presentación - Los avances de la química

¿Puede
la QUIMICA
reparar el cuerpo humano?
II Curso de Divulgación
“Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad”
Madrid ,IQOG-CSIC 21 octubre 2010
placas craneales metálicas
prótesis de barbilla y mandíbula
laringe
traquea
pulmón
corazón, marcapasos
prótesis de codo
válvula cardiaca
discos intervertebrales
uretra
prótesis de articulación de cadera
vasos sanguíneos
prótesis de rodilla
piel
M. Vallet-Regí.
Dalton Trans.
5211–5220 (2006)
ojo, lentes, córneas
nariz
dentaduras
oído
clavos para hueso
articulación de hombro
mamoplastia
esófago
riñones, hígado, páncreas
muñeca
placas de dedos
articulación de dedos de la mano
varillas y clavos de fémur
esfínter
ligamentos, suturas
tendones
varillas y clavos de tibia
prótesis de
tobillo
articulación de dedos de pie
Piezas que pueden implantarse en el organismo
Biomimetic Nanoceramics in Clinical Use. M. Vallet and D. Arcos.RSC Nanoscience and nanotechnology. Cambridge 2008.
Apatitas biológicas
Componente mineral
Componente orgánico
composición variable:
Ca8.3 0.7(PO4)4.3(HPO4,CO3)1.7(2OH,CO3)0.15
nanocristalina: 25-50nm
deficiente en Ca2+
presencia de CO32desorden estructural
a1 a2 a3
1.7
molécula de
colágeno
nanoapatitas
Hueso cortical
denso
Biomimetic Nanoceramics
in Clinical Use. From
Materials to
Applications. M. ValletRegí and D. Arcos. RSC
Publishing. 2008
Hueso trabecular
esponjoso
Molécula de
colágeno
fibra de
colágeno
Materiales compuestos
constituidos por 2 o
más materiales
Para mejorar sus
propiedades
Se diseñan, en función de la
aplicación a que se destinen
+
Efecto sinérgico
Función doble
Biomaterial
Biomineral
M. Vallet-Regi. Chem. Eng. J., 137, 1-3 (2008).
Algunos ejemplos de implantes biomédicos
Implantes
dentales
Piel artificial
Liberación controlada
de fármacos
Implantes para
articulaciones
cadera
rodilla
Órganos
artificiales
Implantes
vasculares
Esperanza de vida
Siglo I
⇒ ≅ 22 años
Inicios del s.XX ⇒ ≅ 40 años
Al final del s.XX ⇒ ≅ 80 años
Nacidos en España 1981 ⇒ ≅ 75,51 años
Nacidos en España 2005 ⇒ ≅ 80,23 años
España 2009
I.N.E.
H
76.96
M
83,43
CUÁNTO
Mosca
Abeja
Musaraña
Araña
Rata
Perro
Jirafa
Oca
Oso
Cocodrilo
Elefante asático
Humano
Tortuga
Palmera
Olivo
Castaño pedunculado
Ciprés de lawson
Secuoya gigante
VIVEN
17 días
10 semanas
1año
4 años
6 años
16 años
20 años
30 años
40 años
J.Hitzig:
55 años
“El organismo humano
60 años
está programado para
78 años
durar de 100 a 120
150 años años
200 años
1.000 años
2.000 años
3.000 años
6.000 años
Siglo I ⇒ ≅ 22 años
Inicios del s.XX ⇒ ≅ 40 años
Al final del s.XX ⇒ ≅ 80 años
E.E.U.U., Europa, Japón: 75 millones de pacientes afectados, 34 millones en riesgo
80% son mujeres.
Para el año 2050 habrá un incremento del 250%
Europa: 4 millones de fracturas al año
España: 25.000 fracturas al año
Después de experimentar una fractura, el 45% de los pacientes tienen daños
funcionales y el 50% se ven afectados por invalidez total o parcial.
Se le suman las cifras de 2,400 nuevos casos anuales de cáncer de hueso en Europa
Hueso
normal
Hueso
osteoporótico
osteosarcoma
Tras la implantación de una prótesis:
: Las moléculas de agua son las primeras que alcanzan la superficie
: El agua afecta a la interacción de las
proteínas
: Las células alcanzan la
superficie
La interacción superficial de las células tiene lugar a través del recubrimiento de proteínas, cuyas
propiedades están determinadas por las propiedades de la superficie y de la capa acuosa
Bengt Kasemo Surface Science 500 (2002) 656–677
Procesos regulados por las
proteínas en la superficie del
biomaterial
Coagulación
de la sangre
Activación del
sistema de
coagulación
Reparación/
regeneración
Activación
y
adherencia
de
plaquetas
Adhesión,
diferenciación y
proliferación
celular
Biomaterial
Inflamación
Adhesión y
activación
de
leucocitos
Activación
del sistema
complementar
io
Métodos para estudiar
la bioactividad
Implantes en
humanos
In vivo en
modelos animales
In vitro en cultivos
celulares
In vitro en
soluciones
acelulares
“Recent Developments in Bioactive Glasses and Glass-Ceramic”
Eds: E Verné & C. Vitale Brovarone (Bentham Science Publishers)
Topic 3: Methods to study the mechanism of bioactivity,
A. J. Salinas & M. Vallet-Regí
CERÁMICOS
H
He
Li Be
B
C
N O
Na Mg
Al Si P
F Ne
S Cl A
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Al2O3
ZrO2
TiO2
Sulfatos de Ca
OHAp
Fosfatos de Ca
Vitrocerámicas
Biovidrios
Carbono
-Similitud al componente
mineral del tejido óseo
Hidroxicarbonatoapatita
Ca8.3
5
0.7(PO4)4.3(HPO4,CO3)1.7(2OH,CO3)0.1
1.7
- Mecánicamente frágiles
- Bioinertes/Bioactivos
- Alto módulo elástico
ceramicas (sinterizadas)
- Aislantes
Electricidad
Calor
- Adaptación biomecánica:
Osteointegración
Bioreabsorción
METÁLICOS
H
He
Li Be
B
C
N O
Na Mg
Al Si P
F Ne
S Cl A
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
• Acero inoxidable
• Aleaciones metálicas
de Co-Cr y de Ti
• Otros metales
(Ta, Pt, Au, Ag, ...)
• Magnéticos
-Resistencia elevada
-Módulo elástico muy
superior al del hueso
- Conductores eléctricos
POLIMÉRICOS
H
He
Li Be
B
C
N O
Na Mg
Al Si P
F Ne
S Cl A
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Bioestables
Biodegradables
Polietileno
Polimetilmetacrilato
Polipropileno
Acido poliláctico
...
Acido poliglicólico
-Similitud al componente orgánico de
tejido óseo
Colágeno: Proteina de alto peso
molecular. (Sucesión de aminoácidos
enlazados covalentemente)
-Cadenas poliméricas de alto peso
molecular (diseñadas a medida)
-Bioestables
-Biodegradables
-Osteointegración de sistemas porosos
adaptación biomecánica con
módulos de elasticidad parecidos a
hueso esponjoso
- Buena bioadhesión
- Biocompatibles
Fatiga biomecánica
Poca resistencia
Biocompatibles
Bioestables
Bioactivas
Biodegradables
CERÁMICAS
Duras
Frágiles
Facil conformacion
Variedad
Corrosión?
Toxicidad?
METALES
Buen comportamiento
mecánico
POLÍMEROS
Reproducibilidad?
Toxicidad?
Estabilidad?
Malas propiedades
mecánicas.
Fluencia
http://osartim.chru-lille.fr/html/definition-gestes/kyphoplastie.htm
Sustancias que se pueden meter
en los tejidos blandos: RELLENO
Arrugas profundas en la frente
Mejillas: relleno de contorno
Cicatrices profundas de acné
Arrugas de nariz y boca
Relleno de labios
Barbilla: relleno de contorno
idea
Paciente
Biomateriales: aquí y ahora.
M. Vallet-Régí, L.Munuera.
Ed. Dykinson 2000
Identificar
una necesidad
Médico
Inventor
Investigador
Patólogos
Ingeniero
Síntesis de
materiales
Diseño
y/o
de prótesis
dispositivo
Retirada
de
implantes
Registro de la retirada
Examen patológico
Pruebas para entender el
fallo
Médico
Ingeniero
Médico
Aplicación
en clínica
Químico
Organo legislativo
Especialista en normativa
Pruebas
•
•
•
•
de
materiales
Propiedades mecánicas
Toxicología
Biorreacción al material
Interacciones con proteínas
Activación celular
Reacción tisular
Bioestabilidad
Mecanica
Química
Ingeniero
Bioquímico
Veterinario
Organismo reglamentario
Fabricación
Ingeniero
Esterilización
y
Embalaje
Reglamentación
Homologación
Estudio clínico
Ensayos clínicos
Seguimiento a largo
Pruebas del
dispositivo
implante
Toxicología
Pruebas in
“
en
Ingeniero
y/o
vitro
animales
Mecánico
industrial
plazo
Médico
Comportamiento biológico de
los materiales:
Respuesta del huésped
Respuesta del material
Interacciones
Relaciones
Estructura/Composición/Fun
ción en materiales
manufacturados y naturales
Disciplinas
fundamentales
Materiales
no vivos
Ciencia de
Materiales:
Química-FísicaIngeniería
Materiales
vivos
(Paciente)
Ciencias
Biológico-Médicas
Estructura de la disciplina de biomateriales
BIOMATERIALES
Terapia
His
tó
ri
ca
men
te
Sustitución
Reparación
Regeneración
incluye Ingeniería de Tejidos
1ª Generación
2ª Generación
3ª Generación
1ª Generación
Bioinertes
Metales
Cerámicas
Polímeros
Composites
Reacción a cuerpo extraño
t = 0
El cirujano coloca el implante
t = 3 semanas
El biomaterial queda
aislado en una bolsa
colaginosa acelular
2ª Generación
Bioactividad
Biodegradabilidad
Biocerámicas
materiales
2000
1950
1980
alúmina
circonia
mesoporosos
de sílice
fosfatos de
calcio
vidrios
M. Vallet-Regí.
Dalton Trans.
5211–5220 (2006)
vitrocerámicas
hibridos
organico-inorganico
M. Vallet-Regí.
Dalton Trans.
5211–5220 (2006)
3ª Generación: Materiales
Porosos
Bioactivos y Biodegradables
Valor añadido:
*Materiales inteligentes
*Funcionalizados
*Cargados con moléculas biológicamente
activas
Diseñados
para
estimular
respuestas
celulares
específicas a nivel molecular, para ayudar al cuerpo humano
a su curación por si mismo.
Reparación del cuerpo humano
Aproximación
biónica
Prótesis e implantes
Ortopedia, Oftalmología,
Cardiología, Vascular,
Cirugía Estética,
Odontología, Urología, etc.
1ª y 2ª generación
Aproximación
medicina regenerativa
Terapia
celular
Ingeniería
de
tejidos
3ª generación
Recolección
de células
Aislamiento
de células
Proliferación
celular
Ingeniería de tejidos
Relleno del
defecto óseo
Proliferación y/o
diferenciación en
condiciones óptimas
Sembrado de
células en el
andamiaje
Soporte
Soporte
Células
Soporte
+
células
Biocompatible
Osteoconductor
Propiedades mecánicas
Osteoinductor
Biodegradable/Reabsorbible
Poroso
Implantación
Implantación
M. Manzano, M. Vallet-Regí. J. Mater. Chem. 20, 5593-5604 (2010).
Andamios
Las propiedades superficiales:
topografía,
química de superficies,
y la carga superficial
juegan un papel fundamental en las interacciones célula-material.
Andamio
Adapted from Garcia, A. J.. Biomaterials 2005;26:7525-7529
Ingeniería tisular
Células madre
y células
progenitoras
Factores
bioquímicos
señales y
factores de
Andamiajes: crecimiento
biomateriales
naturales y
sintéticos
¿Azar o diseño ?
Muchas
gracias
a todos