QUÍMICA BIOINORGÁNICA, BIOMATERIALES.

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA EXPERIMENTAL LIBERTADOR

INSTITUTO PEDAGÓGICO LUIS BELTRÁN PRIETO FIGUEROA

SUBDIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADOMAESTRÍA EN EDUCACIÓN

MENCIÓN ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

 LA QUÍMICA ORGÁNICA DE LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS.

AUTOR(AS): ANA SIBIRA. LENNYS NIEVESCURSO: TÓPICOS DE QUÍMICA

INORGÁNICA.

BARQUISIMETO, JUNIO DE 2.012.

QUÍMICA BIOINORGÁNICA

BIOINORGÁNICA

Bio. Inorgánico. Vida Carente de vida

La Química Bioinorgánica puede ser definida como la

ciencia que trata del estudio de la reactividad química

de los elementos y compuestos inorgánicos en los

sistemas biológicos.

Perez, J, 2.009

QUÍMICA BIOINORGÁNICA

• La biología se asocia tradicionalmente con la química orgánica, sin embargo al menos 20 elementos inorgánicos tienen un papel fundamental en los procesos biológicos.

• La mayoría de los elementos inorgánicos con importancia biológica se presentan en cantidades muy pequeñas en los seres vivos (trazas, microtrazas y ultramicrotrazas)

FUNCIONES BIOLÓGICAS MÁS IMPORTANTES DE LOS ELEMENTOS INORGÁNICOS.

Elemento Inorgánico Elemento Función Biológica

Sodio Transporte de cargas, balance osmótico

Potasio Transporte de cargas, balance osmótico

Magnesio Estructura, hidrolasas, isomerasas

Calcio. Estructura, transporte de cargas, inductor de procesos celulares

Vanadio Fijación de nitrógeno, oxidasas

Cromo Posible papel en la tolerancia a la glucosa

Molibdeno Fijación de nitrógeno, oxidasas, transferencia de oxígeno

Tungsteno Deshidrogenasas

Manganeso Fotosíntesis, estructura, oxidasas

Hierro Oxidasas, transporte y almacenamiento de oxígeno molecular, transferencia de electrones, fijación de nitrógeno

cobalto Oxidasas, transferencia de grupos alquilo,

Níquel Hidrogenasas, hidrolasas

cobre Oxidasas, transporte de oxigeno molecular, transferencia de electrones

Zinc Estructura, hidrolasas

Complejidad de los procesos biológicos dependientes de los iones metálicos

Bioquímica.

Fisiología y bilogía molecular.

El estudio de los elementos inorgánicos que ejercen funciones en la célula.

Elaboración de biomateriales y dispositivos para la prevención, diagnostico y tratamiento de la salud.

¿QUÉ ES UN BIOMATERIAL?

Es un material ideado para

interactuar con los sistemas

biológicos, para evaluar, tratar,

aumentar o sustituir cualquier

tejido, órgano o función del

cuerpo. Entre sus características no puede

faltar la de ser biocompatibles,

esto es, biológicamente

aceptables.

Tipos de biomateriales

Origen

Naturales

Gomas

Fibras proteicas

Metales

Sintéticos Polímeros y plásticos

Metales y Aleaciones

Polímeros

Cerámicos

Materiales Compuestos

Biomateriales duros

Biomateriales suaves

En función se su estructura se clasifican

en :

Metales y Aleaciones.

En esta categoría las aleaciones más importantes son las de: Acero inoxidable,

Cobalto-Cromo, Aluminio-zinc y las de titanio.

La aplicación principal de estas aleaciones, son

remplazar sistemas de unión como la cadera y la rodilla, se utilizan también para realizar placas para huesos, tornillos, clavos,

etc., así como en la elaboración de instrumental

quirúrgico.

Polímeros Tienen una amplia variedad de aplicaciones en el campo de la implantología médica, ya que presenta propiedades físicas, químicas y mecánicas cercanas a los tejidos vivos.

Los polímeros mas utilizados son: poli (cloruro de vinilo), poli (propileno), poli (Metacrilato de metilo), poliestireno y sus copolimeros

Polímeros

Biodegradable, es aquel, que se descompone después de un cierto período de tiempo dentro del organismo.

Bioabsorbible, es aquel, que el organismo es capaz de metabolizar y resintetizar en compuestos que puedan ser absorbidos, como lo son las proteínas.

Las aplicaciones más importantes se encuentran la elaboración de dispositivos para diálisis,válvulas de corazón, implantes oculares y dispositivos ortopédicos entre otros.

Cerámicos • Los cerámicos son

compuestos policristalinos, normalmente inorgánicos como los silicatos, óxidos metálicos, carburos e hidruros.

• Los cerámicos que se utilizan para la elaboración de biomateriales reciben el nombre de biocerámicos.

Biocerámicos.

· 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…

· 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.

Biomateriales Compuestos

Un biomaterial compuesto es un 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.

Biomateriales duros

Definición: Son sustancias naturales o sintéticas que se pueden poner en contacto con los tejidos vivos sin provocar daños o alteraciones mientras mantienen su efectividad física y biológica.

Clasificación en función a su estructura:

Metales: Átomos unidos por enlaces metálicos

Cerámicos: Compuestos inorgánicos unidos por enlaces iónicos y covalentes.

Materiales metálicos

En la década de 1920, Reiner Erdle

y Charles Orange, quienes unieron

sus conocimientos de médico

dentista y metalurgia

respectivamente, desarrollaron la

aleación Vitallium, que fue el primer

biomaterial metálico aleado con

características mecánicas de

biocompatibilidad y de resistencia a

la corrosión, aceptables para

aplicaciones en prótesis

quirúrgicas.

Esta aleación de cobalto (65% de

Co, 30 % de Cr y 5 % Mo), fue el

punto de partida para una serie de

investigaciones multidisciplinarias

en el desarrollo de nuevas

aplicaciones ortopédicas, como

clavos, tornillos y fijadores de

huesos fracturados, además de

varios tipos de implantes de

reemplazo articular, como cadera

rodilla, hombro, codo, entre otras.

Materiales CerámicosCERAMICOS VENTAJAS

Alumina Hidroxiapatita

ZirconiaBiovidrios

Compatibilidad con sistema musculo esqueleto.

Similitud con propiedades físicas del hueso.

Resistencia a la corrosión.Inertes a los tejidos.

Adherencia a los tejidos.Alta resistencia a la

compresión y al desgaste.

Usos: Ortopédico, revestimiento, odontológico, válvulas cardiacas

Alúmina

Es la cerámica bioinerte mas

frecuentemente utilizada.

El uso de la alúmina como

biomaterial esta motivado por

su excelente biocompatibilidad

y su excepcional coeficiente

de fricción y baja velocidad de

desgaste.

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 esmalte que cubre los dientes

contienen el mineral hidroxiapatita.

Ese mineral, muy poco soluble, se

disuelve en ácidos.

Hidroxiapatita

Biovidrios

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

Zirconia

También es empleada como esfera articular en reemplazos

totales de cadera. Con el agregado de algún oxido metálico.

Hasta ahora hay insuficiente cantidad de datos para

determinar si esas propiedades conducirán a un éxito clínico

luego de varios años de uso.

Biomateriales SuavesSe definen como sustancias que se pueden poner en contacto con los tejidos vivos sin provocar daños o alteraciones mientras mantienen su efectividad física y biológica.

Los materiales suaves son sistemas formados por diversas

componentes que presentan propiedades fluidas.

Estos materiales, aparentemente distintos entre sí, poseen

propiedades estructurales y dinámicas.

Los materiales blandos, algunas veces conocidos como fluidos complejos, incluyen

a los polímeros.

Bioinertes: ausencia de

una respuesta del tejido en el

que se implanta.

Biocompatibles: unión con el tejido

del lugarde implantación

pero con una intercara bien

definida.

Bioactivos: permiten un

crecimiento del tejido es su

interior

Los biopolímeros deben cumplir, como todo

biomaterial,dos restricciones

principales: respuesta mecánica y unaspropiedades de

superficie adaptadas al tejido receptor.

-Mecánica: adaptable mediante elección del polímero y mediante

el diseño.-Propiedades de superficie: impuestas también por la

elección del polímero. Modificables mediante distintos

tratamientos

Biomateriales poliméricos

El biopolímero es básicamente un implante mecánico con función exclusivamente de relleno permanente; tiene una gran ventaja, no produce reacciones alérgicas, y su efecto es prácticamente permanente .

Los biopolímeros son implantes que han revolucionado la medicina estética, cuya génesis es el silicio y que guardan analogía con productos orgánicos.

Homopolímeros

POLIETILENOEn su forma de alta densidad es empleado en tubos para drenajes y cateteres, hilos de sutura, cirugia plástica, etc. Se emplea como componente acetabular en reemplazos de cadera y en reemplazos de rodillas.Este material tiene buena tenacidad, resistencia a las grasas y tiene un costo relativamente bajo.POLIPROPILENO

Tiene una alta rigidez, buena resistencia química y alta tensión de ruptura. Su resistencia a la fisuración por tensiones es superior a la del polietileno y es empleado en las mismas aplicaciones.

Homopolímeros

CLORURO DE POLIVINILO (PVC)Es usado pprincipalmente en mangueras y bolsas

para tr transfusiones de sangre , alimentation y dialysis. El PVC puro es un material duro y frágil, pero con la adición de plastificantes, se transforma en f lexible y blando.

POLIDIMETILSILOXANO (PDMS)Se emplea en las membranas oxigenadoras debido a su alta permeabilidad de oxígeno. Por su excelente flexibilidad y estabilidad es utilizado en una variedad de prótesis tales como articulaciones de dedos, válvulas de corazón, Implantes de pechos, narices, orejas y barbillas.

CopolímerosPOLIGLICOLILACTIDA

(PGL)

Es un copolímero empleado

para suturas quirúrgicas

reabsorbibles (el organismo

se encarga de disolverlas). Y

retiene su resistencia durante

más de 14 días.

POLIURETANOS

Son copolímeros que pueden

ser de dos tipos flexibles o

rigidos, dependiendo del

poliol usado. Son empleados

en aislamiento de

conductores en marcapasos,

injertos vasculares , vejigas

artificiales, etc.

Biomateriales para transporte de drogas

Los polímeros también son

materiales ideales para el

transporte y liberación de

drogas (fármacos) porque son

capaces de icorporar grandes

cantidades y liberarlos

lentamente.

El polimero mas utilizado para

este fin ha sido la silicona, la

cual es capaz de transportar,

entre otros, benzocaína,

testosterona y difosfato de

cloroquina (antimalaria)

Liberación de fármacos de forma controlada

Se han diseñado unos innovadores polímeros, capaces

de contener en su interior moléculas de medicamentos

que, una vez introducidos en el riego sanguíneo, se

liberan de forma controlada.

Estudios recientes contra tumores de cerebro, próstata y

ovarios. Han arrojado como resultados que los polímeros

liberan lentamente el medicamento de quimioterapia justo

en el tumor, es decir, eliminan las células cancerígenas

sin dañar lo más mínimo otros órganos y células sanas,

todo lo contrario de lo que sucede con los actuales

tratamientos de quimioterapia, que no discriminan entre

células y afectan a todo el organismo.

Aplicaciones de los biomateriales

Implantes ortopédicos.

Aplicaciones dentales.

Aplicaciones Cardiovasculares.

Aplicaciones electroquímicas

Se emplean en el campo de la energía, a través del diseño y fabricación de las pilas, los acumuladores o las pilas de combustible.

La electroquímica se viene aplicando en la protección ambiental, con métodos electroquímicos de recuperación de metales.

Aplicaciones electroquímicas

Implantes ortopédicos

Sus principales características:

Acero inoxidable, aleaciones de cobalto, cromo, cerámicas, materiales compuestos y titanio.

El plástico es polietileno, extremadamente duradero y resistente al desgaste.

Se utiliza cemento para fijar el componente artificial al hueso.

También existen prótesis no cementadas, que son directamente encajadas al hueso

Cerámicas en aplicaciones biomédicas

Las cerámicas también tienen uso extensivo en el campo biomédico, como en implantes ortopédicos, lentes, utensilios de laboratorio y de modo mas 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…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.

Aplicaciones dentales

• En la actualidad, existe una gran variedad de materiales que pueden utilizarse para la fabricación de implantes dentales siendo la mayoría de Titanio o unas de sus aleaciones Ti6AI4V.

Aplicaciones cardiovasculares

Biomateriales cardiovasculares pueden dividirse básicamente en tres categorías.

Los polímeros absorbibles

Los polímeros no absorbibles

Metales

Aplicaciones cardiovasculares

Angioplastia y colocación de stents

El stent es una malla metálica de forma

tubular. Cuando se implanta un stent dentro

de una arteria coronaria, éste actúa como un

soporte o armazón para mantener abierto el

vaso sanguíneo.

El stent, al mantener abierto el vaso,

contribuye a mejorar el flujo de sangre al

músculo cardíaco y a reducir el dolor de la

angina de pecho.

Marcapasos.

El marcapasos es un pequeño dispositivo alimentado por una batería que ayuda al corazón a latir con un ritmo constante.

Los marcapasos pueden ayudar a regular el ritmo del corazón en casos de frecuencia cardíaca lenta, rápida o irregular, o de bloqueo en el sistema de conducción eléctrica del corazón.

Los electrodos son de ratinan, plata, titanio, acero inoxidable, o aleaciones de cobalto.

La mayoría de los marcapasos utilizar una batería de litio-yodo.

Válvulas cardiacas

Las válvulas mecánicas son de dos tipos: la bola y la inclinación de jaula de disco. Los materiales más utilizados son de elastómero de silicona, cobalto-cromo-aleaciones basadas en titanio y carbono pirolítico.

Válvulas mecánicas, que normalmente están hechas de materiales tales como el plástico, el carbono o el metal. Las válvulas mecánicas son resistentes y duraderas.

Como la sangre suele adherirse a las válvulas mecánicas y formar coágulos, los pacientes que tienen estas válvulas deben tomar diluyentes de la sangre (anticoagulantes) el resto de su vida.

Injertos vasculares

Estos materiales están constituidos por aproximadamente un 50 por ciento de polímeros sintéticos y un 50 por ciento de proteínas.

La porción de polímero de los materiales es un derivado del polietilenglicol. Se utiliza para el tratamiento de aneurisma de aorta abdominal.

Filtros venales

• Los filtros se introducen en la vena cava inferior de

pacientes que han tenido o están en riesgo de sufrir una

embolia pulmonar, pero en los que el tratamiento

anticoagulante para prevenir la recurrencia está

contraindicada.

Anillos de anuloplastía

• El anillo Anuloplastia se utiliza

para mantener el diámetro de

la abertura de la válvula del

corazón.

• Esto es necesario porque si el

diámetro es superior a la

medida en que las válvulas se

puede cerrar, entonces hay un

riesgo de flujo de retorno de la

sangre.

Catéteres

El catéter tiene un papel muy importante en el campo de productos

sanitarios cardiovasculares.

La función más importante de este dispositivo se va a ofrecer un pasaje

ininterrumpido camino para los cirujanos para

poder llegar a la profundidad en el cuerpo,

para tratar las enfermedades por diferentes tipos de

cirugías.

Suturas

Las suturas son uno de los dispositivos médicos más importantes que se utiliza en la cirugía

En los procedimientos cardiovasculares las suturas se pueden utilizar para la reparación de tejidos con el tejido, o tejido con un dispositivo implantable.

Estos están disponibles en varios tamaños (diámetro de sutura) y polímeros (absorbible y no absorbible).