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en Medicinaen Medicina
Dr. Andres [email protected]
Grupo de Biomateriales paraGrupo de Biomateriales para PrtesisPrtesis
Instituto de CienciasInstituto de Ciencias dede la Ingenierala Ingeniera
Instituto de Ingeniera BiomdicaInstituto de Ingeniera Biomdica
Facultad deFacultad de IngenieraIngeniera
Dr. A. Ozols 1
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CermicosCermicos
compuestos inorgnicos que contienen elementos metlicos y nometlicos.
ligados por medio de enlaces inicos o covalentes, y producidos por lo general a
altas temperaturas.
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Cristalino
versus
AmorfoCristalino
versus
Amorfo
Cermicos:sl idos cr istalinos que tienenorden de largo alcance,
compuestos de granos orientados en mltiples direcciones.
Vidrios: materiales con orden de corto alcance, que
generalmente no forman granos individule.
VitroVitro--cermicoscermicos:: slidos policristalinos obtenidos por
cristalizacin controlads (devitrificacin) de vidrios.
La mayor parte de los cermicos estructurales son cristalinos.
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VIDRIOSVIDRIOScompuestos inorgnicos producidos por medio de fusin y
enfr iamiento rpido, obvianto la etapa de cristalizacin.
.
el orden atmico de corto alcance.
tomos o molculas
aleatoriamente obtenidos porenfriamiento rpido del materialfundido (103-107 K/s)
Superficie metlica solidificadarpidamente bombardeada con
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Estructura Amorfa: ORDEN ATOMICOEstructura Amorfa: ORDEN ATOMICO
Rangos de ALCANCE
Estructura de corto alcance(Orden local) estructura amorfa
Estructura de alcance intermedio
Estructura de largo alcanceestructura cristalina
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Materiales POLICRISTALINOS
Formados por granos o monocristales
orden atmico o molecular delargo alcance en cada grano o
bordes
monocr s a
borde de grano
grano
Ej. La mayor parte de los materiales de
uso cotidiano son policristalinos
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(cermicos, metlicos)
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Cristalino vs AmorfoCristalino vs Amorfo
La distinccin entre cristalino y amorfo se puede realizar por
difraccin de rayos X.
CRISTALINO AMORFO
80
100
S is te m a G a T e S n
40
60
ntensidad Si O
2Cuarzo policristalino (en polvo)
Radiacin K del Cu D
ens
id
ad
a d i s ti n ta s c o m p o s i c io n e s
R a d i a c i n K d e l C u
20
I
B
C
In
t
Dr. A. Ozols 7
20 30 40 50 60 70 80 90
0
2
1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
A
2
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Vidrio: estructura de corto rangoVidrio: estructura de corto rango
Corresponde a la primera esfera de coordinacin
El orden de corto alcance ocurre en algunas de las siguientes estructuras:
Nmero de coordinacin atmico local
os r gona es, e ra- r cos, oc a r cos, o eca- r cos, e c.
Tipo de ligadura atmica local
Inica, covalente, parcialmente covalente, metlica, etc.
Ligaduras Homopolares vs. Heteropolares
Si - O, B - O, Ge - S son ejemplos de heteropolares.
-Se - Se- , -C - C-, -As - As- son ejemplos de homopolares
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Vidrio: estructura de corto rangoVidrio: estructura de corto rango
Longitud de las l igaduras
B - O, Si - O, P = O estn caracterizadas por un largo de
ligadura bien definido
Sitios trigonales, tetra-hdrico o octa-hdricos tienen bien
definido el ngulo entre ligaduras
Nmero de ligaduras, ligaduras simples y dobles, ligaduras
fraccionarias.
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CERMICOS y VIDRIOSCERMICOS y VIDRIOS
Los CERMICOS y VIDRIOS son usados en implantes, revestimientos
de prtesis, rellenos seos o injertos. En el pasado han sido ensayadas
docenas de composiciones, pero un nmero relativamente pequeo ha
.
procesado y estructura; describiremos las diferencias de sus
propiedades fsicas sobre la base qumica y micro-estructural, y surespuesta para determinadas aplicaciones clnicas.
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CERMICOS, VIDRIOS y VITRO-CERMICOS
Los cermicos, vidrios y vitro-cermicos cubren un amplio rango de
composiciones inorgnicas y no metlicas.
anteojos, instrumentos de diagnstico, recipientes qumicos,termmetros, frascos para cultivo de tejidos, fibras pticas para
en oscop a.
Losvidrios porosos e insolubleshan sido usados como portadores
de enzimas antibiticos ant enos ofreciendo venta as de alta
resistencia al ataque microbiano, los cambios de PH, las condiciones
del solvente, la temperatura y el empacado bajo altas presiones
.Los cermicos han sido ampliamente usados en odontologa como
materiales para la restauracin, en las coronas de oro-porcelana, los
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cementos de ionmeros rellenos con vidr io, y las dentaduras.
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.
.
VENTAJASVENTAJAS DESVENTAJASDESVENTAJAS
Inertes o bioactivos en el cuerpo.
resistencia a la fractura)
La reactiviad qumica puedeadaptarse a las aplicaciones
La resistencia a la tensin baja (aexcepcin a las f ibras)
especficas.
El mdulo elstico (rigidez)
compresin muy elevados
La tolerancia baja a la formacin
de grietasResistencia al desgaste elevada(aplicaciones ortopdicas &dentales)
El mayor problema es la tenacidada la fractura (la sensibiliad a lasgrietas).
Materiales estticos paraaplicaciones dentales
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CERMICOS,CERMICOS, VIDRIOSVIDRIOS YY VITROVITRO--CERMICOSCERMICOS
Los materiales cermicos son frecuentementeslidos,compuestos
inorgnicos formados por elementos metlicos y no metlicos
mantenidos unidos por medio deenlaces inicos o covalentes. Los
cermicos incluyen compuestos como el cuarzo (SiO2), formados
por oxgeno (no metlico) y silicio (con propiedades intermediasentre un elemento metlico y no metlico), la almina (Al2O3), o la
zirconia (ZrO2). Los cermicos tienen tomos empaquetados en
forma similar a los metales que satisfacen los requerimientos de
coordinacin espacial para los enlaces covalentes y la neutralidad decarga para los enlaces inicos.
Los materiales cermicos son rgidos, resistentes al desgate (en
superficies duras e hidroflicas). La naturaleza frgil de estosmateriales limita su uso en aplicaciones de carga elevada. Adems,
manifiestan bicompatibil idad cuando son procesados
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apropiadamente para alcanzar altas purezas.
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Aplicaciones BsicasAplicaciones Bsicas
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TiposyAplicacionesTiposyAplicaciones
Almina, Zirconio, Hidroxiapatita, fosfatos de calcio, vidrios bioactivos.
Materiales cermicos porosos exhiben resistencias mejnicas bajas, peroson muy tiles para el revestimiento de prtesis metlicas y rellenos
seos.
os reves m en os ayu an con a ac n e os mp an es a os e os,
por medio de latraba mecnicay la provisin de superficies porosas y
rugosas adecuadas para el crecimiento de tejido adyacente.
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Tipos y AplicacionesTipos y Aplicaciones
Los materiales porosos son frecuente lt iles como soportes
la ingeniera de tejidos.
Ciertos cermicos son consideredosbioactivossi permiten formar
enlaces qumicos con el tejido seo.
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AplicacionesOrtopdicasAplicacionesOrtopdicas
Placasytornillosseos
omponen esparareemp azo o a opar a eca era ca eza emora
Revestimientosde
prstesis
metlicas
para
el
controlde
la
respuesta
interfasial
implante/tejido
Substitutosdepiezasofragmentosseos
Prstesisvertebrales,separdoresvertebrales
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Aplicaciones OrtopdicasAplicaciones Ortopdicas
Las aplicaciones ortopdicas se orientan
1- La manufactura de componentes que
unc onen como super c es ar cu ares
bajo cargaen prtesis de cadera (cotilo y
cabeza de femoral), donde exhiben una altaresistencia al desgaste, superior a los
metales.
Para este fin se utilizan almina y zirconia
muy densos y pulidos.
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Aplicaciones OrtopdicasAplicaciones Ortopdicas
2- La re aracin o reem lazar los te idos
conectivos duros del esqueleto. Sustitutosde injertos seos y revestimiento de
implantes metlicos donde intervienen
cermicos menos densos y ms porosos,
tales los compuestos de fosfato de calcio y
los biovidrios (SiO2,-Na2O-CaO-P2O5), que
son osteoconductivos proporcionando
super c es que se an a ueso.
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Aplicaciones OrtopdicasAplicaciones Ortopdicas
Componentes femorales
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Aplicaciones OdontolgicasAplicaciones Odontolgicas
EsmaltesEsmaltes Restauraciones dentales (corona y puente) Implante (revestimientos implant, mantencin
de bordes)
EsmaltesEsmaltes
r o onc a or o on cs roc es
Cementis and adhesivos de ionmeros vtreos
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Aplicaciones Odontolgicas Porcelanas dentalesAplicaciones Odontolgicas Porcelanas dentales
Composicin ternaria = Mezcla de K2O-Al2O3-SiO2feldespato (silicato de
potasio hidratado), cal (silicato de alumino anhidro), y cuarzo (SiO2)
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OtrasAplicaciones
Implantesdeodointerno(implantescocleares)
Dispositivosdesumonistrodedrogas
Implantesoculares
Vlvulascardacas
implantes cocleares
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--
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Interacciones cermicoInteracciones cermico--tejidotejido
La secuencia de eventos que pueden siguir a la implantacin decermicos:
mineralizacin rpida de la superficie
colonizacinde osteoblastos
ligaduraentre lafase mineral formada y
a super c e e mp an e
continuidad estructuralcon el hueso
c rcun an e
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MECANISMO de FIJACIN del TEJIDOMECANISMO de FIJACIN del TEJIDO
Ningn material implantado en un tejido vivo es inerte, pues todos los
materiales generan una respuesta de los tejidos vivos.
Si el material es txico El tejido circundante muere
Si el material no es txico ybiolgicamente inactivo (casi
inerte)
Se forma tejido fibroso de espesorvariable
Si el material no es txico ybiolgicamente activo(bioactivo)
Se forma un enlace interfacial
e ma er a no es x co y sedisuelve e o c rcun an e o reemp aza
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TIPOS de BIOCERMICOS
Tipo 1 Biomateriales casi inertes
Tipo 2 Materiales micro-porosos casi inertes
po os oma er a es rea sor es
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TiposdeInteraccionesconlostejidosTiposdeInteraccionesconlostejidos
FijacinFijacin morfolgicamorfolgica:ocurre encermicos no porosos, densos e inertes(ej. Al2O3):
Los tejidos blandos o duros se fijan por medio de un enlace adhesivo favorecida
por la presin sobre la superficie. Las clulas crecen en las irregularidades
superficiales y dentro de los defectos.
FijacinFijacin bilgicabilgica:ocurre encermicos porosos e inertes(ej. Al2O3) attach by bone
resulting from ingrowth (into pores) resulting in mechanical attachment of bone
o ma er a erme o og ca xa on
FijacinFijacin bioactivabioactiva: ocurre en cermicos no porosos, densos y reactivos
superfialmente. Aqu, existe un enlace qumico entre el cermico o vidrio biactivos
los tejidos seos (ej. Bioglass, rellenos seos absorbibles de sales de calcio,
hidroxia atita .
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ACTIVIDAD QUMICA RELATIVA de los BIOCERMICOSACTIVIDAD QUMICA RELATIVA de los BIOCERMICOS
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FIJACION de TEJIDOSFIJACION de TEJIDOS
La reactividad relativa correlaciona muy aproximadamente con el
ritmo de formacin de un enlace interfacial del implante cermico,
vtreo, o vitro-cermico con el hueso.
Lareactividad relativade un implanteafecta al espesor de la zona
interfacialo a la capa entre el material y el tejido.
Los anlisis de las fallas del material del implante durante los lt imos
20 aos muestran que por lo general las fallas se originan en la
- .
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CAPA INTERFACIAL de TEJIDO FIBROSO
Comparacin del
espesor de una
capa interfacial de
tejido fibroso (m)
orma o en re un
implante y el hueso
en el caso de unbiocermico
bioactivo y otro
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TTipoipo 11 CermicosCermicos CASICASI INERTESINERTES
.Si existe unmovimiento relativoy progresivo sedesarrol la una cpsula
fibrosa en los tejidos blandosy duros, contribuyendo exhibenfijacin
.
biomaterial y el tejido conduce eventualmente al deterioro de la funcindel implante o el tejido en la interfase, o ambos. El espesor de la
cpsula no adherente varia en funcin del material y la extensin del
movimiento relativo.
2 3
muy fino. Por este motivo, si el implante es sujeto a una fijacin
mecnica muy rgida y cargado principalmente por compresin
presenta un resultado exitoso. En contraste, si el implante es cargadode modo que ocurra un movimiento, la cpsula fibrosa alcanza un
espesor de varias centenas de micrn y el implante puede aflojarse muy
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rpidamente.
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TipoTipo 22 cermicoscermicos MICROMICRO--POROSOSPOROSOS CASICASI INERTESINERTES
El mecanismo que justifica el empleo de los materiales
micro orosos es el crecimiento seo dentro de los oros de la
superficie del implante. La gran extensin del rea interfacial entre eltejido y el implante conduce a una alta resistencia al movimiento del
dispositivo en el tejido. La interfase se establece por el tejido vivo en
los poros. Consecuentemente, este mtodo de fi jacin es
denominado fijacin biolgica . Es capaz de soportar a los estadosde tensin ms complejos que los implantes del tipo 1, que exhiben
f ijacin morfolgica . Es fundamental para el xito de los
mp an es e po que os poros engan ama os compren os
entre 50 a 150m.
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TIPOTIPO 22 cermicoscermicos--vidriosvidrios MICROMICRO--POROSOSPOROSOS CASICASI INERTESINERTES
El rea interfacial grande
producido por la porosidad es
favorable para proveer un
suministro de sangre al tejido
conectivo ue crece en su interior
(el tejido vascular no aparece en
poros menores a 100m).
Si existe micro-movimiento, en la interfase de un implante poroso,
puede ocurrir la siguiente secuencia de eventos:
el tejido es daado la irrigacin sangunea interrumpida el tejido
muere
la inflamacin inicia
la estabil idad interfacial es destruida.
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TIPOTIPO 22 cermicoscermicos--vidriosvidrios MICROMICRO--POROSOSPOROSOS CASICASI INERTESINERTES
Cuando el material poroso es metlico, el incremento del rea
para la prdida de iones metlicos en los tejidos.Esto puede ser remediado por medio del revestimiento del implante
metlico con cermicos bioactivos, tales como lahidroxiapatita (HA).
En cualquier material la porosidad degrada la resistencia su resistenciamecnica proporcionalmente a la fraccin en volumen de los poros.
Por este motivo, esta aproximacin funciona bien cuando los
libres de carga.
Dr. A. Ozols 35
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TTIPOIPO 33 cermicoscermicos yy vidriosvidrios MMATERIALATERIALEESS BIOACTIVOSBIOACTIVOS
Otra forma de resolver los problemas de la fijacin interfacial es por
medio de los materiales bioactivos. Estos materiales sonintermedios
entrelos reabsorbibles y los bioinertes. Un material biactivo genera
una respuesta biolgica en la interfase del material, resultando laformacin de unenlace entre el tejido y el material.
Este concepto se ha extendido para incluir un nmero grande de
materiales bioactivos con un amplio rango de enlace y espesor de lascapas de interfaciales de adhesin.
Todos estos materiales forman un enlace interfacial con el tejido
. , ,
resistencia del enlace, los mecanismos de enlace, y el espesor de la
zona de enlace son diferentes para cada uno de ellos.
Dr. A. Ozols 36
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TTIPOIPO 33 cermicoscermicos yy vidriosvidrios MMATERIALATERIALEESS BIOACTIVOSBIOACTIVOS
Es importante reconocer que los cambios relativamente pequeos en la
composicin pueden afectar drsticamente el comportamiento de
, .
caractersticas y propiedades son tambin funcin del mtodo deprocesado. Estos incluyen a como:
vidrios bioactivos (Bioglass)
vitro-cermicos biactivos (Ceravital, A-W y losmaquinables)
hidroxiapatita densa (Durapatite o Calcit ite)
composites bioactivos (Polietileno-HA, Biovidrio-HA,
Palavital, biovidrio reforzado con
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fibras de acero inoxidable)
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TTIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLESIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLES
Son diseados para ladegradacin gradualen un perodo de tiempo
y e reemp azo por e o na ura e organ smo. s o con uce a a
formacin deinterfaces muy finas o inexistentes.
,
requisitos de resistencia y la prestacin a corto plazo pueden
satisfacerse, pues los tejidos naturales se pueden reparar yreemplazar por si mismos.
Los materiales bioabsorbibles estn basados en principios
o g cos e reparac n, y que son e resu ta o e a evo uc n e
mil lones de aos.
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TTIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLESIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLES
Las complicaciones del desarrollo de biocermicos reabsorbibles son:
durante el perodo de degradacin y reemplazo por tejido natural.
2) Elajuste de las velocidades de reabsorsin con las velocidades de
reparacin de los tejidosdel cuerpo (por ejemplo algunos materiales se
.
3) El uso de volmenes grandes de material a reemplazar, requiere
que el biomaterial reabsorbible debe contener sustanciasmetablicamente aceptables. Este criterio impone limitaciones
considerables en el diseo de com osicin del biomaterial reabsorbible.
Dr. A. Ozols 39
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TTIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLESIPO 4 cermicos y vidrios REABSORBIBLES
Los materiales reabsorbibles que han tenido xito incluyen:
cidos polilctico y poliglicol usados para suturas, y que son
metabolizados en C02y H20, y por lo tanto, son capaces de funcionar
.
fosfato triclcico,TCP, en forma porosa o de partculas es un ejemplode material cermico reabsorbible de probada eficiencia para el
reemplazo de tejidos duros cuando son aplicadas cargas bajas.
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PROCESADO DE CERMICOSPROCESADO DE CERMICOS
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CARACTERSTICAS y PROPIEDADES del BIOCERMICO
Composition Estado de la fase
Estructura Cristalina
Microestructura
Nmero de fases
Defectos de la estructura
Estructura Amorfa
Porcentaje de fases
Distr ibucin de fases
Estructura de poros
Tamao de fases
Conectividad of fases
Planaridad
Acabado
Forma ComposicinSegunda fase
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Porosidad
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PROPROCESADOCESADO de los BIOCERMICOSde los BIOCERMICOS
microestructuras:
1. Vidrio
2. Cermico policristalino por rociado por plasma
.
4. Cermico sinterizado en fase slida
. -
Las diferencias de las microestructuras de las 5 categoras son el
resultado rimario de los diferentes asos del rocesado trmico ara
producirlos.
La almina y los biocermicos de fosfato de calcio son fabricados a
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partir de polvos constituidos por partculas slidas muy pequeas.
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PROPROCESADOCESADO de BIOCERMICOSde BIOCERMICOS
Las formas ms diversas de piezas pueden obtenerse por:
1. Mezcladode estos polvos con aguay adhesivos orgnicos
2. Moleadopor varios procedimientos posibles
a- Prensado en fro molde (proceso de formado). Esta pieza formada,
denomina cruda.
b- Prensado en caliente(conformacin isoesttica, inyeccin)
c-Slip casting
d- Gelcasting(moldeado en fro de barbotinas)
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PROPROCESADOCESADO de BIOCERMICOSde BIOCERMICOS
. .
4. Pirlisis de componentes adhesivos orgnicos para obtener elbizcocho.
5. Calentamiento a temperatura ms alta promoviendo el enlace
qumico entre las partculas (sinterizado).
5. Enfriamientoa temperatura ambiente.
6. Acabo f inal (pulido).
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RUTASRUTAS dede MOLDEADOMOLDEADO Agentes Defloculantes
Dispersantes
TensioactivosIniciadores de reaccin
Catalizadores
AditivosMonmeros
Polmeros adhesivos
Formulacin de Barbotina Moldeado
SolventeSolventesorgnicos
PolimerizacinAgua
Eliminacinde solventes
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PirlisisSinterizadoPieza
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Menores Costosde produccin
de pirlisis
Sim lificacin
VENTAJAS DEL SLIPVENTAJAS DEL SLIP
de manufactura Menores tensionesresiduales
y GEL CASTINGy GEL CASTING
respecto al moldeo por
presin
inyeccin, extrusin,
prensas ni matricesmetlicas
dimensional
pequeas escalas de
produccinPreparacin
rpida de
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prototipos
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RUTASRUTAS dede MOLDEADOMOLDEADO
porpor
(prensado o extrusin debarbotinas)
MOLDEADOMOLDEADO SLIP CASTINGSLIP CASTING
(colada en fro de barbotinas en
GEL CASTINGGEL CASTINGco a a en r o e ar o nas en
moldes impermeables)
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MOLDEADO por PRENSADO yMOLDEADO por PRENSADO y SINTERIZADOSINTERIZADO
La almina y los biocermicos de
fosfato de calcio son fabricados a
partir de polvos constituidos por
.
Las formas ms diversas de
piezas pueden obtenerse pormezcla de estos polvos con agua
y adhesivos orgnicos y
rensado en un molde roceso
de formado) y el sinterizado.
Dr. A. Ozols 49
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MOLDEADO por PRENSADO yMOLDEADO por PRENSADO y SINTERIZADOSINTERIZADO
El tratamiento trmico que favorece el transporte de masa entre losgranos, conduciendo a la densificacin del material.
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MOLDEADO por PRENSADO en CALIENTE
Prensado isoestticoPrensado unidireccional
en caliente
Densidad homgenea
en caliente
Densidad inhomognea
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DIFUSION en BORDE de GRANODIFUSION en BORDE de GRANOSINTERIZADOSINTERIZADO
Sinterizado en estado slido = Transporte de masa entre los granos
Generado por las fuerzas de tensin superficial
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SINTERIZADOSINTERIZADO DIFUSION en BORDE de GRANO
Fuerza impulsora del sinterizado es laenerga superficialque genera la
difusin atmica el trans orte de masa .
Dr. A. Ozols 53
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SINTERIZADO DENSIFICASINSINTERIZADO DENSIFICASIN
La energa tiende a reducirse
por medio de: la
sm nuc n e rea e as
superficies libres y launiformidad de la
concentracin de material. Tiempo Densidad
Temperatura Densidad
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PROPROCESADOCESADO de BIOCERMICOSde BIOCERMICOS
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PROPROCESADOCESADO de BIOCERMICOSde BIOCERMICOS
La relacin entre la microestructura y el procesado trmico para varios
tipos de biocermicos se puede representar un diagrama de fases. El
, ,
cuarzo (SiO2), y algn xido modificador de la red arbitrario (MO) como
el xido de calcio (CaO).
Cuando la mezcla en polvo del MO con el SiO2es calentada hasta su
fusin a la temperatura Tm, la masa total se vuelve lquida (L). El
qu o ser m s omog neo cuan o m s empo permanezca a esa
temperatura. Cuando el lquido es colado en la forma final del objeto
(caminos 1B, 2, 5).
La microestructura obtenida podr ser policristalina (formada por
granos) o un vidrio.
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RELACION delRELACION del PROPROCESADO con el DIAGRAMA de FASESCESADO con el DIAGRAMA de FASES
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RELACION delRELACION del PROPROCESADO con el DIAGRAMA de FASESCESADO con el DIAGRAMA de FASES
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RELACION delRELACION del PROPROCESADO con el DIAGRAMA de FASESCESADO con el DIAGRAMA de FASES
Los revestimientos producidos porrociado por plasma (Plasma spray)
siguen el camino 1A. Sin embargo, no es necesaria una red de xido
.
estructura policristalina.
Si la composicin inicial contiene una cantidad suficiente de un
formador de red (SiO2), y la velocidad de colada es suficientemente alta,
resultar un vidrio (camino 1B). La viscosidad del material fundido crece
, L,
transicin vtrea, y el material se vuelve slido.
Si cualquiera de estas condiciones no es satisfecha, resultar una
microestructura policristalina. Los cristales comienzan a crecer a TL ycompletan el crecimiento a T2. El material final consiste en las fases
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cristalinas predichas por el diagrama de fases.
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RELACION delRELACION del PROPROCESADO con el DIAGRAMA de FASESCESADO con el DIAGRAMA de FASES
Este tipo de objeto colado no es frecuentemente usado comercialmente
producidos durante el enfriamiento. Estas caractersticas del material lodebili tan y lo hacen susceptible al ataque ambiental.
Si los polvos de MO y SiO2son conformados con la forma del objeto
3,
sinterizada en fase lquida (camino 3). Antes del calcinado la
composicin contendr aprox. 10-40 % de porosidad, dependiendo del
proceso de formado empleado. Un lquido se formar en los bordes de
grano a la temperatura eutctica T2.
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RELACION delRELACION del PROPROCESADO con el DIAGRAMA de FASESCESADO con el DIAGRAMA de FASES
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RELACION delRELACION del PROPROCESADO con el DIAGRAMA de FASESCESADO con el DIAGRAMA de FASES
El lquido penetrar los bordes de grano, y los atraer entre s por la
accin capilar. Estos efectos reducirn el volumen del compactado
en polvo, e incrementan su densidad, pues la masa se redistribuye
permaneciendo su magnitud permanece constante.
El lquido debera calentarse por un t iempo suficientemente
prolongado para predecir su contenido a partir del diagrama de
fases. Sin embargo para la mayor parte de los procesos con
cermicos, la formacin de lquido no ocurre en condiciones de
,
tratamientos trmicos.
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SINTERIZADO en FASE LIQUIDASINTERIZADO en FASE LIQUIDA
PROCESADO de sistemas VIDRIO-CERMICO
Silicatos
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SINTERIZADO FASE LIQUIDASINTERIZADO FASE LIQUIDA
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SINTERIZADO en FASE LIQUIDASINTERIZADO en FASE LIQUIDA
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CERMICOS POLICRISTALINOSCERMICOS POLICRISTALINOS
Orientacin cristalina de cada grano
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CERMICOS CRISTALINOS CASI INERTES
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CERMICOS CRISTALINOS CASI INERTES
La almina de alta densidad y pureza (>99.5%) es usada en las
prtesis de cadera bajo condiciones de elevada carga y en implantes
dentales debido a su:
excelente resistencia a la corrosin
buena biocompatibilidad
alta resistencia al desgaste
alta tenacidad
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Almina y ZirconiaAlmina y Zirconia
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Almina (AlAlmina (Al22OO33) y Zirconia (ZrO) y Zirconia (ZrO22))
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(( 22 33) y () y ( 22))
Los dos biocermicos estructurales ms
frecuentemente usados.
Usados primariamente como cabezas
modulares femorales de prtesis de
cadera.
Tienen re menes de des aste mucho
menores que los metales, y las partculasde desgaste son mejor toleradas en el
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organ smo que as me cas.
Almina (AlAlmina (Al22OO33))
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Almina (AlAlmina (Al22OO33))
La almina de alta densidad y pureza (>99.5%) es usada en las
prtesis de cadera bajo condiciones de elevada carga y en implantes
dentales debido a su:
buena biocompatibilidad
a ta res stenc a a esgaste
alta tenacidad
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Almina (AlAlmina (Al22OO33) Propiedades) Propiedades
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(( 22 33) p) p
La microestructrura resultante de un procesado pulvimetalrgico es
policristalina, integrada por granos muy finos, y producida por prensado y
s n er za o a = - .
Fracciones muy pequeas de MgO (
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(( 22 33))
Las resistencias a la fractura y a la fatiga de -Al2O3son una funcin deltamao del tamao de grano y la pureza del material. Al2O3 con un tamao
medio de rano < 4m 99.7 % de ureza exhibe una buena resistencia a
la flexin y a la compresin.
Los estudios extensos realizados sobre implantes que satisfacen las
normas ISO tienen excelente resistencia a la fatiga y al impacto.
El incremento del tamao de grano a > 7 m disminuye las propiedades
.resistencia a la fatiga, por acumularse en los bordes de grano.
La almina ha sido utilizada en la ciru a orto dica or casi 20 aos. Su
uso ha sido motivado por dos factores:1- la excelente biocompatibilidad y la formacin de una cpsula muy fina,
Dr. A. Ozols 68
que permite la fijacin de prtesis sin cemento y bajos coeficientes de
friccin y desgaste
Almina (AlAlmina (Al22OO33) Policristalina) Policristalina
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22 33
Las excelentes propiedades tribolgicas (friccin y desgaste) de la
almina ocurren cuando el tamao de grano es < 4m y u n a
.
llevan a superfic ies de baja rugosidad (< 0.02m). Si los granos son
grandes sobresalir de las superficies causando un rpido desgastes
de las superficies de carga debido a la friccin seca local.
La superficie de almina de las prtesis de cadera, que debe tener un
,pulido de pares de superficies complementarias en forma simultnea
(la esfera de almina y el cotilo). Los coeficientes de friccin de las
ar cu ac ones a m na- a m na sm nuyen con e empo
aproximndose a los valores correspondientes a una articulacinnormal. Esto conduce a que el desgaste de estos pares sea 10 veces
Dr. A. Ozols 69
menor al correspondiente a pares metal-polietileno.
Almina (AlAlmina (Al22OO33) Policristalina) Policristalina
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Estas caractersticas motivaron la amplia difusin
en Europa de la almina de cotilos no
u
acetbulo de la cadera. Los cotilos son
estabilizados por crecimiento del hueso en las
ranuras o prominencias. La cabeza femoral est
pegada al vstago metlico de la prtesis.
,en pacientes jvenes. Sin embargo, se advierte que la concentracin de
tensiones,, debido al elevado mdulo elstico de la almina, puede ser
en pacientes viejos con osteoporosis senil o artrosis reumatoidea.Consecuentemente, es esencial considerar cuidadosamente la prtesis a
Dr. A. Ozols 70
,
la articulacin, y la biomecnica de la reparacin.
CARACTERSTICAS FSICAS de BIOCERMICOS de ALMINACARACTERSTICAS FSICAS de BIOCERMICOS de ALMINA
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Propiedad Cermicos Norma ISO
almina
Contenido de almina [% en > 99.8 99.5peso
Densidad [g/cm3] 3.93 3.9
Tamao medio de grano [m] 3-6 < 7
Ra [m] 0.02
Dureza Vickers VHN 2300 >2000
Resistencia a la flexin [MPa] 550 400Mdulo deYoung [GPa] 380
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Almina (AlAlmina (Al22OO33) Policristalina) Policristalina
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El xido de aluminio (Al2O3) tiene una excelente resistencia a la
abrasin, y cuando es sometido a un pulido muy fino exhibe un
,
desgaste de las superficies articulres de polietileno.
La alta mojabilidad de la superficie de almina favorece una buena
lubricacin. La mojabilidad puede determinarse a partir de la medicin
del ngulo de contacto, que frecuentemente se obtiene colocando una
gota de aceite sobre la superficie y midiendo el ngulo entre el plano
de la superficie y una lnea tangente al borde de la gota, donde
intersecta con la superficie. El ngulo de contacto para la almina es
de a rox. 45 en com aracin con a uel del olietileno con la aleacin
metlica (acero inoxidable y aleaciones de cobalto), que estn en elrango de 70 to 85.
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Almina (AlAlmina (Al22OO33) Policristalina) Policristalina
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La resistencia al desgaste elevada es una propiedad adecuada para el
empleo de la almina como material para las cabezas femorales en
z . , u z u z
la almina impide su uso en los vstagos femorales, fijando las
cabezas a vstagos metlicos.
Los ensayos clnicos pioneros en el uso de estas cabezas
,% de los casos, induciendo a serias complicaciones. Las mejoras y la
estandarizacin del procesado de la almina, incluyendo el
re nam en o e ama o e grano y a compres n sos ca e
material despus del sinterizado, permitieron densificar al materialmejorando la conexin a los vstagos metlicos.
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Almina (AlAlmina (Al22OO33) Policristalina) Policristalina
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El tamao de grano de la almina exceda tpicamente los 4 micrones
en la dcada de aos 70, con densidades de 4 g/cm3, mientras que hoy
en da se util iza almina de 0.5 m alcanzando densidades de 6 g//cm3.
del 45%.
La almina es qumicamente inerte y por ende su biocompatibi lidad es
excelente. Sin embargo, estudios recientes muestran signos de
ostelisis periprosttica secundaria generada por las partculas de
.
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Zirconia (ZrO2) PolicristalinaZirconia (ZrO2) Policristalina
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La zirconia (ZrO2) es tambin usada como caberza femoral en
reemplazos totales de cadera. Las ventajas potenciales de la zirconia
en prtesis bajo carga son el bajo mdulo de elasticidad y alta
tenacidad. Sin embargo, no hay resultados clnicos suficientes para
(> 15 aos).
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Almina (AlAlmina (Al22OO33) Monocristalina) Monocristalina
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Uncristalsim ledealminasedenomina
Safiro
Elrubesalminacon1%deCr3+
reemplazandotomosdeAl3+ dandouncolor
rojo
yTienvariastonalidadesdeazul.
Dr. A. Ozols 76
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CERMICOSCERMICOS POROSOSPOROSOS
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CERMICOSCERMICOS POROSOSPOROSOS
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La ventaja potencial ofrecida por un implante cermico poroso es su
calidad de inerte, la buena estabilidad mecnica de la superficie
altamente plegada que se desarrolla cuando el hueso crece en los
poros del cermico. Sin embargo, los requerimientos mecnicos dertesis restrin en severamente a a licaciones sin car a. Cuando
los poros superan el tamao de 100m, el hueso crecer dentro de
los poros interconectados por canales cerca de la superficie
manteniendo la vascularizacin y la viabil idad para perodos
prolongados. De esta forma los implantes sirven de puente o injerto
para la formacin de hueso.
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CERMICOSCERMICOS POROSOSPOROSOS
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Los cermicos porosos sonproducidos por medio de laa c n e una segun a aseque se descompone antes
de la densificacin de laieza de ando oros.
Bloques, y tornillos y tarugosporosos en base ahidroxia atita
Dr. A. Ozols 79
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FOSFATOS CALCIOFOSFATOS CALCIO
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FOSFATOSCALCIOFOSFATOSCALCIO
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Los compuestosFosfatosFosfatos CalcioCalcio son abundantes en la naturaleza y en
.
Las apatites biolgicas constituyen la fase inorgnica principal en los
tejidos calcificados normales (ej., esmalte, dentina, hueso, nacar, etc)
son hidroxiapatita carbonada, CHA.
Algunas calcificaciones patolgicas (ej, piedras renales, sarro y trtaro
enta es, te os an oa ca c ca o en coraz n, pu mones,
articulaciones)
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BIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIOBIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIO
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La baja reproducibil idad de los ensayos mecnicos sobre estos
cermicos restringe su aplicacin clnica a:
1-polvos
-
3- con refuerzosde postes metlicos(como en implantes dentales)
-
5-implantes porosos para cargas bajas, donde el hueso crecido actua
como fase de refuerzo
Dr. A. Ozols 82
BIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIOBIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIO
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Los biocermicos de fosfato de calcio han sido usados por casi 20 aosen medicina y odontologa.
,
dependiendo si se requieren materialesbiaoctivos o reabsorbibles.
Las fases estables de los cermicos de fosfato de calcio de enden
considerablemente de la temperatura y la presencia de agua, no solo en la
etapa de procesado sino en el uso ambiental.
A la temperatura corporal, soloexisten 2 fosfatos de calcio son estables
y en un medio acuoso, como los fluidos corporales.
. 4. 2
(fosfato diclcico o brushita, C2P)
Dr. A. Ozols 83
. 10 4 6
(hidroxiapatita, HA).
BIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIOBIOCERMICOS de FOSFATO de CALCIO
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El sinterizado de cermicos de fosfato de calcio compactados serealiza a temperaturas de 1000-1500 C.
el porcentaje de agua en la atmsfera.
vapor del agua.
El comportamiento mecnico de los cermicos de fosfatos de calcio
influencia su aplicacin como implantes.
La resistencia a la traccin, compresin y fatiga dependen del
vo umen o a e poros a .
Laporosidadpuede constituirse conmicroporos( 100 micrones
Dr. A. Ozols 84
creados para permitir el crecimiento de hueso).
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FOSFATOS CALCIOFOSFATOS CALCIO
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HIdroxiapatita (CaHIdroxiapatita (Ca1010(PO(PO44))66(OH)(OH)22) HA) HA
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La hidroxiapatita es el componenteestructural primario del hueso. Su
2+
rodeados de iones de PO42 y OH.
Los mecanismos de enlace muy diferentes de los estudiados en vidrios
bioactivos.
Elproceso de enlace injertos de HAsugerido es el siguiente:
Una matriz sea celular formada por osteoblastos diferenciados
aparece en a super c e, pro uc en o una an a es rec a amor a
(3-5m) con mucha densidad de electrones. Entre esta rea y lasclulas se observan ramil letes de colgeno.
Dr. A. Ozols 86
PROPIEDADES de HA SINTTICAPROPIEDADES de HA SINTTICA
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Constituida por partculas de altadensidad y gran pureza
Muy biocompatible
No es reabsorbible - no degradable
formacin, engloba las partculas ) confosfato tetraclcico Ca4P209
No es osteognica(no estimulan la formacin de tejido seo)
Es de degracin lenta como fosfato triclcico Ca3[P04]2
Es osteoconductora(refuerzan la formacin de hueso en aquellaszonas donde existen clulas seas)
Dr. A. Ozols 87
a opaco o que perm te un poster or contro ra o g co
HIdroxiapatita (CaHIdroxiapatita (Ca1010(PO(PO44))66(OH)(OH)22) HA) HA
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Los cristales minerales han sido identificados como amorfos. A
medida que el sitio madura, la zona de enlace se contrae a una
profundidad de 0.05 a 0.2m. El resultado es la fijacin normal del
hueso a traves de una capa de enlace fina al cuerpo del implante.
Los anlisis de microscopia electrnica de esta HA muestran la
apatita del implante. Este efecto trae aparejado una fuerte variacin
del mdulo elstico en la interfaz HA y hueso. Esto marca una de las
mayores diferencias entre las apatitas bioactivas y los vidrios
bioactivosy los vitro-cermicos.
Dr. A. Ozols 88
FOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLESFOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLES
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La reabsorcin o biodegradacin de los
cermicos de fosfato e calcio es caudada
por los siguientes factores:
- , ,con el material y el pH del medio.
2- Ladesintegracin fsicaen pequeas partculas como resultado del
ataque qumico diferencian en los bordes de grano.
3- Losfactores biolgicos, tales como la fagotitosis, que reduce el pH.
Dr. A. Ozols 89
APLICACIONES de LA HIDROXIAPATITAAPLICACIONES de LA HIDROXIAPATITA
E i t i d d d hid i tit d
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Existe una gran variedad de hidroxiapatitas densas y porosas quepueden producirse en forma de bloques o grnulos.
La oposicin directa de nuevo hueso aes e ma er a s n que n ervenga e o
fibroso es posible. As, la ciruga
maxilofacial ha escogido este material
para rellenar faltas seas creadas por
quistes o tumores, traumas,
enfermedades con nitas otras
intervenciones quirrgicas:
Dr. A. Ozols 90
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Dr. A. Ozols 91
SUBSTITUTOS SEOSSUBSTITUTOS SEOS
Las cirugas reconstruct ivas requieren deLas cirugas reconstruct ivas requieren de
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Las cirugas reconstruct ivas requieren deLas cirugas reconstruct ivas requieren desubstitutos seos viables en cantidad creciente.substitutos seos viables en cantidad creciente.
ALTERNATIVASALTERNATIVASHueso HumanoHueso Humano
HuesoHueso CONCONHueso SINHueso SIN
Hueso AnimalHueso Animal
Insuficiencia deInsuficiencia de
e er ogoe er ogodel otro ser humano
VolumenVolumen
u ogou ogodel mismo paciente
ComponentesComponentesOrgnicosOrgnicos
ComponentesComponentesOrgnicosOrgnicos
Riesgos deRiesgos deinfeccin coninfeccin con
bancos seosbancos seoshumanoshumanos
ComplicacionesComplicacionesquirrgicasquirrgicas
LIMITACIONESLIMITACIONES
prionespriones
Substitutos OseosSubstitutos OseosAbsorbiblesAbsorbibles
No AbsorbiblesNo Absorbibles
VidriosVidriosBioglass
CermicosCermicosTrifosfato clcicoAlmina
CompositesCompositesCermicos
+ Orgnicos
Dr. A. Ozols 92
eva o cos oeva o cos ode manufacturade manufactura
APLICACIONES de LA HIDROXIAPATITAAPLICACIONES de LA HIDROXIAPATITA
Revestimiento de implantes metlicos
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Revestimiento de implantes metlicos.
En la profilaxis dela reabsorcin delos rebordesalveolares.
En la ciruga oftalmolgica y ortopdica.
En la ciruga plstica.
ara re enar e ec os seos crea os por
quistes o tumores.
Recubrimiento de im lantes metlicos
Dr. A. Ozols 93
APLICACIONES de LA HIDROXIAPATITAAPLICACIONES de LA HIDROXIAPATITA
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La prevencin de defectos seos es un problema que se plantea
frecuentemente, motivo por el que los cirujanos utilizan distintas
tcnicas quirrgicas y una amplia gama de materiales de
sustitucin sea. Estos materiales pueden ser de origen animal,m nera os n co.
, ,seratxicos,inertesdesde el punto de vista inmunitario y no deben
ser carcingenos. Adems tienen que favorecer o inducir una
respuesta en el tejido seo, tener buenas propiedades mecnicas y
ser reabsorbibles a medio plazo
Dr. A. Ozols 94
MATERIALES para INJERTOS SEOS
El estndar frecuente para los injertos seos es el auto injerto El
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El estndar frecuente para los injertos seos es el auto injerto. Elcirujano emplea el tejido obtenido del paciente, proveniente de la
cresta aca, e sta emora o prox ma t a . n erto es
colocado en el lugar daado. Este tejido es ideal como injerto seo,
or ue osee todas las caractersticas necesarias ara el
crecimiento de hueso nuevo, es decir tiene osteoconductividad,
osteogenitividad y osteoinductiv idad.
LaOsteoconductividades la situacin en la que el injerto soporta la
fi acin de nuevos osteoblastos clulas osteo ro enitoras.
Dr. A. Ozols 95
MATERIALES para INJERTOS SEOS
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Provee de una estructura interconectada en la que pueden migrar
.
de un injerto para inducir a las clulas no diferenciadas o las
osteoprogenitoras a la diferenciacin en osteoblastos.
El auto injerto requiere de una ciruga adicional en el sitio donante
, ,infeccin, y dolor crnico, que puede superar el asociado con la
ciruga original. La cantidad de hueso que puede ser cosechada es
limitada, creando un problema de suministro.
Dr. A. Ozols 96
MATERIALES PARA INJERTOS SEOSMATERIALES PARA INJERTOS SEOS
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Las alternativas al auto injerto son el alo
.
cadveres superando algunos de los
inconvenientes del auto injerto.
Sin embargo, los alo injertos tambin
presentan riesgos. El hecho que el
tejido es obtenido de un donante tiene
el r iesgo de la transmisin de unaenfermedad.
Dr. A. Ozols 97
MATERIALES para INJERTOS SEOSMATERIALES para INJERTOS SEOS
Los esfuerzos preventivos
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Los esfuerzos preventivos
para evitar transmitir
enfermedades conducen a la
remocin de protenas,
reduciendo o eliminado la
osteoinductividad del tejido.
A pesar de los beneficios de
os au o n er os y a oinjertos, las limitaciones de
cada uno requieren la
propuesta de alternativas.
Dr. A. Ozols 98
MATERIALES PARA INJERTOS SEOSMATERIALES PARA INJERTOS SEOS
Los investigadores han podido desarrol lar alternativas que permiten
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g p q psatisfacer las demandas de osteoconduccin y osteoinduccin.
Lapotencialidad de una enfermedad no puede ser
.
anulada aun con los procedimientos de
congelamiento de tejido, deshidratado en fro,
, ,esteril izacin con xido de etileno. Se ha estimado
que el riesgo de transmisin del SIDA con alo
injerto seo es de 1 en 1.6 millones de personas
(Boyce, 1999). Aun con esta baja probabilidad se
han re istrado casos de transmisin de he atitis B
Dr. A. Ozols 99
y C.
FOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLESFOSFATOS de CALCIO REABSORBIBLES
T d l i d f f d l i d d d
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Todos los cermicos de fosfato de calcio se degradan en grado
- -
El ritmo de biodegradacin crececuando:
-denso)
2- Disminuye la cristalinidad
3- Disminuye la perfeccin cristalina4- Disminuye el tamao de cristal y/o grano.
Dr. A. Ozols 100