Los biocerámicos y los bioglasses son materiales cerámicos que son biocompatibles . [1] Las biocerámicas son un subconjunto importante de biomateriales . [2] [3] Losbiocerámicos abarcan desde la biocompatibilidad desde los óxidos cerámicos , que son inertes en el cuerpo, hasta el otro extremo de los materiales reabsorbibles, que luego son reemplazados por el cuerpo después de haberlos ayudado a reparar. Los biocerámicos se utilizan en muchos tipos de procedimientos médicos. Las biocerámicas se utilizan normalmente como materiales rígidos en los implantes quirúrgicos , aunque algunas biocerámicas son flexibles. Los materiales cerámicos utilizados no son los mismos que la porcelana.Tipo de materiales cerámicos. Más bien, las biocerámicas están estrechamente relacionadas con los materiales propios del cuerpo o son óxidos metálicosextremadamente duraderos .
Historia [ editar ]
Antes de 1925, los materiales utilizados en la cirugía de implantes eran principalmente metales relativamente puros. El éxito de estos materiales fue sorprendente considerando las técnicas quirúrgicas relativamente primitivas. La década de 1930 marcó el comienzo de la era de las mejores técnicas quirúrgicas, así como el primer uso de aleaciones como el vitallium .
En 1969, LL Hench y otros descubrieron que varios tipos de vidrios y cerámicas podían unirse a los huesos vivos [4] [5] Hench se inspiró en la idea en su camino a una conferencia sobre materiales. Estaba sentado junto a un coronel que acababa de regresar de la guerra de Vietnam. El coronel compartió que después de una lesión, los cuerpos de los soldados a menudo rechazaban el implante. Hench estaba intrigado y comenzó a investigar materiales que serían biocompatibles. El producto final fue un nuevo material que llamó bioglass . Este trabajo inspiró un nuevo campo llamado biocerámica. [6] Con el descubrimiento de bioglass, el interés en las biocerámicas creció rápidamente.
El 26 de abril de 1988, se celebró en Kyoto, Japón, el primer simposio internacional sobre biocerámica. [7]
Aplicaciones [ editar ]
Las cerámicas ahora se utilizan comúnmente en los campos médicos como implantes dentales y de huesos . [8] [9] Los cermets quirúrgicos se usan regularmente. Los reemplazos de articulaciones comúnmente están recubiertos con materiales biocerámicos para reducir el desgaste y la respuesta inflamatoria. Otros ejemplos de usos médicos para las biocerámicas son los marcapasos , las máquinas de diálisis renal y los respiradores. [6] La demanda mundial de componentes cerámicos y cerámicos médicos fue de aproximadamente US $ 9.8 mil millones en 2010. Se pronosticó un crecimiento anual del 6 al 7 por ciento en los años siguientes, con un valor del mercado mundial que se prevé que aumentará a US $ 15.3 mil millones en 2015 y alcanzar los US $ 18,5 mil millones en 2018. [10]
Las propiedades mecánicas y la composición [ editar ]
Los biocerámicos están destinados a ser utilizados en sistemas de circulación extracorpórea ( diálisis, por ejemplo) o biorreactores diseñados; Sin embargo, son más comunes como los implantes . [11] Las cerámicas muestran numerosas aplicaciones como biomateriales debido a sus propiedades físico-químicas. Tienen la ventaja de ser inertes en el cuerpo humano, y su dureza y resistencia a la abrasión los hace útiles para el reemplazo de huesos y dientes. Algunas cerámicas también tienen una excelente resistencia a la fricción, por lo que son útiles como materiales de reemplazo para juntas que no funcionan correctamente . Las propiedades tales como la apariencia y el aislamiento eléctrico también son una preocupación para aplicaciones biomédicas específicas.
Algunos biocerámicos incorporan alúmina (Al 2 O 3 ) ya que su vida útil es más larga que la del paciente. El material se puede utilizar en osículos del oído interno , prótesis oculares, aislamiento eléctrico para marcapasos, orificios de catéter y en numerosos prototipos de sistemas implantables, como bombas cardíacas. [12]
Los aluminosilicatos se usan comúnmente en prótesis dentales, puros o en compuestos de polímero de cerámica . Los materiales compuestos de cerámica y polímero son una forma potencial de rellenar las cavidades que reemplazan las amalgamas sospechosas de tener efectos tóxicos. Los aluminosilicatos también tienen una estructura vítrea. Contrariamente a los dientes artificiales en resina, el color de la cerámica dental se mantiene estable [11] [13] La zirconia dopada con óxido de itrio se ha propuesto como un sustituto de la alúmina para las prótesis osteoarticulares. Las principales ventajas son una mayor resistencia al fallo y una buena resistencia a la fatiga.
El carbón vítreo también se usa porque es ligero, resistente al desgaste y compatible con la sangre. Se utiliza principalmente en el reemplazo de válvulas cardíacas. El diamante se puede utilizar para la misma aplicación, pero en forma de recubrimiento. [12]
Las cerámicas basadas en fosfato de calcio constituyen, en la actualidad, el sustituto óseo preferido en la cirugía ortopédica y maxilofacial. [11] Son similares a la fase mineral del hueso en su estructura y / o composición química. El material es típicamente poroso, lo que proporciona una buena interfaz de implante óseo debido al aumento del área de la superficie que fomenta la colonización celular y la revascularización. Además, tiene una menor resistencia mecánica en comparación con el hueso, lo que hace que los implantes altamente porosos sean muy delicados. Como el módulo de cerámica de Young es generalmente mucho más alto que el del tejido óseo, el implante puede causar tensiones mecánicas en la interfaz ósea. [11] Los fosfatos de calcio que se encuentran generalmente en los biocerámicos incluyen hidroxiapatita (HAP) Ca10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ; fosfato tricálcico β (β TCP): Ca 3 (PO 4 ) 2 ; y mezclas de HAP y β TCP.
Tabla 1: Aplicaciones de la biocerámica [12]
| Dispositivos | Función | Biomaterial |
|---|---|---|
| Cadera total artificial, rodilla, hombro, codo, muñeca. | Reconstruir articulaciones artríticas o fracturadas. | Alúmina de alta densidad, revestimientos metálicos de bioglass. |
| Placas de hueso, tornillos, alambres. | Reparar fracturas | Compuesto de fibra de metal y bioglass, compuesto de fibra de carbono y polisulfona |
| Uñas intramedulares | Alinear fracturas | Compuesto de fibra de metal y bioglass, compuesto de fibra de carbono y polisulfona |
| Varillas de Harrington | Corregir la curvatura espinal crónica. | Compuesto de fibra de metal y bioglass, compuesto de fibra de carbono y polisulfona |
| Extremidades artificiales implantadas de forma permanente. | Reemplace las extremidades faltantes | Compuesto de fibra de metal y bioglass, compuesto de fibra de carbono y polisulfona |
| Separadores y extensores de vértebras | Corregir la deformidad congénita. | Al 2 O 3 |
| Fusión espinal | Inmovilizar las vértebras para proteger la médula espinal. | Bioglass |
| Reemplazos de hueso alveolar, reconstrucción mandibular | Restaura la cresta alveolar para mejorar el ajuste de la dentadura. | Polytetra fluro etileno ( PTFE ) - compuesto de carbono , Alous O 2 O 3 , Bioglass, apatita densa |
| Endoprótesis óseas finales de reemplazo. | Reemplazar los dientes enfermos, dañados o sueltos. | Al 2 O 3 , Bioglass, hidroxiapatita densa, carbono vítreo |
| Anclajes de ortodoncia | Proporcionar puestos para la aplicación de estrés requerido para cambiar las deformidades. | Al 2 O 3 recubierto de bioglass, vitallium recubierto de bioglass |
Tabla 2: Propiedades mecánicas de los biomateriales cerámicos [12]
| Material | Módulo de Joven (GPa) | Fuerza compresiva (MPa) | Fuerza de enlace (GPa) | Dureza | Densidad (g / cm 3 ) |
|---|---|---|---|---|---|
| Inerte Al 2 O 3 | 380 | 4000 | 300-400 | 2000-3000 (HV) | > 3.9 |
| ZrO 2 (PS) | 150-200 | 2000 | 200-500 | 1000-3000 (HV) | ≈6.0 |
| Grafito | 20-25 | 138 | N / A | N / A | 1.5-1.9 |
| (LTI) carbono pirolítico | 17-28 | 900 | 270-500 | N / A | 1.7-2.2 |
| Carbono vítreo | 24-31 | 172 | 70-207 | 150-200 (DPH) | 1.4-1.6 |
| HAP bioactivo | 73-117 | 600 | 120 | 350 | 3.1 |
| Bioglass | ≈75 | 1000 | 50 | N / A | 2.5 |
| Vidrio de cerámica AW | 118 | 1080 | 215 | 680 | 2.8 |
| Hueso | 3-30 | 130-180 | 60-160 | N / A | N / A |
Multipropósito [ editar ]
Una serie de cerámicas implantadas no han sido diseñadas para aplicaciones biomédicas específicas. Sin embargo, logran encontrar su camino en diferentes sistemas implantables debido a sus propiedades y su buena biocompatibilidad. Entre estas cerámicas, podemos citar carburo de silicio , nitruros de titanio y carburos y nitruro de boro . Se ha sugerido el TiN como la superficie de fricción en las prótesis de cadera. Si bien las pruebas de cultivo celular muestran una buena biocompatibilidad, el análisis de los implantes muestra un desgastesignificativo , relacionado con el deslaminado de la capa de TiN. El carburo de silicio es otra cerámica moderna que parece proporcionar una buena biocompatibilidad y se puede usar en implantes óseos. [11]
Uso específico [ editar ]
Además de ser utilizadas por sus propiedades tradicionales, las cerámicas bioactivas han sido utilizadas específicamente debido a su actividad biológica. Los fosfatos de calcio, los óxidos y los hidróxidos son ejemplos comunes. Otros materiales naturales, generalmente de origen animal, como bioglass y otros materiales compuestos, cuentan con una combinación de materiales compuestos mineral-orgánicos como HAP, alúmina o dióxido de titanio con los polímeros biocompatibles (polimetilmetacrilato): PMMA, ácido poli (L-láctico) : PLLA, poli (etileno). Los compuestos pueden diferenciarse como bioreabsorbibles o no bioreabsorbibles, siendo este último el resultado de la combinación de un fosfato de calcio (HAP) no biorreabsorbible con un polímero no bioreabsorbible(PMMA, PE). Estos materiales pueden extenderse más en el futuro, debido a las muchas posibilidades de combinación y su aptitud para combinar una actividad biológica con propiedades mecánicas similares a las del hueso. [12]
Biocompatibilidad [ editar ]
Las propiedades de los biocerámicos de ser anticorrosivos, biocompatibles y estéticos los hacen muy adecuados para uso médico. ZirconiaLa cerámica tiene bioinserción y no citotoxicidad. El carbono es otra alternativa con propiedades mecánicas similares al hueso, y también presenta compatibilidad con la sangre, ausencia de reacción tisular y no toxicidad para las células. Ninguna de las tres cerámicas bioinertes exhibe unión con el hueso. Sin embargo, la bioactividad de las cerámicas bioinerantes se puede lograr formando materiales compuestos con cerámicas bioactivas. Las cerámicas de vidrio y vidrio son no tóxicas y se unen químicamente al hueso. Las cerámicas de vidrio provocan propiedades osteoinductivas, mientras que las de fosfato de calcio también muestran una no toxicidad para los tejidos y la biorresorción. El refuerzo de partículas de cerámica ha llevado a la elección de más materiales para aplicaciones de implantes que incluyen compuestos de cerámica / cerámica, cerámica / polímero y cerámica / metal.Los metales enfrentan problemas relacionados con la corrosión y los recubrimientos cerámicos sobre implantes metálicos se degradan con el tiempo durante las aplicaciones prolongadas. Los compuestos de cerámica / cerámica gozan de superioridad debido a la similitud con los minerales óseos, exhiben biocompatibilidad y están listos para ser moldeados. La actividad biológica de los biocerámicos debe considerarse bajo varios estudios in vitro e in vivo . Las necesidades de rendimiento deben considerarse de acuerdo con el sitio particular de implantación. [12]
Procesando [ editar ]
Técnicamente, las cerámicas se componen de materias primas como polvos y aditivos químicos naturales o sintéticos , favoreciendo la compactación (caliente, fría o isostática), el fraguado (hidráulico o químico) o acelerando los procesos de sinterización . De acuerdo con la formulación y el proceso de conformación utilizados, los biocerámicos pueden variar en densidad y porosidad como cementos , depósitos cerámicos o compuestos cerámicos. [11]
Una técnica de procesamiento de material en desarrollo basada en los procesos biomiméticos pretende imitar los procesos naturales y biológicos y ofrecer la posibilidad de hacer biocerámicas a temperatura ambiente en lugar de a través de procesos convencionales o hidrotermales [GRO 96]. La posibilidad de utilizar estas temperaturas de procesamiento relativamente bajas abre posibilidades para combinaciones de minerales orgánicos con propiedades biológicas mejoradas mediante la adición de proteínas y moléculas biológicamente activas (factores de crecimiento, antibióticos, agentes antitumorales, etc.). Sin embargo, estos materiales tienen pobres propiedades mecánicas que pueden mejorarse, parcialmente, combinándolos con proteínas de unión. [11]
Uso comercial [ editar ]
Los materiales bioactivos comunes disponibles comercialmente para uso clínico incluyen vidrio bioactivo 45S5, vidrio cerámico bioactivo A / W, HA sintético denso y compuestos bioactivos como una mezcla de polietileno- HA . Todos estos materiales forman un enlace interfacial con el tejido adyacente. [13]
Los biocerámicos de alúmina de alta pureza están actualmente disponibles comercialmente de varios productores. El fabricante británico Morgan Advanced Ceramics (MAC) comenzó a fabricar dispositivos ortopédicos en 1985 y rápidamente se convirtió en un proveedor reconocido de cabezas femorales de cerámica para reemplazos de cadera. MAC Bioceramics tiene la historia clínica más larga para los materiales cerámicos de alúmina, fabricando alúmina HIP Vitox® desde 1985. [14] Algunos fosfatos con deficiencia de calcio con una estructura de apatito se comercializaron como "fosfato tricálcico" aunque no exhibieron la estructura cristalina esperada de fosfato tricálcico. [14]
Actualmente, numerosos productos comerciales descritos como HA están disponibles en varias formas físicas (por ejemplo, gránulos, bloques especialmente diseñados para aplicaciones específicas). El compuesto de HA / polímero (HA / polietileno, HAPEXTM) también está disponible comercialmente para implantes de oído, abrasivos y revestimiento de plasma para implantes ortopédicos y dentales. [14]
Tendencias futuras [ editar ]
Las biocerámicas se han propuesto como un posible tratamiento para el cáncer . Se han propuesto dos métodos de tratamiento: la hipertermia y la radioterapia . El tratamiento de hipertermia consiste en implantar un material biocerámico que contiene una ferrita u otro material magnético. [15] El área se expone luego a un campo magnético alterno, lo que hace que el implante y el área circundante se calienten. Alternativamente, los materiales biocerámicos se pueden dopar con materiales de emisión β e implantarse en el área cancerosa. [2]
Otras tendencias incluyen ingeniería biocerámica para tareas específicas. La investigación continua involucra la química, la composición y las micro y nanoestructuras de los materiales para mejorar su biocompatibilidad.
longitud de Bjerrum (después del químico danés Niels Bjerrum 1879–1958 [1] ) es la separación en la cual la interacción electrostática entre dos cargas elementales es comparable en magnitud a la escala de energía térmica. , dónde es la constante de Boltzmann yEs la temperatura absoluta en kelvins . Esta escala de longitud surge naturalmente en discusiones sobre fenómenos electrostáticos, electrodinámicos y electrocinéticos en electrolitos , polielectrolitos y dispersiones coloidales . [2]
dónde es la carga elemental ,es la constante dieléctrica relativa del medio yEs la permitividad del vacío . Para el agua a temperatura ambiente () , así que eso .
La elevación del punto de ebullición describe el fenómeno de que el punto de ebullición de un líquido (un solvente ) será mayor cuando se agregue otro compuesto, lo que significa que una solución tiene un punto de ebullición más alto que un solvente puro. Esto sucede cada vez que se agrega un soluto no volátil, como una sal, a un solvente puro, como el agua. El punto de ebullición se puede medir con precisión utilizando un ebullioscopio.
Explicación [ editar ]
La elevación del punto de ebullición es una propiedad coligativa , lo que significa que depende de la presencia de partículas disueltas y su número, pero no de su identidad. Es un efecto de la dilución del disolvente en presencia de un soluto. Es un fenómeno que ocurre con todos los solutos en todas las soluciones, incluso en soluciones ideales, y no depende de ninguna interacción específica de soluto-solvente. La elevación del punto de ebullición ocurre cuando el soluto es un electrolito , como varias sales y un no electrolito . En términos termodinámicos , el origen de la elevación del punto de ebullición es entrópico y puede explicarse en términos de presión de vapor o potencial químico.del solvente. En ambos casos, la explicación depende del hecho de que muchos solutos solo están presentes en la fase líquida y no entran en la fase gaseosa (excepto a temperaturas extremadamente altas).
Puesto en términos de presión de vapor, un líquido hierve a la temperatura cuando su presión de vapor es igual a la presión circundante. Para el solvente, la presencia del soluto disminuye su presión de vapor por dilución. Un soluto no volátil tiene una presión de vapor de cero, por lo que la presión de vapor de la solución es menor que la presión de vapor del disolvente. Por lo tanto, se necesita una temperatura más alta para que la presión de vapor alcance la presión circundante, y el punto de ebullición es elevado.
En términos de potencial químico, en el punto de ebullición, la fase líquida y la fase de gas (o vapor) tienen el mismo potencial químico (o presión de vapor), lo que significa que son energéticamente equivalentes. El potencial químico depende de la temperatura y, a otras temperaturas, la fase líquida o la fase gaseosa tienen un potencial químico más bajo y son más favorables energéticamente que la otra fase. Esto significa que cuando se agrega un soluto no volátil, el potencial químico del solvente en la fase líquida disminuye por dilución, pero el potencial químico del solvente en la fase gaseosa no se ve afectado. Esto significa, a su vez, que el equilibrio entre el líquido y la fase gaseosa se establece a otra temperatura para una solución que un líquido puro, es decir, el punto de ebullición es elevado. [1]
El fenómeno de la depresión del punto de congelación es análogo a la elevación del punto de ebullición. Sin embargo, la magnitud de la depresión del punto de congelación es mayor que la elevación del punto de ebullición para el mismo disolvente y la misma concentración de un soluto. Debido a estos dos fenómenos, el rango líquido de un disolvente aumenta en presencia de un soluto.
La ecuación para cálculos en concentración diluida [ editar ]
La extensión de la elevación del punto de ebullición se puede calcular aplicando la relación de Clausius-Clapeyron y la ley de Raoult junto con el supuesto de la no volatilidad del soluto. El resultado es que en soluciones ideales diluidas, el grado de elevación del punto de ebullición es directamente proporcional a la concentración en molal de la solución de acuerdo con la ecuación: [1]
- ΔT b = K b · b B
donde la elevación del punto de ebullición, se define como T b (solución) - T b (solvente puro) .
- K b , la constante ebullioscópica , que depende de las propiedades del disolvente. Puede calcularse como K b= RT b 2 M / ΔH v , donde R es la constante de gas , y T b es la temperatura de ebullición del disolvente puro [en K], M es la masa molar del disolvente y ΔH v es el calor de vaporización por mol del disolvente.
- b B es la molalidad de la solución, calculada teniendo en cuenta la disociación , ya que la elevación del punto de ebullición es una propiedad coligativa, que depende del número de partículas en la solución. Esto se hace más fácilmente usando el factor de van 't Hoff i como b B = b solute · i . El factor i explica el número de partículas individuales (típicamente iones) formadas por un compuesto en solución. Ejemplos:
- i = 1 para azúcar en agua
- i = 1.9 para el cloruro de sodio en agua, debido a la casi total disociación de NaCl en Na + y Cl - (a menudo simplificado como 2)
- i = 2.3 para el cloruro de calcio en agua, debido a la casi completa disociación de CaCl 2 en Ca 2+ y 2Cl -(a menudo simplificado como 3)
Los factores no enteros i son el resultado de pares de iones en solución, que disminuyen el número efectivo de partículas en la solución.
Ecuación después de incluir el factor van 't Hoff
- ΔT b = K b · b soluto · i
En altas concentraciones, la fórmula anterior es menos precisa debido a la no idealidad de la solución. Si el soluto también es volátil, una de las suposiciones clave utilizadas para derivar la fórmula no es cierta, ya que derivó para soluciones de solutos no volátiles en un solvente volátil. En el caso de los solutos volátiles, es más relevante hablar de una mezcla de compuestos volátiles y el efecto del soluto en el punto de ebullición debe determinarse a partir del diagrama de fases de la mezcla. En tales casos, la mezcla a veces puede tener un punto de ebullición inferior a cualquiera de los componentes puros; Una mezcla con un punto de ebullición mínimo es un tipo de azeótropo .
Constantes ebulloscópica [ editar ]
| Compuesto | Punto de ebullición en ° C | Constante ebullioscópica K b en unidades de [(° C · kg) / mol] o [° C / molal] |
|---|---|---|
| Ácido acético | 118.1 | 3.07 |
| Benceno | 80.1 | 2.53 |
| Disulfuro de carbono | 46.2 | 2.37 |
| Tetracloruro de carbono | 76.8 | 4.95 |
| Naftalina | 217.9 | 5.8 |
| Fenol | 181.75 | 3.04 |
| Agua | 100 | 0.512 |
Usos [ editar ]
Junto con la fórmula anterior, la elevación del punto de ebullición se puede utilizar en principio para medir el grado de disociación o la masa molar del soluto. Este tipo de medida se llama ebullioscopy ( griego "ebullición-visión"). Sin embargo, como el sobrecalentamiento es difícil de evitar, las mediciones precisas de ΔT b son difíciles de realizar, [1] que fue parcialmente superada por la invención del termómetro de Beckmann. Además, la constante crioscópica que determina la depresión del punto de congelación es mayor que la constante ebullioscópica y, como el punto de congelación suele ser más fácil de medir con precisión, es más común utilizar la crioscopia .
Entre muchas leyendas urbanas relacionadas con el efecto del aumento ebullioscópico, una de ellas conduce a agregar sal al cocinar la pasta solo después de que el agua haya comenzado a hervir. El concepto erróneo es que, como el agua hierve a una temperatura más alta, los alimentos se cocinarán más rápido. Sin embargo, a la concentración aproximada de sal en agua para cocinar (10 g de sal por 1 kg de agua, o 1 cucharadita por litro), el aumento ebullioscópico es de aproximadamente 0.17 ° C (0.31 ° F), lo que posiblemente no sea práctico Diferencia para cocinar, aunque la sal puede agregar a los sabores.
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