II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 6

II.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.
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II.1.
Biomateriales.
Los biomateriales naturales o sintéticos utilizados actualmente, pueden estar
constituidos de materiales biológicos, metálicos, poliméricos, cerámicos y
compuestos. Estos son elegidos dependiendo de la función y al ambiente al cual
serán expuestos. Existen muchos biomateriales utilizados hoy en día y algunos
otros aún se encuentran en desarrollo para superar las deficiencias de los actuales
y mejorar sus aplicaciones en el futuro.
II.1.1. Biomateriales Biológicos.
Los injertos biológicos también son considerados biomateriales por algunos
miembros de la comunidad científica.
Los transplantes biológicos se han
caracterizados como autoinjertos, aloinjertos y xenoinjertos.
Los autoinjertos son aquellos que vienen del cuerpo del mismo paciente. Los
aloinjertos son materiales biológicos provenientes de otros individuos de la misma
especie.
orgánicos
En esta rama de injertos también se pueden considerar los tejidos
artificiales
producidos
de
células
huésped,
reproducidas
en
biorreactores especializados. Los xenoinjertos son los implantes provenientes de
especies biológicas diferentes al huésped de estudio.
En el uso de materiales biológicos en lesiones del tejido óseo se destaca el
autoinjerto proveniente del propio paciente, o bien el aloinjerto obtenido de un
donante.
II.1.2. Biomateriales Metálicos.
Los biomateriales metálicos se han usado casi exclusivamente para implantes
sometidos a esfuerzos mecánicos, como prótesis para rodilla y cadera, cables,
clavos, tornillos y placas para fijación de fracturas.
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Generalmente no se usan metales puros, sino aleaciones que frecuentemente
proveen al material de mejores propiedades, como resistencia mecánica y a la
corrosión5.
II.1.3. Biomateriales Poliméricos.
Los biomateriales poliméricos son los más usados a nivel medico-quirúrgico.
Entre estos materiales tienen particular importancia los cementos óseos acrílicos,
debido a su fácil aplicación y rápida polimerización. Sin embargo, presentan
desventajas, tales como citotoxicidad producida por el calor generado durante la
polimerización, además, la contracción que sufren una vez endurecidos, origina
micromovilidad de la prótesis fijada y, frecuentemente, conduce a problemas de
ruptura y/o desgaste. Sin embargo, pese a estos problemas, su utilización es
prácticamente insustituible5.
Los polímeros pueden ser de origen natural, como la celulosa, goma, quitina,
etcétera. También, pueden ser de origen sintético como el nylon, el teflón,
polietileno, quitosana, etcétera.
II.1.4. Biomateriales Cerámicos.
Los cerámicos son aquellos materiales que incluyen a las composiciones
inorgánicas y no metálicas. Los materiales cerámicos que son biocompatibles son
denominados biocerámicos. Generalmente son usadas como implantes de cadera
e implantes dentales entre otros. A diferencia de los metálicos, estos no sufren los
efectos de la corrosión, y aunque algunos pueden llegar a degradarse, los
productos de tal degradación pueden ser reabsorbidos por las células sin causar
mayores problemas al huésped.
Los biocerámicos pueden dividirse dependiendo del tipo de reacción con el
huésped en bioinertes, bioactivos y biodegradables.
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Los bioinertes son aquellos que no tienen ninguna reacción con el sistema del
huésped, generalmente son usados para recubrir superficies o reemplazar partes
desgastadas normalmente sometidas a altos esfuerzos. Estos materiales tienen la
cualidad de no reaccionar con el huésped, aun que su adherencia se debe
principalmente a la porosidad que tiene el material. Entre los más usados se
encuentra la alúmina Al2O3 y el oxido de titanio TiO2
Los bioactivos son aquellos que reaccionan de alguna manera con el sistema. Su
reacción esta dada por la formación de capas de apatitas o proteínas en su
superficie que facilita la unión con el huésped; esta propiedad también esta dada
por la porosidad del el material. El ejemplo más común en el caso de algunas
cerámicas que llegan a formar uniones con los huesos como la hidroxiapatita,
vidrios bioactivos (Bioglass Na2O-CaO-P2O5-SiO23) y vitrocerámicos.
Los biodegradables son aquellos que reaccionan biológica y químicamente, ya sea
degradándose bajo los efectos químicos de la sangre o por efecto de enzimas.
Estos materiales al ser degradados por el sistema, sus residuos sirven como
material de reconstrucción celular, es decir, que estos materiales fungen como
soporte mecánico y de andamiaje, los cuales después de un periodo de tiempo
variable se desintegran dejando atrás un sistema biológico regenerado. El caso
más usual son las prótesis óseas de β-Tricalcio fosfatos (β-TCP), que al
desintegrarse, los osteoclastos utilizan los residuos degradados para reemplazar
la anterior prótesis con masa ósea natural.
II.1.5. Biomateriales Compuestos.
Se conocen como materiales compuestos o compósitos a aquellos que son una
combinación de dos o más materiales (conocidos como fases) que se diferencian
en función, forma o composición a escala macroscópica. Las fases mantienen sus
identidades, es decir, no se disuelven o se mezclan completamente. Tanto los
biomateriales cerámicos como los poliméricos pueden combinarse para constituir
materiales compuestos, los que permiten la obtención de implantes que reúnen las
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mejores características biológicas y mecánicas de los materiales originales para
su empleo como sustitutos óseos ventajosos.
El hueso es un compósito natural donde la unión de pequeños cristales de
hidroxiapatita, fase mineral con la que soporta las cargas mecánicas, es reforzada
efectivamente por fibras de colágeno orgánico, lo cual le proporciona flexibilidad y
movimiento. Debido a esto, se han intentado preparar materiales compuestos
similares mediante diversos procesos, con el fin de incorporar a la matriz de
hidroxiapatita una fase de refuerzo que le permita aumentar sus propiedades
mecánicas sin el deterioro de sus propiedades biológicas.
II.2.
Wollastonita.
La wollastonita es un mineral no metálico de origen natural, de formula química
CaSiO3, es un mineral de color blanco con una estructura acicular (forma de
agujas). Químicamente se considera un mineral inerte dado a su baja o nula
reactividad con otros compuestos, con excepción del acido clorhídrico (HCl)
concentrado y el agua (H2O). Estos hacen que la wollastonita se hidrolice y se
comporte como solución buffer, manteniendo el pH básico. Es uno de los
materiales no metálicos más ampliamente utilizado en la formulación de materiales
compuestos, ya que su estructura y su baja reactividad dotan a los compósitos de
resistencia térmica, mecánica y química6.
Algunas de las propiedades físicas de la wollastonita se presentan en la Tabla I.
Asimismo, la Figura 1 muestra su morfología acicular típica, la cual confiere mayor
eficiencia mecánica en los materiales compuestos donde se encuentra presente.
Por otro lado, numerosos estudios toxicológicos han demostrado que la
wollastonita es un material totalmente biocompatible, con lo cual se ha demostrado
que no presenta propiedades adversas para la salud7.
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Tabla I: Propiedades físicas de la wollastonita
Propiedad
Característica
Densidad
2,8 - 3,1 g/ml
Punto de fusión
1.540 ºC
Dureza según la escala de Mohs
4,5 - 5,0
Sistema cristalino
Triclínico
Color
Blanco a grisáceo traslúcido
Color de raya en placa de porcelana Blanca
Expansión Térmica
6.5X10-6 mm/mm/ºC
Modulo de Elasticidad
303-530 GPa
Esfuerzo Tensil
2700-4100 GPa
Conductividad Eléctrica
1.5-11 mho/m
Solubilidad
0.0095 g/100 cc agua
Figura 1. Imagen microscópica de la wollastonita
En estudios posteriores, se ha intentado el uso de diferentes polímeros como
biomateriales para ayudar a la regeneración de tejidos. Aunque el mayor problema
que presentan es la falta de resistencia mecánica, por lo que han tenido una pobre
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aplicación en la regeneración de tejido duro, lo que ha obligado a la fabricación de
compósitos a base de polímeros y materiales inorgánicos.
Se ha demostrado que la wollastonita tiene propiedades bioactivas, ya que al ser
sumergida en Fluidos Corporales Simulados (Simulated Body Fluids, SBF) se
precipitan sales que forman hidroxiapatitas en su superficie. Otros estudios han
demostrado que su formulación en materiales compuestos con polímeros como el
poli(butileno-tereftalato) aumenta significativamente la resistencia mecánica de
estos materiales8.
Asimismo, se ha usado la wollastonita como refuerzo de
diferentes tipos de cerámicos, ya sea tanto para uso industrial como para uso
biomédico.
II.3.
Hidroxiapatita.
La hidroxiapatita sintética (Ca10(PO4)6(OH)2) es un fosfato de calcio con una
composición química muy similar a la del hueso, lo cual la hace biocompatible con
los tejidos vivos.
Es el principal componente inorgánico del hueso de los
vertebrados; también la encontramos en la dentina y el esmalte dental. Este
fosfato de calcio presenta características de biocompatibilidad, no toxicidad,
estabilidad química, osteoconducción y bioactividad; tales propiedades hacen a
este material muy práctico para usos médicos. La hidroxiapatita se puede usar
como reemplazo de partes pequeñas de hueso, relleno de cavidades en
odontología y recubrimiento de superficies de metales para implantes entre otras
aplicaciones.
Por tal razón, se han desarrollado un gran número de investigaciones para
producir hidroxiapatita sintética, ya sea por precipitación acuosa, síntesis
hidrotermica, procesado en sólido, hidrólisis y sol-gel entre otras. Los
procedimientos o condiciones bajo las cuales se sintetiza pueden influir en sus
características físicas y químicas3. Por lo anterior, sus propiedades pueden variar
ampliamente, los rangos promedios se observan en la Tabla II. Estos datos son
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importantes, ya que al compararlos con las propiedades mecánicas de la mayoría
de las prótesis metálicas o polimétricas, estas pueden ajustarse a condiciones
más similares a las del tejido óseo.
Tabla II. Propiedades mecánicas típicas de la hidroxiapatita
Propiedad
Característica
Densidad Teórica
3.156 g/ml
Dureza
5 mohs
Esfuerzo de Tensión
40 - 100 MPa
Esfuerzo de Flexión
20 – 80 MPa
Esfuerzo de Compresión
100 – 900 MPa
Fractura
Aprox. 1 MPa m0.5
Modulo de Young
70 – 120 GPa
La aplicación clínica de este material esta muy limitada por su baja resistencia
mecánica, por lo que se ha investigado la producción de compósitos de
hidroxiapatita y wollastonita con potenciales aplicaciones en el campo de los
biomateriales. Estas investigaciones han dado como resultado material con
mejores propiedades mecánicas sin deteriorar sus propiedades bioactivas10.
II.4.
Quitosana.
La quitosana [poli (1-4)-β-D-glucosamina] es un biopolímero resultante de la Ndesacetilación de la quitina11. La quitosana es manufacturada principalmente a
partir de crustáceos (cáscara de camarón) y puede obtenerse en diferentes formas
físicas: solución, hojuelas, polvo, gotas, fibras, microesferas, etcétera.
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Figura 2. Hojuelas de quitosana de grado biomédico.
La quitina, es después de la celulosa, el polímero más abundante en la naturaleza
ya que se encuentra en los exoesqueletos de todos los crustáceos así como en
insectos y en hongos12.
La mayor parte de la quitina que sintetizan los organismos vivos no es
aprovechada por el hombre. Los crustáceos, como los camarones, cangrejos,
langostas, etcétera, se aprovechan como alimento, pero su exoesqueleto se
desperdicia. Dicho exoesqueleto está formado en su mayor parte de quitina,
proteínas y sales de calcio, que se pueden aislar, y así se obtendrían productos
útiles a partir de lo que comúnmente se considera desecho.
Figura 3. Estructura química de la quitina.13
14
Figura 4. Estructura química de la quitosana.13
La quitosana se comporta como un policatión capaz de atraer moléculas cargadas
negativamente, que da como resultado su naturaleza antibacteriana, debido al
entrecruzamiento de la quitosana policatiónica y los aniones sobre la superficie
bacteriana,
alterando
la
permeabilidad
de
la
membrana
celular14.
Su
comportamiento policatiónico se debe al puente de hidrógeno que se establece
entre el grupo amino y el hidroximetilo que le proporciona a la molécula una carga
neta positiva, de ahí que la quitosana es soluble en medio ácido donde la
concentración de iones hidronio es mayor, provocando el rompimiento de dicho
puente de hidrógeno y el establecimiento de uno nuevo con las moléculas de
agua, lo que trae consigo la solvatación de la quitosana. La quitosana es insoluble
en agua, soluciones alcalinas y disolventes orgánicos puros, es soluble en todos
los ácidos orgánicos e inorgánicos (excepto el sulfúrico). Asimismo, durante el
proceso químico preparativo, es posible lograr que adopte la forma de moldes
específicos y conferirle características particulares de tenacidad15.
El interés en la quitosana se debe en gran parte a su propiedad de formar sales
solubles e insolubles. Su solubilidad depende del pH, pero se ha observado que a
pH 5.8-5.9 comienza la precipitación.
II.5.
II.5.1.
Proceso Sol-gel.
Conceptos básicos.
El proceso sol-gel es uno de los métodos más importantes para la producción de
nuevos materiales. Este proceso se puede dividir en cuatro grandes etapas
fundamentales:
15
•
Preparación del sol
•
Gelificación
•
Envejecimiento
•
Secado y tratamiento térmico
Preparación del Sol
Un sol es una suspensión coloidal de partículas sólidas en un líquido, existen dos
vías básicas para obtener los soles: los sistemas acuosos y los sistemas
orgánicos.
En los sistemas acuosos se utilizan como precursores óxidos,
hidróxidos y sales tanto orgánicas, como inorgánicas, estos compuestos se
dispersan o se disuelven en agua. Los sistemas orgánicos se obtienen a partir de
compuestos metal-orgánicos (principalmente alcóxidos) disueltos en un solvente
orgánico, que generalmente es un alcohol. Durante esta etapa se desarrollan
reacciones de “hidrólisis” de los alcóxidos metálicos con el agua, formándose
hidróxidos metálicos.
Asimismo, los hidróxidos metálicos se combinan para
producir óxidos metálicos, liberando además una molécula de agua o de alcohol,
razón por la cual, esta segunda reacción recibe el nombre de “condensación”.
Gelificación
Las reacciones de hidrólisis y condensación del proceso anterior, conducen a la
formación de agregados, que se enlazan hasta formar un único agregado gigante
denominado gel.
Envejecimiento
Luego de la gelificación el sistema continúa reaccionando, dando lugar a
reacciones de “polimerización”, en consecuencia aumenta la densidad y la
resistencia mecánica del sólido.
16
Secado y Tratamiento Térmico
El secado de la fase líquida la cual constituye la mayor parte del volumen del gel
húmedo,
ocurre
mediante
evaporación,
la
cual
causa
una
contracción
acompañada de endurecimiento del gel, estos geles secos también reciben el
nombre de “xerogeles”16-18.
Durante el tratamiento térmico ocurren una serie de cambios físicos y químicos en
los materiales, los cuales pueden llevar a la transformación de fases existentes y
la aparición de nuevos compuestos.
Estos cambios pueden ser analizados
mediante técnicas como el análisis termogravimétrico y dilatometría entre otras.
II.5.2.
Química del alcóxido.
El reactivo más importante en este caso es un organometálico hidrolizable
conocido como alcóxido metálico M(OR)x, donde M es un metal del grupo IV y OR
es un grupo alcoxilo en el que R es un radical hidrocarbonado. En el proceso SolGel, el sistema modelo es la sílice. De los alcóxidos de silicio disponibles, el
tetraetil ortosilicato, al que en lo sucesivo se hará referencia como TEOS, es el
más utilizado.
Los otros dos reactivos necesarios para que se lleve a cabo el proceso son el
etanol y el agua. El etanol analítico (al que se le denominará como ETOH) y el
agua destilada son los de uso más común.
El ETOH y otros solventes orgánicos, sirven como un solvente mutuo tanto para el
TEOS como para el agua, ya que este y el agua son inmiscibles y solamente con
el solvente pueden reaccionar entre sí.
II.5.3.
Reacciones involucradas en el proceso.
Tan pronto como el TEOS es disuelto en el ETOH para hacerlo soluble en agua,
empiezan a llevarse a cabo las reacciones de hidrolización y condensación, las
cuales se representan en las ecuaciones siguientes:
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Hidrólisis:
Si(OC2H5)4
+
TEOS
4H2O
Æ
Agua
Si(OH)4
+
Silanol
4C2H5OH
ETOH
Condensación:
Si(OH)4
Æ
+
2H2O
Silanol
Oxido de Silicio
Agua
SiO2
Después de la reacción de hidrólisis se realiza la polimerización o condensación,
en la cual se forman monómeros, dímeros, trímeros, trímeros cíclicos y
tetrámeros, todos ellos de SiO2, los cuales se estarán enlazando hasta formar
cadenas de bajo peso molecular. La unión de las moléculas, se lleva acabo entre
las cadenas de menor a mayor tamaño hasta que el crecimiento de esta sea tal
que se detiene su crecimiento, quedando una cadena de alto peso molecular, que
al intercruzarse con otras cadenas, propicia que la solución empiece a formar el
gel.
II.5.4
Diagrama ternario del sistema TEOS-H2O-ETOH.
La zona de trabajo para obtener fibras, monolitos o recubrimientos se determinan
por medio del diagrama ternario TEOS-H2O-ETOH, que se muestra en la Figura 5.
Según las combinaciones de los reactivos se pueden obtener diferentes tipos de
geles, como fibras, monolitos o recubrimientos. Las fibras se pueden formar con la
relación molar H2O:TEOS alrededor 1:1; las películas o recubrimientos con una
relación alrededor de 4:1 y los monolitos con una relación alrededor de 16:1, todos
ellos manteniendo constante la relación molar ETOH:TEOS = 4:116.
En las reacciones involucradas en el proceso Sol-Gel, los parámetros más
importantes a controlar son: tipo y concentración del catalizador, pH y
temperatura.
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Figura 5. Diagrama ternario que muestra las líneas de trabajo para la obtención de fibras,
recubrimientos y monolitos.16
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