en medicina cardiovascular. En este caso, el objetivo es incrementar la compatibilidad con la sangre de los materiales en contacto con ella, disminuyendo el daño de los componentes sanguíneos (por ejemplo hemólisis) producido por la formación de depósitos en la superficie del dispositivo. Las superficies modificadas también tienen importancia en neurología, en particular en la búsqueda de recubrimientos poliméricos para microelectrodos que permitan una adhesión selectiva de estos al tejido nervioso asegurando un buen contacto que facilite la efectiva transmisión de señales eléctricas.
Dispositivos para la liberación de drogas: La necesidad generada por el desarrollo de drogas que no pueden ser administradas por las vías tradicionales, intramuscular, subcutánea o endovenosa y la frecuente conveniencia de suministrar un fármaco de manera localizada y controlada en el lugar donde debe ejercer su acción, han promovido un área de investigación y desarrollo de biomateriales dentro del campo de la farmacia. Por ejemplo, en la elaboración de dispositivos que incorporan una droga en una matriz bioabsorbible, la liberación y consiguiente disponibilidad de la droga está determinada por la velocidad con que se degradá el polírnero que la contiene.
Soporte e implante de células vivas: En el ya mencionado campo de los órganos artificiales, se destacan las investigaciones actuales orientadas a retener células hepáticas o pancreáticas dentro de soportes formados por polímeros. Esto permite, por un lado la función normal de las células y por el otro, la protección de ellas contra el ataque del sistema inmune. El uso de materiales como soporte de células también tiene su aplicación en cardiologia donde se busca obtener prótesis vasculares en cuya superficie interna se puedan fijar las células endoteliales, lo que no se ha logrado aún con las actuales prótesis comerciales de dacrónTM o tefíónTM. Recuérdese que en condiciones fisiológicas, las células endoteliales son las que tapizan la superficie interna de los vasos sanguíneos y del corazón, y constituyen por lo tanto el material biológico que está en contacto directo con la sangre.
Tejido óseo: El campo de la ortopedia es uno de los más estudiados. Entre los temas en investigación se destaca el desarrollo de materiales para la fijación de fracturas. Estos incluyen dispositivos metálicos y materiales bioabsorbibles. La utilización de estos últimos evita el trauma de una segunda operación para extraer el dispositivo metálico, una vez que se haya soldado la fractura. También se encuentran en estudio y desarrollo materiales para implantes y regeneración del tejido. En estos casos, se emplean materiales compuestos en los que uno de sus componentes es bioabsorbible. Esto permite que el crecimiento del nuevo tejido óseo tenga lugar en forma sincronizada con la desaparición por degradación del biomaterial y contribuye a lograr la integración efectiva del implante con el tejido óseo.
Trastornos causados por la adhesión de tejidos: Una compucación común en las intervenciones quirúrgicas es la aparición de adherencias entre diferentes tejidos u órganos vecinos. Ello puede ocasionar trastornos más graves que el que causó la operación. Es común luego de una intervención quirúrgica sencilla, como por ejemplo la extirpación de un quiste de ovario, que el tejido manipulado se adhiera a los tejidos de órganos circundantes. Estas adherencias pueden, por ejemplo, impedir la libertad de movimiento del intestino delgado y dar lugar a obstrucciones intestinales. Para prevenir la aparición de las adherencias postoperatorias, se están desarrollando delgadas películas (films) de polímeros, en la mayoría de los casos bioabsorbibles, las que al evitar el contacto entre diferentes tejidos durante la fase postoperatoria, impiden la generación de adherencias.
Mejoría de los ensayos de biocompatibilidad: Es necesario desarrollar métodos más rápidos y menos costosos que los actuales, que puedan aplicarse sobre sistemas celulares, esto es in vitro, para evaluar la biocompatibilidad de nuevos materiales. Estos desarrollos reducirían el gran número de ensayos en animales y en humanos "in vivo" que deben realizarse actualmente para obtener esta información. Además, podrían predecir con un alto grado de certidumbre el rendimiento biológico del material sometido a estudio.
Ingeniería de tejidos: Esta puede ser considerada una ciencia en sí misma. Se encarga del desarrollo de sustitutos biológicos para restaurar, mantener e inducir el crecimiento de tejidos. Además del caso del tejido duro (óseo) mencionado, se estudian materiales para el tratamiento de alteraciones del músculo esquelético, del sistema cardiovascular y de trastornos neurodegenerativos.

Con el planteamiento actual hacen falta armaduras que proporcionen a las células implantadas un sustrato para que se adhieran y un soporte físico que guíe la formación de nuevos órganos. Las células transplantadas adheridas al andamio, proliferan, segregan sus propias matrices extracelulares y estimulan la formación de nuevos tejidos. Durante este proceso, el andamiaje se va degradando y puede llegar a desaparecer. El biomaterial de la armadura debe ser un material multifuncional; capaz de facilitar la adhesión de las células, estimular su crecimiento y permitir la diferenciación. También debe ser biocompatible, poroso, resistente, maleable y biodegradable.
La ingenería de tejidos se basa en la utilización de biomateriales con las características mencionadas para los materiales de tercera generación, es decir, bioactivos y bioabsorbibles, y capaces de estimular la respuesta celular y molecular de forma controlada, para que actuen como soportes temporales en la reparación de defectos óseos. Dentro de esta área existen dos tendencias principalmente, la primera consiste en el desarrollo de andamios tridimensionales acelulares, que servirán para alojar las diferentes células una vez implantados in vivo. La segunda tendencia consiste en el desarrollo de andamios tridimensionales, que inicialmente son colonizados por las células progenitoras bajo condiciones in vitro, y luego son implantados en el paciente para reemplazar el tejido dañado.


miércoles, 3 de marzo de 2010

PORCELANA

DEFINICIÓN

La porcelana es un producto cerámico, tradicionalmente blanco, compacto, duro pero frágil, translúcido, impermeable, de sonido metálico, resistente al calor y a la corrosión química.

Es importante establecer una diferencia entre el concepto de cerámica y porcelana, ya que a menudo y debido a que guardan una similitud se tiende a confundir:

Un material cerámico es aquel de naturaleza inorgánica o mineral, no metálico, que se procesa mediante calor, en un horno o al fuego. Mientras que las porcelanas serían las cerámicas de mejor calidad, obtenidas de materias primas debidamente seleccionadas, que una vez cocidas presentan menor porosidad, mejores propiedades mecánicas, con un bonito aspecto y acabado superficial.

HISTORIA

Cuenta la leyenda que la procedencia del nombre se debe a una confusión. La palabra porcelana es sinónimo de cauri cuya concha es blanca y muy apreciada en la zona oriental. Cuando Marco Polo regresó de su viaje en sus memorias escribió sobre la belleza de dichas conchas y también sobre las cerámicas chinas, y como por entonces se desconocía la fórmula de la porcelana se pensó que ésta estaba realizada con la concha nacarada del molusco de porcelana.

Existen algunas discrepancias sobre la fecha exacta de su producción, aunque generalmente se piensa que su origen esta entorno al año 618 durante la dinastía Tang, no obstante existen estudios que opinan que ya en la dinastía Sui, en el año 518 ya aparecen las primeras evidencias de su fabricación.

Es a partir del año 1368 cuando se establece la fábrica imperial en la ciudad de la porcelana fundada por Hung Wu.

Es en el siglo XVIII cuando la porcelana se extiende a Europa, se exportaba desde Oriente como artículo de lujo, cuando lograron descubrir el modo de realizarlo surgió una época de apogeo de la porcelana.

Fue el alquimista Bòttger quien descubrió que la porcelana se basaba en el uso del caolín.

MATERIAS PRIMAS

Son las materias primas las que determinan fundamentalmente el aspecto y la calidad final del producto acabado, la actual composición de la porcelana se basa en la justa composición de los siguientes materiales:

- Caolín: Es un mineral sedimentario, que proviene de la descomposición del feldespato, esta constituida principalmente por silicato de aluminio hidratado. Es ligero, con tamaño de partícula fina que facilita el mezclado, no es tóxico y es inerte. Tiene como función aportar estabilidad a la pasta a altas temperaturas.

Densidad

2.6 g/cm3

Dureza

2 – 2.5 Mohs

Tamaño de partícula

0.5 micras

Densidad

2.6 g/cm3

Dureza

6 – 6.5 Mohs

- Feldespato: Se encuentra en la mayoría de las rocas de la superficie terrestre. Es un mineral que pertenece a los silicoaluminatos y pueden ser de calcio (anortita) de sodio (albita) o de potasio (ortosa). El feldespato tiene un acabado vidrioso, y es esa propiedad la que permite su uso en la fabricación de porcelana, ya que al ser calentado forma vidrio que le da el acabado brilloso. Por otra parte también se emplea para bajar el punto de fusión del cuarzo y del caolín.

-Cuarzo: Es un mineral de estructura compacta, durísimo y rígido, debido a la fuerza de sus enlaces su punto de fusión es muy elevado, en la pasta de porcelana es el cuarzo el que evita que las piezas se contraigan o deformen. Por lo tanto, el comportamiento del cuarzo en la cocción, está caracterizado por sus transformaciones y procesos de disolución con los otros componentes de la pasta.

La conjunción de estas materias primas y el siguiente procesado:

- Se mezcla y amasa la pasta diluida con agua, cuyo principal componente es el caolín

- Se moldean las piezas

- Se cuece en hornos a unas temperaturas que oscilan entre 950 y 1800 ºC durante unas 20 horas, en esta étapa se perdera el agua de su composición, se quemará las sustancias orgánicas y el resto del carbón, así como el caolín que se transformará en metacaolín. La materia dejará de ser plástica pasando a ser indeformable quedando con una porosidad aproximadamente de un 25%

- Finalmente se decoran con esmaltes y se vuelven a hornear.

APLICACIONES

- Principalmente y a lo largo de la historia su aplicación mas destacada es la de utilizarla como elemento decorativo.

- En odontología.

A Alexis Dûchateau le surgió la idea de utilizar la porcelana como material dental al observar que los recipientes de porcelana que contenían las sustancias químicas que utilizaba en su trabajo no sufrían cambios de color ni de textura como consecuencia de los materiales que albergaban.

A pesar de que los primeros dientes fabricados en porcelana presentaban grandes defectos como el grado de contracción que sufrían al cocer eran superados por la ventaja de su estética y estabilidad en el medio oral. Tanto es así que se denominaron dientes “incorruptibles”



Desde los años de 1800 y hasta nuestros días las investigaciones se han dirigido en su mayoría a la búsqueda de mejoras en el proceso de producción encaminado a disminuir algunos de los graves problemas que presentaban como la merma durante la cocción, aumentar la resistencia, disminuir su porosidad y en general perfeccionar la técnica de elaboración.

En 1958, se produjo el mayor avance hasta ese momento en cuanto a la mejoría de la estética y la transparencia de las coronas totalmente cerámicas cuando Vines y sus colaboradores desarrollaron un sistema de procesado de las porcelanas al vacío lo que redujo considerablemente la inclusión de burbujas de aire.


- Para la eliminación de metales

Existe un estudio sobre la estabilización de metales, por medio del método de porcelanización. Se toman desechos de fundición con alto contenido de sólidos y silicios, así como desechos metálicos, estos se incorporan a una mezcla de caolín, feldespato y cuarzo (as materias primas que ya hemos visto en la fabricación de porcelana a fin de que queden atrapados en la red cristalina de ésta y sean inofensivos al medio ambiente, esto se hace con el motivo de disminuir las acumulaciones de contaminates en el planeta.

El proceso de porcelanización esta basado en la obtención de la mezcla correcta y las cocciones para dar la estabilidad adecuada para que ésta sea capaz de retener a los metales en su estructura crstalina. Se realizan experimentos con diferentes condiciones a fin de obtener una porcelana estable paa posteriormente hacer la fijación de los metales.

Como resultado se obtienen porcelanas que pueden ser decorativas, así como otras que incluso pueden emplearse en la elaboración de aislantes eléctricos o térmicos en la industria.

EL EFECTO INVERNADERO

Para explicar el efecto invernadero, primero debemos hablar sobre el balance térmico terrestre, pues el efecto invernadero negativo es una consecuencia de éste.

De toda la radiación que llega a la tierra, una parte es absorbida por las nubes, los gases y la atmósfera, y posteriormente emitida; y otra parte es reflejada por la corteza terrestre y las propias nubes.

Albedo

La parte que entra en la atmósfera, que es radiación infrarroja de alta energía (baja longitud de onda), al incidir en la superficie terrestre es reflejada, proceso que cuantificamos con el albedo (proporción de radiación solar reflejada por una superficie horizontal con respecto a la luz incidente).

Como vemos en la imagen anterior el albedo de los bosques es menor que el de los desiertos, lo que quiere decir que los bosques absorben una mayor radiación, aunque no por ello el bosque se calienta más, ya que el calor específico de cada una de las superficies es diferente. Esto se puede explicar mediante la siguiente expresión:

dQ = nCp∆T

Suponiendo que ambas superficies absorbieran el mismo calor, la arena al tener un menor Cp que la madera de los bosques (0.191cal/gºC de la arena frente a 0.570cal/gºC de la madera) provoca que haya una mayor variación de temperatura en la primera.

Una vez que hemos explicado esto, necesario para entender el efecto invernadero, pasamos a hablar del origen y fundamento del mismo.

Origen del efecto invernadero

Para que el efecto invernadero ocurra es necesario que la atmósfera sea transparente a la radiación visible e infrarroja próxima, de manera que la radiación del sol la pueda atravesar y llegue hasta la superficie terrestre para poder calentarla. También es necesario que los gases de las capas bajas de la atmósfera sean capaces de absorber las radiaciones reemitidas hacia el espacio.

La superficie de la tierra emite a una temperatura superior a la de equilibrio, y para que aparezca un gradiente negativo de temperatura, ciertas capas atmosféricas irradian a una temperatura inferior a la de equilibrio.

Por término medio la Tierra recibe del orden de 340W/m, de los cuales se reflejan 100 y el resto sería absorbido y emitido. Si esto fuese así la temperatura sería de -18ºC, pero la temperatura media de la tierra es de 15ºC. Según la Ley de Stefan-Boltzmann para tener esta temperatura debería de emitir 390W/m, por lo que la Tierra perdería más energía de la que recibe. Para compensar este déficit, de estos 390, 150 son absorbidos por nubes, aerosoles, vapor de agua y gases traza, y reemitidos a la tierra, y los 240 restantes pasarían al espacio exterior.

Ventanas atmosféricas

El efecto invernadero está limitado por la existencia de ventanas en el espectro de absorción infrarroja de los componentes de la atmósfera, que viene a ser algo así como las posibles aberturas o ventanas de un invernadero por las que se escaparía parte del calor del interior.

Trasladando este símil a la tierra, las ventanas significan que parte de la radiación emitida por la tierra se escapa al espacio exterior sin ser absorbida, contribuyendo negativamente al balance energético, es decir, perdiéndose energía.

La obturación de estas ventanas, implicaría que no escaparía energía al espacio exterior y se favorecería el recalentamiento del efecto invernadero.


Principales gases causantes del efecto invernadero

Vamos a hablar de los principales gases que provocan el efecto invernadero, aunque en realidad, cualquier gas que absorba en el infrarrojo y se encuentre presente en la atmósfera, es susceptible de colaborar con el efecto invernadero.

-Agua y vapor de agua

La contribución al efecto invernadero del agua, como vapor o nubes, es mayor del 50% (100W/maproximadamente).

Las nubes absorben tanto la radiación solar como la emitida por la superficie terrestre. Debido al elevado albedo de las nubes, una buena parte de la radiación que llega a la atmósfera desde el exterior es reflejada, con lo que no llega a incidir en la superficie terrestre, tendiendo a enfriarla; por otra parte la absorción de la radiación emitida por la atmósfera tiende a calentar la superficie terrestre contribuyendo al efecto invernadero. El papel global de las nubes sobre el balance energético terrestre depende de cual de estos dos efectos predomine, por ejemplo, variaciones muy pequeñas de nubosidad puede originar cambios significativos en el balance energético (la diferencia de absorción entre un día despejado y otro nublado es de 33W/m).

La absorción aumenta significativamente con la temperatura superficial del orden de 3,3 W/mK, lo que concuerda con el efecto invernadero relacionado con el feedback del vapor de agua (esto es, cuanto más temperatura haya, más agua se evapora, que al ascender se condensa formando las nubes y, al haber más, se absorbe más).

-Dióxido de carbono

Contribuye a una tercera parte del efecto invernadero natural que permite la vida en nuestro planeta, pero el desequilibrio de su concentración en la atmósfera debido a la industria está potenciando el efecto invernadero, tal y como vemos en la siguiente imagen

Emisiones anuales de CO2 antropogénico, expresado en masa de carbono, procedente de la quema de combustible fósil y de la fabricación de cemento. En la gráfica principal de han considerado los promedios sobre 5 años; el recuadro inserto muestra las variaciones año a año en los últimos años.

Casi todo el CO2 originado por el ser humano es por la combustión de recursos fósiles, a lo que hay que añadir otra parte como consecuencia de la desertización, pues los dos sumideros naturales de CO2 son los bosques y el agua de mar.

-Metano

El metano atmosférico tiene una capacidad de absorción de radiación infrarroja 20 veces mayor que el CO2.

El metano atmosférico procede de la descomposición anaeróbica bacteriana de las bacterias orgánicas en zonas húmedas (pantanos, arrozales y océanos), de la fermentación intestinal en organismos (fundamentalmente rumiantes), procesos incompletos de combustión de biomasa y extracción de combustibles fósiles; siendo estos tres últimos los más importantes.

Viendo la tendencia que marca el siguiente gráfico en la concentración de metano, se cree que en un futuro se convertirá en uno de los principales responsables del efecto invernadero.

Crecimiento de la concentración de metano atmosférico: (a)en los últimos 1000 años, utilizando datos de varios trozos de hielo, y (b) en años recientes; en esta última representación la línea suave corresponde al promedio de las fluctuaciones estacionales que se

-Clorofluorocarbonados (CFC)

Los CFC’s son compuestos volátiles de uno y dos carbonos que contienen cloro y/o flúor enlazado. Son muy estables, no son tóxicos y han sido utilizados durante décadas en la fabricación de espumas de polietileno, y como fluidos de refrigeración y aire acondicionado.

Los que más se han fabricado son: CCl3F (CFC-11; con punto de ebullición 24ºC); CCl2F2 (CFC-12; de punto de ebullición –28ºC); C2Cl3F3 (CFC-113); C2Cl2F4 (CFC-114); C2ClF5 (CFC-115).

Los CFC’s se nombran como CFC-abc, donde:

a: número de C-1

b: número de H+1

c: número de F

Deduciéndose los Cl de la valencia del carbono.

Así, por ejemplo, el C2Cl2F4 sería a = 2-1; b = 0+1; c = 4; por lo que es CFC-114.

Los CFC’s pueden tener otros halógenos, como el bromo, llamándose entonces halones, que son usados en sistemas de extinción de incendios. Algunos halones comerciales son CBrClF2 (halón-1211), CBrF3 (halón-1301) o C2Br2F4 (halón 2402), siendo estos dos últimos los más perjudiciales para la capa de ozono.

El impacto de estos compuestos es muy grande, incluso en concentraciones 5 veces inferiores al CO2, esto es debido a que absorben en la región de la ventana atmosférica, por lo que no dejan salir radiación al exterior, provocando entonces el efecto invernadero.

-Óxido nitroso (N2O)

Los óxidos nitrosos provienen principalmente de la combustión de centrales eléctricas, de los tubos de escape del tráfico rodado, la degradación de fertilizantes nitrogenados por las plantas (como subproducto de procesos de desnitrificación (paso de nitrito a nitrógeno) y nitrificación (paso de amonio a amoniaco) y el estiércol de vacuno. También contribuye en menos medida las emisiones industriales de la oxidación mediante ácido nítrico del ciclohexanol a ácido adípico (precursor del nylon)

Se producen por fuentes naturales 7-14 Tn/año, mientras que las procedentes de emisiones antropogénicas son 5-6 Tn/año

Contribución de estos gases al efecto invernadero

La contribución de estos gases al efecto invernadero dependerá de su concentración y de su absorción.

Gas

Acción relativa

Contribución real

CO2

1(referencia)

76%

CFCs

15000

5%

CH4

25

13%

N2O

230

6%

Soluciones al efecto invernadero.

Para el CO2 podemos usar fuentes de energía alternativas que no requieran la combustión de materiales fósiles y optimizar los procesos en las industrias.

Las concentraciones de CFC están disminuyendo gracias al convenio de Viena (1995) y el protocolo de Montreal (1997). Actualmente, está prohibido su empleo en Europa. Las concentraciones están disminuyendo muy lentamente debido a que los CFC tienen un tiempo de vida medio muy alto por su estabilidad.

Para disminuir la concentración de metano podemos alimentar el ganado con forraje de alta digestibilidad, ya que este reduce la emisión procedente de la ganadería, una de las principales fuentes, e introducir en las plantas de relleno sanitario sistemas de recogida del gas.

Para reducir las emisiones de nitroso podemos disminuir la combustión de materiales fósiles, cuya mayor fuente de emisión es el tráfico rodado, y para disminuir la emisión de esta fuente se pueden emplear catalizadores de tres fases (el problema es que son caros y se deterioran con facilidad).


Consecuencias a causa del calentamiento globlal debido al efecto invernadero

Un informe que fue presentado por el ahora ex ministro británico, Tony Blair, advirtió que el calentamiento global puede costar al mundo más que la Primera o la Segunda Guerra Mundial, y que disparara una crisis equivalente a la gran depresión de 1930. Un balance económico realizado por expertos economistas estiman que las pérdidas pueden oscilar entorno a los 7 billones de dólares.

Según este documento, los beneficios para la economía mundial de las medidas para limitar significativamente las emisiones del CO2 podrían llegar a 2,5 billones de dólares al año, a su vez el mercado de tecnologías limpias representaría un valor anual de unos 500000 millones de dólares.

En caso contrario, el aumento de las temperaturas en 3 o 4 º C durante este siglo elevaría el nivel de los mares. El número de refugiados, víctimas de las sequías o de inundaciones podría llegar a unos 200 millones de personas. Las cosas del sudeste asiático y ls pequeñas islas del Caribe y del Pacífico tendrían que ser protegidas del mar, incluso grandes ciudades como Tokio, Londres, Nueva York y El Cairo sufrirían riesgo de anegamientos.

Con el cambio climático se provee un aumento del 5 al 10% en la velocidad de los vientos en los huracanes, lo cual unido al incremento en las temperaturas de los mares se duplicarían los daños por catástrofes en países como EEUU. Se calcula que para mediados de siglo serán frecuentes las olas de calor que podrían morir miles de personas y multitudinarias pérdidas agrícolas.

También el derretimiento de los glaciares elevará primero el riesgo de inundaciones y posteriormente reducirá las existencias de agua potable. Se prevé también que con el aumento de 2 ºC en las temperaturas medias podría suponer la extinción entre un 15 y un 40% de las especies.

.

Bibliografía

[1]-PERRY, Robert H, Manual del ingeniero químico, 7ª edición, 2001, Ed. McGraw-Hill , ISBN 84-481-3342-0.

[2]-BAIRD, Colin, SEYMUR, Raymond B., CARRAHER, Charles E., Química medioambiental, 2001, Ed. Reverté , ISBN 84-291-7902-X.

[3]-SPIRO, Thomas, STIGLIANI, William M., MADRID ALBARRÁN, Yolanda, Química medioambiental, 2ª edición, 2003, Ed. Pearson Prentice Hall, ISBN 84-205-3905-8.

[4]- MANAHAN, E.S., Environmental chemistry, 7ª edición, Ed. Lewis Publishers, ISBN 1-56670-492-8.

[5]- ©PRTR-ESPAÑA. CFC (Clorofluorocarburos). [En línea] 2007. Disponible en: http://www.prtr-es.es/CFC-clorofluorocarburos,15602,11,2007.html.

[6]- Carbon Dioxide Information Analysis Center. [En línea] Disponible en: http://cdiac.ornl.gov/. .

[7]- COMM/COMM-C02. Eliminación de los CFC de los inhaladores - dosificadores

[En línea] Disponible en: http://europa.eu/scadplus/leg/es/lvb/l28073.htm [8]- ©PRTR-ESPAÑA., Halones/PRTR España, [En línea] 2007. Disponible en: http://www.prtr-es.es/Halones,15603,11,2007.html.

[9]- Nomenclatura ashrae/anse ODS- Monografías.com, , [En línea] 1997. Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos12/ods/ods.shtml#SISTEM.

[10]- Consecuencias del calentamiento global http://www.portalplanetasedna.com.ar/calentamiento.htm