Biomateriales Repuestos Para El Cuerpo Humano

BIOMATERIALES: REPUESTOS PARA EL CUERPO HUMANO

Excelentsimo Seor Presidente, Excelentsimos Seoras y Seores, Seoras y Seores; queridos amigos: Quisiera comenzar este discurso expresando en primer lugar, mi alegra y agradecimiento a los miembros de esta Real Academia de Ingeniera por su generosa acogida y por el honor que me hacen con su eleccin. Desde el terreno de la gratitud, quisiera hacer mencin de las personas que ms directamente me han ayudado y estimulado a lo largo de mi carrera cientfica. Pero por suerte para m, a lo largo de los aos, han sido muchas las personas que han contribuido a que yo est hoy aqu. Por eso, he desistido de abrumarles con la larga lista de nombres que debera incluir, pero no quiero dejar de citar en este momento a mis padres, que con su ejemplo, cario y enseanzas me han ayudado y guiado siempre y a mis hijos Ignacio, Alvaro y Natalia, que desde muy chiquitines entendieron como normal mi actividad investigadora. Por supuesto, mi gratitud a mis profesores y maestros a lo largo de mi carrera docente e investigadora, que me fue conduciendo desde la Qumica, al Estado Slido y a la Ciencia de Materiales. Un reconocimiento especial al profesor Jos Gonzlez Calbet. Juntos iniciamos, hace 24 aos la formacin de un grupo de investigacin que hoy est repartido entre las Facultades de Qumicas, Farmacia y el Instituto de Magnetismo Aplicado. Y por ltimo, mi agradecimiento a mis colaboradores de todos estos aos, sin olvidar a todos los licenciados, estudiantes de tercer ciclo y doctores que han trabajado conmigo y que han contribuido al trabajo cientfico que ha hecho posible que los miembros de esta Academia se hayan fijado en m para ser propuesta como nuevo miembro. Quiero hacer una mencin especial en el captulo de agradecimientos a mi amigo el profesor Roberto Fernndez de Caleya. l ha sido el motor de muchsimas mejoras en el sistema de evaluacin e investigacin de este pas. De entre todas ellas, yo le debo especial gratitud por haber hecho posible y fcil que pueda investigar todo aquel que quiera trabajar, por su amistad, y por haber sido mi mentor en esta estupenda aventura de la Academia.

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Por ltimo, mis ms sinceras gracias, al profesor Avelino Corma por el honor que me hace con su contestacin. He elegido centrar mi discurso de investidura en biomateriales, disciplina integrada en Ciencia de Materiales, con un auge indiscutible en la actualidad, entre otras razones, porque cada vez van a ser ms necesarios, como consecuencia del aumento de la expectativa de vida. En efecto, reconstruir partes daadas del ser humano ya es una realidad. Pero si se extrapola las partes al todo, se est hablando de ciencia-ficcin? Dnde termina la ciencia-ficcin y empieza el hecho cientfico? Hasta dnde puede llegar la ciencia en la elaboracin de prtesis, dispositivos y cementos seos?. Ms de cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantado algn tipo de prtesis y es un hecho bien conocido en nuestra sociedad la utilidad y necesidad de todo tipo de implantes, siendo raro que en nuestro entorno prximo no conozcamos algn caso de familiar o amigo que los necesite. Los biomateriales estn destinados a su aplicacin en seres vivos, y para su fabricacin se requiere la coordinacin de expertos de muy diversos campos. El campo de los biomateriales ha experimentado un espectacular avance en los ltimos aos. Una motivacin importante para ello ha sido el hecho de que la esperanza de vida aumente de forma considerable. Segn los demgrafos de Naciones Unidas, dentro de unos 5 aos es muy probable que haya ms personas de ms de 60 aos que nios de menos de 15. Hoy en da una de cada diez personas tiene 60 aos o ms, pero en el ao 2050 se prev que ser una de cada cinco.Y se prev tambin que el nmero de los que tienen unos 80 aos se multiplicar por cinco. La longevidad masiva tiene implicaciones individuales relacionadas con mantener la calidad de vida. Estos factores sociolgicos han impulsado un gran avance en Biomateriales, potenciando la investigacin en este campo. Si a esto se le aade la mejora de las tcnicas quirrgicas, se puede entender el crecimiento acelerado en la utilizacin de prtesis, implantes, sistemas y aparatos mdicos que deben trabajar en contacto con los tejidos corporales. Los biomateriales deben cumplir con las condiciones de partida de ser biocompatibles y asegurar una determinada vida media. A su vez, tienen

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que aportar las prestaciones especficas que requiera la aplicacin a que vayan destinados. Inicialmente, que fue hace relativamente poco tiempo, durante el ltimo tercio del siglo XX, los biomateriales eran esencialmente materiales industriales seleccionados con el criterio de que fueran capaces de cumplir ciertos requisitos de aceptabilidad biolgica. Sin embargo, en la actualidad muchos biomateriales son diseados, sintetizados y procesados con el nico fin de tener una aplicacin en el campo mdico. En la actualidad, el mundo de los biomateriales se formula tres importantes cuestiones: Qu calidad de vida proporcionarn? Cunto durarn? Cul es su precio? Las respuestas no son en ningn caso satisfactorias al cien por cien; sin embargo, s son positivas en lneas generales para un elevado nmero de pacientes. Para llegar, o al menos aproximarse a ese cien por cien deseado hay todava mucho trabajo por hacer, desde los campos investigador, mdico, tcnico e industrial. A los biomateriales, materiales implantables intracorporalmente, se les exige que lleven a cabo una funcin adecuada, y no ocasionen ningn dao al organismo. Entre sus caractersticas no puede faltar la de ser biocompatibles, esto es, biolgicamente aceptables. Factores decisivos a la hora de evaluar los biomateriales son su biocompatibilidad y su duracin, ya que estos materiales tienen que permanecer en contacto con los tejidos vivos, por lo que es imprescindible que posean una buena compatibilidad, es decir, que no se produzcan reacciones no deseadas en la interfaz tejido-material, y que mantengan sus prestaciones durante el tiempo que tengan que estar en servicio. Naturalmente, ese tiempo ser muy diferente segn la funcin a que est destinado un determinado biomaterial y podrn seleccionarse distintos materiales para fabricar un implante, en funcin de que ste sea provisional o definitivo. Los materiales utilizados en la fabricacin de biomateriales se seleccionan teniendo en cuanta el tipo de aplicacin a la que vayan destinados. En general, los materiales sustitutivos de tejidos blandos son diferentes

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de los sustitutivos de tejidos duros o de los empleados en la fabricacin de dispositivos. Un aspecto importante a destacar es que los biomateriales empezaron siendo materiales industriales a los que se les peda que cumplieran con ciertos requisitos de aceptabilidad biolgica. En la actualidad, sin embargo, se disean, fabrican y procesan muchos biomateriales con el nico fin de que tengan una aplicacin en el campo mdico. Es fcil comprender que el paciente, como usuario final, o el cirujano como utilizador, no necesitan biomateriales, sino componentes, piezas o aparatos y sistemas mdicos fabricados con biomateriales. De hecho, los biomateriales se sintetizan y elaboran especficamente para cada sistema o aparato mdico. Esta es una aproximacin radicalmente diferente a la adoptada tradicionalmente en el campo de los Materiales, donde todava hoy es posible encontrar materiales desarrollados en el laboratorio en busca de aplicacin industrial. Esta situacin tiene profundas implicaciones puesto que el proceso de fabricacin industrial est muy ligado al desarrollo cientfico del material. As mismo, la optimizacin de cada pieza o componente en funcin del biomaterial utilizado requiere un adecuado diseo biomecnico y geomtrico que necesariamente debe ir unido a un procesado que permita, no slo las mejores prestaciones de la pieza, sino su reproducibilidad y fiabilidad en toda la cadena de produccin. La utilizacin de sistemas informticos para el diseo de implantes puede permitir la fabricacin de prtesis individualizadas, en funcin del estado en que se encuentre el tejido seo del paciente y del tipo de fractura de que se trata. El modelado y simulacin numrica del comportamiento de rganos, posibilita el desarrollo de nuevos y mejores implantes. Estos hechos, que no son nuevos en ingeniera, le dan una enorme versatilidad e inters al campo de los biomateriales. Todo este campo, en constante evolucin, ofrece excelentes oportunidades para el desarrollo de nuevos sistemas y la expansin de las aplicaciones actuales. Sin embargo, esto requiere estudios de investigacin avanzados para definir los verdaderos lmites o las propiedades necesarias para la sustitucin de tejidos con fiabilidad a largo plazo. Esta Real Academia de Ingeniera ha sido sensible a la importancia de la Bioingeniera y a los muchos problemas planteados y por resolver, y dedic su Informe n 3 a un estudio sobre simulacin del comportamiento seo y su aplicacin al diseo de implantes, presentado por el Excmo. Sr. D. Enrique Alarcn y, re-


alizado por los seores Doblar y Garca. Este informe presenta un nuevo modelo de remodelacin seo, basado en los principios de la Mecnica del Diseo Continuo, que permite reproducir bastante rigurosamente los resultados experimentales disponibles, as como las pautas cualitativas ms importantes de la evolucin de la estructura sea, incluyendo el nivel de anisotropa, la direccionalidad de la misma y el proceso de crecimiento-reabsorcin del hueso, tanto en el interior como en la superficie. La industria de los biomateriales incluye organizaciones y empresas que disean, fabrican y manufacturan materiales que se utilizan en los campos de las ciencias de la vida y de la salud. Los biomateriales se pueden clasificar en biomdicos, de origen artificial, (metales, cermicas, polmeros) y biolgicos, esto es, de origen natural, animal o humano, (colgeno, quitina...). La industria relacionada con este sector, o mejor an, la disciplina Ingeniera Biomdica engloba Biomecnica, Biosensores, Modelado, simulacin y control fisiolgico, Instrumentacin biomdica, Anlisis mdico y biolgico, Ingeniera de rehabilitacin, Dispositivos protsicos y rganos artificiales, Informtica mdica, Biotecnologa, Ingeniera clnica, Efectos biolgicos de campos electromagnticos, Imagen mdica y Biomateriales, siendo a estos ltimos a los que corresponde el diseo y desarrollo de materiales bioimplantables. El papel que juegan los materiales en la industria depende de su aplicacin. Los productos utilizados en grandes cantidades as como de un solo uso pueden conducir la investigacin hacia alternativas competitivas en coste. El desarrollo de nuevos materiales se dirige fundamentalmente hacia productos que permitan reducir tanto complicaciones como el perodo de estancia en el hospital, incluso a pesar de que pueda incrementarse su valor. El trabajo en el campo de los biomateriales implica necesariamente un trabajo coordinado entre distintos expertos de distintas reas de conocimiento. Sin esta coordinacin, absolutamente imprescindible, el trabajo en biomateriales no es tal, ya que consistira en el estudio aislado de diferentes aspectos que, si bien pueden constituir estudios bsicos interesantes, se escapan del objetivo final del biomaterial, que requiere la realizacin de muchas etapas, que se inicia con la fabricacin del material a utilizar, se sigue con el procesado y control tanto de calidad como biosa-

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nitario, y se finaliza con la aplicacin clnica y seguimiento de la misma. Para cada necesidad hay que disear y fabricar un biomaterial especfico y la seleccin de expertos, consecuentemente, ser diferente. La enorme variedad del campo de los biomateriales se hace patente cuando tratamos de enumerar algunas de sus reas de actualidad y con proyeccin de futuro tales como materiales bioactivos y biodegradables, materiales "casi" bioinertes, biosensores, dosificacin controlada de frmacos, retirada de implantes, materiales inteligentes, dispositivos de invasin mnima, modulacin de la regeneracin tisular, materiales naturales e hbridos, nuevos mtodos de evaluacin, superficies e interfases, materiales biomagnticos, dispositivos electrnicos... En cualquier caso, todo biomaterial tiene que ser biocompatible tanto qumica como mecnica y mdicamente. Los materiales utilizados como biomateriales tienen que poseer un carcter bien inerte o tolerable, bien bioactivo, y sus productos de degradacin no deben originar toxicidad. Son varios los factores a tener en cuenta en el control de la bioactividad y, por supuesto, hay que tener en cuenta la reaccin de las clulas frente a la composicin qumica de la superficie del biomaterial, la forma de dicha superficie (curva, plana...), el acabado superficial (liso, rugoso), y la respuesta de la clula frente a las deformaciones que puede sufrir. Cualquier problema a resolver en el campo de los biomateriales nunca es sencillo, ya que todos los problemas que se presenten sern siempre multifactoriales dada su naturaleza multidisciplinar. Los biomateriales se utilizan tanto para la reconstruccin del organismo, como para darle soporte. Las propiedades de un material implantable dependen de factores biolgicos, mecnicos y cinticos. El campo de los biomateriales, precisamente por su carcter multidisciplinar, obliga a considerar simultneamente muchos factores. El que los biomateriales sean tales, implica una composicin adecuada no slo del material implantado, sino tambin de las partculas liberadas de cualquier implante, como consecuencia de su desgaste y de los productos de degradacin a que pueda dar lugar. Pero tanto tolerancia como toxicidad de cualquier sustancia en el organismo humano son funcin de la concentracin en la que se encuentra presente. Esto es un hecho bien


conocido en Qumica Bioinorgnica que estudia los elementos que intervienen en la bioqumica de los humanos, lo que puede relacionarse con la composicin que debe tener un determinado biomaterial para que cumpla las normas de no toxicidad. Puede tambin relacionarse la dosis de cualquier elemento esencial con su respuesta esperada, factor muy importante a la hora de elegir, no slo la composicin, sino la posible concentracin de las sustancias que intervienen en el implante, teniendo tambin en cuenta los productos de degradacin a que pueda dar lugar. Atendiendo a la naturaleza del material artificial con el que se fabrica un implante, se puede establecer una clasificacin en materiales cermicos, metlicos, polimricos o materiales compuestos. Los biomateriales polimricos, ampliamente utilizados en clnica, deben su xito a las enormes posibilidades que presentan, tanto en variedad de compuestos, como en ofrecer la posibilidad de fabricarlos de muy distintas maneras, con caractersticas bien determinadas, y con facilidad de conformarlos en fibras, tejidos, pelculas o bloques. Pueden ser tanto naturales como sintticos y, en cualquier caso, se pueden encontrar formulaciones bioestables, esto es, con carcter permanente, particularmente tiles, para sustituir parcial o totalmente tejidos u rganos lesionados o destruidos, y biodegradables, esto es, con carcter temporal, por tanto, con una funcionalidad adecuada durante un tiempo limitado, el necesario mientras el problema subsista. Tanto en implantes quirrgicos, como en membranas protectoras o en sistemas de dosificacin de frmacos existen aplicaciones de este tipo de materiales y particular importancia tienen los cementos seos acrlicos, que han encontrado importantes campos de aplicacin, en particular, en odontologa y traumatologa, dadas las importantes ventajas que presentan frente a otros cementos, como son su fcil aplicacin y su rpida polimerizacin. Sin embargo, por desgracia presentan desventajas, tales como el calor que se desprende durante la polimerizacin, que conduce en muchos casos a problemas de citotoxicidad, y a la contraccin que sufre una vez endurecido, lo que origina micromovilidad de la prtesis fijada y, frecuentemente, conduce a problemas de osteolisis y/o desgaste del cemento. Sin embargo, pese a estos problemas, su utilizacin hoy por hoy es prcticamente insustituible. De los biomateriales metlicos, cabra sealar, en trminos generales, que el nmero de metlicos que se utilizan en la fabricacin de implantes es

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muy limitado, si tenemos en cuenta que ms de tres cuartas partes del sistema peridico son elementos metlicos. El primer requisito para su utilizacin en implantes es que sean tolerados por el organismo, por lo que es muy importante la dosis que puedan aportar a los tejidos vivos. Otro requisito tambin imprescindible es que tengan una buena resistencia a la corrosin.Todo qumico conoce bien que la corrosin es un problema general de los metales, ms an si estn inmersos en un medio hostil como es el organismo humano, y a temperaturas del orden de 37C. Sin embargo, algunos metales se escapan, por lo menos en principio, a este problema, como son los metales preciosos. Otros, al formar una capa de xido en su superficie, la pasivan, protegiendo el interior del metal al evitar que avance la corrosin, como ocurre en el titanio. En cualquier caso, los metales se utilizan con xito en diversos implantes, en particular, cuando es imprescindible soportar carga, como ocurre en las prtesis de cadera, donde se utilizan aleaciones de Co-Cr y Ti-AlV. Pese a los problemas que puedan originar, como metalosis, hoy por hoy no tienen sustitutivos en implantes que deban soportar carga. De los biomateriales cermicos, a primera vista podra pensarse que su principal ventaja es su baja reactividad qumica, por tanto, su carcter inerte, que conlleva una clara biocompatibilidad. Pero no todas las biocermicas son inertes y, de hecho, muchos materiales cermicos que se utilizan en ciruga reconstructiva son bioactivos. Las cermicas con aplicaciones mdicas constituyen un interesante campo de investigacin y desarrollo para la obtencin de biomateriales tiles en la fabricacin y/o fijacin de implantes. Con biomateriales en general, y biocermicas en particular, se pueden recambiar muchas piezas de nuestro cuerpo. Las aplicaciones de las biocermicas hoy en da estn centradas en la fabricacin de implantes que no deban soportar cargas, como es el caso de la ciruga del odo medio, en el relleno de defectos seos tanto en ciruga bucal como en ciruga ortopdica y en el recubrimiento de implantes dentales y articulaciones metlicas, pero su futuro es mucho ms ambicioso. Las biocermicas se introducen en una poca (dcada de los 70) en la que comenzaban a detectarse fracasos en los biomateriales utilizados hasta ese momento, como eran el acero, aleaciones de cobalto y polimetil


metacrilato. El fracaso se deba, entre otras razones, a la encapsulacin de estos materiales, lo que hizo dirigir la mirada hacia las cermicas, en un intento de buscar una buena oseointegracin. Sin embargo, la fragilidad de las biocermicas restringi, en gran medida, su campo de aplicacin, seleccionando slo funciones que no necesitaran elevadas prestaciones mecnicas, a excepcin de la almina y la zirconia, que se emplearon y emplean en articulaciones de cadera. Hay que tener presente que las biocermicas podran ser los biomateriales ideales, ya que poseen una buena biocompatibilidad y oseointegracin y, a su vez, son los materiales ms parecidos al componente mineral del hueso. Cuando se piensa en reparar una parte del esqueleto, a priori podran existir dos posibilidades muy distintas, en funcin de reemplazar la parte daada, o sustituirla regenerando el hueso. Este planteamiento hace pensar en un campo de investigacin muy importante, dirigido a conseguir biocermicas basadas en fosfatos de calcio, que tengan buena resistencia mecnica y que puedan conducir a la regeneracin de hueso. En esta direccin podra pensarse en reforzar las biocermicas ya conocidas, por ejemplo, sintetizando biocomposites que mejoren los pobres aspectos mecnicos de las cermicas y profundizar en el estudio del mecanismo de formacin del hueso natural para buscar las condiciones de sntesis que permitan obtener en el laboratorio biomateriales compuestos orgnico-inorgnico con propiedades mecnicas aceptables. El objetivo final de la comunidad cientfica que trabaja en este campo es fabricar hueso artificial equivalente al hueso natural. En la actualidad, para realizar una sustitucin sea predomina la utilizacin de tejido donante, tanto de aloinjertos como de autoinjertos, si bien est aumentando el porcentaje relativo de materiales artificiales. Los tejidos donantes, frente a su buena biocompatibilidad, tienen una serie de claras desventajas, ya que son costosos, escasos y presentan riesgo de transmisin de enfermedades, frente a los materiales sintticos, que a la larga, acabarn por conquistar una parte importante de este mercado. Se estima que el mercado mundial actual para estos productos tiene un valor de ms de 1.000 millones de euros, con una tasa de crecimiento anual del 7,7 %. Con el aumento en el nmero de complejas intervenciones quirrgicas de revisin y el consiguiente aumento en la utilizacin de material de relleno seo, parece razonable estimar que este mercado superar los 2.000 millones de euros durante la pr-

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xima dcada. Existe la opinin generalizada de que se trata de un rea todava sin explotar. Los materiales cermicos que se utilizan en ciruga reconstructiva se pueden clasificar en dos grandes grupos: bioinertes y bioactivos. Los bioinertes tienen una influencia nula o muy pequea en los tejidos vivos que los rodean, y su principal representante es la almina. Los bioactivos pueden enlazarse a los tejidos seos vivos. Ciertas composiciones de vidrios y vitrocermicas poseen esta propiedad, como tambin la hidroxiapatita y el fosfato triclcico, ensayados tanto en forma densa como porosa. El fennemo de la bioactividad es un ejemplo ms de la reactividad qumica del material cermico con el entorno en el que se encuentra: la solucin elegida en ensayos in vitro, y los fluidos fisiolgicos en ensayos in vivo. Las primeras cermicas que fueron utilizadas en aplicaciones mdicas, la almina y la zirconia, son dos prototipos de cermicas conocidas como inertes, razn fundamental por lo que fueron elegidas para su utilizacin en implantes. A estas cermicas las caracteriza una cintica de reaccin muy lenta, tanto que puede considerrselas como cermicas casi inertes. Pero, naturalmente, otras cermicas tienen cinticas de reaccin ms rpidas, e incluso muy rpidas. Como en cualquier reaccin qumica, el producto de reaccin de una sustancia con su entorno puede conducir a un resultado no favorable, como es la corrosin de un metal, pero puede tambin conducir a un producto de reaccin favorable que transforme qumicamente el producto de partida en el producto final deseado. Este es el caso de las cermicas bioactivas que, en contacto con los fluidos fisiolgicos, reaccionan qumicamente en la direccin de producir hueso neoformado. Desde el punto de vista estructural los materiales cermicos se pueden dividir en slidos cristalinos, las cermicas; en slidos amorfos, los vidrios y en slidos amorfos con ncleos de cristalizacin, las vitrocermicas que, a su vez, pueden poseer carcter inerte, bioactivo o reabsorbible. Utilizar esta clasificacin para ilustrar algunos ejemplos de biocermicas, pero antes, vamos a ver como son los tejidos duros naturales que queremos sustituir, esto es, huesos y dientes.TEJIDOS DUROS NATURALES: HUESOS Y DIENTES

Los huesos y los dientes de todos los vertebrados son materiales compuestos, composites naturales, donde uno de los componentes es un s-


lido inorgnico, hidroxiapatita carbonatada. Aporta el 65% de la masa total del hueso, siendo el resto materia orgnica y agua. La mayor parte de la materia orgnica est constituida por colgeno. Sus molculas se asocian formando pequeas fibras y stas, a su vez, se organizan en fibras que dan origen a diversas estructuras macroscpicas. Entre las molculas quedan, de forma regular, pequeos compartimentos o espacios vacos donde se depositan los nanocristales de la apatita, en un proceso de biomineralizacin controlado en el que intervienen ms de doscientas protenas cidas diferentes. Estas protenas actan como inhibidores, nucleadores o como plantillas para el crecimiento epitaxial de los nanocristales, anclndolos al colgeno. Los huesos tienen una composicin, estructura cristalina, morfologa, tamao y orientacin de las partculas, especficas. La hidroxiapatita carbonatada de los huesos tiene un contenido en carbonato entre el 4 y 8 % que se incrementa con la edad a costa del in hidrgenofosfato. Los cristales son de tamao nanomtrico, con una longitud media de 50 nm, una anchura de 25 nm y un espesor de slo 2-5 nm, dispersos en la matriz orgnica. Su pequeo tamao es un factor muy importante para explicar la solubilidad de las apatitas biolgicas comparadas con las apatitas minerales. Pequeo tamao y baja cristalinidad son dos caractersticas tpicas de apatitas biolgicas que, junto a su composicin no estequiomtrica, desorden cristalino interno y presencia de iones carbonato en su red cristalina permiten explicar su comportamiento. Ninguna apatita biolgica presenta la relacin Ca/P estequiomtrica, pero todas ellas tienden a la relacin estequiomtrica a medida que los tejidos maduran o envejecen, lo que va unido a un aumento de su cristalinidad.Todo esto puede tener una marcada significacin fisiolgica, ya que el tejido joven, menos cristalino, puede desarrollarse y crecer ms fcilmente y, a la vez, ser el almacn de otros elementos que ir utilizando el organismo en su desarrollo, ya que, como consecuencia del carcter marcadamente no estequiomtrico de las apatitas, es fcil sustituir cantidades variables de muchos iones tales como Na+, K+, Mg2+, Sr2+, Cl-, F-, PO4H2-... Cuando las apatitas se van haciendo ms cristalinas, el intercambio y el crecimiento se van haciendo ms difciles. Como inciso en este punto, tal vez vale la pena resaltar que, debido a la facilidad de sustitucin de las apatitas, seguramente el hueso es un importante sistema desintoxicador

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de metales pesados, ya que stos, en forma de fosfatos insolubles, pueden quedar retenidos en los tejidos duros sin alterar de forma importante sus propiedades estructurales. Los huesos de los vertebrados a diferencia de las conchas de los moluscos se pueden considerar como un biomineral vivo porque en su interior existen clulas que estn en constante actividad. El proceso de formacin del hueso se inicia por la accin de los osteoblastos, clulas especiales que sintetizan y segregan la matriz de colgeno en forma de una sustancia gelatinosa, el osteoide, que posteriormente se mineraliza por precipitacin controlada de fosfato de calcio. Los osteoblastos quedan atrapados en el interior de la fase mineral evolucionando a osteocitos que mantienen de forma constante la accin formadora de hueso. Por otra parte, otras clulas, los osteoclastos, catabolizan el hueso destruyndolo. Este proceso dinmico de formacin y destruccin del hueso permite su crecimiento durante la poca de desarrollo del organismo, manteniendo su forma y consistencia y, su regeneracin cuando se produce una fractura. Al mismo tiempo, constituye el mecanismo de movilizacin y depsito de dos elementos esenciales, el fsforo y el calcio, de los que los huesos constituyen el almacn o reserva principal. Los dientes tienen la misma naturaleza que los huesos excepto en su capa superficial externa, el esmalte. El esmalte dental tiene un contenido inorgnico mucho mayor que el del hueso, hasta un 90 %, y contiene cristales prismticos, mucho ms grandes y muy orientados. La cristalinidad entre hueso y dentina es similar, mientras que en el esmalte es significativamente mayor. Todo ello justifica su distinto comportamiento mecnico. De hecho, el esmalte se considera el material ms duro y resistente del mundo biolgico. Sin embargo, a diferencia del hueso, el esmalte dental de un organismo adulto no contiene clulas por lo que no es capaz de regenerarse y cualquier deterioro que sufre resulta irreversible. Las estructuras de los materiales compuestos minerales llevan implcita la sabidura de muchos millones de aos de evolucin. Las fases minerales que forman los organismos se pueden intentar reproducir tambin en el laboratorio o por vas geoqumicas. Sin embargo, las condiciones bajo las cuales se forman son muy distintas, pues en el entorno biolgico prevalecen unas condiciones mucho menos estrictas. Es importante des-


tacar el hecho de que los minerales biognicos suelen diferir de sus correspondientes inorgnicos en dos aspectos muy concretos: la morfologa y el modo en que se ordenan dentro del sistema biolgico (denominado generalmente textura o ultraestructura). Es muy probable que existan mecanismos generales para la formacin de estos minerales y, si pudisemos entender los principios comunes que determinan la formacin de tales materiales, sera posible generar nuevos materiales o modificar los ya existentes para una amplia gama de aplicaciones en ciencia de materiales, incluyendo el campo de los biomateriales. El diseo de materiales compuestos en ingeniera est influido por las complejas estructuras y mltiples funciones de los tejidos biolgicos tanto duros como blandos. Estos materiales biolgicos incluyen tejidos blandos tales como las mucosas y los cartlagos, y tejidos duros tales como los dientes y los caparazones de moluscos. Estamos aprendiendo a producir materiales ms complejos inspirados en la Naturaleza. Hay que profundizar ms en las relaciones entre propiedades estructurales y fsicas de las superficies naturales, muy complejas desde el punto de vista jerrquico. Sin duda, las ideas que se pueden sacar del estudio de los tejidos biolgicos, constituyen una valiosa fuente de inspiracin en el diseo de nuevos materiales avanzados en bioingeniera. Los huesos, como andamiaje de soporte del cuerpo, pueden mostrar diferentes tipos de integracin entre material orgnico e inorgnico, lo que produce variaciones considerables en las propiedades mecnicas. La proporcin entre ambos componentes refleja el compromiso entre dureza (alto contenido inorgnico) y elasticidad o resistencia a la fractura (bajo contenido inorgnico). Los intentos de sintetizar materiales sustitutos del hueso para aplicaciones clnicas, biocermicas, que sean fisiolgicamente tolerables, esto es biocompatibles y estables a largo plazo, hasta el momento slo han tenido un xito relativo. Se ha demostrado as la superioridad y complejidad de la estructura natural. El hueso presenta unas propiedades fsicas y mecnicas poco usuales, pues es capaz de soportar su propio peso, resistir fuerzas muy agudas, doblarse sin astillarse y es flexible, sin llegar a la fractura dentro de ciertos lmites predefinidos. Por otra parte, el hueso acta tambin como depsito de iones tanto para cationes como para aniones. Desde el punto de vista del material, el hueso es trifsico: las fibras orgnicas, col-

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geno, se pueden comparar a los cables de acero del hormign armado; la fase cristalina inorgnica, hidroxiapatita carbonatada, se asemeja a una cermica recocida y la matriz sea sera parecida a una sustancia molida que desempea diversas funciones celulares. Sus propiedades nicas, tanto fsicas como mecnicas, son el resultado directo de las interacciones atmicas y moleculares intrnsecas a este material compuesto tan inusual. Adems de su composicin microestructural, la arquitectura macroestructural, estructura ligera, determina las propiedades mecnicas del hueso. Por ejemplo, el fmur humano puede soportar cargas de hasta 1.650 Kg. La rigidez, resistencia y dureza del hueso estn relacionadas con su contenido mineral. Aunque la resistencia y la rigidez aumentan linealmente al aumentar el contenido de mineral, la dureza no muestra la misma relacin y hay una composicin mineral ptima que conduce a la mxima dureza del hueso. Claramente, este tipo de comportamiento es la razn por la que el hueso contiene una cantidad restringida de mineral en relacin a la matriz orgnica. Las partes duras producidas por el organismo son materiales extremadamente complejos donde tanto los componentes minerales como macromoleculares cumplen diversos cometidos en la generacin de un material con caractersticas fsico qumicas concretas. Es evidente que los materiales formados estn en equilibrio dinmico con su entorno y van cambiando con la edad.Todos estos factores son de gran importancia en el diseo de nuevos materiales y en el desarrollo de los materiales existentes para aplicaciones en biomateriales.APATITAS Y OTROS FOSFATOS

El fosfato de calcio ms utilizado en la fabricacin de implantes es la hidroxiapatita, por ser el compuesto ms parecido al componente mineral de los huesos. Presenta buenas propiedades como biomaterial, tales como biocompatibilidad, bioactividad, osteoconductividad y unin directa al hueso. Dentro del abanico de los fosfatos de calcio existentes, o de posible formulacin, es importante conocer la estrecha dependencia entre relacin Ca/P, acidez y solubilidad. En efecto, cuanto menor es la relacin Ca/P,


mayor es la acidez y solubilidad de la mezcla. Para relaciones Ca/P

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