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Implantes Programa Oficial de Postgrado en Ingenierías Transve Ingeniería Biomédica Dirigido por: José Antonio Puértolas 1 PEEK Implantes Biomédicos de Postgrado en Ingenierías Transve Ingeniería Biomédica Tesis Fin de Máster Autor: Antonio Puértolas Jorge Clavería Gracia Biomédicos de Postgrado en Ingenierías Transve rsales Autor: Jorge Clavería Gracia 2 3 Agradecimientos El siguiente trabajo final de máster se ha desarrollado con la colaboración del: • Departamento de Ciencia y tecnología de los Materiales y Fluidos de la Universidad de Zaragoza Agradecer el apoyo de mi director de Proyecto Fin de Máster durante el desarrollo de este trabajo. Gracias por confiar en mí. Quiero agradecer a todas las personas que han colaborado conmigo para poder realizar este proyecto o simplemente por haber estado ahí cuando los he necesitado. 4 RESUMEN La primera parte del proyecto es un estudio inicial sobre las características y clasificación de los biomateriales y posteriormente de los biomateriales polimericos. Como también la aplicacion de éstos en el área biomédica. En la segunda parte del proyecto se hace una introducción del origen de la familia de polímeros de PEEK, así como una explicación de sus propiedades mecánicas y químicas y una comparativa con otros polímeros biomédicos actuales. En el tercer apartado se hace una clasificación de las aplicaciones biomédicas de PEEK. Dicha clasificación se efectúa en función del área de aplicación de médica. El objetivo final del proyecto es conocer las aplicaciones biomédicas actuales del polímero PEEK, dejando abierto el campo de aplicación de éste en otras áreas biomédicas, incluso también el posible uso de diferentes compuestos o refuerzos que mejoren las características de dicho biomaterial. 5 Índice 1 INTRODUCCIÓN --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 1.1 BIOMATERIALES ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 1.1.1 Características------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 1.1.2 Clasificación--------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 1.2 BIOMATERIALES POLIMÉRICOS -------------------------------------------------------------------------------------- 12 1.2.1 Características------------------------------------------------------------------------------------------------ 12 1.2.2 Clasificación--------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 1.2.3 Aplicaciones --------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 2 PEEK ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 2.1 ORIGEN PEEK ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 19 2.2 CRISTALINIDAD Y MORFOLOGÍA ------------------------------------------------------------------------------------- 26 2.3 BIOCOMPATIBILIDAD ------------------------------------------------------------------------------------------------ 26 2.4 PROPIEDADES ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27 2.4.1 Mecánicas ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 2.4.2 Químicas ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 3 APLICACIONES ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41 3.1 APLICACIONES INDUSTRIALES --------------------------------------------------------------------------------------- 41 3.2 APLICACIONES BIOMÉDICAS ---------------------------------------------------------------------------------------- 43 3.2.1 Prótesis de cadera ------------------------------------------------------------------------------------------- 45 3.2.2 Prótesis metacarpo-falángica----------------------------------------------------------------------------- 50 3.2.3 Prótesis e implantes: columna ---------------------------------------------------------------------------- 52 3.2.4 Fracturas ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 62 3.2.5 Neurología ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 62 3.2.5.1 Craneoplastia -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 62 3.2.5.2 Electrodos implantables ------------------------------------------------------------------------------------------ 63 3.2.6 Implantes Dentales ------------------------------------------------------------------------------------------ 64 3.2.7 Cardiología ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 65 3.2.8 Farmacia------------------------------------------------------------------------------------------------------- 66 3.2.9 Ingenieria de tejidos ---------------------------------------------------------------------------------------- 66 4 BIBLIOGRAFÍA ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 68 5 ANEXOS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 70 6 Índice de tablas Tabla 1 Campos de la medicina-aplicaciones de biomateriales ---------------------------------------------------- 14 Tabla 2. Temperatura en función del estado ---------------------------------------------------------------------------- 20 Tabla 3 Familia PAEK uso industrial y biomédico -------------------------------------------------------------------- 22 Tabla 4 Características Victrex/Invibio ---------------------------------------------------------------------------------- 23 Tabla 5. Aislamiento eléctrico y telemetría ------------------------------------------------------------------------------ 28 Tabla 6. Permeabilidad al gas con una película de 100µm ---------------------------------------------------------- 29 Tabla 7. Propiedades mecánicas de los materiales -------------------------------------------------------------------- 35 Tabla 8. Propiedades mecánicas PEEK------------------------------------------------------------------------------------ 39 Tabla 9. Aplicaciones de los polímeros sinteticos no degradables ------------------------------------------------- 71 Tabla 10 Aplicaciones de los polímeros bioresorbibles -------------------------------------------------------------- 71 Tabla 11 Aplicaciones de las macromoléculas bioderivadas -------------------------------------------------------- 72 Tabla 12 Aplicaciones de los recubrimientos pasivos ----------------------------------------------------------------- 72 Tabla 13 Aplicaciones de los recubrimientos bioactivos ------------------------------------------------------------- 72 Tabla 14 Aplicaciones de los adhesivos tisulares ---------------------------------------------------------------------- 72 7 Índice de figuras Ilustración 1. Sondas y llaves de paso en goteros ....................................................................................... 15 Ilustración 2. Implante ortopédico metal-polímero .................................................................................... 16 Ilustración 3.Ingeniería de superficies bioactivas en implantes PEEK (3D) ................................................. 18 Ilustración 4. Cadena molecular PEEK y PEKEKK......................................................................................... 19 Ilustración 5. Moldeo por inyección ............................................................................................................ 20 Ilustración 6. Moldeo por extrusión ............................................................................................................ 21 Ilustración 7. Moldeo por compresión ........................................................................................................ 21 Ilustración 8. Cateter de silicona reforzado con PEEK ................................................................................ 23 Ilustración 9. PEEK vs Al grados contraste imagen en Rayos X................................................................... 28 Ilustración 10. Radiopacidad Implantes espinales ...................................................................................... 28 Ilustración 11. Grafica Tensión-Deformación teórico-laboratorio .............................................................. 30 Ilustración 12 Graficas Tensión-Deformación PEEK 450G .......................................................................... 31 Ilustración 13 A- Pin-On-Plate desgaste carga 80N B- Absorción/resistencia carga 80N .............. 32 Ilustración 14. Desgaste vs Ciclos ............................................................................................................... 32 Ilustración 15. Absorción fluido (A-Absorción de carga B-Desagste) ....................................................... 33 Ilustración 16. Tasas desgaste PEEK Pin-on-Plate ...................................................................................... 34 Ilustración 17. Máquina pin-on-plate multidireccional .............................................................................. 34 Ilustración 18. Factores desgaste en la pareja desgaste auto-acoplamiento ............................................ 36 Ilustración 19. Efecto esterilización en resistencia a la tracción ................................................................. 37 Ilustración 20. Propiedades físicas PEEK y CFR PEEK comparado con PMMA y UHMWPE ......................... 38 Ilustración 21. Comparativa módulos Young .............................................................................................. 43 Ilustración 22, Esquema de stress shielding ............................................................................................... 44 Ilustración 23. Mallado EF: copa Cambridge, copa Mitch, pelivis Mitch, pelvis Cambridge ...................... 46 Ilustración 24. Copa acetabular MITCH PCR ............................................................................................... 47 Ilustración 25. Cambridge Cup y Mitch Cup ............................................................................................... 47 Ilustración 26. Diferencias Mitch Cup y Cambridge Cup ............................................................................. 47 Ilustración 27. Estabilización dinámica posterior columna ........................................................................ 52 Ilustración 28 Prótesis de disco .................................................................................................................. 53 Ilustración 29. A- Caja de Fusión Brantingan CFR PEEK B- Radiografía lateral Caja .......................... 54 Ilustración 30. Caja cervical PEEK ............................................................................................................... 55 Ilustración 31. Implante cervical PEEK ........................................................................................................ 56 Ilustración 32. Modelo elementos finitos ligamentos L3-L5 intacto ........................................................... 56 Ilustración 33. Tensiones pico Von Misses Ti y PEEK .................................................................................. 57 Ilustración 34. Tensiones pico Von Misses Ti y PEEK en Injerto hueso ........................................................ 57 Ilustración 35. Lordosis cervical .................................................................................................................. 58 Ilustración 36 A- Lordosis preoperatorio y seguimiento B- Altura orificios ........... 59 Ilustración 37. Orificio área transversal...................................................................................................... 59 Ilustración 38. Duración de estancia en hospital ........................................................................................ 60 Ilustración 39. Tasa de complicaciones clínicas .......................................................................................... 60 Ilustración 40. Resultados satisfactorios .................................................................................................... 61 Ilustración 41. Prótesis endovascular ......................................................................................................... 65 Ilustración 42. Sensor conductividad PEEK ................................................................................................. 66 8 1 Introducción En este proyecto se realiza un estudio del biomaterial polimerico PEEK y su versatilidad en aplicaciones biomédicas gracias a sus caracteristicas que le permiten ser biocompatible y apto en el campo biomédico. Durante el desarrollo de este apartado, se realiza una caracterización y clasificación de los biomateriales, posteriormente de los biomateriales poliméricos. En el segundo apartado, se realiza el estudio de PEEK y se detalla las aplicaciones médicas de dicho polímero, éstas se encuentran organizadas en función de su área de intervención médica. Se define biomaterial como cualquier sustancia o combinación de sustancias diseñadas para interactuar con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar, mejorar o reemplazar algún tejido, órgano o función del cuerpo humano. Los polímeros son materiales constituidos por grandes moléculas (macromoléculas) formadas por la unión entre sí de moléculas pequeñas llamadas monómeros. La unión de los monómeros puede dar lugar a cadenas lineales, a cadenas ramificadas o a redes. La forma de asociación de los monómeros participa en la determinación de las propiedades del polímero y, por lo tanto, en su utilidad para diversas aplicaciones. Las moléculas de los polímeros se generan por reacción entre dos grupos funcionales complementarios, estos dos grupos pueden encontrarse en una misma molécula o en dos moléculas distintas. Debido a las características del sistema inmunológico, cuando se introduce un cuerpo extraño en el organismo éste tiende a rechazarlo o inclusive a atacarlo, generando una serie de síntomas como inflamaciones, malformaciones, dolores, fiebre, etc. que pueden obligar a retirar la prótesis colocada. Los rechazos pueden minimizarse si se selecciona adecuadamente el material a ser usado de tal forma que sea atóxico e inerte, para alterar lo menos posible el medio donde se coloca el implante. Esto también es importante para asegurar que la sangre no sea contaminada con ninguna sustancia, además de que se deben estudiar los efectos de ésta sobre el material. En este contexto se define el concepto de biocompatibilidad. Su definición ha ido evolucionado en conjunción con el continuo desarrollo de materiales con aplicaciones en biomedicina. Hasta hace muy poco, un material biocompatible se definía como aquel 9 que no “hacía daño”, es decir, aquel material con la cualidad de no tener efectos tóxicos o perjudiciales en los sistemas biológicos. Sin embargo, los dispositivos poliméricos han empezado a diseñarse con materiales que son cada vez más sensibles frente a condiciones biológicas locales, de manera que la biocompatibilidad se define más exactamente como la capacidad que tiene un material de desarrollar, en condiciones óptimas, la función interna para la cual ha estado diseñado sin provocar una respuesta negativa en el organismo [Gonsalves y Mungana, 1996; Rodríguez Galán, 1996]. Es importante recalcar que la biocompatibilidad de un material implantado es un proceso dinámico con dos vertientes, que comprenden los efectos que provoca el organismo receptor en el material implantado y los efectos producidos por el material implantado o de sus productos de degradación, en el organismo receptor. La inflamación es la respuesta característica del organismo humano ante la agresión de cualquier tipo de agente externo, independientemente de su origen, composición y naturaleza. Presenta síntomas externos característicos como son el enrojecimiento local, calor o hipertermia, hinchamiento y dolor. Cualquiera de estos factores desencadena una serie de procesos interdependientes que comienzan con cambios hemodinámicos, seguido de alteraciones en la permeabilidad vascular de la zona afectada [San Roman, 1990]. Además de la inflamación, la implantación de un biomaterial conduce también a la generación de una serie de respuestas del organismo, propias de los mecanismos de defensa habituales. Por todo ello es necesario valorar exhaustivamente todo tipo de interacciones y riesgos asociados con la introducción de sustancias extrañas en el organismo, de tal forma que el diseño y aplicación de los biomateriales requiere un estudio completo de sus propiedades y características. La biocompatibilidad de un implante está influenciada por los siguientes factores: • La toxicidad de los materiales empleados. • La forma y el diseño del implante. • La dinámica o el movimiento del dispositivo in situ. 16 Ilustración 2. Implante ortopédico metal-polímero El caso de prótesis endovasculares (ver Ilustración 3) , al ser un implante expuesto al contacto con la sangre, la propiedad fundamental requerid a es que el material sea hem ocompatible , es decir, que no active la cascada de la coagulación ni la agregación plaquetaria en sus paredes . Considerando este requisito, se utilizan fibras de PET, espu mas de poli tetrafluoroetileno expandido, poliuretanos segmentados y silicona porosa. Otro de los campos donde los polímeros empiezan a tener una presencia significativa es el de la traumatología y la ortopedia, ya que sus características los hacen apropiados para los dispositivos de fijación ósea, prótesis e implantes, ingeniería de tejidos, farmacia, o incluso como parte de los cementos que se usan para fijar las prótesis o rellenar los espacios muertos, que son mezclas de materiales cerámicos con polímeros sintéticos rígidos como el polimetilmetacrilato. Aplicaciones biomédicas temporales Como se ha comentado anteriormente, los materiales temporales son aquellos que van a permanecer durante cortos períodos en el organismo porque se degradan y desaparecen. Actualmente, las suturas representan el campo de mayor éxito dentro de los materiales quirúrgicos implantables temporales, ya que son materiales biodegradables o bioabsorbibles. Existen diferentes velocidades de degradación de las mismas, dependiendo del tiempo que se estime necesario para la cicatitrización, así pueden durar 15 días, 1 mes o hasta varios meses. Los materiales empleados más frecuentemente son el ácido poliglicólico y el ácido poliláctico. 17 Otra de las aplicaciones temporales dentro del organismo son los sistemas de liberación de fármacos que dependiendo de la estructura de los mismos, permiten dosificar el fármaco, siendo de gran comodidad para el paciente que no tiene que estar pendiente de la toma del mismo y además mantiene niveles del fármaco más estables. Los polímeros biodegradables se emplean también en el campo de la ingeniería de tejidos como andamiajes temporales en los que las células pueden crecer y formar nuevos tejidos. Se han desarrollado numerosas investigaciones en el campo de implantes biodegradables que permitan solucionar las dificultades anteriores. Los polímeros o copolímeros de PLGA es uno de los más empleados, gracias principalmente a su biocompatibilidad. 18 2 PEEK La familia de polímeros PAEK es fuerte, inerte y biocompatible, ha incrementado su uso como biomaterial para implantes ortopédicos y traumatológicos desde los años 1980. La adaptación de PEEK como biomaterial polimérico se ha realizado gracias a procesos de control y certificación en los últimos años y a su interés de aplicación en el área de compuestos bioactivos. Los biomateriales PEEK son un una generación de materiales bioactivos nuevos que puedan trabajar de forma aislada o combinado con otros biomateriales para mejorar alguna de sus características. PEEK es un polímero termoplástico fuerte que mantiene sus propiedades mecánicas a altas temperaturas. Es duro y resistente a la abrasión con gran fuerza de impacto y excelentes propiedades de resistencia tensil y flexural, tiene un bajo coeficiente de fricción y resiste al ataque in/orgánico de químicos y disolventes. Se usa en dispositivos médicos implantables in vivo gracias a su biocomaptibilidad ya que mantiene su integridad física y química después de implantarlo. Los implantes bioactivos (ver Ilustración 4) se producen usando tecnologías de revestimiento de plasma, con spray o mediante moldeo por inyección con un substrato PEEK en un interfaz de metal poroso. Es aceptado como alternativa a biomateriales metálicos en aplicaciones de columna gracias a su radiolucencia, para aplicaciones como fijación de fracturas o sustituciones de articulaciones completas. Ilustración 3.Ingeniería de superficies bioactivas en implantes PEEK (3D) 19 2.1 Origen PEEK En la década de los años 90, se investigó la biocompatibilidad y la estabilidad in vivo de varios materiales poliméricos de la familia PAEK, como también posteriormente la biotribologia de compuestos PEEK como materiales de fijación en implantes flexibles para la artroplastia. PAEK es una familia polimérica que consiste en una cadena molecular de anillos aromáticos con uniones tipo cetona y éster. Los dos polímeros más usados de esta familia son el PEEK (poly-ether-ether-ketone) y el PEKEKK (poly-ether-ketone-ether- ketone-ketone), cuyas cadenas moleculares aparecen en la siguiente ilustración. Ilustración 4. Cadena molecular PEEK y PEKEKK Hay dos formas de polimerización usados, un método a través de los enlaces cetona que es un compuesto orgánico caracterizado por introducir un grupo carbonilo (acilacion química Friedel) y un segundo método unido a cetonas aromáticas por enlace éster. PEEK es procesado usando técnicas comerciales como moldeo por inyección, extrusión y compresión, siempre que se encuentre a una temperatura entre 390-420ºC. La ordenación molecular del polímero depende de la temperatura, por lo tanto si se encuentra a temperatura ambiente su estado es puro y no reforzado. Es un polímero termoplástico y semicristalino de alto rendimiento que, además de su alta rigidez, ofrece la más alta elongación y tenacidad entre todos de su familia. Estos tienen una temperatura de transición vítrea Tg (temperatura de pseudotransicion termodinámica en materiales vítreos como polímeros; punto intermedio entre el estado de fusión y rígido) entre 143-160ºC y una alta temperatura fusión cristalina que oscila entre 335-441ºC. Debido al proceso de polimerización podemos variar la proporción de fase cristalina y amorfa. 20 A continuación se muestra una tabla resumen con todo lo explicado anteriormente: Estado Temperatura Vidrioso estable 23ºC Transición vítrea Tg 143º-160ºC Fusión cristalina 335-441ºC Plasticidad para moldeo 390º-420ºC Tabla 2. Temperatura en función del estado Se puede encontrar en forma de gránulos, polvo o polvo ultra-fino, en función de la técnica de moldeado usada:  Moldeado por inyección: consiste en inyectar un polímero en estado fundido en un molde cerrado a presión y frio a través de un orificio pequeño llamado compuerta, rellenando todo el espacio y adoptando la forma de la pieza deseada, se recomienda la utilización de gránulos. Ilustración 5. Moldeo por inyección  Moldeado por extrusión: utiliza un transportador de tornillo helicoidal; el polímero es transportado desde la tolva a través de la cámara de calentamiento hasta la boca de descarga, se recomienda la utilización de polvo. 21 Ilustración 6. Moldeo por extrusión  Moldeado por compresión: es un proceso conformado de piezas en el que el polímero introducido en un molde abierto al que luego se le aplica presión y calor para que éste adopte la forma de molde, se recomienda la utilización de polvo ultra-fino (ver Ilustración siguiente). Ilustración 7. Moldeo por compresión A continuación se exponen algunas características básicas:  Se puede utilizar en forma continua hasta 200 ºC y en periodos cortos hasta 300 ºC, que permite la esterilización térmica de los dispositivos que vamos a introducir de manera segura sin provocar deformaciones en las pìezas.  Tiene excelentes propiedades mecánicas.  Resistencia excelente a los agentes químicos (hidrocarburos, ácidos y bases débiles). 22  Resistencia a radiaciones de alta energía como los rayos gamma que permite la esterilización mediante este tipo de radiación.  Optima estabilidad dimensional en aplicaciones donde la forma debe permanecer invariante para desarrollar su función correctamente.  Difícilmente inflamable, útil en instrumental quirúrgico.  Buen aislante eléctrico, útil en aplicaciones cardiacas.  Buenas propiedades de deslizamiento por su bajo coeficiente de fricción.  Resistente a la hidrólisis, que es el método de degradación más frecuente en el organismo ya que debemos tener en cuenta que el medio interno es acuoso.  Bueno para la mecanización ya que admite diferentes procesos de fabricación (modeado por inyección y extrusión).  Alta tenacidad, útil en aplicaciones traumatológicas que deben soportar grandes cargas.  Alto límite de fatiga, útil en aplicaciones articulares que soporten gran número de repeticiones. En la tabla siguiente aparece un resumen de diferentes polímeros de la familia PAEK con propósitos de uso industrial y biomédico. Polímero Nombre comercial Fabricante Aplicación PEEK OPTIMA Invibio,Thomton-Clevelys UK Biomédica PEEK Victrex Victrex,Thomton - Clevelys UK Biomédica PEEK Gatone Gharda,India Industrial PEEK Keto-Spire Solvay Advanced Polymers,LLC Industrial PEKK PEKK DuPont, Wilmington DE Industrial PEKK OXPEKK Oxford Performance material,Enfield CT Industrial PEKEKK Ultrapek BASF,Estados Unidos Industrial Tabla 3 Familia PAEK uso industrial y biomédico 23 En 1993 la empresa Victrex utilizo PEEK en aplicaciones de implantes biomédicos, en 1998 Invibio saca PEEK OPTIMA, el cual ha ganado la aceptación de la comunidad médica como un material implantable de confianza. A partir de 2001 proveen diferentes tipos de PEEK para uso en implantes y protesis. La nomenclaturaVictrex/Invibio cambia, pero la tecnología de polimerización y el rango de peso molecular usado son similares como aparece en la tabla siguiente. Propiedades Grado flujo alto Grado flujo medio Grado flujo bajo Nomenclatura Victrex 450 381 150 Nomenclatura Invibio OPTIMA LT1 OPTIMA LT2 OPTIMA LT3 Índice fluidez 3,4 4,5 36,4 Peso molecular Mn 115.000 108.000 83.000 Tabla 4 Características Victrex/Invibio PEEK OPTIMA es un biomaterial polimérico fabricado por la empresa Invibio para aplicaciones a largo plazo en el ser humano, gracias a su radiolucencia, excelentes propiedades mecánicas, biocompatibilidad y fácil proceso de fabricación. Se encuentra disponible como polímero natural, con fibra de carbono reforzada o como compuesto radiopaco. Se realizo un implante de PEEK OPTIMA LT3 cuyo peso molecular es el más bajo, éste fue implantado un año y no tuvo respuesta de fibrosis leve o en algunos casos una capsula de fibrosis. Sin degeneración muscular ni necrosis ni cambio significante. Ilustración 8. Cateter de silicona reforzado con PEEK 24 PEEK OPTIMA ha sido implantado en musculo de conejo, se ha comprobado que no induce reacciones en tejido. No produce necrosis ni degeneración muscular, solo fibrosis moderada. Usado en artoplastias y en cirugía vertebral, especialmente en fijaciones y espaciadores de columna, aplicaciones cardiovasculares como válvulas de corazón, suturas en artroscopia y aplicaciones dentales como dentaduras postizas, puentes y apósitos de cicatrización. Usado en operaciones de moldeo por inyección para producir compuestos de alto rendimiento sin procesos de mecanizado o recocido y está disponible en tres grados como son viscosidad baja, media y alta. . Gracias a ser un polímero radiolucente ofrece una gran versatilidad en imagen y puede ser modificado para ser radiopaco. Sus cualidades radiográficas eliminan artefactos de imagen y la dispersión generada por implantes metálicos que impiden el reconocimiento completo del tejido y el crecimiento óseo cuando se usan técnicas convencionales como rayos X y tomografía computerizada. Tiene un módulo de Young óptimo o conocido también como grado de elasticidad, adaptado para el hueso cortical, el hueso requiere estimulo desde la tensión mecánica para mantener su estructura. Los implantes metálicos producen “stress shielding”, que producen una pérdida de masa y aflojamiento con fallo del implante ortopédico metálico, sin embargo los compuestos de PEEK OPTIMA con modulo similar al hueso cortical evitan esto. Añadiendo fibras reforzadas que incrementan las propiedades mecánicas para satisfacer los requerimientos de resistencia muy elevados. Con respecto a su resistencia química, es uno de los polímeros más resistentes, confirmado por su exposición durante treinta días en un ambiente simulado de fluidos corporales utilizando cloruro de sodio, glicerol, aceite vegetal y alcohol sin influencia adversa en propiedades mecánicas. En la esterilización de éste, se usan métodos convencionales como vapor, radiación gamma y procesos de oxido de etileno sin degradarse. La resistencia hidrolitica extrema y fuerte resistencia a la radiación ionizante. 25 En cuanto a la calidad y biocompatibilidad certificada, se usa un proceso de fabricación mejorado con pruebas químico-mecánicas en estaciones clave de producción, con excelentes resultados en los test de biocompatibilidad y bioestabilidad ISO 10993 y USP clase VI respectivamente. Es fabricado al mayor nivel de pureza con la historia de traceabilidad completa. Los estudios de biocompatibilidad demuestran que PEEK OPTIMA no es citotoxico (ISO 10993-5) y el análisis químico (ISO 10993-18) sin evidencias de daños. A continuación se van a enumerar una serie de propiedades y características resumen de PEEK ÓPTIMA:  Modulo similar al hueso cortical  Radiolucente o radiopaco ideal para imagen  Biocompatibilidad y bioestabilidad a largo plazo  Resistencia química superior  Compatibilidad con métodos esterilización estándar  Lubricidad inherente  Excepcional comportamiento fatiga  Excelente resistencia al desgaste e impacto  Alta pureza  Opciones modificación superficie Como también sus certificaciones de biocompatibilidad y calidad:  ISO 9001  ISO 13485  ISO 10993 Biocompatibilidad  Archivo maestro de dispositivo MAF y medicamento DMF  Certificación independiente de parámetros críticos 32 fibra de carbono introduce mayor complejidad en la respuesta estructural bajo condiciones de carga dinámica, como la fuerza de fatiga depende de la longitud y orientación de las fibras en la dirección de carga. En la práctica, los ingenieros biomédicos utilizan los test mecánicos como desgaste y fatiga para obtener una clasificación de los compuestos más que para tomar decisiones en diseño de implantes (ejemplo: evaluación de la fatiga en materiales bioactivos PEEK con HA). Las pruebas de desgaste Pin on Plate realizadas en prótesis de disco de columna PEEK OPTIMA que impone el movimiento alternativo de cruce de caminos. En la ilustración 13 se pueden ver los aparatos usados así como los materiales usados, como son Pin-on-Plate para medir el desgaste y el aparato de absorción de carga: Ilustración 13 A- Pin-On-Plate desgaste carga 80N B- Absorción/resistencia carga 80N Ilustración 14. Desgaste vs Ciclos 33 Como puede verse en la Ilustración 14, en los test de desgaste con ciclos superiores a 2*106 y aplicando cargas entre 120-240N, mostraron una tasa de desgaste más estable. El desgaste se estabilizó con el incremento de carga como aparece en la figura anterior, la absorción del fluido no hizo una diferencia sustancial a los resultados de desgaste. La absorción de fluido por parte de los materiales, indicó que las muestras de resistencia de carga tuvieron mayor absorción de fluido que las muestras de test de desgaste Pin-on-Plate. Ilustración 15. Absorción fluido (A-Absorción de carga B-Desagste) Como conclusión se puede decir que el aumento de la carga causó tasas de desgaste reducidas. A continuación se presenta una grafica con las tasas de desgaste de diversas combinaciones de diferentes materiales con PEEK o compuestos reforzados de PEEK, a través de la prueba Pin-on-Plate. 34 Ilustración 16. Tasas desgaste PEEK Pin-on-Plate Se puede observar en la Ilustración 27 que la combinación de ciertos materiales como por ejemplo CoCrMo con PEEK produce un factor de desgaste muy alto llegando a valores próximos a 73 mm3/Nm*10-2, sin embargo éste mismo material con CFR PEEK obtiene valores nuy bajos de desgaste, cercanos a 1,3 mm3/Nm*10-2. Se realizaron cuatro combinaciones de material en dispositivos, aplicando un movimiento rotacional y reciproco. Ilustración 17. Máquina pin-on-plate multidireccional Los materiales de soporte incluidos son PEEK-OPTIMA, PEEK-OPTIMA LT1CA30 (basado en fibra de carbono) y dos materiales de desarrollo, PEK y PEEK-OPTIMA LT1 CP30 con fibra de carbono reforzado. 73,8 45 11,87 9,21 4,12 3,4 2,59 2,26 2,15 2,13 1,8 1,77 1,55 1,53 1,29 0,93 PEEKLC CoCrMo PEEK OPT-PEEK OPT CNF PEEK-CNF PEEK CFR PEEK pitch- CFR PEEK pitch PEEK OPT-PEEK OPT CFR PEEK PAN-CFR PEEK PAN CFR PEEK PAN-CFR PEEK PAN CFR PEEK pitch- Ceramica CFR PEEK PAN- Ceramica CFR PEEK PAN-CFR PEEK PAN CFR PEEK PAN- Ceramica CFR PEEK PANHC CoCrMo CFR PEEK PANLC CoCrMo CFR PEEK pitch- Ceramica CFR PEEK pitch - HC CoCrMo CFR PEEK PAN- Alúmina Ceramica Factor de desgaste (mm3 N-1 m-1 *10-E7) 35 Los materiales están sujetos a pruebas mecánicas, las piezas son llevadas a cabo mediante moldeo por inyección y los resultados son mostrados en la siguiente tabla: Test PEEK OPTIMA PEEK OPTIMA LT1CA30 PEEK OPTIMA LT1CP30 PEK Resistencia tracción ISO 527(MPa) 100 228 160 94 Alargamiento traccion ISO 527(MPa) 34 1.7 5.6 66 Resistencia flexion ISO 178(MPa) 163 324 250 146 Modulo flexion ISO 178(GPa) 4 19.4 13.3 3.85 Resistencia impacto muesca Izod ISO 180(KJ/m2) 7.5 9.5 5.8 10.6 Tabla 7. Propiedades mecánicas de los materiales Se puede observar que los valores obtenidos por PEEK OPTIMA son muy similares a PEK, con respecto a los materiales que contienen fibra de carbono reforzado (LT1CA30 y LT1CP30), se puede decir que LTC1CA30 obtiene una resistencia a la tracción, flexión y al impacto mayor que el resto, por lo tanto una menor tasa de desgaste. Se puede decir que las pruebas de detección de desgaste estiman el rendimiento en el desgaste de los materiales, los factores de desgaste UHMWPE contra metal han sido calculados y comparados con los factores clínicos de desgaste. Se usaron condiciones idénticas en las pruebas usadas con PEEK OPTIMA, los resultados se pueden ver en la siguiente figura. 36 Ilustración 18. Factores desgaste en la pareja desgaste auto-acoplamiento Estas condiciones son usadas como detección del desgaste en biomateriales usados en prótesis de cadera. PEEK OPTIMA es insensible a los cambios en perfiles de movimiento y puede servir como mejor material que el metal tradicional en dispositivos de artroplastia de disco con material polimerico. CFR PEEK en combinación con alúmina provee una reducción significante en desgaste comparado con UHMWPE/metal. La conclusión es que un número de materiales candidatos para dispositivos de artroplastia espinal identificados bajo las pruebas pin-on-plate. PEEK OPTIMA y PEEK OPTIMA LT1CA30 tienen una historia clínica exitosa en aplicaciones de soporte de carga y evaluación de la respuesta biológica a partículas de PEEK y PEEK con fibras de carbono reforzado. Varias indicaciones preliminares sugieren mayores investigaciones de estos materiales con simuladores de desgaste en artroplastia espinal. Estos materiales pueden ofrecer dispositivos de desgaste más bajos con mejor radiolucencia, sin exposición a iones metálicos, mayor capacidad de diseño y flexibilidad de fabricación. 2.4.2 Químicas La principal características del biomaterial PEEK es su baja tendencia a la reacción química, la estructura química de las cetonas poliaromáticas le confiere al material estabilidad a altas temperaturas (>300ºC) así como resistencia al deterioro químico y a la radiación, son perfectamente compatibles con muchos agentes de refuerzo (como fibra 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 PEEK OPTIMA PEK PEEK OPTIMA LT1CA30 (PAN) PEEK OPTIMA LT1CP30 (Pitch) UHMWPE/Metal Plate Pin Factores de desgaste (mm3N-1 m-1 *10-E6) 37 carbono CFR,…) y posee mayor resistencia que algunos metales (aplicaciones industriales como pala de la turbina, etc.). Es uno de los polímeros químicamente más resistentes, ya que resiste a la exposición durante 30 días en ambientes simulados de fluidos corporales usando cloruro sodio, glicerol, aceite vegetal y alcohol, sin afectar ninguno de ellos a las propiedades mecánicas. Se han realizado pruebas de compresión después de meterlo en suero fisiológico durante 5000 horas que confirman la estabilidad del polímero, éste es caracterizado por su gran fuerza, resistencia extrema a la hidrólisis y a la radiación inonizante. Puede ser esterilizado usando irradiación gamma u oxido de etileno sin deterioro significativo de las propiedades mecánicas, induciendo entrecruzamiento o escisión de la cadena en otros materiales, lo cual conduce a un debilitamiento y deterioro de los mismos. Ilustración 19. Efecto esterilización en resistencia a la tracción En la ilustración 19 se observa que no se produce una variación de las propiedades mecanicas, en este caso de la resistencia a la traccion. Se produce un control sobre el efecto de la aplicación de cuatro tipos de esterilización (irradiaccion gamma, EtO óxido de etileno, esterilización por plasma o mediante el autoclave) sobre PEEK puro, PEEK CFR y PEEK mezclado con sulfuro de bario (contraste de imagen). Comprobándose que en la esterilización mediante autoclave se produce un incremento de la resistencia a tracción debido a su recristalización en PEEK puro. 38 Se realiza una breve comparativa de las propiedades mecánicas entre PEEK (puro y reforzado) frente a otros polímeros como UHMWPE y PMMA, éstas están resumidas en la siguiente tabla. Ilustración 20. Propiedades físicas PEEK y CFR PEEK comparado con PMMA y UHMWPE Mediante la combinación de fibra de carbono (30% peso) y PEEK se obtiene un compuesto moldeado por extrusión en condiciones controladas. Sin embargo si se obtiene un compuesto moldeado por inyección usando un proceso a 400ºC, se incrementa el modulo elástico de 3.5 a 18 GPa, como también la resistencia a tracción de 100 a 230 MPa. Obteniendo una rigidez muy cercana al hueso cortical que permiten usar estos compuestos en aplicaciones con stress shielding que pueden tener un efecto critico en el implante. Una prótesis de cadera con componentes metálicos produce un aflojamiento de la misma por reabsorción ósea, sin embargo el compuesto PEEK CFR tiene unas propiedades elásticas similares al hueso cortical que le rodea reduciendo el efecto del stress shielding. En ciertas aplicaciones que se requieren mejores propiedades mecánicas, usamos PEEK como matriz de polímero en combinación con fibras carbono (70% peso) para dar lugar a un compuesto reforzado. Al obtener un biomaterial de fibra continua en forma de vara pultrusionada, se incrementa la rigidez de 3.5 a 150 GPa y la resistencia a tracción de 150 a 1000 MPa, obteniendo propiedades mecánicas similares a CoCrMo, Ti, aleaciones y acero inoxidable cuando se trabaja en frío. Desde el punto de vista de las aplicaciones biomédicas, se puede decir que CFR PEEK sirve como soporte de cargas estructurales y elementos de fijación tales como pines usados en cirugía ortopédica (columna vertebral, etc.) o placas de huesos para 39 fijación traumatológica. Se permite el uso de técnicas menos invasivas, estancias más cortas del paciente y menos molestias del mismo, como también obtener una imagen médica por resonancia magnética por la ausencia de componentes metálicos. Es radiolucido por lo cual no entorpece la exploración por rayos x. Se incrementan las propiedades de desgaste tribológicas con el polietileno UHMWPE, desarrollado para reducir el desgaste, la degradación oxidativa ha sido rectificada por sus problemas iniciales. Se reducen las propiedades mecánicas como la tenacidad y la resistencia a la propagación de fatiga. Esto afecta en las articulaciones que no son completamente congruentes, por lo tanto, no se usa en implantes de rodilla. También se puede garantizar el poco éxito del uso de la fibra carbono con UHMWPE debido a las bajas fuerzas de adherencia entre la superficie de la fibra y de la matriz del polímero, al contrario que PEEK ya que tiene fuerte adherencia con la fibra carbono. Gracias a su resistencia de deslizamiento y su mínima deformación con altas temperaturas, puede sostener grandes tensiones en largos periodos de tiempo sin significante extensión del tiempo inducida y con buena fuerza adherencia fibra-matriz polímero. Con respecto al PMMA se puede afirmar que se reducen las propiedades mecánicas, obteniendo valores similares al UHMWPE, excepto en una reducción notable del porcentaje de elongación. En la tabla 8 se pueden ver los valores asignados a diferentes propiedades mecánicas en función del método de test usado y de su porcentaje de pureza: Propiedad Metodo test Unidad Natural 20%CF 30%CF 60%CF Resistencia tracción ISO 527 MPa 100 200 228 340 Resistencia flexión ISO 178 MPa 170 288 324 590 Módulo flexión ISO 178 GPa 4 15 19 50 Resistencia impacto muesca ISO 180 k/m 2 6.4 11 9.5 - Tabla 8. Propiedades mecánicas PEEK 40 En función de los valores observados, se observa como cuanto mayor es el porcentaje de peso de fibra de carbono CF sobre PEEK, mayores son los valores de resistencia a la tracción y resistencia a la flexión. Es decir, se producen mejores propiedades mecanicas cuanto mayor es la cantidad de fibra carbono sobre PEEK en estado puro. 41 3 Aplicaciones PEEK es un material ampliamente extendido en el mundo industrial que poco a poco se ha ido introduciendo en el mundo de la biomedicina dadas sus buenas cualidades. Las aplicaciones han ido aumentando a nivel que se han ido probando los dispositivos que después se han mejorado, han aparecido nuevas técnicas de implantación o se han ido mejorando las propiedades o recubrimientos del propio material. De este modo, nos encontramos que existen varias casas comerciales que ofertan gran cantidad de aplicaciones o dispositivos biomédicos. A continuación, se presentan las aplicaciones industriales aunque no sean del objetivo de este proyecto, pero se va a realizar un breve resumen sobre las mismas, Después nos vamos a centrar en las aplicaciones biomédicas o clínicas que se han investigado a lo largo del mismo y que se encuentran en el mercado actualmente. 3.1 Aplicaciones industriales La historia de este material sorprendentemente versátil se encuentra detrás de muchas innovaciones en diversas industrias y mercados. Los productos basados en PEEK permiten que los ingenieros y diseñadores industriales alcancen nuevos niveles de reducción de coste, diferenciación y calidad de los sistemas. Las principales áreas industriales de utilización son:  Aeroespacial: sustitución de metales en aplicaciones aeroespaciales, permitiendo reducción de peso y consolidación de piezas.  Automotriz: aumento de exigencias de desgaste, reducción de peso y de coste  Electrónica: mayor confiabilidad, libertad en el proyecto y funcionalidad a la piezas electrónicas  Energía: petróleo, gas y energías alternativas como solar, nuclear, eólica, geotérmica y hídrica 48 Se puede observar como la copa Mitch esta compuesta en su interior por CFR PEEK y una capa interna de CP-Ti con un revestimiento exterior de HA. Sin embargo la copa Cambridge esta compuesta en su interior por CFR-PBT y una capa interna de UHMWPE, junto con un revestimiento exterior de HA. Para la fabricación de PEEK CFR 30% se utilizó el proceso de extrusión doble para producir un compuesto moldeado. Se usó un simulador de desgaste de cadera, realizando cinco test de desgaste en la articulación y un test de control de remojo. También se realizó un test de biocompatibilidad acorde a la norma ISO 10993. Se pueden mejorar las propiedades de desgaste si se reduce la longitud de las fibras de carbono y cambiar su naturaleza, reduciendo la resistencia mecánica del compuesto. En las pruebas mecánicas de validación se produjo una variación del diámetro de la cavidad y el test de fatiga se realizó en diez millones de ciclos sin ningún daño aparente, aunque hubo algún agrietamiento. Como también se investigaron los tejidos obtenidos por procedimientos quirúrgicos para revisar el CFR PEEK acetabular implantado, se realizó un análisis histológico para determinar la naturaleza de las partículas y comprobar la respuesta biológica. En los resultados del modelo animal realizado con rata, la respuesta es similar al polietileno con la misma dosis. El espesor del tejido fibroso e infiltración de macrófagos es similar en ambos casos, el volumen de desgaste de partículas es un orden de magnitud menor en CFR-PEEK/alúmina que el UHMWPE/alúmina. La principal modificación en la copa Mitch PCR respecto de la copa Cambridge es el material usado en la copa acetabular, ya que un único material provee integridad estructural y excelentes características de soporte cuando articulaba contra la alúmina. La copa MITCH PCR provee los beneficios de Cambridge y mejora la estabilidad y desgaste a largo plazo. La tensión peri-acetabular y los patrones de deformación de la copa MITCH PCR son similares a la Cambridge. En 1990 se produce el desarrollo del polímero PEEK en aplicaciones ortopédicas, gracias a su gran rendimiento mecánico e isoelasticidad (termoformabilidad). Entre 49 el PS (poliestireno), PEEK y PBT (polibutileno tereftalato), el PEEK tiene una mayor dureza y resistencia en fatiga, con buena compatibilidad con las fibras de carbono. Gracias a la de aplicabilidad PEEK en vástagos femorales durante diez años, se puede afirmar que tiene una tasa de éxito del 90% en aplicaciones de reparación de cadera y rodilla con implantes poliméricos, cerámicos y metálicos. Se pretende incrementar la longevidad de los implantes en la población más anciana así como un mayor éxito clínico en la unión de substituciones en pacientes jóvenes. PEEK es el único polímero con la combinación de propiedades mecánicas, biocompatibilidad, manufacturabilidad y disponibilidad apropiadas para este tipo de vástagos compuestos. La fricción y comportamiento de desgaste del PEEK depende del tipo y la cantidad de refuerzo de fibra de carbono, aspereza en la superficie, temperatura, presión de contacto y de la velocidad de deslizamiento. En la aplicabilidad para artroplastias de rodilla y cadera, se realizó una evaluación comparativa a principios de 1990 entre CFR PEEK y UHMWPE debido a problemas superficiales como la osteolisis producida por desgaste y la correspondiente liberación de partículas. PEEK usado como material de control en el test de desgaste, aunque hay otras alternativas en las caras articulares de las prótesis como puede ser la combinación metal-metal (MOM) y cerámica-cerámica (COC) estudiados para artroplastia de cadera. En 1970 se introduce Poly II, que son fibras de carbono orientadas aleatoriamente que permiten incrementar el campo de fuerza de UHMWPE, gracias a diversos análisis que permiten conocer la pobre resistencia de propagación a la fatiga debido a la baja compatibilidad entre las fibras y la matriz UHMWPE. Se tienen datos clínicos que tratan sobre la efectividad a corto plazo del CFR PEEK como material de soporte en aplicaciones de protesis de cadera, sin embargo en aplicaciones a largo plazo tanto UHMWPE, como MOM o COC tienen mayores ventajas. En aplicaciones de artroplastia de cadera se usa un tratamiento alternativo en la artritis degenerativa para la gente joven. En la primera generación se usaba una articulación MOM, compuesta por una prótesis con cabeza femoral mínimamente invasiva y un 50 pin de estabilización cementado. En la segunda generación ya no se usaba MOM debido a la hipersensibilidad de metal. 3.2.2 Prótesis metacarpo-falángica PEEK es usado en aplicaciones de sustitución o remodelación de prótesis articulares también llamadas artroplastias en las falanges del dedo. En un estudio científico realizado sobre el comportamiento de desgaste entre PEEK y UHMWPE en una aplicación de sustitución de la falange del metacarpo, donde se verifica un menor desgaste del PEEK gracias a la capa de fibra reforzada. Se puede decir que varias enfermedades pueden provocar la necesidad de reemplazamiento de la articulación del dedo como la artritis reumatoide, osteoartritis y artritis traumática. La prótesis más usada en articulación del dedo es Swanson que trabaja como un espaciador de silicona flexible aunque sin éxito en cirugía, se consigue reducir el dolor y una mejor apariencia estética, con el tiempo puede aparecer una desviación cubital de la prótesis. La prótesis Swanson puede llegar a fracturarse, una prueba indica una tasa del 67% de fractura en catorce años, para mejorar su efectividad se han propuesto varios diseños que reproduzcan mejor el funcionamiento del dedo. No hay estándares internacionales en las pruebas de prótesis de dedo, si en prótesis de cadera y rodilla pero son necesarias ciertas pruebas de testing. Se comprobaron seis prótesis metacarpo-falángicas, que consisten en un componente metacarpial con un revestimiento hemisférico con cuerpo titanio, articulando contra un componente falangeal de Ti. Probadas bajo cinco millones de ciclos durante diez semanas, cuatro de ellas con un revestimiento hemisférico de UHMWPE y las otras dos con PEEK. Mediante el uso de un simulador de dedo de desgaste y se produjo un consumo de lubricante significativo, los componentes de prueba UHMWPE tenian mayor ganancia de peso que los componentes de control. Inicialmente no hubo apariencia de desgaste, las marcas originales concéntricas fueron vistas después de cinco millones de ciclos, con recubrimiento PEEK, el desgaste gravimétrico (desgaste al medir el peso de la misma) no pudo medirse, todas componentes falángicas de Ti mostraron desgaste 51 mínimo o nulo. Se produjeron pequeños rasguños en la dirección de deslizamiento en las articulaciones falángicas y metacarpiales que indican un desgaste abrasivo ligero. Las prótesis de dedo con UHMWPE no tuvieron desgaste, a pesar del prehumedecimiento de los componentes metacarpianos 28 días antes del test, cargando los componentes de control con un protocolo estándar de pesado con alto periodo de secado, ambos en aire y horno caliente, los componentes de test son más pesados que los componentes de control. Las prótesis de dedo con PEEK después del secado, obtuvieron un mayor desgaste gravimétrico del componente metacarpiano. Sus componentes falángicos de Ti no cambiaron en peso. Otro diseño es una prótesis metacarpo-falángica de dos piezas de Ti con dos materiales de revestimiento propuestos como UHMWPE y PEEK. El componente falangeal es de Ti acompañado de una superficie pulida cóncava hemisférica, el objetivo es un test de desgaste y ver los resultados de este diseño más efectivo. El simulador del dedo produjo desgaste en PEEK, sin embargo en UHMWPE-Ti el desgaste es tan bajo que la influencia del peso era crítica. A pesar de los cambios con las pruebas de desgaste, los equipos y procedimientos de pruebas generaron desgaste en PEEK. En aplicaciones articulares, el material debe soportar la fricción con el mínimo desgaste (2006 Joyce). PEEK tiene mayor desgaste gravimétrico que UHMWPE en prótesis metacarpo-falángica, mientras que CFR PEEK tiene menor desgaste que MOM (metal-metal) y MOP (metal-polietileno). Las conclusiones consisten en un consumo de lubricante por los componentes metacarpianos significativo. Los cuatro test con componente metacarpiano UHMWPE acabaron con mayor peso que los componentes de control, todos componentes falángicos mantuvieron el peso después del test o dentro de los errores de la balanza usada sin desgaste aparente. 52 3.2.3 Prótesis e implantes: columna Durante la primera parte del apartado, se trata el uso de PEEK en aplicaciones de conservación articular de columna que permiten manter una cierta movilidad de la misma. La segunda parte trata su aplicación en sistemas de fusión en la columna cervical, torácica o lumbar, usando piezas como platos y tornillos. En algunas enfermedades degenerativas de la columna, puede ser necesaria la aplicación de alguna técnica de fijación vertebral. Tiene desventajas potenciales:  Pérdida de movimiento y flexibilidad.  Alteraciones en las características del movimiento y biomecánicas de forma permanente.  Complicaciones médicas de las cirugías, correspondientes a procedimientos sin fijación instrumentada.  Encarecimiento significativo del coste en las intervenciones quirúrgicas. Sólo se necesita una fijación de columna para enfermedades degenerativas en una mínima parte de los casos. Cuando es un cuadro degenerativo, como hernias discales o espondilolistesis, se hace necesaria la instrumentación porque se ha evidenciado una inestabilidad fuerte tras la operación. Existe la posibilidad de realizar una estabilización dinámica, que tiende a conservar al menos parcialmente el movimiento normal del segmento a estabilizar, a diferencia de las fusiones o fijaciones clásicas. Estas tecnologías de estabilización dinámica (ver Ilustración 27), preservan el movimiento y proporciona al paciente la calidad de vida con una cirugía mínima. Ilustración 27. Estabilización dinámica posterior columna 53 Para los pacientes cuyo dolor no mejora con los tratamientos no quirúrgicos, una cirugía puede ser necesaria. Por ello, los sistemas de estabilización dinámica están en pleno desarrollo y no son en absoluto un estándar de la técnica para la generalidad de los pacientes. El uso de prótesis de disco (ver Ilustracion 28) que evitan la sobrecarga de los discos intervertebrales adyacentes, como puede producirse después de una fusión vertebral tradicional. Ilustración 28 Prótesis de disco Un núcleo de PEEK entre las placas de la protesis (CoCrMo con recubrimiento de Ti) garantiza la movilidad del segmento, esto ha sido probado clínicamente y es tolerado sin problemas por el organismo. El objetivo de la prótesis discal interverteberal es mantener la movilidad en el disco intervertebral afectado y reducir la carga adicional sobre los discos intervertebrales adyacentes. Distinto al reemplazo total del disco, la estabilización dinámica preserva el disco intervertebral y las estructuras vertebrales. El reemplazo del disco se puede realizar para tratar a los discos cervicales dañados o para aliviar los nervios comprimidos. Su objetivo es aliviar la presión sobre las raíces nerviosas o la médula espinal mediante la eliminación de la hernia discal. En este segunda parte del apartado, se trata la fusión articular en columna, el uso de PEEK en implantes intervertebrales y ortopédicos para sistemas de fusión vertebral. Es decir, la utilizacion de PEEK en situación no dinámica porque se sacrifica la articulación. Los espaciadores vertebrales sirven para estabilizar la columna y para facilitar la fusión vertebral en el tratamiento de dolores de espalda intensos debidos a una inestabilidad espinal o a una enfermedad degenerativa discal. Anteriormente se utilizaban dispositivos de titanio (Ti) para incrementar la osteointegración en las uniones lumbares, 54 aunque tenían dos problemas debidos a la rigidez del Ti que inhibe el crecimiento óseo y por su radiopacidad que impide la valoración del diagnostico posterior a la implantación. En 1989 se usaron varias resinas termoplásticas como PEK, PEEK, PEKEKK y PS para la fabricación de la caja Brantigan (ver Ilustración 29) con fibra carbono reforzado. PEEK y PEKEKK son similares en términos de biocompatibilidad, pero PEKEKK tiene una mayor temperatura de transición vitrea y mayor fuerza en tensión. La compatibilidad de los polímeros PAEK con el diagnostico clínico de imagen consigue su fácil adopción en aplicaciones de columna. Ilustración 29. A- Caja de Fusión Brantingan CFR PEEK B- Radiografía lateral Caja El uso de PEEK ha ido en aumento en aplicaciones de fusión de carga compartida en la columna vertebral, gracias a la disponibilidad continuada, radiolucencia y su buen resultado biomecanico. El uso de la caja cervical PEEK en implantes intervertebrales, donde la mayoría de las aplicaciones biomédicas asociadas con tejido óseo tienen un modulo flexural me- nor de 20 GPa, mientras que los implantes metálicos entre 40-80 GPa. Estas diferencias de módulos están asociadas con la reabsorción ósea debido a la respuesta del hueso al cambio de distribución de cargas. PEEK es un polímero termoplástico resistente a la fluencia, bioinerte, cristalino con un modulo entre 5-20 GPa, aumentable hasta 150GPa con fibras carbono reforzadas. Debido a la degeneración de disco intervertebral en pacientes de 50 años, se realizó un estudio sobre la integridad mecánica producida por el biopolimero PEEK no 55 reforzado a largo plazo, que refleja el uso actual de polímeros en implantes intervertebrales de apoyo. Mediante un análisis de elementos finitos se verifica la estabilidad mecánica de PEEK OPTIMA en un periodo de carga con un ambiente simulado. Ilustración 30. Caja cervical PEEK La fusión cervical es usada para corregir enfermedades discales-cervicales, la ca- ja cervical de PEEK (ver Ilustración 30) es usada como sustitutivo del injerto de la cresta iliaca en aplicaciones de fusión ósea. Se desarrollo un sistema de implante espinal para la escoliosis sin necesidad de fusión de la columna, el análisis de los nervios de la columna muestra que no hubo inflamaciones de las raíces nerviosas, otros estudios ratifican que las cajas PEEK son seguras y efectivas. Se implanto una caja cervical PEEK con partículas de hueso sintéticas, un tratamiento seguro para la degeneración cervical para conseguir una estabilización inmediata, esto proporciona una fácil implantación, evita morbilidad en la zona donante ya que evita la extracción osea de la cresta iliaca y un incremento del área transversal (altura foramen cervical) y en altura del agujero intervertebral. PEEK CFR tiene limitaciones debido al desgaste en aplicaciones articulares como soporte en altas cargas, debido a que los microfragmentos de fibra carbono pueden producir incompatibilidad biomecánica. Se puede decir que PEEK produce menos desgaste que los materiales convencionales y sin reacciones adversas en el cuerpo. Gracias al modelado 3D de elementos finitos realizado en sistemas de fusión espinal o vertebral en la zona lumbar, usando espaciadores PEEK con posterior instru- 56 mentación médica e injerto del hueso para estabilizar el movimiento y facilitar la fusión, tal como aparece en la siguiente figura. Ilustración 31. Implante cervical PEEK Inicialmente se usaban espaciadores de aleaciones de titanio o acero inoxidable, recientemente se usa PEEK ya que su módulo de Young es muy parecido al del hueso cortical. Un espaciador PEEK con posterior instrumentación provee estabilidad similar al Ti pero permite mayores cargas a través del injerto oseo y reduce las tensiones en placas óseas externas. Para investigar el efecto de la rigidez del espaciador en la biomecánica del segmento fusionado en la región lumbar mediante el análisis de elementos finitos (ver Ilustración 32), mediante un modelo en los ligamentos L3-L5 lumbares intactos, los datos geométricos fueron obtenidos del TAC (tomografía axial computerizada) y analizados por el software comercial ABAQUS para construir el modelo 3D final. Ilustración 32. Modelo elementos finitos ligamentos L3-L5 intacto Una simulación con un espaciador de fusión lumbar de PEEK y Ti en el disco L4-L5, el injerto del hueso entre los espaciadores fue simulado. En la siguiente ilustración se puede ver el efecto de la rigidez del espaciador en las tensiones Von Mises o energía de deformación elástica de los extremos con varios modos de carga, éstas se 57 incrementan 2.5 veces en Ti respecto a PEEK (48MPa frente 20 MPa). Estas tensiones se concentran entre el espaciador y la placa, la rigidez no afectó al movimiento relativo o estabilidad del segmento instrumentado. Ilustración 33. Tensiones pico Von Misses Ti y PEEK En la siguiente ilustración se puede ver el efecto de la rigidez en tensiones vistas por el injerto oseo, se puede ver como la tensión crece once veces en torsión, nueve en extensión y rotación y quince en flexión del PEEK respecto a Ti. Ilustración 34. Tensiones pico Von Misses Ti y PEEK en Injerto hueso 0 10 20 30 40 50 60 Flexión Extensión Torsión Rotación Tensiones de pico Von Mises (MPa) PEEK TI 0 4 8 12 16 Flexión Extensión Torsión Rotación Tensiones de pico Von Mises (MPa) PEEK TI 64 3.2.6 Implantes Dentales PEEK OPTIMA reemplaza al Ti en sistemas de adhesión para la corona dental usado en el casquillo de cicatrización. Los usuarios suelen optar por implantes permanentes, ya que eliminan las molestias y la pérdida prematura de dientes, así devuelve la confianza en sí mismo y mejora la calidad de vida. Tras la curación del tejido blando y la osteointegración del hueso-implante dental, un soporte de cemento es unido al implante, luego se hace una huella para elaborar la prótesis de corona. Ésta se protege con un casquillo de cicatrización de PEEK OPTIMA gracias a su biocompatibilidad, su capacidad de unión y resistencia a la compresión elevada, ya que debe soportar las fuerzas de compresión al masticar. PEEK mantiene cargas de compresión en capas de paredes delgadas mejor que otros polímeros, es compatible con el cemento usado para garantizar el casquillo al pun- to de contacto de Ti. Es importante que el casquillo esté unido al punto de contacto durante la curación y luego pueda ser fácilmente extraíble por el dentista, protege los márgenes y obtiene un color neutral más parecido al natural. Por lo tanto es un polímero alternativo a pacientes con alergias al metal y compatible con cementos usados para garantizar el casquillo de cicatrización al punto de contacto. Al realizar una comparación in vitro sobre la citocompatibilidad entre PEEK y Ti, es decir, el comportamiento biológico que tienen los osteoblastos primarios humanos que van a rodear al implante con el mejor funcionamiento comercialmente de Ti puro (cpTi grado 1) y dos biomateriales PEEK implantables (sin relleno y con fibra carbono reforzado). Se determinó que PEEK es un candidato apropiado para implantes dentales y el progreso a posteriores test mecánicos relevantes. Hay varos estudios que comparan PEEK con Ti en un modelo humano de osteoblastos primario, donde los resultados demostraron que el rendimiento in vitro de dos biomateriales PEEK (sin relleno o CFR PEEK) presentado a las células en forma de mecanizado o moldeo por inyección, fue comparable al Ti puro de grado 1 en implantes dentales endosteales. Los parámetros in vitro (adhesión, proliferación, fosfatasa alcalina, actividad y mineralización) influidos por el acabado superficial del material generado usando técnicas como pulido, moldeo por inyección y mecanizado. Los osteoblastos humanos se adhieren a todos los materiales de prueba. 65 La presencia de mineralización sugiere que PEEK puede prestarse a la osteointegracion de implantes dentales y futuros trabajos de investigación para el cumplimiento de requerimientos mecánicos de un sistema de implantes. 3.2.7 Cardiología En el amibito de la cardiología, se tien el uso de PEEK en prótesis endovasculares (ver Ilustración 3), donde el objetivo es conseguir la no adhesión de plaquetas y no activación de la cascada de la coagulación. PEEK-WC es una nueva membrana con nivel bajo de plasma, característica deseable en dispositivos biomédicos en contacto con sangre. Ilustración 41. Prótesis endovascular Como también la aplicabilidad en el diseño y creación de sistemas de bombas o valvulas cardíacas. Una válvula cardíaca humana se abre y se cierra unos 40 millones de veces al año, lo cual produce desgaste sobre los materiales usados en válvulas sintéticas. Los primeros diseños se realizaban con materiales como poliacetal que no tenían suficiente resistencia a la fluencia, pero PEEK tiene unas propiedades mecanicas y tribológicas a largo plazo que le aseguran una biocompatabilidad mayor que otros materiales. La novedosa válvula vendida por AorTech representa un gran avance en el diseño de válvulas cardiacas, superando los actuales problemas mecanicos y biológicos. Los pacientes con válvulas mecanicas requieren tratamiento diario anticoagulante, mientras las válvulas biológicas tienen un periodo limitado de vida. Cada válvula tiene que ser diseñada y adaptada al rendimiento del ritmo cardiaco, a la temperatura y a la presión arterial, para satisfacer la necesidad de durabilidad 66 elevada. El resultado debe ser un material implantable altamente fiable que está diseñado para satisfacer los criterios de rendimiento más rigurosos. 3.2.8 Farmacia Pocos materiales en el mercado son desarrollados como biomateriales en aplicaciones farmaceuticas tales como dispositivos de liberación de fármacos y componentes de procesado farmaceutico. Debido a su resistencia química, bajo nivel de sustancias extraíbles, soporta esterilización repetida y temperaturas extremas, cumple estándares ISO 10993 y USO clase VI. Tambien se usa en sensores o controladores de conductividad sin contacto que miden la conductividad de una solución vía un sensor de no contacto encapsulado (ver Ilustración siguiente) y sistemas similares a un Port-a-cath, es un dispositivo que proporciona un acceso vascular o espinal permanente, es decir, permite el acceso repetido al sistema vascular, facilitando tanto la extracción de muestras de sangre como la administración de medicaciones, nutrientes, productos sanguíneos, etc reduciendo las molestias asociadas a las punciones repetidas o la incomodidad de un catéter externo. Ilustración 42. Sensor conductividad PEEK 3.2.9 Ingenieria de tejidos PEEK puede ser producido por los métodos de fabricación como moldeo por inyección, sinterización láser y mecanizado. Aunque para satisfacer las demandas actuales de los dispositivos médicos implantables, otros métodos de fabricación son obligatorios. El objetivo de este trabajo fue la fabricación de andamios o scaffolds de tejidos flexi- 67 bles. En los scaffolds se evaluaron las propiedades físicas, mecánicas y biológicas, con el cultivo in vitro de fibroblastos de ratón L929 durante 16 días. Los resultados se compararon con los obtenidos con los scaffold de tereftalato de polietileno (PET). Los scaffold de multifilamento PEEK eran más ligeros, más delgados y más fuerte que los scaffold monofilamento PEEK. Los scaffolds de tejido PEEK soportan la proliferación de fibroblastos y la proliferación celular, como también la producción de ECM (matriz extracelular). Las células se usaron para orientar la dirección del filamento, los resultados indican que las estructuras fibrosas PEEK tienen potencial en la fabricación de scaffolds en ingeniería de tejidos. 68 4 Bibliografía Articulos investigación 1. Los Polimeros en medicina. Los Polimeros en medicina. [En línea] [Citado el: 03 de Marzo de 2011.] http://www.eis.uva.es/~macromol/curso05-06/medicina/ingenieria_de_tejidos.htm. 2. PEEK biomaterials in trauma, orthopedic, and spinal implants. Steven M. Kurtza, John N. Devinec. Philadelphia, PA 19104, USA : s.n., accepted 9 July 2007. 6. Scholes, S., and Unsworth, A.Proceeding of the Institute of Mechanical Engineers. Part H, Journal of Engineering in Medicin. "The Wear Properties of CFR-PEEK-OPTIMA. Articulating Against Ceramic Assessed on a Multidirectional Pin-on-Plate Machine,". 2007. 7. “A PEEK-on-PEEK Cervical Arthroplasty System: In Clinical Perspective”. T. Friesem (University Hospital of North Tees, Stockton-on-Tees, UK) T. Brown, (Pioneer Surgical Technology, Marquette, USA). D. Zou, H. Ma (Hospital Beijing, China). 8. "The Wear Properties of CFR-PEEK-OPTIMA. Articulating Against Ceramic Assessed on a Multidirectional Pin-on-Plate Machine,". Scholes, S., and Unsworth, A.Proceeding of the Institute of Mechanical Engineers. Part H, Journal of Engineering in Medicin. 2007 : s.n. 9. —. Scholes, S., and Unsworth, A.Proceeding of the Institute of Mechanical Engineers. Part H, Journal of Engineering in Medicin. 10. “PEEK Biomaterials in Trauma, Orthopedic, and Spinal Implants”. Devine, S. M. Kurtz and J. N. 11. Lumbar interbody fusion using the Brantigan I/F cage for posterior lumbar interbody fusion and the variable pedicle screw placement system: two-year results from a Food and Drug Administration. Brantigan JW, Steffee AD, Lewis ML, Quinn LM, Persenaire JM. 12. Tribological Comparative Study of Conventional and Composite Materials in Biomedical Applications. N. Marques, J. Paulo Davim. Vol. Advanced Materials Forum I. 13. Pre-clinical studies to validate the MITCH PCR Cup: a flexible and antomically shaped acetabular component with novel bearing characteristics. . Latif, A.M.H., Mehats A., Elcocks M., Rushton N., Field R E Jones, E J Mater Sci: Mater Med. Online November 2007. 14. PEEK Biomaterials in Trauma, Orthopedic, and Spinal Implants. . Devine, S. M. Kurtz and J. 15. Comparative in vitro wear testing of PEEK and UHMWPE capped metacarpophalangeal prostheses. . Joyce TJ, Rieker C, Unsworth A. School of Mechanical and Systems Engineering, University of Newcastle upon Tyre, UK. 16. Polyetheretherketone as a biomaterial for spinal applications. Toth JM, Wang M, Estes BT, Scifert JL, Seim HB, 3rd, Turner AS. Biomaterials 2006;27(3):324-334. . 69 17. Craneoplastía con implante de polieteretercetona diseñado por computadora. Carlos Arturo Casallo Quiliano1, Gustavo Zenón Tantas Oblitas1, Ronald Augusto Pineda García1. 18. N. Sereno, Invibio Ltd, Thornton Cleveleys, UK. The Use of PEEK for Advanced Active Implants. http://www.emdt.co.uk/article/use-peek-advanced-active-implants. [En línea] 19. http://victplc06.uuhost.uk.uu.net/pr005.html. http://www.invibio.com/medicalapplications/dental.phpç. [En línea] 23. 2010 SFB Poster: PEEK Multifilament and Monofilament Woven Tissue Engineering Scaffolds. Edwards, S.L., Werkmeister, J.A., Ramshaw, J.A.M., McLean, K., Jarman-Smith, M.L. s.l. : Polyetheretherketone Multifilament and Monofilament Woven Tissue Engineering Scaffolds, Transactions Society for Biomaterials, 2010. 28. http://www.medicalpeek.org/pub_reports/view/98. [En línea] 29. Using a Polyetheretherketone (PEEK) Cage in the Treatment of Cervical Disc Disease. José Pérez Berríos. Neurocirujano, Hospital Dr. Escalante Pradilla. Vols. Neuroeje, 2004, Vol. 18. N° 30. Biomechanical rationale for using polyetheretherketone (PEEK) spacers for lumbar interbody fusion-A finite element study. Sasidhar, Vadapalli, y otros. 2006. 31. PEEK cages and spacers in cervical spine fusion applications . Páginas Web 3. [En línea] http://www.plasticos-mecanizables.com/plásticos_peek.html . 20. http://www.invibio.com/medical-applications/pharmaceutical.php. [En línea] 21. http://www.invibio.com/medical-applications/neurology.php. [En línea] 32. http://victplc06.uuhost.uk.uu.net/pr004.html. [En línea] 33. http://spine.com.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=6. [En línea] 70 5 ANEXOS Biopolimeros Aplicaciones 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 71 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 Tabla 9. Aplicaciones de los polímeros sinteticos no degradables Biopolimeros Aplicaciones Poli (aminoácidos) Liberación controlada, peptidos de adhesión celular Poli(anhídridos) Liberación controlada Poli(caprolactonas) Suturas y liberación controlada Copolímero de acido láctico y glic olico Suturas, liberación controlada, discos óseos Poli(hidroxibutiratos) Liberación controlada, discos óseos Poli (ortoesteres) Liberación controlada Colágeno Recubrimientos y reconstrucción tisular Tabla 10 Aplicaciones de los polímeros bioresorbibles Biopolimeros Aplicaciones Albúmina entrecruzada Recubrimientos de injertos vasculares y agente para contraste de ultrasonidos Acetatos de celulosa Membranas de hemodiálisis Celulosa cuproamonica Membranas de hemodiálisis Cito sina 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 72 Fosfolípidos Liposomas Seda Suturas, recubrimientos experimentales de proteínas tipo seda Tabla 11 Aplicaciones de las macromoléculas bioderivadas Biopolimeros Aplicaciones Albúmina Tromboresistencia Cadenas alquílicas 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 Tabla 12 Aplicaciones de los recubrimientos pasivos Biopolimeros Aplicaciones Anticoagulantes (ej: heparina) Tromboresistencia Antimicrobianos Resistencia a la infección Peptidos de adhesión celular Mejora adhesión celular Proteínas de adhesió n celular Mejora adhesión celular Tabla 13 Aplicaciones de los recubrimientos bioactivos Biopolimeros Aplicaciones Cianoacrilatos Microcirugía Pegamento de fibrina Recubrimiento para injertos vasculares y microcirugía Tabla 14 Aplicaciones de los adhesivos tisulares