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Que es un biomaterial, biocompatibilidad, bioactividad, biodegradable Biomaterial ○ materiales que poseen propiedades físico-químicas adecuadas que le permiten interactuar dentro de un sistema biológico con propósitos médicos Biocompatibilidad ○ propiedad de lo...

Que es un biomaterial, biocompatibilidad, bioactividad, biodegradable Biomaterial ○ materiales que poseen propiedades físico-químicas adecuadas que le permiten interactuar dentro de un sistema biológico con propósitos médicos Biocompatibilidad ○ propiedad de los materiales para obtener una respuesta biológica apropiada en una aplicación específica sin obtener una respuesta tóxica, inmunológica y perjudicial en un tejido vivo Bioactividad ○ propiedad para interactuar de manera activa con el medio biológico al que se adhiere un material para la reparación tisular Biodegradable ○ capacidad química de un material para degradarse de manera fácil y adecuada frente a medios biológicos generaciones y clasificaciones de los biomateriales Generaciones ○ Primera Generación (1950-1970): Bioinertes Metales y aleaciones: acero inoxidable, aleaciones de titanio ○ Segunda Generación (1970-1990): Bioactivos o Bioabsorbible Biocerámicas y polímeros: Hidroxiapatita, PLA (ácido poliláctico), PLGA (ácido poliláctico co-glicólico), colágeno ○ Tercera Generación (1990-2010): Bioactivos y Bioabsorbible Nano / Compuestos, Híbridos orgánicos / inorgánicos (HA/PLA) ○ Cuarta Generación: Materiales biomiméticos (2010 en adelante) Scaffolds para ingeniería tisular (HA / PLA; BG / PLGA; colágeno) Clasificación ○ Origen Natural Autoinjerto (se obtiene el injerto del mismo individuo) Aloinjerto (se obtiene el injerto de otro individuo) Xenoinjerto (injerto de otra especie, animales) Sintético ○ Rol biológico tóxico bioinerte (no interactúa con el medio biológico) bioactivo (participa activamente en la reparación tisular) bioabsorbible (se reabsorbe y provee elementos para la reparación tisular) ○ Función Temporal Soporte no reabsorbible para ser removido Soporte biodegradable - scaffold  Permanente ○ Composición Metales y aleaciones Polímeros Cerámicos, vidrios, vidrios-cerámicos Materiales naturales ○ Estructura Masivos Revestimientos Poros Tipos de enlace, clasificación por tipo de enlace propiedades de los materiales y ejemplos Tipo de enlace ○ Primario Covalente Metálico Iónico ○ Secundario Enlaces de hidrógeno Fuerzas de Van der Waals Interacciones dipolo-dipolo Clasificación de materiales sólidos por tipo de enlace ○ Sólidos Iónicos Altos puntos de fusión y evaporación (fuerza de atracción electrostática) Buenos conductores en su estado líquido Rígidos Ejemplos: NaCl, Al2O3 ○ Sólidos Moleculares (intermolecular forces) No conductores Bajos puntos de fusión Ejemplos: H2O, CO2, I2 ○ Sólidos Covalentes Muy duros (red covalente) Puntos de fusión muy altos Ejemplo: C (diamante), SiO2, SiC ○ Sólidos Metálicos Brillantes Maleables, dúctiles Dureza y puntos de fusión variables Buenos conductores eléctricos y térmicos  Ejemplos: Cu, Fe, Ti, Pb, U Clasificación de materiales sólidos por microestructura ○ Cristalinos Poseen un orden que se compone en una red cristalina Propiedades anisotrópicas (cambian según la dirección de análisis) Poseen un punto de fusión específico ○ Amorfos No poseen un orden específico Propiedades isotrópicas (no cambian según la dirección de análisis) No poseen un punto de fusión específico Propiedades de los materiales ○ Biológicas toxicidad efecto bactericida / antibacterial interacción con biomoléculas ○ Estructurales Arquitectura Tamaño de poro y conectividad ○ Físicas Ángulo de contacto Propiedades magnéticas Visibilidad de rayos X Fotoactividad ○ Químicas Resistencia corrosiva Solubilidad (ph bajo diferentes condiciones fisiológicas) Habilidad para formar el hueso mineral (hidroxiapatita) Polímeros (peso molecular) ○ Mecánicas flexibilidad (módulos elásticos) fuerza (compresiva, adhesiva, punzante) propiedades viscoelásticas (scaffolds suaves) Técnicas de caracterización para cristales, principio e interpretación básica. Defectos, celda cristalina, densidad, huecos. La celda unitaria es la unidad básica que forma un sólido cristalino (amorfo o cristalino). Es decir es la unidad mínima que provee toda la información sobre la estructura del cristal. Difracción de rayos X: se utilizan las ondas electromagnéticas dentro de las celdas unitarias y dependiendo del ángulo propuesto y el plano que forma la celda cristalina se identifica una refracción que es única para cada tipo de material. ○ Sharp Peaks = sólido cristalino ○ Broaden Peaks = sólido amorfo Polímeros: Los polimeros empiezan a través de un monomero, cuando se junta a este con un inicializador (luz, temperatura, reagente) se crea un polimero, a esto se le llama la polimerización. Existen diferentes tipos de polimeros, los naturales y los sinteticos, los sinteticos se dividen en adición y condensación. Ventajas: Se pueden crear formas complejas, muchos tipos de polimeros disponibles, las propiedades de superficie pueden cambiarse facilmente Desventajas: Muy dificil de esterilizar, absorben agua y cambian sus propiedades iniciales, pueden filtrar compuestos dañinos. Cosas importantes de sus propiedades moleculasres son: dureza, polaridad y arquitectura de la cadena. Definen su temperatura de transición o temperatura de fusión si es cristalino Adición: Se crean de la unión de monómeros que tienen dobles o triples enlacese y no resulta ninguna molecula adicional. Condensiación: Se crea de la reacción química entre dos tipos de monómeros con grupos funcionales reactivos, se crea una molecula como resultado, puede ser agua, amoniaco Polimeros más famosos: PET, PE, PP, Celulosa, Nylon. Crosslinking y sus implicaciones: Monomeros que tienen al menos 3 sitios reactivos que puedan generar ramificaciones o polimeros crosslinking Termoestables: No se puede modificar una vez formado Resinas: Enlaces cortos entre crosslinking Epoxis: Duros, fuertes, inflexibles, fragiles Gomas y geles: Cadenas largas y flexibles entre crosslinkings Las propiedades se determinan por el grado de crosslinking que haya. Pueden determinar la longitud de cadena entre los crosslinkis por la hinchazón de los polimeros. Diferentes tipos de lineas polimericas: Polimero lineal, Polímero con cortas ramificaciones, con largas ramificaciones y crosslinking Peso molecular: Entre mayor peso molecular, hay mayor unión en la cadena por lo tanto no hay tanta movilidad. Eso hace que haya mayor viscosidad, mayor punto de fusión y mayor resistencia mecánica Existen dos tipos, los termoestables y los termoplásticos. Termoplásticos: Se pueden reutilizar, disolver en soluto y se pueden fundir Termoestables: No se pueden reutilizar, no se disuelven y no se pueden fundir. principales clasificaciones, definición, ejemplos , propiedades mecánicas y técnicas de caracterización, métodos de manufactura Cerámicas, definición, propiedades en biocerámicas, principales métodos de manufactura y caracterización ejemplos de biocerámicas, mecanismo de promoción de hidroxiapatita. Ceramicas Definición: materiales inorgánicos naturales o sintéticos, no-metálicos, policristalinos. Las propiedades y el procesamiento está influencia por el tamaño y forma de grano ○ Algunas características como la densidad, fuerza mecánica y propiedades ópticas están estrechamente relacionadas con la microestructura de las piezas sinterizadas Definición vidrios: materiales inorgánicos, no-metálicos con estructuras amorfas. Esta idea de amorfos también indica un desorden dentro del arreglo / disposición de los átomos ○ Vidrios cerámicos: formados por pequeños granos rodeados por una fase vítrea (poseen propiedades entre cerámicas y vidrios). Propiedades ○ Cerámicas Alta dureza Altos módulos elásticos Baja ductilidad Buena resistencia climática Buena resistencia al desgaste Buenos aislantes eléctricos Alta fuerza compresiva Baja resistencia térmica de choque ○ Vidrios Alta dureza Altos módulos elásticos Baja ductilidad Buena resistencia climática Buena resistencia al desgaste Buenos aislantes eléctricos Alta fuerza compresiva Baja resistencia térmica de choque Métodos de manufactura ○ Fabricación de vidrio  Blowing of Glass Bottles: los polímeros se funden y se extruyen en un tubo hueco Pressing: platos, vidrios baratos vidrio formado por aplicación de presión molde de acero con revestimiento de grafito Dibujo de fibra Fabricación hojas de vidrio Colada continua Las láminas se forman haciendo flotar el vidrio fundido en un charco de estaño fundido. El primer paso es colocar los materiales crudos dentro del horno de fusión  Después se lo mezcla con estaño líquido y debido que el estaño es más denso que el vidrio, éste último flota En esta zona de calentamiento, se calienta y pule para que la superficie quede lisa y uniforme. Finalmente, se envía al horno de recocido donde se enfría lentamente y se alivian las tensiones internas. El último paso es cortarlo según las necesidades Tratamiento sobre el calentamiento de vidrios Recocido: liberar las tensiones generadas por el cristal debido al enfriamiento desigual Templado: ○ colocar superficie del vidrio en compresión ○ suprime el crecimiento de grietas debido a rayones superficiales. ○ ○ Fabricación de partículas Prensado de polvo: se utiliza para compuestos con arcilla y sin arcilla. El polvo se comprime en un molde Compresión uniaxial: se compacta en una sola dirección Compresión isostática: presión aplicada por fluido - polvo en sobre de goma Presión caliente: la presión + el calor generan una reducción de la porosidad Proceso de sinterización: ocurre durante la cocción de una pieza que ha sido comprimida en polvo Las partículas de polvo se fusionan y se reduce el tamaño de los poros.  Fundición en Cinta Hojas finas de cerámico verde se funden como cintas flexibles Se utiliza para circuitos integrados y capacitores Barbotina (slip) = mezcla de partículas cerámicas suspendidas + líquido orgánico (contiene aglutinantes y plastificantes) La fuente de barbotina (partículas cerámicas suspendidas + líquido orgánico que contiene aglutinantes=unión y plastificantes=flexibilidad) se coloca sobre una superficie de soporte que entra en una cuchilla de rastrillo que controla el grosor de la cerámica Después se inicia un proceso de secado que evapora los solventes y permite que el material adquiera consistencia para ser enrollado La película portadora mueve la barbotina debajo de la cuchilla y a través del sistema de secado. Al final la lámina fina de cerámica verde se enrolla en un carrete ○ Cementación Endurecimiento de una pasta = pasta formada al mezclar cemento con agua Formación de estructuras rígidas teniendo formas variadas y complejas Proceso de endurecimiento: hidratación (reacciones químicas complejas que involucran agua y partículas de cemento) cemento Portland- producción de arcilla mezclada y minerales que tienen cal calcina (calentar a 1400 °C) moler en polvo fino Caracterización Ejemplos biocerámicas ○ Óxido de zirconio (ZrO2) como un sensor de oxígeno Principio: Incrementa la tasa de difusión del oxígeno para producir una respuesta rápida del sensor de la señal para cambiar la concentración de oxígeno Enfoque; añadir impurezas de calcio al ZrO2  incrementa O2- vacancias incrementa O2- tasa de difusión Mecanismo promoción de hidroxiapatita Metales: Los implantes de metales son aquellos que estan hechos para soportar las cargas y para la fijación interna. Si se hace adecuadamente, llegan a tener altos limites elasticos, resistencia y no se fatigan rápido Baja reactividad, sus propiedades dependen del metodo de procesamiento y pureza del compuesto. Aplicaciones: Remplazos de huesos y articulaciones Implantes dental Instrumental quirurgico Propiedades físicas: Lustro (brilloso) Buenos conductores de electricidad y de calor Alta densidad y altos puntos de fusión Ductil y maleable Son solidos cristalinos hechos por elementos cargados de electrones positivos en una nube de electrones. Su estructura atómica básica es cristalina, lo que los diferencia es la arquitectura o acomodo que pueden llegar a tener. El maquinado/fabración de metal consiste en los procesos que se necesitan para cambiar laf orma del material por medio de su defromación o quitandole pedazos del material. Procesamiento: Cuando se funde el metal, se tiene que enfriar para crear el solido, en el proceso se le da la forma mécanica, es importante los pasos por que puede hacer que pierdan sus propiedades mécanicas. Formación de cristales: En estado libre se empieza a solidificar en los tres ejes simultáneamente Solidificación de fundición (formación de cristales): La nucleación o solidificación empieza desde las esquinas donde estan los lugares más frios y se expande para el interior, los pasos son: Nucleación: La primera celda se solidifica Crecimiento: Nuevas celdas unitarias que juntan a las ya existentes Donde chocan los cristales se hacen limites, estos limites se conocen como limites de grano Fases: Es una parte homogenea o de agregación que no se parece o difiera de otra por que no tiene la misma estructura, composición o ambas. Esta diferencia puede hacer que crea una Una fase es homogénea. parte o conjunto del material que difiere de otra parte debido a un diferencia en estructura, ⚫ composición, o ambas; La diferencia de estructuras. forma una interfaz entre adyacente o circundante ⚫ fases; Estos defectos estructurales afectar mecanica actuación. Las aleaciones de sustitución tienen que tener las mismas estructuras cristalinas y tamaño atómico Fiabilidad de los implantes metálicos: dependen meramente en la corrosión, uso, resistencia y la fatiga de los materiales Problemas que pueden tener los implantes de metales: Uno de los problemas que llegan a tener las aplicaciones ortopedicas, el blindaje de estrés. En otros casos como en los remplazos de caderas, como el material es muy resistente, hace tener más responsabilidad de le debida en esa zona. (Trabaja de más) Como el tejido circundante ya no trabaja de la misma manera y trabaja menos, se empieza a reducir la densidad osea y genera complicaciones entre el tejido y el implante. en aplicaciones ortopédicas es el fenómeno del estrés blindaje. deficinión, propiedades, principales métodos de manufactura, caracterización de los metales, desventajas. Metales Definición Propiedades Métodos de manufactura Caracterización Desventajas Metodos de caracterización, cualitativa, cuantitativa, tipos de perturbaciones y tecnicas revisadas para cada tipo de material durante las presentaciones de metales, polímeros, cerámicos y superficies. Definición de la caracterización de materiales: Se refiere a obtener información sobre la estructura, composición, topología, morfología y propiedades de un material en respuesta a una perturbación. Métodos instrumentales y clásicos: Técnicas clásicas incluyen separación, reacciones químicas y análisis cualitativo y cuantitativo. Técnicas instrumentales se basan en la medición de propiedades físicas como la cromatografía y otras técnicas más avanzadas. Tipos de perturbaciones y técnicas: Perturbaciones: Iones, fotones y electrones. Técnicas: Entre las técnicas mencionadas están la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), la espectrometría de retrodispersión de iones (RBS), la difracción de rayos X (XRD), la microscopía electrónica de barrido (SEM), entre otras. Consideraciones cuantitativas y cualitativas: Cuantitativas: Incluyen la sensibilidad, precisión, exactitud, entre otros factores. Cualitativas: La velocidad, facilidad de uso, experiencia del técnico y costo. Técnicas representativas: Se mencionan técnicas como la espectroscopía FTIR, análisis térmico, microscopía de fuerza atómica (AFM), cromatografía por permeación de gel, microscopía de fluorescencia, entre otras. 1. Metales Los metales son conocidos por su estructura cristalina, alta conductividad térmica y eléctrica, y resistencia mecánica. Las técnicas de caracterización suelen enfocarse en su estructura cristalina y propiedades mecánicas. Métodos cualitativos: Microscopía óptica (MO): Permite observar la estructura de granos y posibles defectos como dislocaciones y fisuras. Microscopía electrónica de barrido (SEM): Proporciona imágenes de alta resolución de la topografía y la microestructura de la superficie. Difracción de rayos X (XRD): Se utiliza para identificar fases cristalinas y su orientación, así como determinar la estructura cristalina de los metales. Espectroscopía de emisión de rayos X por energía dispersiva (EDS): Integrada con SEM, permite la identificación cualitativa de los elementos presentes en una muestra. Métodos cuantitativos: Ensayo de dureza (Vickers, Brinell, Rockwell): Determina la resistencia a la indentación. Tensión-deformación (Ensayo de tracción): Mide propiedades mecánicas como el módulo de elasticidad, límite de elasticidad, resistencia a la tracción y alargamiento. Difracción de rayos X cuantitativa (XRD): Cuantificación de fases cristalinas. Análisis de fluorescencia de rayos X (XRF): Cuantificación de la composición elemental en una muestra metálica. Tipos de perturbaciones: Mecánicas: Ensayos de tracción, dureza, fatiga. Térmicas: Conductividad térmica, dilatación térmica. Electromagnéticas: Conductividad eléctrica, magnetización. 2. Polímeros Los polímeros tienen una estructura amorfa o semicristalina, y sus propiedades mecánicas, térmicas y reológicas son fundamentales para su caracterización. Métodos cualitativos: Microscopía óptica y de fluorescencia: Permiten observar la morfología del polímero, especialmente en la investigación de materiales compuestos. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR): Identificación de grupos funcionales y caracterización de enlaces químicos. Microscopía de fuerza atómica (AFM): Se utiliza para estudiar la topografía de la superficie a nivel nanométrico. Calorimetría diferencial de barrido (DSC): Identificación de las transiciones térmicas (temperatura de fusión, transición vítrea). Métodos cuantitativos: Reología: Estudia el comportamiento viscoso y elástico de los polímeros bajo diferentes tipos de deformaciones. Calorimetría diferencial de barrido (DSC): Cuantifica la cantidad de calor absorbido o liberado durante transiciones térmicas. Espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN): Proporciona información cuantitativa sobre la estructura química y la disposición atómica. Ensayo de tracción y flexión: Cuantificación de la resistencia y elasticidad de los polímeros. Tipos de perturbaciones: Mecánicas: Ensayos de tracción, fatiga, impacto. Térmicas: Análisis térmico (DSC, TGA). Químicas: Reacciones de degradación, oxidación. 3. Cerámicos Los materiales cerámicos son conocidos por su dureza, resistencia al desgaste y estabilidad térmica, pero suelen ser frágiles. Las técnicas de caracterización se centran en su estructura cristalina, resistencia y comportamiento frente a altas temperaturas. Métodos cualitativos: Difracción de rayos X (XRD): Caracterización de las fases cristalinas y análisis de la orientación preferencial. Microscopía electrónica de barrido (SEM): Estudio de la morfología y microestructura de la superficie. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR): Identificación de la composición química a través de los enlaces atómicos. Métodos cuantitativos: Ensayo de dureza (Vickers): Medición de la dureza y resistencia al rayado. Ensayos de resistencia a la fractura: Medición de la tenacidad del material frente a cargas mecánicas. Espectroscopía de energía dispersiva (EDS): Cuantificación de la composición elemental de la muestra. Análisis térmico (TGA): Cuantificación de la estabilidad térmica y la resistencia a la degradación térmica. Tipos de perturbaciones: Mecánicas: Ensayos de dureza, tenacidad, resistencia al desgaste. Térmicas: Estabilidad térmica, expansión térmica, resistencia a choques térmicos. Químicas: Ataque químico, corrosión a altas temperaturas. 4. Superficies (y Recubrimientos) La caracterización de superficies y recubrimientos es fundamental para aplicaciones donde se requiere resistencia a la corrosión, desgaste o adherencia. Las técnicas se enfocan en la composición superficial, la rugosidad y la adherencia. Métodos cualitativos: Microscopía electrónica de barrido (SEM): Estudio de la morfología superficial y las irregularidades en los recubrimientos. Microscopía de fuerza atómica (AFM): Caracterización de la topografía superficial a escala nanométrica. Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS): Análisis cualitativo de la composición química de la superficie. Espectroscopía infrarroja (IR): Identificación de la química de la superficie a través de la detección de grupos funcionales. Métodos cuantitativos: Rugosímetro: Cuantificación de la rugosidad superficial. Pruebas de adherencia: Cuantificación de la fuerza requerida para separar el recubrimiento del sustrato. Espectroscopía de dispersión de energía (EDS): Cuantificación de la composición química de la superficie. Análisis de ángulo de contacto: Cuantificación de la hidrofobicidad o hidrofiliocidad de la superficie. Tipos de perturbaciones: Mecánicas: Desgaste, fatiga superficial. Térmicas: Estabilidad del recubrimiento a diferentes temperaturas. Químicas: Resistencia a la corrosión y a agentes químicos. Conclusión La selección de las técnicas de caracterización depende del material (metales, polímeros, cerámicos, superficies) y de las propiedades que se desean analizar. En general, las técnicas cualitativas ayudan a identificar y describir la estructura y composición, mientras que las técnicas cuantitativas se enfocan en la medición precisa de propiedades físicas, químicas y mecánicas, proporcionando un panorama completo sobre el comportamiento de los materiales ante diferentes perturbaciones.