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Quimica 3° · 2024
Libro de Química 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

197/210

Primeros biomateriales usados para mejorar la calidad de vida

📄 ejercicios quimica 🎓 bachillerato · 3° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

Primeros biomateriales: hueso, piedra, oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu) y bronce, madera, colágeno, cerámica de alúmina (\text{Al}_{2}\text{O}_{3}) y vidrio. Son elegidos por su baja reactividad y estabilidad química (metales nobles y compuestos inertes).

📚 exercise quimica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 3 min lectura

Solución — Página 197

Quimica 3° · 2024

4
Ejercicio 4

Explico ¿Cuáles fueron los primeros biomateriales utilizados para mejorar la calidad de vida de los seres humanos? Considero la tabla periódica de elementos como referencia.

  1. Se entiende por biomaterial a toda sustancia natural o artificial que se implanta o pone en contacto con tejidos y fluidos biológicos para diagnosticar, tratar, reemplazar o reparar funciones del cuerpo.
  2. Los más antiguos proceden del entorno natural: el hueso y la piedra (calcio, silicio, oxígeno) y los metales nativos, como el oro (Au, Z = 79) y el platino (Pt, Z = 78), utilizados desde la antigüedad por su nobleza química.
  3. En la tabla periódica, Au y Pt se agrupan en el grupo 11 junto con la plata (Ag, Z = 47) y el cobre (Cu, Z = 29): son metales de transición con alta configuración de d^{10} (o casi), por lo que resisten la corrosión y son inertes frente a los fluidos del cuerpo.
  4. La plata (Ag) era el biomaterial antibacteriano por excelencia: sus iones \text{Ag}^{+} inhiben la enzima respiratoria de las bacterias, por eso se usaba para cubrir heridas y en utensilios sanitarios.
  5. El cobre (Cu) y el bronce (aleación Cu-Sn) se emplearon en prótesis y herramientas quirúrgicas por su dureza y su capacidad de esterilización térmica.
  6. El hueso y los corales aportaron hidroxapatita, \text{Ca}_{10}(\text{PO}_{4})_{6}(\text{OH})_{2}, sustitutos de tejido óseo; la madera y el colágeno se usaron en suturas (los puntos de hilo vegetal).
  7. La cerámica (alúmina, \text{Al}_{2}\text{O}_{3}) y el vidrio (silicatos de sodio y calcio, \text{Na}_{2}\text{O}\cdot\text{CaO}\cdot 6\text{SiO}_{2}) fueron también tempranos biomateriales de carga y de contacto.
  8. En resumen, la referencia a la tabla periódica permite explicar por qué funcionan: son elementos o compuestos de baja reactividad química, con valencias estables y alta energía de red, que no generan reacción inmunitaria agresiva.
Respuesta

Los primeros biomateriales fueron el hueso, la piedra, el oro, la plata, el cobre y el bronce, la madera, el colágeno, la cerámica de alúmina y el vidrio; la tabla periódica explica su elección por ser metales nobles (grupo 11: Cu, Ag, Au, Pt) y compuestos de baja reactividad química.

Contenido de la página

Ejercicio 4 — Explico

¿Cuáles fueron los primeros biomateriales utilizados para mejorar la calidad de vida de los seres humanos? Considero la tabla periódica de elementos como referencia.

(Espacio de trabajo: cuaderno de líneas punteadas para la respuesta del estudiante.)

Contenido de apoyo

Los primeros biomateriales fueron sustancias disponibles en la naturaleza y de baja reactividad química:

Época Biomaterial Elemento/compuesto Aplicación
Prehistoria Hueso, piedra Ca, Si, O Prótesis, escápulas
Antigüedad Oro Au (Z=79) Piezas dentales, implantes
Antigüedad Plata Ag (Z=47) Antiséptico de heridas
Antigüedad Cobre y bronce Cu (Z=29), Cu-Sn Instrumentos quirúrgicos
Antigüedad Madera, corcho, colágeno C, H, O, N Suturas, drenajes
Edad Media–Moderna Cerámica de alúmina \text{Al}_{2}\text{O}_{3} Implantes de carga
Moderna Vidrio silicatos Na-Ca Tubos, drenajes

La tabla periódica permite explicar esta elección: los metales nobles (grupo 11: Cu, Ag, Au; grupo 10: Pt, Pd) tienen configuraciones casi llenas de subniveles d, lo que les confiere baja energía de ionización efectiva y alta resistencia a la oxidación; por eso no generan reacciones de corrosión que dañen los tejidos.

Ejemplos resueltos

El oro tiene número atómico Z = 79. ¿Por qué es un buen material para implantes dentales?

  1. Su configuración es [\text{Xe}]\,4f^{14}\,5d^{10}\,6s^{1}, con el subnivel d lleno.
  2. Los electrones de valencia están muy protegidos, por eso su energía de ionización es alta.
  3. En el entorno húmedo del organismo no se oxida: \text{Au} \nrightarrow \text{Au}^{3+} + 3e^{-} en condiciones fisiológicas.
  4. Por su inercia química no produce reacción inmunitaria ni corrosión. Respuesta: El oro es inertante y resistente a la corrosión, lo que garantiza su biocompatibilidad.

Tabla

Biomaterial Elemento / compuesto Propiedad química clave Uso médico antiguo
Hueso, piedra Ca, Si, O Baja reactividad, dureza Prótesis, escápulas
Oro Au (Z=79) Metales nobles, d^{10} Piezas dentales, implantes
Plata Ag (Z=47) \text{Ag}^{+} antibacteriano Cubiertas de heridas
Cobre y bronce Cu (Z=29), Cu-Sn Dureza, esterilizable Instrumentos quirúrgicos
Madera, colágeno C, H, O, N Flexibilidad, reabsorbible Suturas, drenajes
Cerámica de alúmina \text{Al}_{2}\text{O}_{3} Alta energía de red Implantes de carga
Vidrio \text{Na}_{2}\text{O} \cdot \text{CaO} \cdot 6\text{SiO}_{2} Inerte, transparente Tubos, drenajes

Diagrama

mindmap
  root((Primeros biomateriales))
    Metales nobles
      Oro Au (Z=79)
      Plata Ag (Z=47)
      Platino Pt (Z=78)
    Metales comunes
      Cobre Cu (Z=29)
      Bronce Cu-Sn
    Materiales orgánicos
      Hueso
      Madera
      Colágeno
    Cerámicos y vítreos
      Alúmina Al2O3
      Vidrio Na2O·CaO·6SiO2

Fórmulas y ecuaciones

Configuración electrónica del grupo 11: [\text{Xe}]\,4f^{14}\,5d^{10}\,6s^{1}

Hidroxapatita: \text{Ca}_{10}(\text{PO}_{4})_{6}(\text{OH})_{2}

Vidrio sodocálcico: \text{Na}_{2}\text{O} \cdot \text{CaO} \cdot 6\text{SiO}_{2}

\text{Ag} \rightarrow \text{Ag}^{+} + e^{-}

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

\text{Al}@@MATH_0@@\text{O}_{3}

\text{Na}@@MATH_0@@\text{O} \cdot \text{CaO} \cdot 6\text{SiO}_{2}

Z(\text{Au}) = 79,\quad Z(\text{Ag}) = 47,\quad Z(\text{Cu}) = 29

Glosario (5)

Biomaterial
Sustancia natural o sintética que se contacta con tejidos o fluidos biológicos para sustituir, reparar o mejorar funciones del cuerpo.
Metales nobles
Metales poco reactivos como Au, Ag, Pt y Pd que resisten la corrosión en condiciones biológicas.
Hidroxapatita
Mineral de fórmula $\text{Ca}_{10}(\text{PO}_{4})_{6}(\text{OH})_{2}$ que forma la matriz ósea y se usa como sustituto de hueso.
Biocompatibilidad
Capacidad de un material de responder adecuadamente ante un tejido vivo sin causar reacción adversa.
Aleación
Mezcla homogénea de al menos dos elementos, al menos uno de ellos metal, con propiedades distintas a las de sus componentes.

Preguntas para practicar

¿Cuáles fueron los primeros biomateriales utilizados para mejorar la calidad de vida de los seres humanos? Considero la tabla periódica de elementos como referencia.

Los primeros biomateriales fueron materiales naturales de baja reactividad química: hueso y piedra, metales nobles como oro (Au, Z=79), plata (Ag, Z=47) y platino (Pt, Z=78), además de cobre (Cu, Z=29) y bronce, madera, colágeno y, más tarde, cerámica de alúmina y vidrio. La tabla periódica explica su elección: metales del grupo 11 con configuración electrónica casi llena de subniveles d, por lo que son inertes ante los fluidos del cuerpo y no causan corrosión ni reacción inmunitaria fuerte; la plata además aporta efecto antibacteriano por sus iones Ag⁺.

¿Por qué la configuración electrónica $d^{10}$ hace que un metal sea biocompatible?

Los electrones del subnivel d lleno están fuertemente unidos al núcleo y se oponen a perder electrones; además, el llenado completo estabiliza la estructura de bandas y reduce su energía de corrosión. Así, el metal permanece sin oxidar en el medio húmedo y salino del organismo, evitando iones metálicos tóxicos y respuesta inflamatoria.

¿Qué papel cumple la hidroxapatita en la historia de los biomateriales?

La hidroxapatita, $\text{Ca}_{10}(\text{PO}_{4})_{6}(\text{OH})_{2}$, es el mineral que compone el hueso y los dientes. Al ser biocompatible y osteoinductora, se usó desde la antigüedad en forma de hueso calcinado y coral para rellenar defectos óseos, dando origen a la familia de los biomateriales cerámicos bioactivos.

Temas y conceptos clave

Biomateriales y su evolución históricaMetales nobles y metales de transiciónRelación entre configuración electrónica y reactividadCompuestos minerales en medicinabiomaterialinercia químicametales nobleshidroxapatitaaleaciónbiocompatibilidad

Fuentes y referencias

  • Texto de Química — Sistema Educativo Ecuador, BGU Grado 3, página 196 (bgu-3-quimica-2024).
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Preguntas que la gente también hace

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¿Qué elementos de la tabla periódica son los más inertes biológicamente?
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📌 Antes de leer esto
  • • Tabla periódica: grupos, números atómicos y metales de transición
  • • Conceptos de reactividad química e inercia química
  • • Noción de aleaciones metálicas
  • • Compuestos iónicos: óxidos, hidroxapatita, silicatos
Siguiente tema sugerido
Materiales compuestos y polímeros de uso médico
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  1. Explico ¿Cuáles fueron los primeros biomateriales utilizados para mejorar la calidad de vida de los seres humanos? Considero la tabla periódica de elementos como referencia.

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