¿Puede la QUIMICA reparar el cuerpo humano?reparar el cuerpo humano?

II Curso de Divulgación“Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad”

Madrid ,IQOG-CSIC 21 octubre 2010

prótesis de barbilla y mandíbula

clavos para huesoarticulación de hombro

mamoplastia

riñones, hígado, páncreasmuñeca

placas de dedosarticulación de dedos de la mano

pulmón

corazón, marcapasosprótesis de codo

válvula cardiacadiscos intervertebrales

esófago

uretra

traquealaringe

placas craneales metálicas ojo, lentes, córneasnariz

oídodentaduras

prótesis de articulación de cadera

vasos sanguíneos

prótesis de rodilla

varillas y clavos de fémur

esfínter

ligamentos, suturas

varillas y clavos de tibiaprótesis de tobillo

articulación de dedos de pie

tendonespiel

Piezas que pueden implantarse en el organismo

M. Vallet-Regí.Dalton Trans.5211–5220 (2006)

Biomimetic Nanoceramics in Clinical Use. M. Vallet and D. Arcos.RSC Nanoscience and nanotechnology. Cambridge 2008.

Componente orgánicoa1 a2 a3

molécula de colágeno

fibra de colágeno

Apatitas biológicasComponente mineral

composición variable:Ca8.3 A0.7(PO4)4.3(HPO4,CO3)1.7(2OH,CO3)0.15 A 1.7

nanocristalina: 25-50nmdeficiente en Ca2+presencia de CO3

2-

desorden estructural

Hueso trabecular esponjoso

Hueso cortical denso Molécula de

colágeno

nanoapatitas

Biomimetic Nanoceramics in Clinical Use. From Materials to Applications. M. Vallet-Regí and D. Arcos. RSC Publishing. 2008

Materiales compuestos

constituidos por 2 o más materiales

Se diseñan, en función de la aplicación a que se destinen

Para mejorar sus propiedades

+

Efecto sinérgicoFunción doble

Biomaterial

M. Vallet-Regi. Chem. Eng. J., 137, 1-3 (2008).

Biomineral

Implantesdentales

Liberación controladade fármacos

Piel artificial

Implantes

Algunos ejemplos de implantes biomédicos

Órganosartificiales

Implantesvasculares

Implantes paraarticulaciones

cadera rodilla

Esperanza de vida

Siglo I ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 22 años

Inicios del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 40 años

Al final del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 80 años

España 2009 I.N.E.

H M76.96 83,43

Nacidos en España 1981 ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 75,51 años

Nacidos en España 2005 ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 80,23 años

Mosca 17 díasAbeja 10 semanasMusaraña 1añoAraña 4 añosRata 6 añosPerro 16 añosJirafa 20 añosOca 30 añosOso 40 años

CUÁNTO VIVEN

Oso 40 añosCocodrilo 55 añosElefante asático 60 añosHumano 78 añosTortuga 150 añosPalmera 200 añosOlivo 1.000 añosCastaño pedunculado 2.000 añosCiprés de lawson 3.000 añosSecuoya gigante 6.000 años

J.Hitzig: “El organismo humano está programado para durar de 100 a 120 años

Siglo I ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 22 años

Inicios del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 40 años

Al final del s.XX ⇒⇒⇒⇒ ≅≅≅≅ 80 años

Huesonormal

Huesoosteoporótico

Europa: 4 millones de fracturas al año

España: 25.000 fracturas al año

E.E.U.U., Europa, Japón: 75 millones de pacientes afectados, 34 millones en riesgo

80% son mujeres. Para el año 2050 habrá un incremento del 250%

Después de experimentar una fractura, el 45% de los pacientes tienen daños funcionales y el 50% se ven afectados por invalidez total o parcial.

Se le suman las cifras de 2,400 nuevos casos anuales de cáncer de hueso en Europa

normal osteoporótico

osteosarcoma

Tras la implantación de una prótesis:: Las moléculas de agua son las primeras que alcanzan la superficie

: El agua afecta a la interacción de las proteínas

Surface Science 500 (2002) 656–677Bengt Kasemo

: Las células alcanzan la superficie

La interacción superficial de las células tiene lugar a través del recubrimiento de proteínas, cuyas propiedades están determinadas por las propiedades de la superficie y de la capa acuosa

Procesos regulados por las proteínas en la superficie del

biomaterialInflamaciónReparación/

regeneraciónCoagulación de la sangre

Activación Activación del sistema complementar

io

Adhesión y activación

de leucocitos

Adhesión, diferenciación y proliferación

celular

Activación y

adherencia de

plaquetas

Activación del sistema de coagulación

Biomaterial

Métodos para estudiar

la bioactividad

Implantes en

humanos

In vitro en

soluciones

acelulares

In vitro en cultivos

celulares

In vivo en

modelos animales

“Recent Developments in Bioactive Glasses and Glass-Ceramic” Eds: E Verné & C. Vitale Brovarone (Bentham Science Publishers)Topic 3: Methods to study the mechanism of bioactivity,A. J. Salinas & M. Vallet-Regí

P S

As Se

Cl A

Br Kr

He

Cu Zn

Al Si

Ga Ge

Sb Te

Bi Po

I Xe

At Rn

Ag Cd

Au Hg

In Sn

Tl Pb

N O F NeB C

Mn Fe Co NiSc Ti V Cr

Tc Ru

Re Os

Rh Pd

Ir Pt

Y Zr

La Hf

Nb Mo

Ta W

Na Mg

K Ca

H

Rb Sr

Cs Ba

Li Be

CERÁMICOS

Ca Ti

Zr

PAl Si

OC

• Al2O3• ZrO2• TiO2• Sulfatos de Ca• OHAp• Fosfatos de Ca• Vitrocerámicas• Biovidrios• Carbono

-Similitud al componentemineral del tejido óseoHidroxicarbonatoapatita

Ca8.3A0.7(PO4)4.3(HPO4,CO3)1.7(2OH,CO3)0.15 A1.7

- Mecánicamente frágiles- Bioinertes/Bioactivos - Alto módulo elástico

ceramicas (sinterizadas)- Aislantes

ElectricidadCalor

- Adaptación biomecánica:OsteointegraciónBioreabsorción

METÁLICOS

P S

As Se

Cl A

Br Kr

He

Cu Zn

Al Si

Ga Ge

Sb Te

Bi Po

I Xe

At Rn

Ag Cd

Au Hg

In Sn

Tl Pb

N O F NeB C

Mn Fe Co NiSc Ti V Cr

Tc Ru

Re Os

Rh Pd

Ir Pt

Y Zr

La Hf

Nb Mo

Ta W

Na Mg

K Ca

H

Rb Sr

Cs Ba

Li Be

TiTi

Ta

Fe Co

AuPt

Ag

•

•

• Acero inoxidable• Aleaciones metálicasde Co-Cr y de Ti

• Otros metales(Ta, Pt, Au, Ag, ...)

• Magnéticos -Resistencia elevada-Módulo elástico muy

superior al del hueso- Conductores eléctricos

POLIMÉRICOS

P S

As Se

Cl A

Br Kr

He

Cu Zn

Al Si

Ga Ge

Sb Te

Bi Po

I Xe

At Rn

Ag Cd

Au Hg

In Sn

Tl Pb

N F NeB

Mn Fe Co NiSc Ti V Cr

Tc Ru

Re Os

Rh Pd

Ir Pt

Y Zr

La Hf

Nb Mo

Ta W

Na Mg

K Ca

Rb Sr

Cs Ba

Li Be

H

C O

H

C O

Biodegradables

Acido poliláctico Acido poliglicólico

Bioestables

PolietilenoPolimetilmetacrilato

Polipropileno...

-Similitud al componente orgánico detejido óseoColágeno: Proteina de alto peso molecular. (Sucesión de aminoácidos enlazados covalentemente)

-Cadenas poliméricas de alto pesomolecular (diseñadas a medida)

-Bioestables -Biodegradables-Osteointegración de sistemas porosos

adaptación biomecánica conmódulos de elasticidad parecidos ahueso esponjoso

- Buena bioadhesión- Biocompatibles

Fatiga biomecánicaPoca resistencia

CERÁMICAS DurasFrágiles

Biocompatibles BioestablesBioactivasBiodegradables

Corrosión?Toxicidad?

Facil conformacionVariedad

METALES POLÍMEROSReproducibilidad? Toxicidad?Estabilidad?Malas propiedades mecánicas. Fluencia

Buen comportamientomecánico

http://osartim.chru -lille.fr/html/definition -gestes/kyphoplastie.htm

Sustancias que se pueden meter en los tejidos blandos: RELLENO

Arrugas profundas en la frenteArrugas profundas en la frente

Mejillas: relleno de contorno

Cicatrices profundas de acné

Arrugas de nariz y boca

Relleno de labios

Barbilla: relleno de contorno

Mejillas: relleno de contorno

Cicatrices profundas de acné

Arrugas de nariz y boca

Relleno de labios

Barbilla: relleno de contorno

Identificaruna necesidad

Médico

Investigador

Inventor

Aplicación en clínica

Médico

Retirada de implantesRegistro de la retiradaExamen patológicoPruebas para entender el falloIngeniero

Patólogos

idea Paciente

Síntesis de materiales

Diseño de prótesis y/o dispositivo

Médico

Ingeniero

Biomateriales: aquí y ahora.M. Vallet-Régí, L.Munuera.

Ed. Dykinson 2000

Pruebas de materiales• Propiedades mecánicas• Toxicología• Biorreacción al material

Interacciones con proteínasActivación celularReacción tisular

• BioestabilidadMecanicaQuímica

Ingeniero Bioquímico

Veterinario

Fabricación

MecánicoIngeniero

Esterilizacióny

Embalaje

industrial Ingeniero

Pruebas del implante y/o dispositivo

ToxicologíaPruebas in vitro“ en animales

Médico

en clínica

Químico

ReglamentaciónHomologación Estudio clínicoEnsayos clínicosSeguimiento a largo plazoOrganismo reglamentario

Organo legislativo

Especialista en normativa

Comportamiento biológico de los materiales:

Respuesta del huéspedRespuesta del material

Interacciones

Relaciones Estructura/Composición/Función en materiales manufacturados y naturales

Materialesvivos

Materialesno vivos

Estructura de la disciplina de biomateriales

Disciplinasfundamentales

CienciasBiológico-Médicas

Ciencia de Materiales:

Química-Física-Ingeniería

ción en materiales manufacturados y naturales vivos

(Paciente)no vivos

BIOMATERIALESTerapia

Históricamen Regeneración

SustituciónReparación

mente

3ª Generación

Regeneraciónincluye Ingeniería de Tejidos

1ª Generación2ª Generación

1ª Generación Bioinertes

MetalesCerámicasCerámicasPolímerosComposites

Reacción a cuerpo extraño

t = 0

El cirujano coloca el implante

t = 3 semanas

El biomaterial queda aislado en una bolsa colaginosa acelular

2ª Generación

BioactividadBioactividadBiodegradabilidad

alúmina

1950

Biocerámicas

materiales

19802000

circonia

vidrios

vitrocerámicas

fosfatos decalcio

hibridosorganico-inorganico

mesoporososde sílice

M. Vallet-Regí.Dalton Trans.5211–5220 (2006)

M. Vallet-Regí.Dalton Trans.5211–5220 (2006)

3ª Generación: Materiales Porosos

Bioactivos y Biodegradables Valor añadido:

*Materiales inteligentes*Materiales inteligentes*Funcionalizados

*Cargados con moléculas biológicamenteactivas

Diseñados para estimular respuestas celularesespecíficas a nivel molecular, para ayudar al cuerpo humanoa su curación por si mismo.

Reparación del cuerpo humano

Aproximación biónica

Aproximaciónmedicina regenerativa

Prótesis e implantes Ortopedia, Oftalmología, Cardiología, Vascular,

Cirugía Estética, Odontología, Urología, etc.

1ª y 2ª generación

Terapiacelular

Ingenieríade

tejidos

3ª generación

Aislamiento de células

Proliferación celular

Recolección de células

Ingeniería de tejidosSembrado de Sembrado de células en el células en el andamiajeandamiaje

Relleno del Relleno del defecto óseodefecto óseo

Proliferación y/o Proliferación y/o diferenciación en diferenciación en

condiciones óptimascondiciones óptimas

Soporte

Biocompatible OsteoconductorPropiedades mecánicasOsteoinductor Biodegradable/ReabsorbiblePoroso

Soporte

Células

Implantación

Poroso

Soporte +

células

Implantación

M. Manzano, M. Vallet-Regí. J. Mater. Chem. 20, 5593-5604 (2010).

AndamiosLas propiedades superficiales:

topografía,química de superficies,y la carga superficial

juegan un papel fundamental en las interacciones célula-material.

Adapted from Garcia, A. J.. Biomaterials 2005;26:7525-7529

Andamio

Ingeniería tisular

Factores Células madre y células

progenitoras

Andamiajes: biomateriales naturales y sintéticos

Factores bioquímicos señales y

factores de crecimiento

¿Azar o diseño ?

Muchas gracias Muchas gracias gracias a todosgracias a todos