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¿Puede la QUIMICA reparar el cuerpo humano?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
prótesis de barbilla y mandíbula
clavos para huesoarticulación de hombro
mamoplastia
riñones, hígado, páncreasmuñeca
placas de dedosarticulación de dedos de la mano
pulmón
corazón, marcapasosprótesis de codo
válvula cardiacadiscos intervertebrales
esófago
uretra
traquealaringe
placas craneales metálicas ojo, lentes, córneasnariz
oídodentaduras
prótesis de articulación de cadera
vasos sanguíneos
prótesis de rodilla
varillas y clavos de fémur
esfínter
ligamentos, suturas
varillas y clavos de tibiaprótesis de tobillo
articulación de dedos de pie
tendonespiel
Piezas que pueden implantarse en el organismo
M. Vallet-Regí.Dalton Trans.5211–5220 (2006)
Biomimetic Nanoceramics in Clinical Use. M. Vallet and D. Arcos.RSC Nanoscience and nanotechnology. Cambridge 2008.
Componente orgánicoa1 a2 a3
molécula de colágeno
fibra de colágeno
Apatitas biológicasComponente mineral
composición variable:Ca8.3 A0.7(PO4)4.3(HPO4,CO3)1.7(2OH,CO3)0.15 A 1.7
nanocristalina: 25-50nmdeficiente en Ca2+presencia de CO3
2-
desorden estructural
Hueso trabecular esponjoso
Hueso cortical denso Molécula de
colágeno
nanoapatitas
Biomimetic Nanoceramics in Clinical Use. From Materials to Applications. M. Vallet-Regí and D. Arcos. RSC Publishing. 2008
Materiales compuestos
constituidos por 2 o más materiales
Se diseñan, en función de la aplicación a que se destinen
Para mejorar sus propiedades
+
Efecto sinérgicoFunción doble
Biomaterial
M. Vallet-Regi. Chem. Eng. J., 137, 1-3 (2008).
Biomineral
Implantesdentales
Liberación controladade fármacos
Piel artificial
Implantes
Algunos ejemplos de implantes biomédicos
Órganosartificiales
Implantesvasculares
Implantes paraarticulaciones
cadera rodilla
Esperanza de vida
Siglo I ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 22 años
Inicios del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 40 años
Al final del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 80 años
España 2009 I.N.E.
H M76.96 83,43
Nacidos en España 1981 ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 75,51 años
Nacidos en España 2005 ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 80,23 años
Mosca 17 díasAbeja 10 semanasMusaraña 1añoAraña 4 añosRata 6 añosPerro 16 añosJirafa 20 añosOca 30 añosOso 40 años
CUÁNTO VIVEN
Oso 40 añosCocodrilo 55 añosElefante asático 60 añosHumano 78 añosTortuga 150 añosPalmera 200 añosOlivo 1.000 añosCastaño pedunculado 2.000 añosCiprés de lawson 3.000 añosSecuoya gigante 6.000 años
J.Hitzig: “El organismo humano está programado para durar de 100 a 120 años
Siglo I ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 22 años
Inicios del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 40 años
Al final del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 80 años
Huesonormal
Huesoosteoporótico
Europa: 4 millones de fracturas al año
España: 25.000 fracturas al año
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%
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
normal 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
Surface Science 500 (2002) 656–677Bengt Kasemo
: 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
Procesos regulados por las proteínas en la superficie del
biomaterialInflamaciónReparación/
regeneraciónCoagulación de la sangre
Activación Activación del sistema complementar
io
Adhesión y activación
de leucocitos
Adhesión, diferenciación y proliferación
celular
Activación y
adherencia de
plaquetas
Activación del sistema de coagulación
Biomaterial
Métodos para estudiar
la bioactividad
Implantes en
humanos
In vitro en
soluciones
acelulares
In vitro en cultivos
celulares
In vivo en
modelos animales
“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
P S
As Se
Cl A
Br Kr
He
Cu Zn
Al Si
Ga Ge
Sb Te
Bi Po
I Xe
At Rn
Ag Cd
Au Hg
In Sn
Tl Pb
N O F NeB C
Mn Fe Co NiSc Ti V Cr
Tc Ru
Re Os
Rh Pd
Ir Pt
Y Zr
La Hf
Nb Mo
Ta W
Na Mg
K Ca
H
Rb Sr
Cs Ba
Li Be
CERÁMICOS
Ca Ti
Zr
PAl Si
OC
• Al2O3• ZrO2• TiO2• Sulfatos de Ca• OHAp• Fosfatos de Ca• Vitrocerámicas• Biovidrios• Carbono
-Similitud al componentemineral del tejido óseoHidroxicarbonatoapatita
Ca8.3A0.7(PO4)4.3(HPO4,CO3)1.7(2OH,CO3)0.15 A1.7
- Mecánicamente frágiles- Bioinertes/Bioactivos - Alto módulo elástico
ceramicas (sinterizadas)- Aislantes
ElectricidadCalor
- Adaptación biomecánica:OsteointegraciónBioreabsorción
METÁLICOS
P S
As Se
Cl A
Br Kr
He
Cu Zn
Al Si
Ga Ge
Sb Te
Bi Po
I Xe
At Rn
Ag Cd
Au Hg
In Sn
Tl Pb
N O F NeB C
Mn Fe Co NiSc Ti V Cr
Tc Ru
Re Os
Rh Pd
Ir Pt
Y Zr
La Hf
Nb Mo
Ta W
Na Mg
K Ca
H
Rb Sr
Cs Ba
Li Be
TiTi
Ta
Fe Co
AuPt
Ag
•
•
• Acero inoxidable• Aleaciones metálicasde Co-Cr y de Ti
• Otros metales(Ta, Pt, Au, Ag, ...)
• Magnéticos -Resistencia elevada-Módulo elástico muy
superior al del hueso- Conductores eléctricos
POLIMÉRICOS
P S
As Se
Cl A
Br Kr
He
Cu Zn
Al Si
Ga Ge
Sb Te
Bi Po
I Xe
At Rn
Ag Cd
Au Hg
In Sn
Tl Pb
N F NeB
Mn Fe Co NiSc Ti V Cr
Tc Ru
Re Os
Rh Pd
Ir Pt
Y Zr
La Hf
Nb Mo
Ta W
Na Mg
K Ca
Rb Sr
Cs Ba
Li Be
H
C O
H
C O
Biodegradables
Acido poliláctico Acido poliglicólico
Bioestables
PolietilenoPolimetilmetacrilato
Polipropileno...
-Similitud al componente orgánico detejido óseoColágeno: Proteina de alto peso molecular. (Sucesión de aminoácidos enlazados covalentemente)
-Cadenas poliméricas de alto pesomolecular (diseñadas a medida)
-Bioestables -Biodegradables-Osteointegración de sistemas porosos
adaptación biomecánica conmódulos de elasticidad parecidos ahueso esponjoso
- Buena bioadhesión- Biocompatibles
Fatiga biomecánicaPoca resistencia
CERÁMICAS DurasFrágiles
Biocompatibles BioestablesBioactivasBiodegradables
Corrosión?Toxicidad?
Facil conformacionVariedad
METALES POLÍMEROSReproducibilidad? Toxicidad?Estabilidad?Malas propiedades mecánicas. Fluencia
Buen comportamientomecánico
http://osartim.chru -lille.fr/html/definition -gestes/kyphoplastie.htm
Sustancias que se pueden meter en los tejidos blandos: RELLENO
Arrugas profundas en la frenteArrugas profundas en la frente
Mejillas: relleno de contorno
Cicatrices profundas de acné
Arrugas de nariz y boca
Relleno de labios
Barbilla: relleno de contorno
Mejillas: relleno de contorno
Cicatrices profundas de acné
Arrugas de nariz y boca
Relleno de labios
Barbilla: relleno de contorno
Identificaruna necesidad
Médico
Investigador
Inventor
Aplicación en clínica
Médico
Retirada de implantesRegistro de la retiradaExamen patológicoPruebas para entender el falloIngeniero
Patólogos
idea Paciente
Síntesis de materiales
Diseño de prótesis y/o dispositivo
Médico
Ingeniero
Biomateriales: aquí y ahora.M. Vallet-Régí, L.Munuera.
Ed. Dykinson 2000
Pruebas de materiales• Propiedades mecánicas• Toxicología• Biorreacción al material
Interacciones con proteínasActivación celularReacción tisular
• BioestabilidadMecanicaQuímica
Ingeniero Bioquímico
Veterinario
Fabricación
MecánicoIngeniero
Esterilizacióny
Embalaje
industrial Ingeniero
Pruebas del implante y/o dispositivo
ToxicologíaPruebas in vitro“ en animales
Médico
en clínica
Químico
ReglamentaciónHomologación Estudio clínicoEnsayos clínicosSeguimiento a largo plazoOrganismo reglamentario
Organo legislativo
Especialista en normativa
Comportamiento biológico de los materiales:
Respuesta del huéspedRespuesta del material
Interacciones
Relaciones Estructura/Composición/Función en materiales manufacturados y naturales
Materialesvivos
Materialesno vivos
Estructura de la disciplina de biomateriales
Disciplinasfundamentales
CienciasBiológico-Médicas
Ciencia de Materiales:
Química-Física-Ingeniería
ción en materiales manufacturados y naturales vivos
(Paciente)no vivos
BIOMATERIALESTerapia
Históricamen Regeneración
SustituciónReparación
mente
3ª Generación
Regeneraciónincluye Ingeniería de Tejidos
1ª Generación2ª Generación
1ª Generación Bioinertes
MetalesCerámicasCerámicasPolímerosComposites
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
BioactividadBioactividadBiodegradabilidad
alúmina
1950
Biocerámicas
materiales
19802000
circonia
vidrios
vitrocerámicas
fosfatos decalcio
hibridosorganico-inorganico
mesoporososde sílice
M. Vallet-Regí.Dalton Trans.5211–5220 (2006)
M. Vallet-Regí.Dalton Trans.5211–5220 (2006)
3ª Generación: Materiales Porosos
Bioactivos y Biodegradables Valor añadido:
*Materiales inteligentes*Materiales inteligentes*Funcionalizados
*Cargados con moléculas biológicamenteactivas
Diseñados para estimular respuestas celularesespecíficas a nivel molecular, para ayudar al cuerpo humanoa su curación por si mismo.
Reparación del cuerpo humano
Aproximación biónica
Aproximaciónmedicina regenerativa
Prótesis e implantes Ortopedia, Oftalmología, Cardiología, Vascular,
Cirugía Estética, Odontología, Urología, etc.
1ª y 2ª generación
Terapiacelular
Ingenieríade
tejidos
3ª generación
Aislamiento de células
Proliferación celular
Recolección de células
Ingeniería de tejidosSembrado de Sembrado de células en el células en el andamiajeandamiaje
Relleno del Relleno del defecto óseodefecto óseo
Proliferación y/o Proliferación y/o diferenciación en diferenciación en
condiciones óptimascondiciones óptimas
Soporte
Biocompatible OsteoconductorPropiedades mecánicasOsteoinductor Biodegradable/ReabsorbiblePoroso
Soporte
Células
Implantación
Poroso
Soporte +
células
Implantación
M. Manzano, M. Vallet-Regí. J. Mater. Chem. 20, 5593-5604 (2010).
AndamiosLas propiedades superficiales:
topografía,química de superficies,y la carga superficial
juegan un papel fundamental en las interacciones célula-material.
Adapted from Garcia, A. J.. Biomaterials 2005;26:7525-7529
Andamio
Ingeniería tisular
Factores Células madre y células
progenitoras
Andamiajes: biomateriales naturales y sintéticos
Factores bioquímicos señales y
factores de crecimiento
¿Azar o diseño ?
Muchas gracias Muchas gracias gracias a todosgracias a todos