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Articulo de referencia

Biomaterial

Un implante de cadera es un ejemplo de aplicación de biomateriales. Un biomaterial es una sustancia diseñada para interactuar con sistemas biológicos con fines médicos, ya sea t...

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Un implante de cadera es un ejemplo de aplicación de biomateriales.

Un biomaterial es una sustancia diseñada para interactuar con sistemas biológicos con fines médicos, ya sea terapéutico (tratar, potenciar, reparar o reemplazar la función de un tejido corporal) o diagnóstico . El campo de estudio correspondiente se denomina ciencia de los biomateriales o ingeniería de biomateriales . Ha experimentado un crecimiento constante a lo largo de su historia, con numerosas empresas que invierten grandes sumas de dinero en el desarrollo de nuevos productos. La ciencia de los biomateriales abarca elementos de medicina , biología , química , ingeniería de tejidos y ciencia de los materiales .

Un biomaterial es diferente de un material biológico, como el hueso , que es producido por un sistema biológico . Sin embargo, los términos "biomaterial" y "material biológico" se suelen usar indistintamente. Además, se ha propuesto el término "bioterial" como una posible alternativa para materiales producidos biológicamente, como el hueso o los biocompuestos fúngicos. Asimismo, se debe tener cuidado al definir un biomaterial como biocompatible , ya que su biocompatibilidad depende de la aplicación. Un biomaterial que es biocompatible o adecuado para una aplicación puede no serlo para otra. [ 1 ]

Los nanobiomateriales [ 2 ] son ​​una especialización de los nanomateriales; los nanobiomateriales son biomateriales a nanoescala [ 3 ] que se utilizan típicamente en el campo de la nanomedicina, ya que pueden interactuar activamente con sistemas biológicos e imitar estructuras biológicas. [ 4 ]

Definición de la IUPAC

Material explotado en contacto con tejidos vivos, organismos o microorganismos. [ 5 ] [ a ] ​​[ b ] [ c ]

Introducción

Los biomateriales pueden obtenerse de la naturaleza o sintetizarse en el laboratorio mediante diversos métodos químicos que utilizan componentes metálicos, polímeros , cerámicas o materiales compuestos . Suelen emplearse o adaptarse para aplicaciones médicas, constituyendo así la totalidad o parte de una estructura viva o un dispositivo biomédico que realiza, potencia o reemplaza una función natural. Estas funciones pueden ser relativamente pasivas, como en el caso de una válvula cardíaca , o bioactivas , con una funcionalidad más interactiva, como en el caso de los implantes de cadera recubiertos de hidroxiapatita . Los biomateriales también se utilizan habitualmente en odontología, cirugía y administración de fármacos. Por ejemplo, se puede implantar en el cuerpo una estructura con productos farmacéuticos impregnados, lo que permite la liberación prolongada de un fármaco durante un periodo de tiempo prolongado. Un biomaterial también puede ser un autoinjerto , un aloinjerto o un xenoinjerto utilizado como material de trasplante .

La ciencia de los biomateriales se ha convertido en uno de los campos más multidisciplinarios de todas las ciencias, ya que involucra a diferentes actores, como ingenieros, químicos, médicos, bioquímicos, clínicos y otros. Este campo continúa expandiéndose gracias a los descubrimientos realizados. [ 7 ] El término biomaterial es relativamente nuevo, ya que no existía hace 60 años. [ 8 ] Los biomateriales son cruciales, ya que su importancia es cada vez mayor al emplearse en diversas aplicaciones clínicas, como sistemas esqueléticos, ingeniería de tejidos, odontología y ortopedia. [ 9 ]

Bioactividad

La capacidad de un biomaterial diseñado para inducir una respuesta fisiológica que favorezca su función y rendimiento se conoce como bioactividad. En el caso de los vidrios y cerámicas bioactivas, este término se refiere comúnmente a la capacidad de los materiales implantados para unirse eficazmente al tejido circundante, ya sea mediante funciones osteoconductoras u osteoproductivas. [ 10 ] Los materiales para implantes óseos suelen diseñarse para promover el crecimiento óseo mientras se disuelven en el fluido corporal circundante. [ 11 ] Por lo tanto, para muchos biomateriales, es deseable una buena biocompatibilidad, junto con una buena resistencia y tasas de disolución adecuadas. Generalmente, la bioactividad de los biomateriales se evalúa mediante la biomineralización superficial, en la que se forma una capa nativa de hidroxiapatita en la superficie. Actualmente, el desarrollo de biomateriales clínicamente útiles se ve enormemente impulsado por el desarrollo de rutinas computacionales que pueden predecir los efectos moleculares de los biomateriales en un contexto terapéutico a partir de una experimentación in vitro limitada . [ 12 ]

Autoensamblaje

El autoensamblaje es el término más común en la comunidad científica moderna para describir la agregación espontánea de partículas (átomos, moléculas, coloides , micelas , etc.) sin la influencia de fuerzas externas. Se sabe que grandes grupos de estas partículas se autoensamblan en estructuras termodinámicamente estables y bien definidas, que recuerdan a uno de los siete sistemas cristalinos presentes 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 radica en la escala espacial de la celda unitaria (parámetro de red) en cada caso particular.

El autoensamblaje molecular se encuentra ampliamente en los sistemas biológicos y constituye la base de una gran variedad de estructuras biológicas complejas. Esto incluye una clase emergente de biomateriales mecánicamente superiores basados ​​en características y diseños microestructurales presentes en la naturaleza. Por lo tanto, el autoensamblaje también está emergiendo como una nueva estrategia en la síntesis química y la nanotecnología . Cristales moleculares, cristales líquidos, coloides, micelas, emulsiones , polímeros con separación de fases, películas delgadas y monocapas autoensambladas representan ejemplos de los tipos de estructuras altamente ordenadas que se obtienen mediante estas técnicas. La característica distintiva de estos métodos es la autoorganización. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Jerarquía estructural

Casi todos los materiales podrían considerarse estructurados jerárquicamente, ya que los cambios en la escala espacial generan diferentes mecanismos de deformación y daño. [ 16 ] 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 inicial de dispersión de rayos X sobre la estructura jerárquica del cabello y la lana realizado por Astbury y Woods. [ 17 ] 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 curvan en helicoides de direcciones alternas. Estos " osteones " 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. [ 18 ]

De manera similar, la jerarquía de la concha de abulón comienza a nivel nanométrico, con una capa orgánica de 20 a 30  nm de espesor. Esta capa continúa con monocristales de aragonita (un polimorfo de CaCO₃ ) que consisten en "ladrillos" de 0,5 mm de dimensión y terminan con capas de aproximadamente 0,3  mm (mesoestructura). [ 19 ]

Los cangrejos son artrópodos cuyo caparazón está formado por un componente mineralizado duro (que se fractura con fragilidad) y un componente orgánico más blando compuesto principalmente de quitina . El componente frágil se dispone en forma de hélice. Cada una de estas "varillas" minerales (de 1 μm de diámetro) contiene fibrillas de quitina-proteína de aproximadamente 60  nm de diámetro. Estas fibrillas están formadas por canales de 3  nm de diámetro que conectan el interior y el exterior del caparazón.

Aplicaciones

Los biomateriales se utilizan en:

  1. reemplazos articulares
  2. Placas óseas [ 20 ]
  3. Lentes intraoculares (LIO) para cirugía ocular
  4. Cemento óseo
  5. Ligamentos y tendones artificiales
  6. Implantes dentales para la fijación de dientes
  7. Prótesis de vasos sanguíneos
  8. válvulas cardíacas
  9. Dispositivos para la reparación de la piel (tejido artificial)
  10. Sustitutos cocleares
  11. lentes de contacto
  12. implantes mamarios
  13. Mecanismos de administración de fármacos
  14. Materiales sostenibles
  15. Injertos vasculares
  16. Stents
  17. Conductos nerviosos
  18. Suturas quirúrgicas , clips y grapas para el cierre de heridas [ 21 ]
  19. Clavos y tornillos para la estabilización de fracturas [ 22 ]
  20. Malla quirúrgica [ 23 ] [ 24 ]

Los biomateriales deben ser compatibles con el cuerpo, y a menudo surgen problemas de biocompatibilidad que deben resolverse antes de que un producto pueda comercializarse y utilizarse en un entorno clínico . Por ello, los biomateriales suelen estar sujetos a los mismos requisitos que las nuevas terapias farmacológicas . [ 25 ] [ 26 ] Asimismo, todas las empresas fabricantes deben garantizar la trazabilidad de todos sus productos, de modo que, si se detecta un producto defectuoso, se pueda rastrear a los demás del mismo lote.

Injertos óseos

El sulfato de calcio (sus hemihidratos α y β) es un material biocompatible bien conocido que se utiliza ampliamente como sustituto de injertos óseos en odontología o como su aglutinante, [ 27 ] [ 28 ] en aplicaciones ortopédicas como fracturas, osteomielitis y enfermedades congénitas, [ 29 ] en ingeniería de tejidos [ 30 ] y aplicaciones espinales. [ 31 ]

válvulas cardíacas

En Estados Unidos, el 49% de los 250 000 procedimientos de reemplazo valvular que se realizan anualmente implican el implante de una válvula mecánica. La válvula más utilizada es la válvula cardíaca de disco bivalva o válvula de St. Jude. Su mecanismo consiste en dos discos semicirculares que se mueven hacia adelante y hacia atrás, permitiendo el flujo sanguíneo y formando un sello que impide el reflujo. La válvula está recubierta de carbono pirolítico y se fija al tejido circundante con una malla de tejido llamada Dacron (nombre comercial de Du Pont para el tereftalato de polietileno ). La malla permite que el tejido corporal crezca mientras se integra con la válvula. [ 32 ]

Reparación de la piel

En la mayoría de los casos, el tejido artificial se cultiva a partir de las propias células del paciente. Sin embargo, cuando el daño es tan extremo que resulta imposible utilizar las células del paciente, se cultivan células de tejido artificial. La dificultad radica en encontrar un andamio sobre el cual las células puedan crecer y organizarse. Las características del andamio deben ser biocompatible, permitir la adhesión celular, ser mecánicamente resistente y biodegradable . Un andamio exitoso es un copolímero de ácido láctico y ácido glicólico . [ 32 ]

Propiedades

Como se mencionó anteriormente, los biomateriales se utilizan en dispositivos médicos para tratar, asistir o reemplazar 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 deseada para realizar la función requerida. Se definen categorizaciones de diferentes propiedades deseadas para maximizar los resultados funcionales. [ 33 ] [ 34 ]

Respuesta del huésped

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 reaccionan al entrar en contacto con el cuerpo humano. El éxito de un biomaterial depende de la reacción del tejido huésped ante el material extraño. Se pueden generar reacciones específicas entre el tejido huésped y el biomaterial mediante la biocompatibilidad del material. [ 34 ] [ 35 ]

Interacciones entre biomateriales y tejidos

La funcionalidad in vivo y la longevidad de cualquier dispositivo médico implantable se ven afectadas por la respuesta del organismo al material extraño. [ 36 ] El organismo experimenta una cascada de procesos, definidos como respuesta a cuerpos extraños (RCE), para protegerse del material extraño. Es fundamental comprender las interacciones entre el dispositivo y el tejido/sangre del huésped, así como entre el tejido/sangre del huésped y el dispositivo, para prevenir complicaciones y fallos del dispositivo.

La lesión tisular causada por la implantación del dispositivo provoca respuestas inflamatorias y de cicatrización durante la FBR. La respuesta inflamatoria se produce en dos periodos: la fase aguda y la fase crónica. La fase aguda se produce durante las primeras horas o días posteriores a la implantación y se caracteriza por la exudación de líquido y proteínas [ 37 ] junto con una reacción neutrofílica [ 38 ] . Durante la fase aguda, el cuerpo intenta limpiar y curar la herida mediante el aporte de sangre, proteínas y la afluencia de monocitos al sitio [ 39 ] . La inflamación continua conduce a la fase crónica, que se puede clasificar por la presencia de monocitos, macrófagos y linfocitos [ 38 ] . Además, se forman vasos sanguíneos y tejido conectivo para curar la zona lesionada [ 40 ] .

Compatibilidad

La biocompatibilidad se relaciona 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. 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 . Un enfoque prometedor es el de los biomateriales inmunológicamente informados que dirigen la respuesta inmunitaria en lugar de intentar eludir el proceso. [ 41 ] 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 una prótesis de cadera )". Los dispositivos médicos y las prótesis modernas a menudo están hechos de más de un material, por lo que no siempre es suficiente hablar de la biocompatibilidad de un material específico. [ 42 ] La implantación quirúrgica de un biomaterial en el cuerpo desencadena una reacción inflamatoria del organismo con la consiguiente curación del tejido dañado. Dependiendo de la composición del material implantado, la superficie del implante, el mecanismo de fatiga y la descomposición química, son posibles diversas reacciones. Estas pueden ser tanto locales como sistémicas. Entre ellas se incluyen la respuesta inmunitaria, la reacción a cuerpo extraño con el aislamiento del implante mediante 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 implantación de materiales biocompatibles. [ 43 ]

Toxicidad

Un biomaterial debe cumplir su función prevista dentro del cuerpo vivo sin afectar negativamente a otros tejidos y órganos. Para evitar interacciones no deseadas entre órganos y tejidos, los biomateriales deben ser no tóxicos . La toxicidad de un biomaterial se refiere a las sustancias que emite mientras está in vivo . Un biomaterial no debe liberar nada a su entorno a menos que se pretenda que lo haga. La no toxicidad significa que el biomaterial es: no carcinogénico, no pirógeno , hipoalergénico , compatible con la sangre y no inflamatorio . [ 44 ] Sin embargo, un biomaterial puede diseñarse para incluir toxicidad con un propósito específico. Por ejemplo, la aplicación de biomateriales tóxicos se estudia durante las pruebas de inmunoterapia contra el cáncer in vivo e in vitro . Los biomateriales tóxicos ofrecen la oportunidad de manipular y controlar las células cancerosas. [ 45 ] 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". [ 46 ] Este es un ejemplo clave de cómo se puede alterar la biocompatibilidad de un biomaterial para producir cualquier función deseada.

Biomateriales biodegradables

Los biomateriales biodegradables se refieren a materiales que se degradan mediante reacciones enzimáticas naturales . La aplicación de polímeros sintéticos biodegradables comenzó a finales de la década de 1960. [ 47 ] Los materiales biodegradables tienen una ventaja sobre otros materiales, ya que presentan un menor riesgo de efectos nocivos a largo plazo. Además de los avances éticos que ofrecen los materiales biodegradables, también mejoran la biocompatibilidad de los materiales utilizados para implantes. [ 47 ] Varias propiedades, incluida la biocompatibilidad, son importantes al considerar diferentes biomateriales biodegradables. Los biomateriales biodegradables pueden ser sintéticos o naturales, dependiendo de su origen y del tipo de matriz extracelular (MEC). [ 48 ]

Plásticos biocompatibles

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 fabricados con plásticos suelen estar hechos de algunos de ellos, entre los que se incluyen: polímero de olefina cíclica (COP), copolímero de olefina cíclica (COC), policarbonato (PC), polieterimida (PEI), cloruro de polivinilo (PVC) de grado médico, polietersulfona (PES), polietileno (PE), polieteretercetona (PEEK) e incluso polipropileno (PP). Para garantizar la biocompatibilidad , existe una serie de pruebas reglamentadas que el material debe superar para obtener la certificación de uso. Estas incluyen la prueba de reactividad biológica de la Farmacopea de los Estados Unidos IV (USP Clase IV) y la norma ISO 10993 de la Organización Internacional de Normalización (ISO 10993) para la evaluación biológica de dispositivos médicos. El objetivo principal de las pruebas de biocompatibilidad es cuantificar la toxicidad aguda y crónica del material y determinar cualquier posible efecto adverso durante su uso; por lo tanto, las pruebas requeridas para un material determinado dependen de su uso final (es decir, sangre, sistema nervioso central, etc.). [ 49 ]

Propiedades superficiales y volumétricas

Dos propiedades que tienen un gran efecto en la funcionalidad de un biomaterial son las propiedades superficiales y volumétricas . [ 50 ]

Las propiedades macroscópicas 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 derivadas de la estructura atómica y molecular del material.

Propiedades macroscópicas importantes: [ 51 ]

Las propiedades superficiales se refieren a las características químicas y topográficas de la superficie del biomaterial que interactuarán directamente con la sangre/tejido del huésped. [ 52 ] La ingeniería y modificación de superficies permite a los clínicos controlar mejor las interacciones de un biomaterial con el sistema vivo del huésped. La superficie de los biomateriales se considera importante, ya que participa en muchas interacciones importantes del material con, por ejemplo, las células que lo rodean. Esto está relacionado con la respuesta celular que se producirá cuando el material se inserte en el cuerpo. [ 53 ] Existen muchas herramientas de análisis de superficies que se utilizan en el campo de la ciencia de los biomateriales, como la microscopía electrónica de barrido, que se considera importante ya que puede predecir el fracaso o el éxito de un dispositivo médico. [ 54 ]

Propiedades superficiales importantes: [ 55 ]

  • Mojabilidad (energía superficial)
  • Química de superficies
  • Texturas superficiales (lisas/rugosas)
    • Los factores topográficos, incluidos el tamaño, la forma, la alineación y la estructura, determinan la rugosidad de un material. [ 56 ]
  • Tensión superficial
  • Carga superficial

Propiedades mecánicas

Además de estar certificado como biocompatible , los biomateriales deben diseñarse específicamente para su aplicación en un dispositivo médico . Esto es especialmente importante en lo que respecta a las propiedades mecánicas , que determinan el comportamiento del biomaterial. Uno de los parámetros más relevantes es el módulo de Young, E , que describe la respuesta elástica del material a las tensiones . Los módulos de Young del tejido y del dispositivo al que se acopla deben coincidir estrechamente para lograr una compatibilidad óptima entre el dispositivo y el cuerpo, tanto si el dispositivo está implantado como si se monta externamente. La coincidencia del módulo elástico permite limitar el movimiento y la delaminación en la interfaz biológica entre el implante y el tejido, así como evitar la concentración de tensiones que puede provocar fallos mecánicos . Otras propiedades importantes son la resistencia a la tracción y a la compresión , que cuantifican las tensiones máximas que un material puede soportar antes de romperse y pueden utilizarse para establecer los límites de tensión a los que un dispositivo puede estar sometido, tanto dentro como fuera del cuerpo. Dependiendo de la aplicación, puede ser deseable que un biomaterial tenga alta resistencia para que sea resistente a la falla cuando se somete a una carga; sin embargo, en otras aplicaciones puede ser beneficioso que el material tenga baja resistencia. Existe un equilibrio preciso entre resistencia y rigidez que determina la robustez del dispositivo de biomaterial frente a la falla. Por lo general, a medida que aumenta la elasticidad del biomaterial, la resistencia a la tracción máxima disminuye y viceversa. Una aplicación donde no se desea un material de alta resistencia 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 del tejido cerebral y una baja resistencia a la tracción si se espera una carga aplicada. [ 57 ] [ 58 ]

Para los biomateriales implantados que pueden experimentar fluctuaciones de temperatura , como los implantes dentales , la ductilidad es importante. El material debe ser dúctil por una razón similar a la de la resistencia a la tracción, ya que 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 tenacidad también es importante para los implantes dentales, así como para cualquier otro implante rígido que soporte carga, como una prótesis de cadera . La tenacidad describe la capacidad del material para deformarse bajo tensión sin fracturarse , y una alta tenacidad permite que los implantes de biomaterial duren más tiempo dentro del cuerpo, especialmente cuando se someten a grandes tensiones o cargas cíclicas , como las que se aplican a una articulación de la cadera al correr. [ 57 ]

Para los dispositivos médicos que se implantan o se adhieren a la piel, otra propiedad importante a considerar es la rigidez a la flexión, D. La rigidez a la flexión determinará qué tan bien la superficie del dispositivo puede mantener un contacto conforme con la superficie del tejido , lo cual es especialmente importante para dispositivos que miden el movimiento del tejido ( deformación ), señales eléctricas ( impedancia ) o que están diseñados para adherirse a la piel sin delaminarse , como en la electrónica epidérmica. Dado que la rigidez a la flexión depende del espesor del material, h , elevado a la tercera potencia ( h³ ), es muy importante que un biomaterial pueda formarse en capas delgadas en las aplicaciones mencionadas anteriormente donde la conformabilidad es primordial. [ 59 ]

Estructura

La composición molecular de un biomaterial determina sus propiedades físicas y químicas. Estas composiciones crean estructuras complejas que permiten el funcionamiento del biomaterial y, por lo tanto, es necesario definirlas y comprenderlas para su desarrollo. Los biomateriales pueden diseñarse para imitar organismos naturales, un proceso conocido como biomimética . [ 60 ] La estructura de un biomaterial puede observarse a diferentes niveles para comprender mejor sus propiedades y funcionamiento.

Estructura atómica

Modelo de Rutherford de la estructura atómica del litio-7

La disposición de átomos e iones dentro de un material es una de las propiedades estructurales más importantes de un biomaterial. La estructura atómica de un material puede observarse en diferentes niveles: subatómico , 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. [ 61 ]

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 tridimensional creada a partir de las estructuras atómica y molecular del material. El estado sólido de un material se caracteriza por los enlaces intramoleculares entre los átomos y moléculas que lo componen. Los tipos de enlaces intramoleculares incluyen: enlaces iónicos , enlaces covalentes y enlaces metálicos . Estos enlaces determinarán las propiedades físicas y químicas del material, así como su tipo ( cerámica , metal o polímero ).

Microestructura

Una celda unitaria muestra la ubicación de los puntos de la red que se repiten en todas las direcciones.

La microestructura de un material se refiere a la estructura de un objeto, organismo o material vista a aumentos superiores a 25 veces. [ 62 ] 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 cristalizan en estado sólido. [ 63 ]

Estructura cristalina

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. [ 64 ] 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 . [ 65 ] Hay 14 configuraciones diferentes de disposición de átomos en una estructura cristalina, y todas están representadas bajo redes de Bravais .

Defectos de la estructura cristalina

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. [ 66 ] Los tipos de defectos incluyen defectos puntuales, defectos lineales y dislocaciones de borde.

Macroestructura

La macroestructura se refiere a las propiedades geométricas generales que influyen en la fuerza de rotura, la rigidez, la flexión, la distribución de tensiones y el peso del material. Se requiere poca o ninguna magnificación para revelar la macroestructura de un material. La observación de la macroestructura revela propiedades como cavidades , porosidad , burbujas de gas, estratificación y fisuras . [ 67 ] La resistencia y el módulo elástico del material son independientes de la macroestructura.

biomateriales naturales

Los biomateriales pueden construirse utilizando únicamente materiales de origen vegetal y animal para alterar, reemplazar o reparar tejidos u órganos humanos. El uso de biomateriales naturales se remonta al antiguo Egipto, donde los pueblos indígenas utilizaban pieles de animales como suturas. Un ejemplo más moderno es el reemplazo de cadera con marfil, documentado por primera vez en Alemania en 1891. [ 68 ]

Criterios valiosos para la viabilidad de biomateriales naturales:

Ejemplos de biomateriales naturales:

Biopolímeros

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, cuyas unidades monoméricas son, respectivamente, azúcares , aminoácidos y nucleótidos . [ 71 ] La celulosa es el biopolímero más común y el compuesto orgánico más común en la Tierra. Alrededor del 33 % de toda la materia vegetal es celulosa. [ 72 ] [ 73 ] De manera similar, la seda (un biopolímero proteínico) ha generado un enorme interés de investigación en diversos campos, como la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa, la microfluídica y la administración de fármacos. [ 74 ] [ 75 ]

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ La noción de explotación incluye la utilidad para aplicaciones y para la investigación fundamental para comprender también las perturbaciones recíprocas. [ 5 ]
  2. ↑ La definición de "material no viable utilizado en un dispositivo médico, destinado a interactuar con sistemas biológicos" recomendada en la referencia [ 6 ] no puede extenderse al ámbito ambiental donde se entiende "material de origen natural". [ 5 ]
  3. ↑ Este término general no debe confundirse con los términos biopolímero o biomacromolécula . Se recomienda el uso de "biomaterial polimérico" cuando se trata de polímeros o dispositivos poliméricos de interés terapéutico o biológico. [ 5 ]

Referencias

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