Cerámicos (Tercera Generación)

Las cerámicas son materiales compuestos por elementos metálicos y no metálicos que se mantienen unidos por enlaces iónicos y/o covalentes. Al igual que en los metales, los enlaces interatómicos en las cerámicas producen un arreglo tridimensional con estructuras cristalinas definidas, pero los vidrios no tienen estructura cristalina alguna (son amorfos). En contraste con los enlaces metálicos, los electrones en los enlaces iónicos y covalentes están localizados entre los iones/átomos que los constituyen, y por ese motivo las cerámicas son malos conductores de la electricidad y del calor. La fuerza de los enlaces iónicos y covalentes hacen de las cerámicas unos materiales duros y frágiles, y que se rompen con muy baja deformación plástica (eventualmente ninguna), y son sensibles a la presencia de defectos o fisuras en ellas. La naturaleza iónica y/o covalente de las cerámicas determina su comportamiento químico. Aunque las cerámicas y los vidrios no sufren corrosión, presentan alguna forma de degradación cuando son expuestas al medio biológico, siendo el mecanismo de la degradación dependiente del tipo particular de material considerado. Aun las cerámicas consideradas inertes químicamente (alúmina, por ejemplo) experimentan una degradación de sus propiedades mecánicas como consecuencia del contacto con la solución salina del medio biológico. La mayor desventaja de las cerámicas y los vidrios es su fragilidad y pobres propiedades mecánicas: aunque pueden soportar grandes cargas en compresión, fallan cuando son cargadas en tracción o en flexión; pero son empleados donde la resistencia al desgaste es de vital importancia y se utilizan, generalmente, para reparar o reemplazar tejido conectivo duro del esqueleto. Sin embargo, hay que destacar que el éxito de la aplicación depende de lograr una unión estable entre estos biomateriales y el tejido conectivo. Las cerámicas bioactivas producen un enlace químico directo con los tejidos, en particular con los huesos. Son materiales cuya superficie es muy reactiva, aunque presentan una baja solubilidad en el medio biológico. Son empleadas frecuentemente para la fijación de implantes en el sistema óseo.

Los cerámicos son compuestos policristalinos, normalmente inorgánicos como los silicatos, óxidos metálicos, carburos e hidruros. Los cerámicos que se utilizan en la elaboración de biomateriales, normalmente reciben el nombre de biocerámicos y se pueden clasificar de la siguiente manera: absorbibles, no absorbibles o inertes y con superficie de reacción.

• Biocerámico-absorbible, es aquel, que el organismo es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, normalmente son elaborados de fosfatos, óxidos, etc. Su aplicación más común se encuentra en la reparación de huesos. 

• Biocerámico-no absorbible o inerte, es aquel, que el organismo no es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, estos son no tóxicos, no producen ninguna alergia ni reacción secundaria, son totalmente biocompatibles y resistentes a la corrosión. Sus principales aplicaciones son: prótesis de cadera, válvulas de corazón, válvulas respiratorias, etc. 

• Biocerámico-con superficie de reacción, es aquel, que el organismo utiliza sólo por un período de tiempo, esto debido a sus propiedades. Entre estos materiales se encuentran el Bioglass y el Ceravital, los cuales consisten en una mezcla de óxidos de silicón, calcio, sodio, fósforo, magnesio y potasio. 

Las cerámicas también tienen uso extensivo en el campo biomédico, como en implantes ortopédicos, lentes, utensilios de laboratorio y de modo más importante en aplicaciones dentales. Algunos de los factores que hacen de los biomateriales cerámicos excelentes candidatos para sus aplicaciones son su biocompatibilidad, resistencia a la corrosión, alta dureza, resistencia al desgaste en aplicaciones donde hay articulación de superficies (materiales de prótesis dentales, de cadera y rodilla) además su principal ventaja de algunos biomateriales cerámicos es que se unen muy bien al hueso, lo cual es importante en aplicaciones ortopédicas y dentales. Requisitos para los implantes :

• Biocompatibilidad. 
• Resistencia a la corrosión en el medio biológico. 
• Propiedades mecánicas y físicas compatibles con su función específica en el cuerpo humano. 
• Resistentes a la fatiga para las aplicaciones de cargas cíclicas. 
• Óseo integración.

BIOCERÁMICAS

Las aplicaciones de las biocerámicas se centran en los campos de la cirugía maxilofacial, vertebral y ortopédica fundamentalmente, y la investigación para biomateriales del futuro en ingeniería de tejidos y sistemas de liberación de fármacos. Y por supuesto pueden tener proyección en aplicaciones biotecnológicas.

Cerámicas Bioinertes

Las cerámicas inertes producen una respuesta mínima por parte del organismo y llevan al encapsulamiento del material como consecuencia de lo que se denomina respuesta al cuerpo extraño. Estos materiales son, en extremo, estables tanto química como físicamente, y sufren muy poca alteración en contacto con el medio biológico. Las cerámicas inertes más frecuentemente empleadas son:

• Alúmina (Al2O3)
• Zirconia (ZrO2)
• Nitruro de Silicio (Si3N4)

Estos tres materiales tienen la característica de que presentan una alta resistencia a la compresión, una excelente resistencia al desgaste y una inercia química casi total.

Alúmina (Al2O3)

Es la cerámica bio-inerte más frecuentemente utilizada. El uso de la alúmina como biomaterial está motivado por su excelente bio-compatibilidad y su excepcional coeficiente de fricción y baja velocidad de desgaste. Debido a su capacidad de ser pulidas con un alto acabado superficial y su excelente resistencia al desgaste, la alúmina se utiliza a menudo para las superficies de desgaste de las prótesis de sustitución conjunta. Estas aplicaciones incluyen cabezas femorales para el reemplazo de cadera y placas de desgaste en reemplazos de rodilla. En sustitución de cadera, la cabeza femoral de alúmina se utiliza en conjunción con un vástago femoral metálico y una copa acetabular hecho de ultra alto peso molecular de polietileno para oponerse a la articulación de la superficie Poroso de alúmina también pueden utilizarse para sustituir a una gran parte de los huesos que se han eliminado por razones tales como el cáncer. Estas pueden adoptar la forma de anillos concéntricos que son alrededor de un pasador metálico, añade el centro de sí mismo el resto de los huesos. La naturaleza porosa de estos implantes permitirá al hueso nuevo crecer en los poros, la utilización eficaz de la alúmina como un andamio para la formación de hueso nuevo.


Alumina en implantes ortopédicos La alumina de alta pureza tiene resistencia a la corrosión, al desgaste, alta solidez y es biocompatible, es por eso que ha aumentado su uso como el material preferido para reemplazos de cadera. Son reemplazos con prótesis artificiales.

Zirconia (ZrO2)

La zirconia también es empleada como esfera articular en reemplazos totales de cadera. Es, fundamentalmente, ZrO2 con el agregado de algún óxido metálico tal como el óxido de magnesio (MgO). La ventaja potencial de la zirconia en prótesis bajo cargas es su alta resistencia mecánica y su buena tenacidad, comparada con otras cerámicas. Sin embargo, hasta ahora hay insuficiente cantidad de datos para determinar si esas propiedades conducirán a un éxito clínico luego de más de 15 años de uso.

Nitruro de Silicio (Si3N4) (ver 4arta generación)

El nitruro de silicio es un compuesto químico de silicio y nitrógeno, con la fórmula Si3N4. Es un sólido blanco, de punto de fusión alto, que es relativamente inerte químicamente, siendo atacado por HF diluido y H2SO4 caliente. Es muy duro (8.5 en la escala de Mohs). Es el más estable termodinámicamente de los nitruros de silicio. Por ello, Si3N4 es comercialmente muy importante.Es una cerámica que se prepara por una reacción de silicio en polvo con nitrógeno gas a temperaturas muy elevadas. El producto obtenido se prensa en caliente y se dopa con un 1-5% de MgO. Entre las cerámicas avanzadas es el material que presenta una mejor combinación de propiedades y está siendo investigado para aplicaciones en motores cerámicos de alta temperatura.

Básicamente se distinguen dos tipos de este material:

• Unido mediante una reacción limitada, que puede contener hasta 20 % de porosidad;
• Urensado en caliente, que puede llegar a tener hasta un 100 % de la densidad teórica.

El nitruro de silicio unido mediante una reacción tiene la ventaja de ser más económico, debido al método que se usa para sintetizarlo, mucho más barato que el prensado en caliente. Otra ventaja es que pueden realizarse piezas muy precisas que conservan su forma original. La desventaja de este material es la porosidad, que disminuye la resistencia y otras propiedades mecánicas. Frecuentemente se usa para piezas de horno y similares cuando la alta resistencia no es un factor crítico. Las propiedades que diferencian al nitruro de silicio de otras cerámicas usadas en la ingeniería son las siguientes:

• No hay pérdida de fuerza en el aire a temperaturas de hasta 1000 ºC;
• Mayor resistencia al choque térmico que muchas otras cerámicas;
• Densidad más baja que la mayoría de cerámicas de ingeniería (un tercio del peso del acero);
• Baja expansión térmica;
• Más dureza que el carburo de silicio y el óxido de aluminio;
• Más rígido que el acero (50 %);
• Elevada resistencia a la compresión;
• Elevada resistencia al desgaste, tanto por impacto como por fricción;
• Buena resistencia al ataque químico.

Dentro de los usos del Nitruro de Silicio destacan los de material refractario, como aleación en fundiciones, en láseres, en Medicina (lentes de contacto e implantes de mama), fabricación de vidrio para ventanas, etc.

Cerámicas Absorbibles

CERÁMICAS Y VIDRIOS

Las cerámicas y vidrios incluyen una amplia gama de compuestos inorgánicos no metálicos utilizados, fundamentalmente, para reparar o parare emplazar tejido óseo, dentario y conectivo fibroso resistente. Una cerámica es un sólido inorgánico no metálico preparado por la acción del calor y posterior enfriamiento. Los materiales cerámicos pueden tener una estructura cristalina, parcialmente cristalina o amorfa (por ej. vidrio); la mayoría de las cerámicas son cristalinas por lo que la definición de cerámica suele restringirse a materiales cristalinos inorgánicos, en oposición a los vidrios no cristalinos. Un vidrio es un material amorfo que se obtiene al solidificar una masa fundida cuya elevada viscosidad impide que se desarrolle una estructura cristalina. Material frágil, formado por mezclas de silicatos que se obtienen por fusión y posterior enfriamiento rápido de mezclas de óxidos, principalmente:

• Sílice (dióxido de silicio)
• Óxido de sodio
• Óxido de calcio

Vitrocerámica

Una vitrocerámica es un producto obtenido a partir de un vidrio, que contiene hasta un 3 % de óxidos de titanio o circonio, u otras sustancias constitutivas de núcleos, alrededor de los que se forman fases cristalinas microgranulares al someter aquel a una temperatura elevada. Posee mayor estabilidad que el vidrio.

Cerámica Vidriada

Un material que comienza como vidrio y terminada como cerámica policristalina con una estructura cristalina de grano fino, desorganizada y no porosa. La alúmina (cerámica policristalina de gránulo fino) de alta pureza (>199,5 %) y alta densidad se utiliza en prótesis que han de resistir grandes sobrecargas como las de cadera y las dentales; tiene una excelente resistencia a la corrosión, buena biocompatibilidad y gran resistencia. El óxido de aluminio (alúmina) y el óxido de circonio, de tamaño de grano < 4μm y pureza > 99,7 %, exhibe, una buena resistencia a la flexión y a la compresión y unas excelentes propiedades tribológicas (condiciones de fricción, deslizamiento y desgaste).

Cerámicas Bioactivas

Desarrollan una interfaz adherente con los tejidos que resiste fuerzas mecánicas. En ocasiones, la resistencia adherente en la interfaz es equivalente o superior a la fuerza cohesiva del material implantado o del propio tejido anclando al implante. Las cerámicas bioactivas comparten tres hechos: < 60 % SiO2; alto contenido en Na2O y CaO, y alta relación CaO/P2O5. Estas características hacen que la superficie sea muy reactiva cuando se expone a un medio acuoso, que resulta en la formación de un enlace químico entre ambos. El hueso consta, en relación con su peso, de 25% agua, 15% materiales orgánicos y 60% fase mineral; esta última, principalmente: iones calcio y fósforo, y trazas de magnesio, carbonato, hidroxilo, cloro, flúor y citrato. Durante los últimos años ha incrementado el interés por la utilización de fosfatos de calcio como biomateriales, pero sólo ciertos derivados son útiles dada su solubilidad y degradación hidrolítica; por ello, los compuestos con una relación Ca / P < 1 / 1noson útiles como biomateriales. El principal componente cristalino de la fase mineral ósea es la hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2), que puede ser sintetizada y procesada como una cerámica para su utilización como biomaterial. Los mecanismos de interacción de los implantes de hidroxiapatita son diferentes a los descritos para las cerámicas bioactivas; en el caso de la primera se forma una matriz ósea celular a partir de osteoblastos diferenciados, y entre esa matriz y las células se establece un anclaje de fibras de colágeno.

BIOVIDRIOS

El vidrio bioactivo es considerado actualmente como el material más biocompatible en el área de regeneración ósea debido a su bioactividad, osteoconductividad y hasta mismo osteoinductividad.

Ese material, que muestra excelente bioactividad, podrá abrir las puertas para el desarrollo de nuevos materiales de regeneración ósea nanoestructurados para la medicina regenerativa e ingeniería de los tejidos. Biovidrios:

• Basados en Sílice: constituyen la parte esencial de esos materiales bioactivos, ya han sido usados en diversas aplicaciones ortopédicas y dentarias.
• Zirconas: También es empleada como esfera articular en reemplazos totales de cadera. Es fundamentalmente ZrO2 con el agregado de algún oxido metálico. La ventaja potencial de la zirconia en prótesis bajo carga es su bajo módulo de elasticidad, su alta resistencia mecánica y su buena tenacidad. Hasta ahora hay insuficiente cantidad de datos para determinar si esas propiedades conducirán a un éxito clínico luego de varios años de uso.

Hidroxiapatita de 3era generación

El mineral hidroxiapatita, también llamado hidroxiapatito, está formado por fosfato de calcio cristalino y representa un depósito del 99% del calcio corporal y 80% del fósforo total. El hueso desmineralizado es conocido como osteoide. Constituye alrededor del 60-70% del peso seco del tejido óseo, haciéndolo muy resistente a la compresión. El esmalte que cubre los dientes contiene el mineral hidroxiapatita. Ese mineral, muy poco soluble, se disuelve en ácidos. El Instituto de Investigaciones en Materiales ha desarrollado compuestos terapéuticos a partir de dos minerales (hidroxiapatita y zeolita enriquecida con calcio y zinc); algunos también sirven para hacer prótesis oculares. Se utilizan para tratar, aumentar, completar o reemplazar tejidos vivos y órganos, como hueso, piel, ligamentos, tendones, nariz, orejas, ojos... El calcio del hueso se presenta en forma de un compuesto denominado hidroxiapatita. Sirven para reemplazar hueso e incluso piel herida o quemada. Hidroxiapatita (un mineral que, además de encontrarse en la naturaleza, lo producimos en nuestro cuerpo a 37 °C) .

En caso de pérdida por accidente, infección u otra causa, los médicos recurren al llamado homoinjerto: al paciente le quitan una parte de hueso (generalmente de la cadera) para implantársela en el sitio afectado. Sin embargo, con los biocerámicos ya se puede evitar este procedimiento. En caso de pérdida por accidente, infección u otra causa, los médicos recurren al llamado homoinjerto: al paciente le quitan una parte de hueso (generalmente de la cadera) para implantársela en el sitio afectado. Sin embargo, con los biocerámicos ya se puede evitar este procedimiento. La hidroxiapatita de las minas no sirve para elaborar implantes óseos porque está muy contaminada. Por eso se obtiene en laboratorio mediante reacciones químicas, en forma de polvo cristalino de alta pureza. Posteriormente, éste se compacta y se somete a altas temperaturas (más de 1200 °C) para sintetizarlo y formar con él piezas geométricas de gran resistencia y dureza.

Se observó que la hidroxiapatita se podía obtener tanto natural como sintéticamente:

• Natural: Bovina, Coralina, Ficogena.
• Sintética: Es química y cristalográficamente similar, pero no idéntica.

La hidroxiapatita también permite elaborar prótesis oculares (han sido probadas en el Centro Médico Nacional y el Hospital de la Luz). Así, a los tuertos se les puede implantar, en vez de un ojo de vidrio fijo y pesado, una esfera de este mineral ligero y poroso. Se usa, además, en implantes dentales, sistemas percutáneos, tratamientos periodentales, otorrinolaringología y cirugía maxilofacial y espinal. Inyectada bajo la piel, quita arrugas y rellena huecos óseos en cara o cabeza. Cuando el paciente es diabético, la piel corre el riesgo de sufrir diferentes tipos de heridas o alteraciones como quemaduras, abrasiones, contusiones, laceraciones y punciones. La Hidroxilopatita , a partir de zeolita enriquecida con calcio y zinc, sirven para regenerar y lograr una cicatrización más rápida. Este biomaterial tiene otra ventaja: estimula el crecimiento normal de pelo.

COMPUESTOS

Un material compuesto es un material que está formado por dos materiales diferentes, combinados de modo tal que se puedan aprovechar las propiedades mecánicas ventajosas de cada uno de ellos. Un ejemplo típico de material compuesto es el plástico reforzado con fibras. Entre estos el más común es la fibra de vidrio (fiberglass) que está formado por pequeñas fibras de vidrio (glass fibers) encapsuladas por medio de una resina de poliéster. Las fibras de vidrio son muy duras, pero al doblarse se quiebran con facilidad. El poliéster es muy flexible y fácil de deformar. Cuando los dos materiales se combinan, el plástico que sostiene a las fibras evita que éstas se doblen y quiebren, mientras que las fibras no permiten que el conjunto se deforme. De este modo, se consigue un material mucho más resistente a la rotura que cada uno de los materiales que lo constituyen. Aplicación de sutura no reabsorbible de Nylon. Tornillos y clavos de ácido-Poliláctico para la fijación de rotura de ligamentos Con fibra de vidrio se fabrican desde carrocerías de automóviles hasta tablas de surf. Otro ejemplo de plástico reforzado con fibras es la fibra de carbono que se utiliza para fabricar bicicletas de carrera o raquetas de tenis, debido a que combina una alta resistencia mecánica con un muy bajo peso. Otro material compuesto de amplia utilización son las llamadas fibras aramídicas conocidas comercialmente como Kevlar, que por su alta resistencia mecánica, a los impactos y bajo peso, se emplea para la fabricación de carrocerías de automóviles de competición. Si bien la aplicación de materiales compuestos como biomaterial es de reciente data (aproximadamente 30 años), y su utilización está orientada a la fijación de fracturas, cemento óseo, reemplazo de cartílagos, tendones y ligamentos, etc., ha tenido mucho éxito en la fabricación de piernas artificiales.

Un biomaterial es un compuesto sólido que contiene dos o más componentes unidos para formar una estructura integra. Ejemplos de estos tipos de compuestos son los utilizados en el área médico- dental, tales como: inclusiones inorgánicas de cuarzo con una matriz acrílico-polímero; Componentes ortopédicos como pueden ser: inclusiones de fibra de carbón con una matriz de polietileno.

Materiales compuestos y modificados

Compuesto significa formado por dos o más componentes. A nivel atómico, las aleaciones metálicas y los polímeros son materiales compuestos: están formados por distintos grupos atómicos. Por otro lado, a nivel micro estructural cualquier tejido es un material compuesto. La ingenierización de un material compuesto supone la interacción de dos o más componentes químicamente diferentes, que, a nivel macroscópico, presentan interfases distintivas. Tales materiales compuestos, de interés como biomateriales, constan de una o más fases discontinuas embebidas en una fase continua. La o las fases discontinuas —material/es de refuerzo— son más resistentes que la fase continua o matriz. Las propiedades de los biomateriales compuestos son función de los componentes, su distribución, orientación y geometría, de su proporción y de la interacción entre ellos. La mayoría de los materiales compuestos se fabrican para proporcionar determinadas propiedades mecánicas: fortaleza o solidez, rigidez, dureza o resistencia a la fatiga. En relación con la fase discontinua, los materiales compuestos pueden ser fibrosos, laminados o granulados.

Compuestos granulados (ver 3era generación Polímeros y Carbono (Materiales Inteligentes)) - son isotrópicos, los fibrosos y laminados son anisotrópicos. Los sistemas de refuerzo utilizados en compuestos biomédicos son:

• Fibras de carbono o grafito pilrolítico.
• Fibras poliméricas (aramida es el nombre genérico de las fibras poliamídicas aromáticas; las más conocidas son Kevlar® y Nomex®).
• Fibras de vidrio y cerámicas.

Matrices 

Por parte del componente matricial, la mayoría de los compuestos biomédicos tienen matrices poliméricas, generalmente termoplásticas, biodegradables o no. Las matrices más frecuentes son polímeros sintéticos no degradables.