Clase 2 Tipos de biomateriales PDF

Materiales para Aplicaciones Médicas Tipos de materiales  Revisar conceptos de materiales Ser capaces de comparar/contrastar materiales naturales de los sintéticos Ser capaces de comparar/contrastar las propiedades superficiales de las de...

Materiales para Aplicaciones Médicas Tipos de materiales  Revisar conceptos de materiales Ser capaces de comparar/contrastar materiales naturales de los sintéticos Ser capaces de comparar/contrastar las propiedades superficiales de las de bulto o volumétricas Objetivos Entender los criterios de diseño que dependen de las propiedades de bulto o de las de superficies Entender que el material induce una respuesta biológica, que puede afectar su funcionalidad Entender que la forma del material puede influenciar en sus propiedades y la respuesta biológica Entender como la estructura electrónica contribuye a definir diferentes tipos de enlaces y de materiales  Los Biomateriales son “materiales biocompatibles” Hay muchas características que tienen los biomateriales y en la siguiente lista se agrupan solo algunas de ellas: – Son sistémica y – Son capaces de estar en íntimo farmacológicamente inertes, lo contacto con tejidos vivos – Son empleados para – Son sustancias naturales o que significa que no deberían (músculo, hueso, sangre, fluidos reemplazar partes del artificiales (sintéticas). provocar una respuesta en el corporales, etc.) sin ver afectadas cuerpo humano. organismo y que no afectan sus propiedades (dependiendo de negativamente sus tejidos. para qué fueron diseñados). – Son empleados para tratar – Se aprovechan también – Dependiendo del tipo de – Pueden ser metálicos, distintas enfermedades y con aplicaciones biomaterial, se emplean cerámicos, poliméricos o heridas (suturas, catéteres, diagnósticas y de durante períodos de tiempo combinados (compuestos). agujas, placas, etc.). almacenamiento. variables. Biocompatibilidad Se define como una cualidad de algunos materiales para generar respuestas positivas por el sistema biológico con el cual entran en contacto para cumplir funciones específicas. Esta cualidad no solo es desde el punto de vista biológico, sino que también es una característica química y mecánica que favorece la interacción de estos materiales con los sistemas vivos. – La biocompatibilidad es la capacidad de un material de generar una respuesta específica del huésped que le permita desarrollar su función. – El término biocompatibilidad se aplica principalmente a los materiales de uso médico tanto naturales como sintéticos, en contacto directo, breve o prolongado, con los tejidos y fluidos del cuerpo. – La biocompatibilidad no busca que el huésped no genere respuesta, ya que muchas veces es necesaria para su función (ej.: degradación de una sutura reabsorbible), sino más bien que esta respuesta sea acorde a la función del material y no genere rechazo por parte del huésped. Biomateriales Un biomaterial debe ser: - inerte o específicamente interactivo - biocompatible - mecánica y químicamente estable o biodegradable - procesable (para la capacidad de fabricación) - no trombogénico (si entra en contacto con la sangre) - esterilizable 2/8/2025 7  Tipos de biomateriales 2/8/2025 8 Los Biomateriales son Materiales Materiales están conformados por átomos y moléculas Interactúan básicamente a través de la fuerza electromagnética Gravitacional muy débil a escala de los átomos 10-52 J Las fuerzas nucleares débiles y fuertes solo actúan a distancias muy cortas (10-4 nm) en comparación con las dimensiones moleculares (5 x 10-1 nm) La fuerza electromagnética se manifiesta de diferentes formas Fuerza Quienes Van der Waals o Actúa sobre moléculas o átomos sin dipolos Dispersivas debido a la deformación de la nube electrónica Iónica Cargas (+) y cargas (-) Enlaces de hidrógeno Un elemento electronegativo (demanda electrones) como el O puede distorsionar la nube electrónica del H dejándolo sin un electrón y por lo tanto con carga positiva Enlace metálico Delocalización de la nube electrónica con núcleos (+) dispersos Enlace Covalente Asociado con compartir electrones entre los átomos La fuerza electromagnética se manifiesta de diferentes formas Fuerza Características Ejemplos Van der Waals o No es direccional Argón a bajas temperaturas Dispersivas Los electrones están localizados Polietileno (unión entre las cadenas poliméricas) Iónica No es direccional Los electrones son transferidos de un NaCl átomo a otro. CaCl2 Enlaces de hidrógeno Direccional Agua en hielo Los electrones están localizados Nylon (fuerza que une las cadenas poliméricas) Enlace metálico No es direccional Electrones están libres Oro Titanio Enlace Covalente Fuertemente direccional Enlaces Carbono-Carbono Los electrones son compartidos localmente Enlaces Silicio-Silicio  Fuerza 1 Electromagnética 2 Fuertes Débiles 3 Iónica Covalente Metálica Van der Waals Hidrógeno  La organización macroscópica de los átomos y moléculas unidos por estas fuerzas determinan a la materia y sus propiedades. La materia condensada (líquidos y sólidos) exhibe estructura a diferentes escalas < 0.2 nm 0.2-10 nm 1-1000 nm > 0.1 mm Determinan las propiedades: químicas, Granos o Poros eléctricas, magnéticas, ópticas, térmicas y De forma secundaria mecánicas influencia las Categorizan a los materiales: metales, propiedades mecánicas polímeros, cerámicos  Ciencia de Materiales Rendimiento/Aplicación Estructura Síntesis Propiedades +procesamiento Físicas Biológicas 2/8/2025 15  Propiedades de los materiales Mecánicas Eléctricas Ópticas Térmicas  Compuestos inorgánicos que contienen elementos metálicos y no metálicos, para los cuales el enlace interatómico es iónico o covalente, y que generalmente se forman a altas temperaturas. La mayoría de las cerámicas se encuentran como minerales. La abundancia de elementos y las características geoquímicas de la corteza terrestre gobiernan los tipos de minerales. Composición de la corteza terrestre: [84% = O + Si + Al] O = 50% Fe = 5% K = 2.5% Cerámicos Si = 26% Al = 8% Ca = 3% Mg = 2% Na = 2,5% H = 1% 2/8/2025 17 Clasificación de los Cerámicos Óptica, compuestos reforzados, Vidrios contenedores, son amorfos. Arcillas Porcelanas, Refractarios Ladrillos Hornos cerámicos Rotores, valvulas, Avanzados sensores, Abrasivos superconductores Lijas, Pulido. Cementos Compuestos estructurales  Cerámicos Ventajas: - inerte en el cuerpo (o bioactivo en el cuerpo) - alta resistencia al desgaste (aplicaciones ortopédicas y dentales) - alto módulo (rígidez) y resistencia a la compresión - propiedades estéticas finas para aplicaciones dentales Desventajas: - quebradizo (baja resistencia a la fractura, tolerancia a defectos) - baja resistencia a la tracción (las fibras son la excepción) - baja resistencia a la fátiga (se relaciona con la tolerancia a defectos) 2/8/2025 19 Aplicaciones médicas de los Cerámicos cabezales femorales e insertos de copa para cerámica sobre polietileno; o cerámica sobre rodamientos cerámicos de reemplazo de cadera; prótesis de rodilla; dispositivos de fusión espinal; instrumentación ortopédica; coronas dentales; puentes, implantes y tapas; implantes de oído interno (implantes cocleares); dispositivos de administración de medicamentos. 2/8/2025 20  Cerámicos avanzados Alúmina, circonio, fosfato de calcio, carbono pirolítico, hidroxiapatita, carburo de silicio, nitruro de silicio Los materiales cerámicos porosos exhiben resistencias mucho más bajas, pero se han encontrado extremadamente útiles como recubrimientos para implantes metálicos; Ciertas cerámicas se consideran cerámicas bioactivas si establecen enlaces con el tejido óseo. El recubrimiento de hidroxiapatita ayuda en la fijación tisular de implantes al proporcionar una superficie porosa para que el tejido circundante crezca y se enganche mecánicamente. 2/8/2025 21 Cerámicos absorbibles Reparación de fracturas (Fosfatos de calcio) Cementos óseos Cerámicos no Cabezas de absorbibles, inertes femoral en y resistentes al prótesis de cadera desgaste (Al2O3) Bio-vidrios (Silicatos) Regeneración ósea By Maria Vallet-Regi - http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtm l/2001/dt/b007852m, CC BY-SA 4.0, METALES Son aquellos que están compuestos básicamente por uno o más metales. También pueden contener otros materiales como el carbono.  Metales Estructura cristalina estrechamente empaquetada; el tipo de unión en metales y aleaciones metálicas los hace valiosos como implantes de carga, así como dispositivos de fijación interna utilizados para aplicaciones ortopédicas, así como implantes dentales; cuando se procesan adecuadamente, contribuyen con altos grados de tracción, fatiga y elásticos; baja reactividad y buena ductilidad a los dispositivos de Atria implantes de cadera; Sin embargo, sus propiedades dependen del método de procesamiento, la pureza del metal, y la selección del material debe hacerse adecuada a su uso previsto. 2/8/2025 24 Fabricación de metales 2/8/2025 25 El número de elementos metálicos que se utilizan para la fabricación de implantes es muy limitado: Requisitos: https://www.angelo.edu/faculty/kboudrea/periodic/physical_metals.htm Sean tolerados por el organismo (no tóxicos), por lo que es muy importante conocer la dosis que pueden aportar a los tejidos vivos. Buena resistencia a la corrosión.  Aleaciones Aleaciones plata, Aleaciones de Oro y Platino Acero Inoxidable de Co-Cr estaño, cobre titanio Co, Cr Au, Pt Ag, Sn, Cu Fe Ti, Al, V Válvulas cardíacas Amalgamas Prótesis dentales Reparación ortopédica Extensores vasculares Electrodos Prótesis articulares  Metales en prótesis 1. Una complicación que puede ocurrir por el uso de metales en aplicaciones ortopédicas es el fenómeno del blindaje contra tensiones; En algunas situaciones, como la implantación de cadera, la alta resistencia del metal en el implante lo induce a asumir más de su parte de responsabilidad por la carga en esa región; Esto disminuye la carga nacida por el tejido circundante y, por lo tanto, lo protege de experimentar estrés; La falta de estrés hace que la densidad ósea disminuya a medida que el tejido óseo se reabsorbe, lo que eventualmente causa complicaciones en la interfaz implante/tejido. 2. Corrosión 2/8/2025 28 Metales no convencionales - biodegradables Aleaciones de Zinc Aleaciones de Magnesio Aleaciones de Hierro Reparación ósea Extensores vasculares  POLÍMEROS Los polímeros son macromoléculas, generalmente orgánicas, formadas por la unión covalente de moléculas más pequeñas llamadas monómeros, que se caracterizan por tener bajo peso molecular.  consisten en pequeñas unidades repetitivas unidas en cadenas largas; la estructura flexible de los polímeros ha permitido que este grupo de materiales sea útil en aplicaciones que Polímeros van desde bolsas de basura de plástico hasta neumáticos de goma; Incluso el ADN ha encontrado útil esta estructura, almacenando información genética en miles y miles de secuencias repetitivas de polímeros; En muchos materiales, las condiciones de procesamiento pueden inducir a las cadenas de polímeros a unirse entre sí a lo largo de la cadena para producir una amplia variedad de propiedades mecánicas; Estos parámetros se varían fácilmente para adaptarse a las aplicaciones biomédicas actuales. 2/8/2025  Se diseñan escogiendo una combinación determinada de monómeros Variando su composición y grado de entrecruzamiento o cristalinidad, se pueden modificar sus propiedades de forma muy versatil Dureza Plasticidad Densidad  PET PTFE Sintéticos PMMA PEG PVA PLGA Polímeros Alginato Quitosano Naturales Colágeno Fibrina Elastina A. hialurónico  Resinas Epóxicas Siliconas Termoestables Elastómeros Adhesivos Termoplásticos Cianocrilatos PVC, Nylon  Hidrogeles Tienen la habilidad de absorber agua, la cual pueden retener sin disolverse Aplicaciones de los polímeros Lentes de contacto Suturas Implantes articulares Guantes Implantes de mama Apósito para heridas Adhesivos Reemplazo de nudillos Injertos vasculares Rejillas absorbibles Reparación de nervios, venas, arterias Polímeros Hidrofílicos Hidrofóbicos Bioestable Biodegradable Natural Desventajas: Degradación Sintéticos por oxidación o hidrólisis, Altamente procesables Baja resistencia mecánica 2/8/2025 37  Resistencia a la Resistencia a la Dureza Corrosión Maquinables fractura Cerámicos Cerámicos Cerámicos Cerámicos Polímeros Polímeros Polímeros Polímeros Metales Metales Metales Metales  PROPIEDAD CERÁMICOS METALES PLÁSTICOS DUREZA ELASTICIDAD RESISTENCIA A ALTAS TEMPERATURAS EXPANSIÓN TÉRMICA DÚCTILIDAD RESISTENCIA A LA CORROSIÓN RESISTENCIA AL DESGASTE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DENSIDAD CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Materiales Compuestos Formados por dos o mas componentes. Presentan distintas fases de naturaleza química diferente e insolubles entre sí (matriz y agente reforzante). La mezcla de fases proporciona propiedades mecánicas superiores a la simple suma de las mismas (sinergia).  Las fortalezas y debilidades individuales de polímeros, cerámicas y metales benefician diferentes aplicaciones; La porosidad y la dureza de la cerámica apoyan la integración del tejido en la interfase tejido/implantes, pero estas propiedades difícilmente podrían adaptarse a un reemplazo de ligamento; Materiales Un material compuesto incorpora las características Compuestos deseadas de diferentes materiales para satisfacer las estrictas demandas del tejido vivo; La mayoría de los diseños compuestos combinan resistencia y flexibilidad reforzando un material relativamente flexible con uno más duro y fuerte; y En algunos casos, uno o más de estos materiales pueden ser degradables para fomentar la integración de tejidos. 2/8/2025 41 Reforzados con partículas Micro partículas Nano partículas Mixtas Reforzados con fibras (micro y nanométricas) Porosos  Matriz Blanda y Dúctil Partículas de material duro y frágil dispersas uniformemente Cemento óseo: PMMA + Cerámico Caucho de catéteres y guantes de goma reforzados con partículas de sílice Resinas dentales con inclusiones inorgánicas rígidos o radio- opacas  Matriz polimérica o metálica Fibras cerámicas, poliméricas o metálicas para mejorar la tracción Polietileno de alta densidad con incrustaciones de fibras de carbono para implantes de rodilla Cementos óseos para columna vertebral: PMMA reforzado con fibras metálicas microscópicas  Matriz con presencia de huecos (aire) Andamios para crecimiento del tejido interno óseo Colágeno poroso para simular piel artificial Polipropileno trenzado para ligamentos artificiales Material poroso para vasos sanguíneos Materiales de uso común Ventajas Desventajas Usos en Implantación Polímeros: Silicón, Teflón, Elásticos, fáciles de fabricar, Baja resistencia mecánica, Suturas, arterias, venas, Dacrón, Nylon baja densidad degradación con el tiempo nariz, orejas, mandíbulas, dientes tendones Metales: Aceros 316, 316L, Resistencia a esfuerzos de Baja biocompatibilidad, Fijación ortopédica, aleaciones de titanio, alto impacto, alta resistencia corrosión en medios tornillos, clavos, alambres, aleaciones cobalto-cromo al desgaste. La mayoría son fisiológicos, alta densidad, placas, barras buenos conductores del pérdida de propiedades intermedulares, implantes calor y electricidad. mecánicas dentales Cerámicos: Óxidos de Buena biocompatibilidad, Fractura ante esfuerzos de Prótesis de cadera, prótesis aluminio, aluminatos de alta resistencia a la alto impacto, difícil dentales, dientes, calcio, óxidos de titanio, corrosión, inertes. fabricación, baja resistencia dispositivos transcutáneos, carbonos, hidroxiapatita mecánica, inelásticos, alta rellenos óseos densidad Compuestos: Cerámica- Buena biocompatibilidad, Carecen de consistencia en la Válvulas cardíacas, uniones metal, carbono-otro material inerte, resistencia a la fabricación del material óseas, marcapasos. corrosión, alta resistencia a los esfuerzos. Sus 2/8/2025 propiedades dependen de la 46 composición. Pregunta: Cual material sería el más adecuado para fabricar un tendón artificial. Explicar El tendón debe soportar altas deformaciones a bajas fuerzas y regresar rápidamente a su forma- tamaño original cuando se libera la fuerza. a) Metal b) Cerámico c) Polímero d) Compuesto  Biomateriales en investigación y futuros La tecnología avanza de materiales bioinertes y biocompatibles actuales con vida útil limitada a materiales de "segunda generación", estructural y funcionalmente avanzados a dispositivos de reemplazo y aumento corporal activos de manera fisiológica y correctiva de patología durante toda una vida. La ingeniería de tejidos, los microsistemas y la nanotecnología abordarán muchas de estas necesidades. 2/8/2025 48  Bio-inercia vs. Bioactividad Los materiales bioactivos juegan un papel más agresivo en el cuerpo. Mientras que un material biocompatible debe afectar el equilibrio del cuerpo lo menos posible, un material bioactivo recluta interacciones específicas entre el material y el tejido circundante. 2/8/2025 49  Materiales bioactivos fomentar la integración de tejidos para ayudar en la fijación de un implante en el cuerpo. Muchas operaciones de implantes totales de cadera hoy en día dependen parcialmente de un recubrimiento poroso de hidroxiapatita (HA), un componente normal del hueso, para ayudar a estabilizar permanentemente el tallo del implante en el hueso. El recubrimiento fomenta el crecimiento del tejido circundante que se entrelaza dentro de los poros al igual que las piezas de un rompecabezas se unen. Aunque muchos procedimientos médicos actuales requieren materiales biocompatibles inertes, la creciente comprensión de la interacción tisular promete muchas más aplicaciones para materiales bioactivos agresivos. 2/8/2025 50  Además del tipo de material, también es importante considerar el método de su procesamiento. El proceso puede afectar las propiedades Procesamiento de bulto (mecánicas) o de superficie. de los Se han desarrollado métodos para modificar las superficies de implantes Biomateriales médicos. El procesamiento también es importante para darle la forma adecuada al material, debe ser posible obtener la forma del órgano o tejido a sustituir.  Propiedades del Bulto Propiedades Importantes Propiedades de la de los Superficie Biomateriales Propiedades de Degradación Degradación Esta influenciada por: la forma, el tamaño, locación en el cuerpo humano, propiedades físicas-químicas del material, propiedades del bulto y de la superficie  Ingeniería El tiempo antes de que de tejidos falle-Estabilidad Deseada Biocompatibilidad de los Acarreamiento productos de degradación Degradación Dependencia de la Sustituto degradación con el medio del implante. No deseada Pruebas in-vitro y Soporte Pruebas In-vivo  Las propiedades de superficie (pocas capas atómicas más externas) pueden ser diferentes a las del resto del material. Hay características físicas y químicas que pueden ser diferentes. Propiedades Mojabilidad: Hidrofóbica (repele al agua) superficiales vs. Hidrofílica (se moja totalmente) Rugosidad La respuesta biológica de los materiales es fuertemente afectada por la adsorción de proteínas a las superficies.  https://create.kahoot.it/details /e5a935c9-96a1-4bf0-b3ec- 9c9928bb02c6 Propiedades de Bulto Independientemente de sus propiedades superficiales particulares, los biomateriales, por lo general, también se requiere que exhiban ciertas características a granel: especialmente aquellos atributos (propiedades mecánicas) que se relacionan con la capacidad de transportar cargas de manera confiable sin deflexión indebida o falla prematura Térmicas ópticas  Intrínsecas Composición Propiedades Bulto Acomodo de Extrínsecas los átomos Microestructura No es observable a simple vista Estructuras a diferentes escalas Rango entre 10−4 m to 10−9 m. Propiedades-Microestructura Debido a que algunas propiedades son intrínsecas mientras que otras son extrínsecas, y debido a que las diferentes propiedades extrínsecas son sensibles a los cambios en diferentes atributos microestructurales a diferentes escalas de longitud, es posible controlar y, por lo tanto, optimizar varias propiedades a granel simultáneamente. Mecánicas: Carga, Tensión Nominal, Extensión, y Deformación Nominal La tensión nominal o estrés de ingeniería. 𝐹(𝑁) 𝜎(𝑃𝑎) = 𝐴(𝑚2 ) El estrés es tensil (tracción) si es un "tirón", alargando la muestra, y es compresivo si se trata de un "empuje", acortando la muestra. Las unidades de tensión del SI son newtons por metro cuadrado (N.m-2) o pascales (Pa). Otros tipos de esfuerzo  Deformación El alargamiento de una muestra en respuesta a una carga de tracción dependerá de la longitud de la muestra que Mientras más se vaya a alargar. enlaces, más se estirara una pieza Por lo tanto, con el fin de comparar las de la misma respuestas de diferentes tipos de material, longitud es útil cuantificar el efecto de las cargas (y sus tensiones relacionadas) considerando el cambio de longitud resultante por unidad de longitud, más comúnmente conocido como deformación. 𝑙2 −𝑙1 ∆𝑙 𝜀= = 𝑙1 𝑙1 Deformación nominal 𝑙2 −𝑙1 ∆𝑙 𝜀= = 𝑙1 𝑙1 Tensil o tracción Compresivo La Tensión Real Deformación Real 𝐹(𝑁) 𝑙2 −𝑙1 ∆𝑙 𝜎(𝑃𝑎) = 𝜀= = 𝐴(𝑚2 ) 𝑙1 𝑙1 Esfuerzo de corte 𝐹1 (𝑁) 𝜏(𝑃𝑎) = 𝐴(𝑚2 ) Deformación de corte 𝛾 = 𝑡𝑎𝑛𝜃 Deformación Elástica En el caso de material a granel, la constante de proporcionalidad entre la tensión de tracción (o compresiva) y la deformación se conoce como módulo de Young, E 𝜎 𝑃𝑎 = 𝐸 𝑃𝑎 𝜀 En el caso de material a granel, la constante de proporcionalidad entre la tensión de corte y la deformación se conoce como módulo de Corte, G 𝜏 𝑃𝑎 = 𝐺 𝑃𝑎 𝛾 Cuando deformamos a la largo de una dirección también hay cambios en la dirección perpendicular, la razón de estos cambios, se conoce como la razón de Poisson 𝜀 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝜈=− 𝜀𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 En la dirección de la fuerza aplicada Para la mayoría de los material, la razón de Poisson es positiva, por eso se escoge en la definición el signo negativos Materiales auxéticos: tienen una relación de Poisson negativa  Deformación plástica A medida que aumenta la tensión sobre un material, se puede alcanzar un punto donde la respuesta ya no es lineal. Hay una deformación permanente (irreversible), es decir, deformación que no se recupera al eliminar el estrés. Esto significa que algún reordenamiento de los átomos o moléculas debe haber sido activado. Se conoce la deformación irreversible como deformación plástica. Ocurre comúnmente en metales y polímeros, y raramente en cerámicos. El límite elástico (Esfuerzo de cedencia) es la tensión a la que se produce una deformación plástica notable. En este contexto, a menudo se considera que "notable" es un valor de 0,002 (0,2%) para los metales. En los polímeros, se utilizan valores más altos. Cantidad de deformación plástica que soporta el material Alineamiento de las cadenas poliméricas  Resistencia y Falla La falla de un material de carga ocurre cuando el material deja de realizar su función de soporte de carga. Diferentes interpretaciones de "falla" son de uso común, por lo que es importante tener claro el significado que se pretende cuando hablamos de falla de materiales Para los materiales que no deben sufrir una deformación permanente in situ, el fallo es sinónimo del “esfuerzo de cedencia, YS” por lo que el valor del YS representa una estimación de la resistencia del material en esos casos. Para materiales en los que la deformación permanente (y el cambio de forma concomitante) es aceptable, la falla se considera que ocurre cuando se desarrolla un "cuello" (constricción) notable en el material. El efecto del cuello es concentrar la carga en un 𝐹(𝑁) área más pequeña; 𝜎(𝑃𝑎) = 𝐴(𝑚2 ) Por lo tanto, se disminuye la carga que puede soportar la muestra. En un Diagrama de tensión nominal frente a deformación nominal, donde las tensiones se refieren a las áreas de carga originales de la muestra, la tensión requerida para la deformación adicional disminuye. Por lo tanto, el inicio del estrechamiento corresponde a un máximo en el gráfico de tensión nominal frente a deformación nominal, definiendo la resistencia máxima a la tracción (UTS) o simplemente la resistencia a la tracción del material Nominal o Ingenieril Por lo tanto, la resistencia percibida de un material depende en parte de la definición de falla que se utilice (inicio de la deformación plástica, inicio del estrechamiento o ocurrencia real de la rotura) Estas propiedades son afectadas por los enlaces y por la microestructura  Modulo de Esfuerzo Razón de elasticidad máximo de Densidad Poisson (E) cedencia (UTS) GPa MPa Kg/m3 Acero 209 600 7800 0.29 Acero 200 620 8000 0.27 inoxidable Aluminio 72 257 2700 0.33 PET 2.5 50 1300 0.37  Metales en prótesis 1. Una complicación que puede ocurrir por el uso de metales en aplicaciones ortopédicas es el fenómeno del blindaje contra tensiones; En algunas situaciones, como la implantación de cadera, la alta resistencia del metal en el implante lo induce a asumir más de su parte de responsabilidad por la carga en esa región; Esto disminuye la carga nacida por el tejido circundante y, por lo tanto, lo protege de experimentar estrés; La falta de estrés hace que la densidad ósea disminuya a medida que el tejido óseo se reabsorbe, lo que eventualmente causa complicaciones en la interfaz implante/tejido. 2. Corrosión 2/8/2025 85 Coatings to improve magnesium alloys as orthopedic biomaterials Benjamin Millán-Ramos, Daniela Morquecho-Marín, Phaedra Silva-Bermudez, Argelia Almaguer-Flores, José Victoria-Hernández, Dietmar Letzig, Sandra E. Rodil [email protected] 86 Introduction 1st surgery Fracture Debri s Stress-shielding 2nd surgery Stress shielding is the ability of implants to absorb the stress that bone needs to form new bone [email protected] 87  Alternatives Material with mechanical properties Biodegradable material to avoid similar to bone to avoid stress second surgery shielding Bone Loss https://www.linkedin.com/pulse/stress-shielding-jose-anibal-martinez/ Adv. Sci. 2020, 7, 1902443 [email protected] 88  Alternatives Mil Med Res. 2020 Nov 10;7(1):54 [email protected] 89  Materials 2015 Sep; 8(9): 5744–5794. Comprensive Tensile Strength Young Modulus Elongation (%) Materials strength (MPa) (MPa) (MPa) Cortical bone 131 - 221 35 - 283 17 - 20 1.0 - 2.1 Collagen 0.5 - 1 50 - 150 0.002 - 5 3 Polymers Chitosan 1.7 - 3.4 35 - 75 2 - 18 1-2 PGA 340 - 920 55 - 80 5-7 15 - 20 PLLA 80 - 500 45 - 70 2-7 5 - 10 PLGA 40 - 55 55 - 80 1.4 - 2.8 3 - 10 PCL 20 - 40 10 - 35 0.4 - 0.6 300 - 500 Ceramics HA 500 - 1000 40 - 200 80 - 110 0.5 - 1 TCP 154 25 - 80 60 - 75 1-2 Metals Mg 65 - 1000 135 - 285 41 - 45 2-10 No Ti 900 900 - 1000 110 - 127 10 - 15 degradables SS 500 - 1000 460 - 1700 180 - 205 10 - 40 Bioglass 40 - 60 120 - 250 35 0-1 [email protected] 90  Ti Fe 1000 Mg Tensile Strength (MPa) Zn Fragile (not enough elongation) 100 Bone 10 1 0.1 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Young Modulus (GPa) 91 Biodegradable metals: Mg alloys Zn alloys Fe alloys Corrosion rate Mater. Chem. Front., 2019, 3, 544  [email protected] 93 J. Li et al. / Journal of Materials Science & Technology 36 (2020) 190–208 [email protected] 94  Dureza La dureza de un material se mide aplicando una carga conocida a un pequeño penetrador de geometría conocida (típicamente piramidal o esférico) en contacto con la superficie del material, durante un período de tiempo conocido. Se miden las dimensiones de la indentación resultante, y se utiliza esta información, junto con las condiciones experimentales para calificar la dureza del material en una escala relativa Brinell Brinell Escala de Rockwell Knoop Vickers  Dureza y Desgaste Normalmente a mayor dureza del material hay mayor resistencia al desgaste mecánico. Otras propiedades de Bulto Otros tipos de propiedades a granel que pueden deber tenerse en cuenta durante la selección de un biomaterial se incluyen: propiedades térmicas; propiedades ópticas; propiedades eléctricas; y propiedades magnéticas. Incluso el costo, financiero y ambiental, puede considerarse como una propiedad a granel, dada la dependencia del costo en: (1) el tipo y volumen de material que se utiliza; y (2) la complejidad del reordenamiento microestructural durante el procesamiento. Propiedades térmicas La conductividad térmica se convierte en una consideración importante si un material implantado contribuye a un flujo de calor antinatural a través del tejido circundante. Por ejemplo, las varillas de metal seleccionadas por su combinación de rigidez, resistencia, resistencia a la fractura y biocompatibilidad pueden promover la pérdida de calor y hacer que el paciente sienta más frío de lo normal. La conducción del calor a través de un empaste dental metálico también puede ser una fuente de molestias y, por lo tanto, puede desempeñar un papel en la elección entre un empaste metálico o no metálico. Material Conductividad (°C/cm) Mercurio 0.084 Oro 2.97 Platino 0.698 Plata 4.21 Amalgama de plata 0.23 Cemento de fosfato de Zn 0.012 Cemento de Zn-Eugenol 0.005 Resina Compuesta 0.011 Porcelana 0.010 Esmalte 0.0092 Dentina 0.0063 Agua 0.044  Propiedades térmicas La expansión térmica definida a través del Coeficiente de expansión térmica es una medida del cambio dimensional que puede sufrir un material al cambiar su temperatura 𝜀𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 = 𝛼 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Cambio en la temperatura (°C, K) Deformación (grados -1)  Expansión: Sobre-obturación Aflojamiento: Microfiltración Material CTE (10-6 /°C) Titanio 8.5 Amalgama de plata 25 Ionómero de vidrio 10.2-11.4 Resina acrílica 76 Resina Compuesta 25-60 Porcelana 4-14 Esmalte 11.4 Dentina 8 Cera para incrustaciones 350-450  Propiedades Ópticas En el contexto de los biomateriales, las propiedades ópticas a granel más significativas son el color, el índice de refracción y la transparencia; Los tres son importantes en la selección de materiales para lentes intraoculares o fluidos  Índice de refracción 𝑠𝑒𝑛𝜃1 𝑛2 = 𝑠𝑒𝑛𝜃2 𝑛1 𝑐𝑣𝑎𝑐í𝑜 𝑛= 𝑐𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 Cuando la luz cruza la interfase entre dos medios (materiales), se desvía de su trayectoria original por un ángulo que es una función creciente de la diferencia entre los índices de refracción de los medios. Por lo tanto, la eficacia de un material como lente 𝑛1 está directamente relacionada a su índice de 𝑠𝑒𝑛𝜃2 = 𝑠𝑒𝑛𝜃1 refracción. 𝑛2 Índice de refracción El índice de refracción aumenta a lo largo con el contenido de átomos ricos en electrones, por lo que El "cristal" de plomo es muy útil tanto en lentes como en objetos decorativos o de cristalería.  superficie https://www.geogebra.org/m/JZFaMWF8 superficie superficie superficie  Transparencia La transparencia es un término cualitativo que describe la Capacidad de un material para transmitir luz sin atenuarla (absorbiéndola o dispersándola). Para minimizar la absorción, los enlaces primarios en el material deben ser fuertemente covalentes o iónicos (y definitivamente no metálico).  Transparencia Se minimiza la dispersión, si el material está libre de interfases internas (que podría reflejar la luz) y las diferencias compositivas (que se asociaría con diferencias en el índice de refracción que podría desviar la luz de un camino ininterrumpido a través del material).  Transparencia Relacionada con la estructura electrónica de los materiales. Un material óptimamente transparente será un monocristal homogéneo o será completa y homogéneamente amorfa. Multifocal