LOS POLÍMEROS

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Biopolímeros

Introducción 

Se define biomaterial como cualquier sustancia o combinación de sustancias, de origen natural o sintético, diseñadas  para actuar interfacialmente con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar, aumentar o sustituir algún tejido, órgano o función del organismo humano. Desafortunadamente, el término biomaterial se utiliza equivocadamente en un sentido más amplio para designar cualquier objeto utilizado en relación con la asistencia sanitaria, incluido el embalaje.

Atendiendo a su origen, los biomateriales pueden ser:

- naturales: son materiales complejos, heterogéneos y difícilmente caracterizables y procesables. Algunos ejemplos son el colágeno purificado, fibras proteicas (seda, lana ...), etc..

- sintéticos: Los biomateriales sintéticos pueden ser metales, cerámicas o polímeros y comúnmente se denominan materiales biomédicos, para diferenciarlos de los biomateriales de origen natural.

En el caso particular de los biomateriales poliméricos, se puede hacer una clasificación según el tiempo que deben mantener su funcionalidad cuando se aplican como  implantes quirúrgicos.

- En el primer grupo se incluyen todos aquellos implantes que deben tener un carácter permanente, como son los sistemas o dispositivos utilizados para sustituir parcial o totalmente a tejidos u órganos destruidos como consecuencia de una enfermedad o trauma.

- En el segundo grupo, se incluyen los biomateriales degradables de aplicación temporal, es decir, aquellos que deben mantener una funcionalidad adecuada durante un periodo de tiempo limitado, ya que el organismo humano puede desarrollar mecanismos de curación y regeneración tisular para reparar la zona o el tejido afectado. 

Breve historia de los biomateriales en medicina

La primera aplicación de biomateriales en medicina no se produce hasta 1860 con la introducción de las técnicas quirúrgicas asépticas. A principios de 1900 se aplican las primeras placas óseas hechas de metal con la finalidad de separar roturas o fracturas. Durante los siguientes años las aleaciones metálicas constituyen la única forma de biomateriales en uso. Sus aplicaciones se extienden desde reparaciones óseas hasta  sistemas de liberación de medicamentos. No es hasta la Segunda Guerra Mundial que se produce un rápido avance en la ciencia de los polímeros, principalmente enfocado a las aplicaciones médicas. El poli (metilmetacrilato) (PMMA) fue uno de los primeros polímeros utilizados como material biomédico, aplicándose como material par reparar la córnea humana [Robinson et al., 2001].

Los polímeros no únicamente reemplazaron a otros materiales en aplicaciones médicas, como la sustitución de los catéteres metálicos por polietileno, sino que abrieron el  campo a otras nuevas aplicaciones antes difícilmente asequibles. Así, en 1950 se fabrica el primer corazón artificial, llevado a la práctica a finales de 1960. En la actualidad los polímeros continúan en amplio crecimiento y sus aplicaciones son cada vez mayores dentro del campo de la medicina, mejorando las propiedades de los materiales ya existentes y desarrollando nuevos polímeros par aplicaciones específicas. En la figura 1 se muestra una secuencia histórica de los polímeros de mayor relevancia en el campo de la medicina desde su aparición.

Requerimientos para polímeros biomédicos

Al trabajar con biomateriales es necesario conocer dos aspectos fundamentales:

el efecto del implante en el organismo

el efecto del organismo sobre el implante.

Esto puede resumirse en los siguientes puntos:

El material no debe incluir componentes solubles en el sistema vivo excepto si es de forma intencionada para conseguir un fin específico (por ejemplo en sistemas de liberación de medicamentos).

El sistema vivo no debe degradar del implante excepto si la degradación es intencionada y diseñada junto con el implante (por ejemplo en suturas adsorbibles).

Las propiedades físicas y mecánicas del polímero, deben ser las más apropiadas para ejercer la función para la que han sido elegidas (por ejemplo un tendón sustituido debe tener un módulo de tensión adecuado, una membrana de diálisis la permeabilidad apropiada, una junta de cadera debe tener un bajo coeficiente de rozamiento). Las propiedades mecánicas deseadas deben mantenerse durante el tiempo de vida esperado para el implante (por ejemplo no tiene que producirse una relajación significante en un implante elastomético).

El material debe ser biocompatible, siendo este concepto extensible al potencial cancerígeno que pueda poseer y a la interacción con el sistema inmunológico del que va a formar parte.

El implante debe ser esterilizable y libre de bacterias y endotoxinas adheridas a las paredes de las células de las bacterias.

En general la mayor parte de los polímeros no satisfacen todas estas condiciones, de manera que los materiales polímeros utilizados en medicina deben de ser diseñados específicamente para cumplir unas determinas funciones. Así se puede afirmar que es una labor que hay que realizar entre el médico, científico y el ingeniero. 

Aplicaciones biomédicas

1) Equipos e instrumentos quirúrgicos

Esta área está cubierta por los termoplásticos y termoestables convencionales que se pueden encontrar en diversas aplicaciones de la vida diaria. Se refiere a los materiales con los que se elaboran inyectadoras, bolsas para suero o sangre, mangueras o tubos flexibles, adhesivos, pinzas, cintas elásticas, hilos de sutura, vendas, etc. Los materiales más usados son aquellos de origen sintético y que no son biodegradables, como polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo, polimetilmetacrilato, policarbonato.

2) Aplicaciones permanentes dentro del organismo

Los materiales utilizados en estas aplicaciones deben ser materiales diseñados para mantener sus propiedades en largos períodos de tiempo, por lo que se necesita que sean inertes, y debido a que su aplicación es dentro del organismo, deben ser biocompatibles, atóxicos para disminuir el posible rechazo.

Las aplicaciones más importantes son las prótesis o implantes ortopédicos, elementos de fijación como cementos óseos, membranas y componentes de órganos artificiales, entre otros. Entre los materiales más utilizados se encuentran: polímeros fluorados como el teflón, poliamidas, elastómeros, siliconas, poliésteres, policarbonatos, etc.

El caso de prótesis vasculares, al ser un implante expuesto al contacto con la sangre, la propiedad fundamental requerida es que el material no provoque coagulación. Considerando este requisito, se aplican fibras de PET, espumas de poli (tetrafluoroetileno) expandido, poliuretanos segmentados y silicona porosa.

Otro de los campos donde los polímeros empiezan a tener una presencia significativa son los dispositivos de fijación ósea. Una de las opciones en este campo la constituyen los cementos óseos, que son mezclas de materiales cerámicos con polímeros sintéticos rígidos como el polimetilmetacrilato.

También se han desarrollado numerosos estudios e investigaciones en el campo de implantes biodegradables que permitan solucionar las dificultades anteriores. Los polímeros o copolímeros de PLGA son los más empleados para esta aplicación, gracias principalmente a su biocompatibilidad. 

3) Aplicaciones temporales dentro del organismo

Actualmente, las suturas representan el campo de mayor éxito dentro de los materiales quirúrgicos implantables. El principal motivo es que consisten en materiales biodegradables o bioabsorbibles (principalmente polímeros biodegradables) de manera que la aplicación dentro del organismo pasa de ser permanente a ser temporal. 

Entre las aplicaciones temporales dentro del organismo hay que destacar también los sistemas de liberación de fármacos. Los polímeros son esenciales para todos los nuevos sistemas de liberación desarrollados.

Finalmente, otra aplicación temporal importante es la de matrices en ingeniería de tejidos. Los polímeros, particularmente los biodegradables, se emplean en el campo de la ingeniería de tejidos como andamiajes temporales en los que las células pueden crecer y formar tejidos.

En la figura se puede ver células de conejo adheridas a la placa Petri.

En la tabla 1 se recoge a modo de resumen algunos de los campos de la medicina donde están más extendidas las aplicaciones de biomateriales. La tabla 2 recoge algunos tipos de biopolímeros para aplicaciones cardiovasculares, tejidos, blandos, odontología, ortopedia y biotecnología. El intervalo de aplicaciones va desde productos de alto consumo (bolsas de sangre, jeringuillas), usos con mayor contacto (catéteres intravasculares y urinarios), alta tecnología en implantes (válvulas de corazón, juntas, injertos vasculares) y sustitución de órganos (corazón artificial).

Oftalmología

Lentes intraoculares

Lentes de contacto

Implantes de retina

Cardiovascular

Injertos vasculares

Válvulas de corazón

Marcapasos

Bolsas de sangre

Reconstrucciones

Prótesis de mama

Nariz, barbilla

Dientes

Ortopedia

Caderas

Rodillas

Hombros

Juntas dedos

Otros

Catéteres

Oxigenadotes

Diálisis renales

 Tabla 1.Campos de la medicina-aplicaciones de biomateriales

Biopolímeros

Aplicaciones

Polímeros sintéticos no degradables

Polimetacrilato de metilo (PMMA)

Cemento óseo, dientes artificiales, lentes intraoculares

Polimetacrilato de hidroxietilo (PHEMA)

Lentes de contacto blandas

Epoxis

Materiales protectores, composites de fibra

Fluorocarbonados

Injertos vasculares, catéteres y parches periodontales y abdominales

Hidrogeles

Catéteres y antiadhesivos

Poliacetales

Válvulas cardiacas, partes estructurales

Poliamidas

Suturas

Elastómeros de Poliamida

Catéteres y para tapar heridas

Policarbonatos

Membranas de oxigenación y hemodiálisis, conectores

Poliesteres

Injertos vasculares, globos para angioplastia, suturas y reparaciones para hernias

Elastómeros de poliéster

Catéteres

Poli (etercetonas)

 Componentes estructurales y ortopedia

Poli (imidas)

 Componentes estructurales, catéteres

Poli (metilpenteno)

Materiales protectores para dispositivos extracorporales

Poli(olefinas)

Suturas, globos de angioplastia, catéteres, jeringas

Elastómeros de poli(olefinas)

Tubos, corazones artificiales, catéteres

Películas de poliolefinas de alta cristalinidad

Globos de angioplastia

Poli(sulfonas)

Componentes estructurales y ortopedia

Poli(uretanos)

Catéteres, corazón artificial, prótesis vasculares, recubrimientos para heridas y revestimiento compatible con la sangre

Poli (cloruro de vinilo)

Tubos y bolsas de sangre

Siliconas

Implantes de cirugía plástica, catéteres, válvulas de corazón, membranas permeables al oxígeno, prótesis faciales y de la oreja

Polietileno de ultra alto peso molecular

Tejidos de alta resistencia

Copolímero de estireno y acrilonitrilo (SAN)

Prótesis mamarias

Poliestireno

Kit de diagnóstico, material monouso del laboratorio

Poliacrilonitrilo

Membranas para diálisis

Bioresorbibles

Poli (aminoácidos)

Liberación controlada, peptidos de adhesión celular

Poli(anhídridos)

Liberación controlada

Poli(caprolactonas)

Suturas y liberación controlada

Copolimeros de acido lactico y glicolico

Suturas, liberación controlada, discos óseos

Poli(hidroxibutiratos)

Liberación controlada, discos óseos

Poli (ortoesteres)

Liberación controlada

Colágeno

Recubrimientos y reconstrucción tisular

Macromoléculas bioderivadas

Albúmina entrecruzada

Recubrimientos de injertos vasculares y agente para contraste de ultrasonidos

Acetatos de celulosa

Membranas de hemodiálisis

Celulosa cuproamonica

Membranas de hemodiálisis

Citosina

Recubrimientos y liberación controlada

Colágeno

Recubrimientos y órganos híbridos

Elastina

Recubrimientos

Gelatina entrecruzada

Recubrimiento para corazón artificial

Ácido hialuronico

Recubrimientos, antiadhesivo, antiinflamatorio ocular y articular

Fosfolípidos

Liposomas

Seda

Suturas, recubrimientos experimentales de proteínas tipo seda

Recubrimientos pasivos

Albúmina

Tromboresistencia

Cadenas alquilicas

Adsorbe albúmina para la tromboresistencia

Fluorocarbonados

Reduce el rozamiento en catéteres

Hidrogeles

Reduce el rozamiento en catéteres

Siliconas libres de sílice

Tromboresistencia

Aceites de silicona

Lubricación para agujas y catéteres

Recubrimientos bioactivos

Anticoagulantes (ej: heparina)

Tromboresistencia

Antimicrobianos

Resistencia a la infección

Peptidos de adhesión celular

Mejora adhesión celular

Proteínas de adhesión celular

Mejora adhesión celular

Adhesivos tisulares

Cianoacrilatos

Microcirugía

Pegamento de fibrina

Recubrimiento para injertos vasculares y microcirugía

Tabla 2. Biopolímeros-Aplicación

El grupo de mayor uso de biomateriales lo forman los materiales polímeros sintéticos; se usan en aplicaciones como suturas, contenedores para usos externos al cuerpo( oxigenadotes de sangre, hemodiálisis), injertos vasculares, válvulas de corazón, tubos, conectores, bolsas.

Por ejemplo:

- Poliamidas (nylon 6/6) y polipropileno se usan como material de sutura.

- El PVC se usa en tubos y bolsas para el almacenaje de sangre y productos farmacéuticos.

- PET se usa para injertos vasculares de diámetro considerable.

- PMMA es material usado como cemento de fijación femoral, para lentes intraoculares y para prótesis de cadera.

- PTFE se usa como membranas para injertos vasculares, periodontales y como prótesis de ligamentos.

- Hidrogeles diversos están comenzando a utilizarse en aplicaciones de contacto con sangre y oculares debido a la baja adsorción de proteínas que poseen y a la capacidad de lubricación.

- Poliuretanos son un ejemplo de materiales con excelente resistencia a fatiga; se usan en bombeo en corazones artificiales.

- Los polímeros de recubrimiento (siliconas, hidrogeles, fluorocarbonos) se utilizan para muchas aplicaciones cardiovasculares.

- Los materiales bio-readsorbibles son interesantes porque se eliminan sin necesidad de una nueva cirugía. En general, son materiales que se degradan sin dar productos tóxicos para el organismo que son eliminados posteriormente. Los biopolímeros más utilizados como materiales readsorbibles son los hidroxiácidos que se degradan hasta la mitad de su masa en pocos meses.

A la vista de las estadísticas que se realizan sobre el número de fallos producidos en la implantación de materiales poliméricos sintéticos puede afirmarse que actualmente las funciones que llevan a cabo los implantes fabricados en materiales sintéticos son tan buenas como los órganos naturales a los que sustituyen.