X. BIOMATERIALES
LOS BIOMATERIALES se pueden definir como materiales biol�gicos
comunes tales como piel, madera, o cualquier elemento que remplace la funci�n
de los tejidos o de los �rganos vivos. En otros t�rminos, un biomaterial es
una sustancia farmacol�gicamente inerte dise�ada para ser implantada o incorporada
dentro del sistema vivo.
Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus funciones, lo que implica que est�n expuestos de modo temporal o permanente a fluidos del cuerpo, aunque en realidad pueden estar localizados fuera del propio cuerpo, incluy�ndose en esta categor�a a la mayor parte de los materiales dentales que tradicionalmente han sido tratados por separado.
Debido a que los biomateriales restauran funciones de tejidos vivos y �rganos en el cuerpo, es esencial entender las relaciones existentes entre las propiedades, funciones y estructuras de los materiales biol�gicos, por lo que son estudiados bajo tres aspectos fundamentales: materiales biol�gicos, materiales de implante y la interacci�n existente entre ellos dentro del cuerpo. Dispositivos como miembros artificiales, amplificadores de sonido para el o�do y pr�tesis faciales externas, no son considerados como implantes.
La biomec�nica se encarga de estudiar la mec�nica y la din�mica de los
tejidos y las relaciones que existen entre ellos; esto es muy importante en
el dise�o y el injerto de los implantes. Despu�s de realizado un injerto, no
se puede hablar del �xito de un implante, este se debe considerar en t�rminos
de la rehabilitaci�n del paciente; por ejemplo, en el implante de cadera se
presentan cuatro factores independientes: fractura, uso, infecci�n y desprendimiento
del mismo.
Figura 32. Dispositivo para el tratamiento de hidrocefalia y su colocaci�n
en cerebro. Est� hecho de silic�n.
Si la probabilidad de que un sistema falle es f, entonces la probabilidad que
tiene el paciente de rehabilitaci�n es: r = 1 - f. La probabilidad de rehabitaci�n
total rt puede expresarse en t�rminos de las probabilidades reales
de los factores que contribuyen a la falla del sistema rt = r1
. r2 ... rn donde r1 = 1 - f1,
r2 = 1 - f2, etc�tera.
Figura 33. Uso del estimulador el�ctrico para activar y acelerar el crecimiento del tejido �seo en fracturas, con y sin tornillos de fijaci�n. Todos son biomateriales.
Por lo anterior, si r = 1, entonces el implante es perfecto, mientras que si, por ejemplo, ocurre siempre una infecci�n tendremos r = 0, es decir, no hay probabilidades de rehabilitaci�n del paciente.
En algunos casos la funci�n de los tejidos u �rganos es tan importante que no tiene sentido el remplazarlos por biomataeriales; por ejemplo, la m�dula espinal o el cerebro.
El �xito de un biomaterial o de un implante depende de tres factores principales: propiedades y biocompatibilidad del implante, condiciones de salud del receptor, y habilidad del cirujano que realiza el implante; la f�sica s�lo se aplica al primero.
Los requisitos que debe cumplir un biomaterial son:
1. Ser biocompatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo, no provocar que �ste desarrolle sistemasde rechazo ante la presencia del biomaterial
2. No ser t�xico, ni carcin�geno.
3. Ser qu�micamente estable (no presentar degradaci�n en el tiempo) e inerte.
4. Tener una resistencia mec�nica adecuada.
5. Tener un tiempo de fatiga adecuado.
6. Tener densidad y peso adecuados.
7. Tener un dise�o de ingenier�a perfecto; esto es, el tama�o y la forma
del implante deben ser los adecuados.
8. Ser relativamente barato, reproducible y f�cil de fabricar y procesar para
su producci�n en gran escala.
Hay, de hecho, cuatro grupos de materiales sint�ticos usados para implantaci�n: met�licos, cer�micos, polim�ricos y compuestos de ellos; el cuadro IV enumera algunas de las ventajas, desventajas y aplicaciones para los cuatro grupos de materiales sint�ticos.
Una alternativa para los implantes artificiales es el trasplante, por ejemplo de ri��n o coraz�n, aunque este esfuerzo se ve obstaculizado por problemas sociales, morales, �ticos e inmunol�gicos; sin embargo, en el caso del ri��n, el paciente tiene muchas desventajas con uno artificial: su costo es elevado, no tiene movilidad y, adem�s, el mantenimiento y el cuidado deben ser constantes.
Los usos quir�rgicos de los biomateriales son m�ltiples, por ejemplo, para implantes permanentes:
a) En el sistema esquel�tico muscular, para uniones en las extremidades
superiores e inferiores (hombros, dedos, rodillas, caderas, etc.) o como miembros
artificiales permanentes; b) en el sistema cardiovascular, coraz�n (v�lvula,
pared, marcapasos, coraz�n entero), arterias y venas; c) en el sistema
respiratorio, en laringe, tr�quea y bronquios, diafragma, pulmones y caja tor�cica;
d) en sistema digestivo: es�fago, conductos biliares e h�gado; e)
en sistema genitourinario, en ri�ones, ur�ter, uretra, vejiga; f) en
sistema nervioso, en marcapasos; g) en los sentidos: lentes y pr�tesis
de c�rneas, o�dos y marcapasos car�ticos; h) otras aplicaciones se encuentran
por ejemplo en hernias, tendones y adhesi�n visceral; i) implantes cosm�ticos
maxilofaciales (nariz, oreja, maxilar, mand�bula, dientes), pechos, test�culos,
penes, etc�tera.
La caracterizaci�n f�sica de las propiedades requeridas de un material para aplicaciones m�dicas, var�a de acuerdo con la aplicaci�n particular. Debemos considerar que las pruebas fisicoqu�micas de los materiales para implante in vivo son dif�ciles, si no imposibles. Las pruebas in vitro deben ser realizadas antes del implante.
La fabricaci�n y el uso de los materiales depende de sus propiedades mec�nicas, tales como resistencia, dureza, ductibilidad, etc�tera. Las propiedades el�sticas y viscoel�sticas ser�n caracterizadas antes que las est�ticas y din�micas.
La naturaleza (i�nico, covalente y met�lico), y la fuerza de los enlaces at�micos determinan qu� tan estable es el material cuando se le aplica una carga, es decir, cuando se le somete a un esfuerzo de tipo mec�nico; este tipo de propiedades son conocidas como mec�nicas. Cuando se determina la estabilidad del material en funci�n de cambios en la temperatura, se habla de propiedades t�rmicas.
Cuando estiramos un material, son las fuerzas entre los enlaces moleculares
(fuerzas de atracci�n y repulsi�n entre los �tomos que las componen) las que
determinan el comportamiento del material. Inicialmente, la mayor parte de los
materiales cumplen con la Ley de Hooke, es decir, la fuerza que se aplica para
estirarlo (o comprimirlos) es proporcional a la distancia de deformaci�n. La
constante de proporcionalidad se llama constante el�stica, y est� relacionada
indirectamente con la energ�a del enlace, lo que podemos expresar como:
donde s representa el esfuerzo, que es la fuerza por unidad de �rea de secci�n transversal, � es la deformaci�n o estiramiento del material, dada por el cambio en la longitud respecto a la longitud original (l/l0 y E se conoce como m�dulo el�stico o M�dulo de Young el cual es una caracter�stica del material.
Figura 34. Diversos dise�os de componentes de cabezas de f�mur y componentes de cadera.
Cuando un material es sometido a deformaci�n por estiramiento, es posible determinar dos regiones bien marcadas en el comportamiento que presenta: la el�stica, donde la deformaci�n es proporcional al esfuerzo aplicado: el material regresa a su forma original cuando la fuerza que act�a sobre �l se elimina; y la pl�stica, en la que no existe proporcionalidad entre la fuerza aplicada y el estiramiento, en este caso el material no regresa a su forma original al anularse la fuerza que act�a sobre �l. Generalmente, los materiales sometidos a fuerzas peque�as siguen un comportamiento de tipo el�stico, pero a medida que la fuerza crece el comportamiento pasa a ser del tipo pl�stico, y si la fuerza sigue creciendo, puede ocurrir la fractura del material.
En los materiales cer�micos y en los v�treos es f�cil que ocurra la fractura, adem�s es impredecible el momento en que esto puede suceder, por lo que, aunque presentan un alto grado de biocompatibilidad, no son muy usados en implantes.
La resistencia al impacto es la cantidad que puede absorber un material de energ�a debida a la fuerza ejercida sobre �l por un golpe, es decir, por una fuerza grande en magnitud aplicada durante un tiempo muy corto. �sta es otra de las pruebas que tiene que pasar un material que se requiere para implantaci�n, los requisitos sobre la medida depender�n del uso que se le d�.
La dureza es una medida de la deformaci�n pl�stica, y se define como la fuerza por unidad de �rea de penetraci�n o indentaci�n en el material. Para determinarla de manera experimental, es claro que el m�todo depender� del tipo de material de que se trate; en el caso de metales, por ejemplo, se incrusta una punta de diamente en forma de pir�mide en la superficie del material, con una fuerza conocida, y se mide la penetraci�n que alcanza. Si se trata de un polietileno, se utiliza una esfera de acero inoxidable sobre la superficie, midi�ndose la penetraci�n que alcanza para una carga dada.
Otra propiedad importante del material es la de termofluencia, es decir, la deformaci�n que sufre con el tiempo al someterse a una carga conocida. La deformaci�n el�stica que sufre inicialmente el material ante una carga dada, es seguida de una termofluencia (algo as� como el corrimiento entre las capas at�micas que lo constituyen, similar a lo que sucede con los fluidos), antes de que se presente la fractura.
El desgaste de un material de implantes tiene importancia en especial si se trata de remplazar uniones. El desgaste del material est� estrechamente relacionado con la fricci�n entre los dos materiales. Es importante considerar el �rea real de la superficie que entra en contacto en la uni�n requerida ya que, en general, es mucho menor de lo que aparenta; �sta puede incrementarse con el peso que se aplica para los materiales d�ctiles y para los el�sticos.
En las pr�tesis de uniones entre huesos, el desgaste es muy importante, y resulta del movimiento y recolocaci�n de los materiales usados.
Hay diferentes tipos de desgaste: el corrosivo, debido a la actividad qu�mica de alguno de los materiales de la uni�n; el de fatiga superficial, debido a la formaci�n de peque�as fracturas que pueden dar lugar a un rompimiento del material, y el abrasivo, en el cual part�culas de una superficie son empujadas hacia la otra en la que se adhieren, debido al movimiento que se tiene.
Cuando hay lubricaci�n entre dos superficies en contacto, la fricci�n y las propiedades de desgaste cambia dr�sticamente. En la mayor�a de las aplicaciones a implantes existe alg�n tipo de lubricante.
Como podemos notar, la f�sica est� presente en todas las ramas de la medicina: no s�lo en la investigaci�n b�sica, tambi�n en la instrumentaci�n, en los implantes, en la cl�nica, en diagnosis, en terapia, etc�tera.
Es tradicional que los estudiantes tengan problemas tanto en f�sica como en matem�ticas porque desde muy j�venes les han hecho sentir que son materias muy dif�ciles, incluso algunas veces se dan por vencidos antes de tratar de entender los conceptos b�sicos, y esto obviamente dificulta su aprendizaje. Este fen�meno se da en todos los niveles de la educaci�n; sin embargo, vivimos en un mundo en el que la f�sica est� presente en todo momento, ya que es la ciencia que explica el comportamiento de la naturaleza. El cuerpo humano y la tecnolog�a que para �l podemos desarrollar no pueden quedar excluidos.
Con este peque�o libro esperamos que los estudiantes de medicina ahuyenten
su miedo por la f�sica y que los estudiantes de f�sica se interesen en las aplicaciones
que �sta tiene en medicina.
