Introduccin a los Biomateriales Ortopdicos para EndoprtesisDr. Andrs Ozols Lic. Silvia Rozenberg Protesista Ortesista Daniel Surez Dr. Daniel Miguel Picardi

Facultad de IngenieraUniversidad de Buenos Aires

Asociacin Profesional de Protesistas y Ortesistas Ortopdicos Bonaerenses

Dr. A. Ozols

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Objetivos Brindar la terminologa utilizada en el rea y los conocimientos bsicos que permitan la interaccin con los profesionales especializados y la interpretacin de informes tcnicos. Conocer las tcnicas de anlisis usuales para el estudio de estos materiales con el fin de ser aplicadas en el diseo y control de calidad de prtesis. Contribuir a la generacin de criterios de seleccin independientes de la presin de mercado. Prevenir fallas de implantes asociadas a los errores en la seleccin y modo de materiales y dispositivos. Conocimiento de las normas vigentes sobre implantes ortopdicos. Hacer conocer los recursos con que cuenta la Facultad en particular y otros centros de investigacin en general, tanto humano como de equipamiento para encarar los estudios acordes a las necesidades tcnicas del sector.Dr. A. Ozols 2

ProgramaMdulo 1 Biomateriales

Introduccin a los Biomateriales Ingeniera de materiales Estructura de la materia (atmica-microestructura) Propiedades Mecnicas Tenacidad Resistencia a la Fatiga Dureza Resistencia al desgaste

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ProgramaMdulo 2 Tipos de materiales y mtodos de fabricacin

Materiales metlicos Aleaciones de Ti, Co Normas ASTM

C Ni Cr r, -

Acero Inoxidable Tipos de Aceros Inoxidables Manufactura de Implantes de Aceros Inoxidables Aleaciones de Cobalto Tipos Manufactura de Implantes de Aleaciones de Cobalto Aleaciones de Titanio Manufactura de Implantes de Ti y sus Aleaciones

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ProgramaMateriales cermicos Fases cristalinas y amorfas Materias primas, caractersticas, minerales y procesadas. Mtodos de va hmeda de preparacin de las mismas xidos de Aluminio y Zirconio Tipos de revestimientos cermicos Tcnicas de deposicin y revestimiento Electroqumico Fosfato de Calcio Estructura de la Hidroxiapatita Manufactura de la Hidroxiapatita Mtodos de produccin de cermicos en general: Colado, fusin, prensado isoesttico en fri y en caliente, extrusin e inyeccin

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ProgramaMateriales polimricos Estructura molecular Peso molecular Cristalinidad Condensacin Efecto de la Estructura y la Temperatura Efecto del Peso molecular Factores de superficie. Modificacin de superficies polimricas, Deterioro de Polmeros Efectos Qumicos Tipos de polmeros de uso mdico Polietileno de alto peso molecular HMWPE Poliacrilatos PMMA, Polmeros Fluorocarbonados Termoplsticos de Alta Temperatura Polmeros biodegradablesDr. A. Ozols 6

ProgramaMateriales compuestos Mecnica de los composites Implantes Porosos Fibras y Partculas Composites Ortopdicos Mdulo 3 Fallas Causas tcnicas Causas biolgicas Recuperacin de implantes Propiedades Electroqumicas Bicompatibilidad de materiales Corrosin en medio biolgico Propiedades Tribiolgicas Desgaste de componentes protticos polietileno, acrlico y aleaciones.Dr. A. Ozols

Fallas de implantes

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ProgramaMdulo 4 Implantes Diseo de implantes Diseos instrumentales e implantes Historia del desarrollo de implantes Tipos de implantes para Trauma Principales diseos para osteosntesis (clavo, placa, tornillo). Diseos complejos tutores, clavos acerrojados y osteosntesis especiales Tipos de implantes para Reemplazos articulares Artroplastas totales y parciales. Caractersticas y diferencias de diseo en reemplazos de cadera, rodilla, hombro, codo, radio, mueca, tobillo. Otros biomateriales El injerto seo-alo y homoinjerto-matrices granulo-seas. Hidroxiapatita- sulfato de calcio. Materiales reabsorbibles, cido lctico-aceites biolgicos, anti-adhesivos.Dr. A. Ozols 8

ProgramaMdulo 5 Instrumentacin quirrgica Introduccin a la instrumentacin Higiene pre-quirrgica y peri-quirrgico. Tcnicas quirrgicas en trauma y reemplazos articulares Problemas tcnicos en cirugas de rodilla, cadera, hombro, etc Asesoramiento tcnico-Quirrgico Labor del tcnico dentro del quirfano. Responsabilidad legal del tcnico Materiales no ortopdicos Materiales descartables e implantables de uso en otras especialidades mdicas.

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Introduccin a los Biomateriales OrtopdicosDr. Andres Ozolsaozols@fi.uba.ar

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BIOMATERIAL Sustancia o combinacin Origen sinttico o natural

Constituye un conjunto o parte de un sistema. Aumentan o reemplazan algn tejido, rgano o funcin del organismoJ.W. Boretos and M. Eden, Contemporary Biomaterials, 1984

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REQUISITOS bsicos sobre biomateriales Remplazo de componentes en seres vivos Restauracin de funciones Interaccin armnica con el cuerpo Integridad estructural por tiempo determinado Satisfaccin de normas ASTM e ISO.

Biocompatibilidad

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BIOCOMPATIBILIDAD

La capacidad del material para responder en forma apropiada a una aplicacin especfica en el organismo Est determinada por las diferencias entre los tejidos y los materiales no naturales. Las propiedades del biomaterial no deben degradarse por ataque del sistema inmunolgico.

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BIOCOMPATIBILIDAD No txicos No trombognicos No cancergenos Reaccin inflamatoria mnima No alergnicos No afectar al sistema inmunolgico

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TIPOS de BIOMATERIALES

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En funcin de la respuesta del organismo Inertes Interactivos Sin respuesta Respuesta especfica prediseada (Crecimiento de tejido, adhesin) Respuesta como a tejido normal (Absorcin y/o remodelacin) Respuesta armnica Cultivados in vitro de clulas de un paciente especfico. Actualmente en etapa experimental .Dr. A. Ozols 16

Viables

Reimplantados

En funcin de su estructura Metalestomos unidos por enlaces metlicos

Polmeros Molculas unidas en cadenas largas Cermicos Compuestos inorgnicos unidos por enlaces inicos y covalentes VidriosCermicos de estructura amorfa

Composites Mezclas de los tipos anterioresDr. A. Ozols 17

POLMEROSPolietileno (LDPE, HDPE, UHMWPE) ePTFE (Gore Tex) Silicona Polimetil metacrilato (PMMA) Poliuretano

VentajasElasticidad Fcil moldeo y diseo de propiedades.

DesventajasBaja resistencia transversal y compresiva. Alto rgimen de deformacin. Falta de compatibilidad con medio fisiolgico.

Usos Ortopdicos Tendones artificiales Msculos artificiales Injertos vasculares Reconstruccin de tejido blandoDr. A. Ozols 18

POLMEROSHidrogelesCelulosa Co-polmeros acrlicos

VentajasElasticidad Fcil moldeo y diseo de propiedades.

DesventajasBaja resistencia transversal y compresiva. Alta rgimen de deformacin. Falta de compatibilidad con medio fisiolgico.

Reabsorbiblescido poligliclico cido polilctico Polisteres Usos

Suturas Suministro de drogas Crecimiento Implantes vtreos Curado de heridasDr. A. Ozols 19

COMPOSITES Polmero reforzado con fibra de carbono (CFRC) Reforzados con fibras Hbridos

Usos Ortopdico

Ventajas Compatibilidad con sistema msculoesqueleto. Inerte. Adherencia a tejidos. Sin corrosindegradacin. Alta resistencia transversal y tensin. Propiedades modificablesDr. A. Ozols

Desventajas Falta de resiliencia. Difcil fabricacin. Prop. mecnicas e interfaciales poco conocidas.

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METALES Co-Cr-Mo Ti-6Al-4V Ti Acero 316L Nitinol (Ni-Ti)

Ventajas Alta resistencia transversal y tensin Alta resistencia al desgaste

Desventajas Falta de compatibilidad completa con el medio fisiolgico. Desajuste de las propiedades mecnicas con sistema msculoesqueleto. Corrosin en Acero 316

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PROPIEDADES MECNICAS de ALEACIONESAleacin Lmite Elstico [MPa] 205 690 195 690 500 585 930 640-770 770-1100 170 - 485 520 Resistencia Traccin [MPa] 515 860 505 860 700 1035 1300 1100-1300 1200-1500 240 - 550 900 138 Mdulo Elongacin Elstico [%] [Gpa] 193 >30

316 (recocido) 316 (trabajado en fro) 316L (recocido) 316L (trabajado en fro) Co-Cr-Mo (colado) Co-Cr-Mo (recocido a 1200 C) Co-Cr-Mo (forjado en caliente) Co-Cr-Mo (compresin-isoesttica) Co-Cr-Mo (laminado en caliente) Titanio - Grado 1-4 Ti-6Al-4V (colado) Hueso compacto

235

>8

96 117 21

>15 >12 1

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COMPARACIN de ALEACIONESAleacin Resistencia a la corrosin *** **** **** ** Resistencia Esttica y Dinmica *** **** **** *** Resistencia al desgaste *** **** ** ** Biocompatibilidad

Coladas Co-Cr Forjada Co-Cr Coladas base Ti Aceros Inoxidables

**** **** **** **

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CERMICOSAlmina Zirconia Fosfato Triclcico Hidroxiapatita Carbn piroltico Silicatos de Calcio

VentajasCompatibilidad con sistema msculoesqueleto. Similitud con prop. fsicas del hueso. Resistencia a la corrosin. Inertes a los tejidos. Adherencia a los tejidos. Alta resistencia a compresin. Alta resistencia al desgaste.

DesventajasBaja resistencia a tensin corte e impacto. Difcil conformacin. Falta de elasticidad. Baja reproducibilidad de prop. mecnicas. Sensibilidad al mellado. Falta de resistencia.

UsosOrtopdico Revestimiento de metales Vlvulas cardacas OdontolgicoDr. A. Ozols 24

SISTEMAS de PRTESIS

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Sistema

Ventajas

DesventajasPropenso a corrosin de rendija o de desgaste (unin cabeza-cuello) Citotoxicidad de iones Co, Cr, Mo, Ti. Sin carga por 2 semanas para oseointegracin.

Ti6Al4V/CoCrMo Fijacin al paciente sencilla. Pares de metales que evitan Modular debilidad de cada material. Vstago de mdulo elstico (Poroso) bajo. Cemento seo evitable

CoCrMo(Liso)

Resistencia al desgaste alta. Fractura del PMMA y Tolerancia del anclaje alta reaccin histolgica. Citotoxicidad del Co, Cr, (con PMMA) Mo. Mdulo elstico alto.

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Sistema CoCrMo(Poroso)

VentajasResistencia al desgaste alta. Sin cemento.

DesventajasPrdida potencial de partculas. Citotoxicidad de iones Co, Cr, Mo. Mdulo elstico alto. Sin carga por 2 semanas.

Superficie integrada al hueso

Ti6Al4V(Poroso)

Sin cemento. Mdulo elstico bajo. Citotoxicidad baja.

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Prdida potencial de partculas. Resistencia al desgaste alta . Sin carga por 2 semanas.

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SistemaAcero inoxidable 316L (Liso)

VentajasCosto bajo . Manufactura sencilla. Tolerancia del anclaje alta (PMMA) Experiencia de desarrollo amplia. Mdulo elstico bajo. Biocompatibilidad alta. Alta resistencia al desgaste. Revestimiento de adhesin buena.Dr. A. Ozols

DesventajasCorrosin alta en algunas zonas. Agrietamiento por fatiga. Mdulo elstico alto. Fractura del PMMA y reaccin histiolgica. Costo alto. Manufactura compleja. Interfase hueso-ZrO2 poco comprendida.

Zrrevestido con ZrO2 Ti-13Zr-13Nb oxidado

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SUPERFICIES RUGOSAS y POROSAS Sinterizado de bolillas de Rociado centrfugo de Co-Cr Co-Cr

Rociado trmico de TiDr. A. Ozols 29

FALLAS de PRTESIS

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CAUSAS La seleccin de materiales destinados a implantes metlicos El diseo de los sistemas de fijacin internos El medio biolgico y su interaccin con los implantes El medio bioqumico El medio dinmicoDr. A. Ozols 31

Modo de Falla CausasFractura MacroscpicaReabsorcin sea Agrietamiento por corrosin bajo tensin

Microestructura inapropiada. Concentracin de tensiones - Fatiga Diseo inapropiado. Medio corrosivo moderado

Desgaste excesivo Prdida de la capa pasiva. Seleccin pobre de material. Ostelisis Degradacin del polmero. Desgaste por tercer Generacin de partculas de corrosin y cuerpo desgaste en superficies no articulares. Aflojamiento Reaccin del tejido al implante. Modulo elstico del implante muy elevado. Dr. A. Ozols 32 Formacin tejido Excesivo micro-movimiento y uso prematuro blando

CUL ES LA PRTESIS METLICA IDEAL? PropiedadMdulo elstico Lmite elstico mnimo Resistencia a la tensin mnima Elongacin la fractura mnima Resistencia a la Fatiga Mnima Otros Requisitos

Valor ideal17.1 GPa 11.5 GPa 500 MPa 650 MPa 8% 400 MPa (10 millones de ciclos) Alta resistencia a la corrosiny al desgaste. Dr. A. Ozols 33 Biocompatibilidad axial transversal

UHMWPE Microestructuras

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ESTRUCTURA MOLECULARMolculas HO Radicales libres

Adicin de la polimerizacin

Polmero lineal

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CRECIMIENTO de las ESFERULITAS

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Cristalizacin del UHMWPE

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CRISTALIZACINLamelas bidimensionales de cadenas dobladas

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MICROESTRUCTURA del UHMWPE

Escamas de resina virgen

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UHMWPE Desgaste de Cotilos

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DESGASTE de UHMWPEPRTESIS de RODILLA Desgaste de cotilo Delaminacin por desgaste

5 millones de ciclos 5 millones de ciclos 3 millones de ciclos Agrietamiento

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SUPERFICIES de DESGASTE de UHMWPE ralladuras delaminacin +

apilamiento

picado

Imgenes de interferometra de luz blancaDr. A. Ozols 41

DEFECTOS de MAQUINADO(PRTESIS de CADERA)

Rayas de maquinado de cotilo sin usoDr. A. Ozols 42

Co-Cr-Mo Microestructura Desgaste de prtesis

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MICROESTRUCTURA Co-Cr-MoMaterial Colado (alto carbono)

Co-28Cr-4.5Mo-1.1C (% en peso)

Micrografas SEM de zonas de 117 m (izq.) y 80 m (der.)Dr. A. Ozols 44

FALLAS por DESGASTE del METAL(PRTESIS de RODILLA)

X 50

X 500Dr. A. Ozols 45

SUPERFICIE METLICARugosidad 3-D de la cabeza de fmur

L. Blunt y X.Q. Jiang,J. Mat. Science: Mat in Medicines 11 (2000) 235-246Dr. A. Ozols 46

DesgasteDesgaste en el extremo del vstago de prtesis de cadera de Co-Cr-Mo.

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Co-Cr-Mo Falla por Fatiga

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CICLOS DE CARGA SOBRE UNA PIERNA ciclo de carga = 2 s, un paso =1 s

Movimiento por da [h] 1 3 6

Ciclos por da 1800 5400 10800

Ciclos por mes 54000 162000 324000

Ciclos por ao 657000 1971000 3942000

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MECANISMO de CRECIMIENTO de GRIETASCARGA CCLICA

FALLA por FATIGADr. A. Ozols 50

DESARROLLO de la SUPERFICIE de FATIGA 500 ciclos 29500 ciclos 40700 ciclos 60 000 ciclos

Acero AISI 316 L en una solucin de Ringer a 38 C y a una tensin aplicada de 250 MPaDr. A. Ozols

Falla 69000 ciclos! 51

CRECIMIENTO de GRIETAS bandas de deslizamiento

> 60 000 ciclos

x 90 X . Fall a 69113 ciclos!Dr. A. Ozols 52

FALLA por FATIGAPrtesis de cadera Co-Cr-Mo

Superficie de fractura picos yestriaciones de fatigaDr. A. Ozols 53

FRACTURAS de IMPLANTES de CADERAPrtesis de cadera rota de aleacin colada de Co-Cr-Mo

(a) Superficie de fractura (b) Seccin longitudinal en con granos grandes la parte superiorDr. A. Ozols

(c) Seccin longitudinal a travs de la fractura54

CONCLUSIONESNo existen prtesis ni biomateriales ideales y su seleccin debe basarse en el conocimiento de biomateriales

Cmo evitar los fracasos de prtesis?

Trabajo interdisciplinario

Dr. A. Ozols

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Trabajo interdisciplinarioImportadores y Fabricantes de dispositivosUniversidad, Inst. Investigacin y Desarrollo ANMAT

Certificacin de calidad Verificacin de normas( Buenas prcticas de fabricacin y uso)

Marco RegulatorioMEDICOS

Reportes Mdicos

Conocimiento BiomaterialesDr. A. Ozols

Hospitales, Universidad Institutos de Salud

Peritajes56