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Aplicaciones de los biomateriales en ramas de la medicina

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Respuesta rápida

5.a: prótesis de titanio/acero, hidroxiapatita, cemento PMMA. 5.b: válvulas, stents de nitinol, injertos de ePTFE. 5.c: lentes intraoculares de acrílico, contactos de hidrogel. 5.d: implantes de titanio, resinas compuestas, ionómeros de vidrio. 5.e: fijación externa, clavos de titanio, colágeno y quitosano.

📚 exercise quimica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 198

Quimica 2° · 2024

Ejercicio 5

Ejemplifica algunas aplicaciones de los biomateriales en las siguientes ramas de la medicina.

Parte 5.a

Ortopedia

La ortopedia se ocupa de la corrección de deformidades y de la reparación de huesos y articulaciones. Los biomateriales se emplean en:

Prótesis articulares: cadera y rodilla fabricadas en aleaciones de titanio (titanio puro o Ti-6Al-4V) y en acero inoxidables 316L, por su resistencia mecánica y biocompatibilidad.
Recubrimientos: el titanio se recubre con hidroxiapatita, $ext{Ca}_{10}( ext{PO}_{4})_{6}( ext{OH})_{2}$ , compuesto mineral presente en el hueso, para lograr la osteointegración (el hueso crece sobre el implante).
Barras, clavos y tornillos: acero inoxidable o titanio para fijar fracturas.
Cementos óseos: polímero poli(metacrilato de metilo), PMMA, que se polimeriza in situ fijando la prótesis al hueso.
Espaciadores y tornillos biodegradables: policaprolactona o poliácido láctico, que se reabsorben según se consolida el hueso.

Respuesta

Prótesis de cadera y rodilla en titanio o acero inoxidable, recubiertas de hidroxiapatita; clavos y tornillos óseos; cemento óseo de PMMA; y tornillos biodegradables de policaprolactona.

Parte 5.b

Sistemas cardiovasculares

El corazón y los vasos sanguíneos requieren materiales que soporten la presión constante de la sangre y que no generen coágulos:

Válvulas cardiovasculares: válvulas mecánicas de grafito pirolítico o titanio, y válvulas biológicas obtenidas de tejido porcino o bovino fijado con glutaraldehído.
Stents (endoprótesis vasculares): mallas metálicas de acero inoxidable, cobalto-cromo o titanio-níquel con memoria de forma (nitinol, $ext{NiTi}$ ), que se expanden dentro de la arteria obstruida y liberan fármacos antiproliferativos.
By-pass coronarios: injertos de politetrafluoroetileno expandido (ePTFE, teflón) o de Dacron (poliéster).
Catéteres y membranas de oxigenación: poliuretano y silicona, biocompatibles y flexibles.
Corazones artificiales y bombas de asistencia: aleaciones y polímeros resistentes al desgaste.

Respuesta

Válvulas mecánicas y biológicas, stents de acero inoxidable o nitinol con memoria de forma, injertos vasculares de ePTFE o Dacron, catéteres de poliuretano y corazones artificiales.

Parte 5.c

Oftalmología

Lentes intraoculares (LIO): se implantan tras la cirugía de cataratas; están fabricadas en acrílico (poli(metacrilato de metilo)), silicona o hidrogel acuoso, materiales transparentes y con índice de refracción controlado, $n \approx 1,49$ para el acrílico.
Lentes de contacto: hidrogeles de polihidroxietil metacrilato (pHEMA) y siliconas, que permiten el paso del oxígeno a la córnea.
Prótesis oculares y anillos órbitales: silicona y poliésteres.
Parches y pegamentos oculares: fibrina o colágeno, biocompatibles con el tejido de la córnea.
Implantes de liberación controlada: hidrogeles que liberan fármacos antiglaucomatosos de forma sostenida.

Respuesta

Lentes intraoculares de acrílico o silicona para cataratas, lentes de contacto de hidrogel (pHEMA), prótesis oculares de silicona y parches de colágeno.

Parte 5.d

Odontología

Implantes dentales: raíces artificiales de titanio puro de grado 4, con superficie tratada para integrarse al hueso de la mandíbula.
Coronas y puentes: cerámicas (feldespática, disilicato de litio, $ext{Li}_{2} ext{Si}_{2} ext{O}_{5}$ ) y compuestos de resina reforzados con partículas de vidrio.
Empastes (obturaciones): resinas compuestas de bis-Fenol glicidil dimetacrilato (bis-GMA) reforzadas con sílice o vidrio, en sustitución del amalgama de mercurio.
Brackets y alambres: acero inoxidable, titanio o cerámica en la ortodoncia.
Selladores y cementos: ionómeros de vidrio, que liberan fluro y evitan caries.

Respuesta

Implantes de titanio, coronas cerámicas, empastes de resina compuesta (bis-GMA con sílice), brackets de titanio/cerámica y cementos de ionómero de vidrio.

Parte 5.e

Traumatología

La traumatología trata las lesiones producidas por traumatismos o accidentes:

Fijación externa: bastidores metálicos (acero o aluminio) con clavos que atraviesan el miembro lesionado y mantienen los fragmentos óseos alineados mientras se cura la fractura.
Placas y clavos de osteosíntesis: titanio o acero inoxidable, a veces recubiertos de antibióticos.
Tracción ósea: clavos de Kirschner de titanio.
Prótesis de miembros: aleaciones de titanio y fibras de carbono con recubrimientos de silicona que imitan la piel.
Sustitutos de tejidos blandos: colágeno y quitosano (polisacárido obtenido de crustáceos, $ext{C}_{6} ext{H}_{11} ext{O}_{4} ext{NH}_{2}$ ), usados en vendajes y matrices que favorecen la cicatrización.
Hidrogeles de curación: que mantienen humedad en heridas y quemaduras.

Indago y profundizo

Observo el video en el siguiente enlace sobre la importancia de los biomateriales en la medicina: https://acortar.link/eBngCx

Orientación para el registro: después de ver el video, escribe un párrafo que responda: (1) ¿qué es un biomaterial y por qué debe ser biocompatible?; (2) menciona al menos tres aplicaciones que hayas observado y (3) explica cómo la química de los materiales determina su desempeño en el organismo. Un ejemplo de síntesis: "Los biomateriales son sustancias naturales o sintetizadas que interactúan con tejidos vivos sin causar rechazo; su importancia radica en que permiten restaurar funciones corporales perdidas por enfermedad, envejecimiento o trauma, mediante la química de polímeros, metales, cerámicas y compuestos híbridos."

Respuesta

Fijadores externos y clavos de titanio, placas de osteosíntesis, prótesis de miembros con fibras de carbono y recubrimientos de silicona, y matrices de colágeno o quitosano para cicatrización.

Contenido de la página

5. Ejemplifico algunas aplicaciones de los biomateriales en las siguientes ramas de la medicina

a) Ortopedia

b) Sistemas cardiovasculares

c) Oftalmología

d) Odontología

e) Traumatología

Indago y profundizo

Observo el video en el siguiente enlace https://acortar.link/eBngCx sobre la importancia de los biomateriales en la medicina.

Texto de Química — 197

Ejemplos resueltos

Explica por qué el titanio es el material preferido para los implantes dentales y las prótesis de cadera.

El titanio es un metal ligero de baja densidad, $\rho \approx 4,5 \ \text{g/cm}^{3}$ , muy inferior a la del acero ( $\approx 7,8 \ \text{g/cm}^{3}$ ), lo que aligera la prótesis.
Forma espontáneamente una capa pasivizada de $\text{TiO}_{2}$ que impide la corrosión por los fluidos corporales (sangre, saliva), garantizando estabilidad química.
Es biocompatible: no libera iones tóxicos ni produce rechazo inmunológico.
Su módulo de elasticidad ( $\approx 110 \ \text{GPa}$ ) es cercano al del hueso ( $10$ – $30 \ \text{GPa}$ ), por lo que reduce el efecto de sobrecarga que produce la reabsorción ósea.
Su superficie puede tratarse para favorecer la osteointegración, por ejemplo con hidroxiapatita $\text{Ca}_{10}(\text{PO}_{4})_{6}(\text{OH})_{2}$ . Respuesta: por su resistencia a la corrosión, biocompatibilidad, ligereza, módulo cercano al del hueso y capacidad de integrarse al tejido óseo.

Tabla

Rama de la medicina	Biomaterial de elección	Aplicación representativa
Ortopedia	Titanio, acero 316L, hidroxiapatita, PMMA	Prótesis de cadera, cemento óseo, osteointegración
Sistemas cardiovasculares	Nitinol, grafito pirolítico, ePTFE, poliuretano	Stents, válvulas mecánicas, injertos de by-pass
Oftalmología	Acrílico, silicona, hidrogel (pHEMA)	Lentes intraoculares, lentes de contacto
Odontología	Titanio, disilicato de litio, bis-GMA con sílice	Implantes dentales, coronas, empastes
Traumatología	Titanio, fibras de carbono, colágeno, quitosano	Fijación externa, prótesis de miembros, cicatrización

Diagrama

mindmap
  root((Biomateriales))
    Metales
      Titanio y aleaciones Ti-6Al-4V
      Acero inoxidable 316L
      Nitinol NiTi (memoria de forma)
    Cerámicas
      Hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2
      Disilicato de litio Li2Si2O5
      Ionómeros de vidrio
    Polímeros
      PMMA (cemento óseo, lentes)
      pHEMA (lentes de contacto)
      bis-GMA (empastes)
      ePTFE y Dacron (injertos)
    Biológicos
      Colágeno
      Quitosano
      Tejido porcino (válvulas)

Fórmulas y ecuaciones

Fórmula de la hidroxiapatita: $\text{Ca}_{10}(\text{PO}_{4})_{6}(\text{OH})_{2}$

Fórmula del disilicato de litio, cerámica dental: $\text{Li}_{2}\text{Si}_{2}\text{O}_{5}$

$\text{Ca}@@MATH_0@@\text{PO}@@MATH_1@@\text{OH}$ $)_{2}$ \ $\text{(hidroxiapatita)}$

$\text{NiTi}$ \ $\text{(nitinol, aleación con memoria de forma)}$

$\text{C}@@MATH_0@@\text{H}@@MATH_1@@\text{O}@@MATH_2@@\text{NH}$ $_{2}$ \ $\text{(quitosano)}$

$\text{Li}@@MATH_0@@\text{Si}@@MATH_1@@\text{O}$ $_{5}$ \ $\text{(disilicato de litio, cerámica dental)}$

n $\approx$ 1,49 \ $\text{(índice de refracción del acrílico oculoclar)}$

Glosario (7)

Biomaterial: Sustancia natural o sintetizada que interactúa con sistemas biológicos para evaluar, tratar, ampliar o reemplazar tejidos, órganos o funciones del cuerpo, sin producir efectos adversos significativos.
Biocompatibilidad: Capacidad de un material de cumplir su función deseada en un entorno específico del organismo sin provocar rechazo, inflamación ni toxicidad.
Osteointegración: Fijación directa, sin tejido fibroso intermedio, entre el hueso y la superficie de un implante, típica del titanio recubierto de hidroxiapatita.
Hidroxiapatita: Mineral fosfato de calcio de fórmula Ca10(PO4)6(OH)2 que compone el hueso y los dientes; se usa como recubrimiento bioactivo de implantes.
Nitinol: Aleación de níquel y titanio (NiTi) con memoria de forma y superelasticidad, empleada en stents y ortodoncia.
PMMA: Polimetacrilato de metilo, polímero transparente usado como cemento óseo y en lentes intraoculares.
Quitosano: Polisacárido derivado de quitina, de crustáceos, con propiedades antimicrobianas y cicatrizantes para vendajes y matrices de tejido.

Preguntas para practicar

Observo el video en el enlace https://acortar.link/eBngCx sobre la importancia de los biomateriales en la medicina. ¿Cuáles son las principales ideas?

Un biomaterial es una sustancia diseñada para interactuar con tejidos vivos y restaurar funciones corporales, sin causar rechazo ni toxicidad. Su importancia médica radica en que permite sustituir tejidos dañados por enfermedad, envejecimiento o accidentes: prótesis articulares, válvulas y stents cardiovasculares, lentes intraoculares e implantes dentales. La química es clave, porque las aleaciones de titanio, las cerámicas como la hidroxiapatita y los polímeros como el PMMA o el hidrogel determinan la biocompatibilidad, la resistencia y la vida útil del implante dentro del organismo.

Temas y conceptos clave

BiomaterialesAplicaciones médicas de materialesBiocompatibilidadAleaciones metálicasPolímeros médicosCerámicas y vidrios en saludbiomaterialbiocompatibilidadosteointegraciónprotesisstentnitinolhidroxiapatitapolímero biodegradable