Comportamiento Mecánico de
Biomateriales
¿Qué es un Biomaterial?
• Los institutos nacionales de salud (NIH)
Definen a los biomateriales como cualquier sustancia o material o combinación de ambos que pueden ser utilizados como un todo o como una parte de un sistema que es considerado parte del tratamiento, aumento o reemplazo de algún tejido, órgano o función del organismo (Williams 1992).
Son aquellos materiales utilizados para evaluar, tratar,
corregir o reemplazar a cualquier tejido, órgano o
función del cuerpo humano (Elices, 2002)
¿Cómo surgen los biomateriales?
• Necesidad humana de reemplazar órganos o tejidos para mantener el buen funcionamiento del cuerpo humano.
Guerras
Catástrofes naturales
Accidentes
Defectos de nacimiento
¿Se puede usar cualquier tipo de
material? • Pruebas
– Citotoxicidad • Esta prueba verifica si el material o sustancia a utilizar es tóxicos o no para las células. Para ello se
preparan tres cultivos celulares; en uno se pone un material reconocidamente tóxico, en otro uno inocuo y en el tercero el material que se quiere probar. De esta manera se caracteriza la agresividad del material para con las células.
– Genotoxicidad. • Verifica si existe alguna alteración de los genes de las células causada por el material o sustancia
empleado.
– Biocompatibilidad. • Es una prueba realizada en animales. En ella se trata de observar efectos adversos ocasionados por
el material o sustancia en estudio.
¿Dónde se usan?
• Aplicación de los materiales biocompatibles
• Tipo de materiales metálicos cerámicos, polímeros e incluso algunos compuestos
Clasificación general de los biomateriales
• Metales
• Polímeros
• Cerámicos
Sintéticos
Naturales
Pericardio Bovino…
Hidroxiapatita
Biomateriales Sintéticos
Metales
Materiales con memoria de forma
Aneurisma cerebral
• Memoria de forma
• Ni-Ti
Es un ensanchamiento o abombamiento
anormal de una sección de un vaso
sanguíneo en el cerebro. Aneurisma
Materiales
Angioplastia
• Patología Cirugía
Imágenes y videos tomados de:
http://www.argosymedical.com
Stent de Ni-Ti
¿Que hay detrás de estas valiosas
aplicaciones?
¿Qué tipo de material se utiliza?
¿Cómo es posible un cambio de forma tan considerable?
Material con memoria de forma
• Presentan formas predeterminadas
( o T)
• Soportan deformaciones grandes
• Aparentemente permanentes
• Recuperables al retirar ( o T)
• Debido a una transformación
martensítica
Efectos asociados
EMFS
DEMF
ES
Temperatura
de transformación Descripción
MS Temperatura de inicio de transformación directa
(austenita-martensita)
Mf Temperatura del fin de la transformación directa
AS Temperatura de inicio de transformación inversa
(martensita-austenita)
Af Temperatura del fin de la transformación inversa
Temperaturas críticas de transformación
MPaMT
BeAlCM
sc
s
)(97.1
)(%893)(%711245)(
Comportamiento mecánico de los materiales con
memoria de forma
Comportamiento macro
Comportamiento micro
Polímeros biocompatibles
Se utilizan varios tipos de productos implantables,
entre ellos
Gore-Tex, un polímero de material biocompatible
llamado PTFEe que se utiliza para otras
intervenciones quirúrgicas no relacionadas,
SoftForm, PTFEe que viene en forma circular y
puede ser más suave que los implantes del
pasado, y
AlloDerm, derivados de tejidos humanos para
cumplir con los requisitos de biocompatibilidad.
Artefill también encaja en la categoría de implantes,
debido a que el ancla de microesferas de PMMA en
los labios después de que el producto de colágeno
bovino se absorbe.
En implantes mamarios se usan materiales donde el
exterior es una goma de silicona (elastómero) , que
puede ser simple o doble, liso o texturizado o cubierto
con espuma de poliuretano
Clasificación general de los biomateriales
Naturales
Pericardio Bovino…
Hidroxiapatita
• Biomaterial cerámico
Ca10-x (PO4) x (HPO4) 6-x (OH) 2-
•Principal componente inorgánico del
hueso de los vertebrados
•También se encuentra en la dentina y
el esmalte dental.
Hidroxiapatita
A- Condroblastoma de fémur
B- Curetaje y relleno con hidroxiapatita
Coralina® HAP-200
C- Radiografía evolutiva a los 6 meses,
donde se observa un excelente soporte
estructural
Clasificación general de los biomateriales
Naturales
Pericardio Bovino…
Hidroxiapatita
Pericardio bovino
Forti F.; JBA, 2006
Válvulas cardiacas
• ¿Por que se tiene que reemplazar a las válvulas cardiacas?
Patologías cardiacas
Malos hábitos:
Tabaquismo
Colesterol
Stress
Diabetes
Hipertensión
Obesidad
Dieta pobre en vegetales
Sedentarismo
Alcohol
¿Cómo Solucionar el problema?
Válvulas cardiacas
¿Qué involucra el diseño de válvulas cardiacas?
• Conocer las solicitaciones a las
que va estar sometido el
material
• Conocer la propiedades
mecánicas del material
• Hemodinámica
hemodinámicos (apertura óptima,
obstrucción de flujo, reflujo e
incluso ruido en exceso.
• Durabilidad
Bioprótesis cardiacas
Prótesis de Hufnagel,
1952
Válvulas Starr-Edwards
Válvula de disco oscilante
1963
Válvula de bola en jaula
Nylon
CrCoMo
A. Inox.
Carbono
Pirolítico
Algunos modelos resultaban en mayores
complicaciones
Pericardio bovino empelado como
Biomaterial
Válvula biológica
Heteroinjerto
Biocompatibilidad
Resistencia mecánica
Durabilidad 10 años
Hemodinámica adecuada
Las investigaciones continúan con el propósito de obtener mejores válvulas
Nuevas técnicas experimentales
Nuevos materiales
Calcificación
Ensayo de tensión uniaxial en materiales
convencionales
F
F [MPa]
F
A
l lo
lo
Ley de Hooke E
Curva característica Esfuerzo vs
deformación del pericardio bovino
Neo-Hooke
2
1G
)15.0(12G
Ogden
Curvas características de PB con
diferente estructura en las fibras
de colágeno
Comportamiento mecánico del
pericardio bovino
Anisotropía
mecánica
Comportamiento mecánico complejo
Controlar variables como Geometría
Buena planeación de experimentos
Suaje
Dimensiones de la probeta de ensayo y sus
contribuciones al comportamiento mecánico
FEM
Tejido de PB Orientación de las fibras
de colágeno
Dimensiones del tejido
Probetas de Pericardio Bovino
Dispositivo experimental
PXI-NI
LabVIEW
Adquisición de
Datos e imágenes
PC
Cámara Digital
alta definición
Fuente de
Luz Blanca
Validación
• Aluminio comercial
Deformación y módulo elástico en Al
EAl= 60 GPa 10
Caracterización mecánica del
pericardio bovino
Imágenes y campos en PB
Campo de desplazamientos
x
v
y
u
y
v
x
u
xy
yy
xx
2
1 yyyxy
xxyxx
txyxyxv
tyyxyxu
),(
),(
(x1,y1)(u1,v1)
(x2,y2)(u2,v2)
(x3,y3)(u3,v3)
Los desplazamientos de tres puntos nos dan un sistema de 6 ecuaciones
Si los tres puntos no son colineales, Det 0 y el sistema tiene solución
Modelo lineal de 6 parámetros