Universidad de MonterreyMateria: Fundamentos de Ingeniería de Materiales

Grupo 1, 11LMVSalón 1306

Tarea:Trabajo Semestral

Profesor: Dr Zygmunt Haduch SuskiAlumnos:

Jair Jesús Cazares RojasMatrícula:503997

Diego Villareal PeñaMatrícula: 281987

Índice:1. Propiedades y criterios de selección de polímeros bioaceptables…p. 12. Polímeros Naturales…………………………………………………….…….p33. Polímeros sintéticos No-degradables…………….……………………….p54. Polímeros Biodegradables….………………………………………………..p55. Ejemplos de aplicación de polímeros………………………………………p7

1. Propiedades y criterios de selección de polímeros bioaceptables

La palabra polímero proviene de la unión de los vocablos griegos poli: muchos, y mero: parte. Los polímeros son macromoléculas (en su mayoría orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. En la figura 1 podemos observar al monómero descrito en el inciso 1, al polímero en el 2a y en 2b podemos observar cómo se abrevia la larga cadena del polímero agregando una n que es relativa al número de repeticiones del monómero.

Fig. 1 (1)monómero, (2a) polímero, (2b) polímero en notación concisa. Imagen recuperada de http://html.rincondelvago.com/polimeros_12.html

Los polímeros de acuerdo a su composición se clasifican en :

Homopolímero: están compuestos del mismo monómero a lo largo de su cadena. En la figura 2 podemos observar como sólo se repite el monómero etileno, formándose así el polietileno.

Fig. 2 Estructura química del polietileno. Imagen recuperada de http://docencia.udea.edu.co/ingenieria/moldes_inyeccion/unidad_1/estruc_molecular.html

Copolímero: formado por al menos dos monómeros diferentes a lo largo de su cadena. En la figura 3 podemos observar un copolímero.

Fig. 3 estructura química del copolímero estireno-butadieno. Imagen recuperada de http://docencia.udea.edu.co/ingenieria/moldes_inyeccion/unidad_1/estruc_molecular.html

La formación de estas cadenas que forman el polímero se puede dar por tres tipos de reacciones que pueden ser:

Polimerización: conjunto de reacciones químicas en las cuales un monómero iniciador o endurecedor activa a otro monómero comenzando una reacción en cadena la cual forma el polímero final.

Policondensación: reacciones químicas en las cuales el polímero final se origina mediante sucesivas uniones entre monómeros, los cuales emiten moléculas condensadas durante el proceso de unión

Poliadición: reacciones químicas en las cuales el polímero final se origina mediante sucesivas adiciones de grupos funcionales (monómero A) a estructuras moleculares con dobles enlaces (monómero B).

La estructura principal de los polímeros es semicristalina. Las cadenas que se forman pueden tener tres tipos de estructura, lineal, ramificada y entrecruzada, estas estructuras definen las propiedades que tendrán, sobretodo las mecánicas y las de temperatura, los tipos de estructura se observan en la figura 4.

Fig.4 a)estructura lineal, b)estructura ramificada, c)estructura entrecruzada. Recuperado de http://puraquimicahd.blogspot.mx/2012/04/polimeros.html

Los polímeros también se pueden clasificar de acuerdo a cómo estén enlazadas o unidas (enlaces químicos o fuerzas intermoleculares) y la disposición de las diferentes cadenas que conforma el polímero, los materiales poliméricos resultantes se clasifican en:

Termoplásticos: por ejemplo el polietileno, los termoplásticos están unidos mediante fuerzas de Van der waals, estructuras lineales o ramificadas, son plásticos y dúctiles. Son sólidos a temperatura ambiente pero al calentarse cientos de grados se vuelven viscosos, pueden derretirse antes de pasar a estado gaseoso, permiten deformación plástica al ser calentados, resistencia a la fluencia.

Elastómeros: por ejemplo el caucho natural; los elastómeros se encuentran unidos por medio de enlaces químicos, adquiriendo una estructura final ligeramente reticulada, su principal característica es su alta elongación y flexibilidad.

Termoestables: como por ejemplo la baquelina, estructura altamente reticulada, alta resistencia mecánica, no se pueden derretir. Resistentes pero frágiles.

Fig 5. Estructura de los tres tipos de polímero. recuperado de http://www.itsteziutlan.edu.mx/site2010/index.php?option=com_content&view=article&id=594:polimeros-materiales-de-ingenieria&catid=27:artlos&Itemid=288

Las principales propiedades de los polímeros son:

No tienen buena conductividad eléctrica, son considerados aislantes. Las propiedades mecánicas dependen del tipo de enlace y de su

estructura. A pesar de ser ligeros, tienen una buena resistencia en relación con su

peso. Son muy resistentes a la corrosión.

Las características que definen las propiedades de los polímeros son la temperatura de transición vítrea del polímero y el peso medio molecular del polímero.

La temperatura de transición vítrea determina la temperatura en la cual el polímero cambia radicalmente sus propiedades mecánicas, cuando la temperatura de transición vítrea es ligeramente inferior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un material elástico (elastómero), cuando la temperatura de transición vítrea es superior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un material rígido (termoestable)

El peso molecular medio determina de manera directa tanto el tamaño del polímero así como sus propiedades tanto químicas como mecánicas (viscosidad, mojado, resistencia a la fluencia, resistencia a la abrasión …), polímeros con alto peso molecular medio corresponden a materiales muy viscosos.

Los biomateriales son aquellos materiales que tienen la capacidad de estar en contacto con tejido vivo; dicho de otra manera, son sustancias farmacológicamente inertes que pueden ser implantadas o incorporadas dentro del sistema vivo. Tienen la función de aumentar, tratar o remplazar un tejido. Sólo se podrá llamar biomaterial si cumple ciertos requisitos que van de acuerdo a la función que tendrán en el organismo. Estas características requeridas se dividen en:

Biocompatibilidad: es compatible con el organismo, no causa reacciones adversas en el.

Biofuncionalidad: el propósito para el cual fue diseñado se cumple. Bioestabilidad: es estable dentro del organismo. Esteribilidad: al ser esterilizado para poder entrar en contacto con el

organismo no sufre cambios.

Un polímero bioaceptable es aquel que es compatible con la vida, es decir, que al tener contacto con un ser vivo no le ocasionará daño alguno. En el caso de los seres humanos, poseemos en nuestro cuerpo una gran cantidad de polímeros que resultan imprescindibles para la vida. Ahora bien, algunos son producidos naturalmente por el cuerpo, otros entran por alguna vía.

Ahora, en lo que nos interesamos son en los biomateriales poliméricos que se usan en la Ingeniería biomédica y cómo estos son elegidos sobre otros.Los polímeros que se aplicarán a la biomedicina, es decir, que interactúan con el cuerpo humano, deben cumplir ciertos requerimientos. El principal es que no dañen ninguna función del cuerpo. Pero para llegar a esta conclusión se debe seguir un proceso que debe desglosarse, ya que es importante tener las consideraciones correctas en cada paso.

Para poder realizar una discriminación entre polímeros y biopolímeros, se deben cumplir varios puntos, que serán mencionados a continuación, estos puntos son muy estrictos ya van relacionados con la salud de la persona.

Algunos puntos que hay que tener en consideración son: Propiedades mecánicas. tener una buena resistencia a la tracción y

compresión, la mayoría de los polímeros cumplen con esto, ya que no son muy exigidos dentro del cuerpo humano. Alta resistencia a la abrasión, la abrasión es el principal desgaste dentro del cuerpo humano, así que debe tener una buena resistencia. Debe ser elástico, no nos conviene un material del cuál no sepamos en qué momento se puede romper.

No provocar ningún proceso inflamatorio o tóxico. Que no haya rechazo por parte del cuerpo.

No ser tóxico ni carcinógeno. Ser químicamente estable e inerte.

Tener una resistencia mecánica adecuada. Tener resistencia a la fatiga adecuada. Tener densidad y peso adecuados. Sólo en caso de ser un polímero biodegradable, ser metabolizado en el

organismo después de realizar su función. Ser fácilmente procesable para obtener la forma del producto final. Demostrar una durabilidad aceptable. Ser fácil de esterilizar. Su diseño debe ser adecuado para la función que realizará, no debe

obstaculizar alguna otra función del organismo.

Aspectos a considerar: Caracterización físico-química de los biopolímeros: La composición

química, los aditivos empleados y la potencialidad del material para degradarse.

Ensayos preclínicos: Estudio de la biocompatibilidad, es decir, la capacidad de ser tolerado por el organismo o aceptación del medio.

Ensayos clínicos: Se realizan en seres humanos cuando se ha demostrado que se tiene suficiente aceptación del biomaterial, desde la seguridad y la eficiencia.

Los biopolímeros son en general elásticos, fáciles de fabricar y de baja densidad, sus desventajas son baja resistencia mecánica y que tienden a degradarse con el tiempo. Los encontramos comúnmente en suturas, arterias, venas, mandíbulas, dientes, tendones.

2. Polímeros Naturales:

Los polímeros son cadenas moleculares que se repiten, estos están asociados con los plásticos modernos y compuestos sintéticos, como también estos polímeros son de forma natural en la naturaleza

Los polímeros naturales son macromoléculas con alto peso molecular constituidos por monómeros. son más biocompatibles y se obtienen fácilmente, estos se pueden encontrar distribuidos en toda la naturaleza y no fue creado artificialmente por el hombre. La naturaleza se encargaba para hacer posible su propia existencia con polímeros naturales. Estos polímeros son los que forman parte de los seres vivos los cuales pueden ser de origen animal o vegetal. En el cuerpo humano se pueden encontrar polímeros como proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos, como también en las plantas que su principal componente es la celulosa, un polímero natural. Existen dos clasificaciones de los polímeros basados en su estructura química como por ejemplo:

Polímeros proteíco: su monómero son aminoácidos, como por ejemplo: colágeno, glicoproteína.

Fig 6. Colágeno y sus tipos de estructura. Recuperado de http://dc150.4shared.com/doc/HzKbPSPi/preview.html

polímeros carbohidratos: su principal monómero son carbohidratos como por ejemplo: almidón, quitina.

a)

b)Figura 7. a) Estructura química de la quitina b)La quitina está presente en el exoesqueleto de los cangrejos. Recuperado de http://www.ehu.es/biomoleculas/hc/sugar35.htm

Ejemplo de polímero natural: ADNLos polímeros son macromoléculas formadas por la repetición de muchas subunidades constituyentes, denominadas monómeros. En el caso del ADN, esta es una larga molécula compuesta por bases nitrogenadas las cuales componen dos cadenas que se unen por puentes de H (uniones no covalentes presentes en compuestos químicos). Los nucleótidos son los monómeros que

constituyen a este polímero; dicos monómeros están compuestos por la base nitrogenada en sí (purina o pirimidina) las cuales están unidas mediante un enlace fosfodiéster a la desoxirribosa, (una pentosa) fosfatado. Los nucleótidos están unidos entre sí por una unión glicosídica 5-3 de los azúcares mencionados (Carbono 5 de la estructura de un nucléotido con el Carbono 3 del otro). Esta disposición permite que los grupos fosfato (polares hidrofílicos) queden expuestos al medio acuoso de la célula, en tanto que las bases nitrogenadas hidrofóbicas, permanecen dentro en la estructura. Asimismo, los fosfatos son los que le dan el carácter ácido al ADN y los que le dan una carga neta negativa a esta molécula al PH fisiológico. La estructura del ADN la podemos observar en la figura Nota: me preguntó en las correcciones que si entendía esto, estas son mis palabras y es la forma más sencilla de explicar el ADN, ya llevé química, bioquímica y biología celular en la carrera.

Figura 8. Segmento de ADN y su estructura. Recuperado de http://adnestructurayfunciones.wordpress.com/

3. Polímeros sintéticos no degradables:

Los polímeros no degradables son aquellos que requieren mucho tiempo para descomponerse, hablamos de muchos años. Estos materiales son muy comunes y tienen un uso muy variado, tanto en la industria como en actividades cotidianas. Los principales son el PET que se observa en la figura 9, el PVC en la figura 10, el PE en la figura 11, el PS en la figura 12 y el PP en la figura 13.

PET (tereftalato de polietileno)

Fig 9. Catéteres utilizados en medicina. Imagen recuperada de http://spanish.alibaba.com/product-gs/hydrogel-urinary-catheter-285518733.html

PVC (policloruro de vinilo)

Fig. 10. Hilo para coser heridas. Imagen recuperada de http://vendajefuncional.com/?page_id=96

PE (polietileno)

Figura 11. Aplicación de polietileno en una rodilla. Imagen recuperada de http://imdor.es/servicios/patologia-de-la-rodilla/protesis-total-de-rodilla/

PS (poliestireno)

Figura 12. Caja destinada a transporte de sangre

PP (polipropeno)

Figura 13. Sutura quirúrgica de polipropileno azul.

El hecho de que estos materiales sean no degradables no significa que son incompatibles con la industria biomédica. De hecho, tienen un amplio uso, sobretodo en el campo de la instrumentación médica. Los podemos encontrar en diversas herramientas utilizadas en el área médica ya que no son caros en relación costo beneficio. Los polímeros no degradables son los que se usan para fabricar catéteres, guantes, gorros, batas, material de laboratorio, en prótesis, bolsas, etc.

4. Polímeros Biodegradables.

Son aquellos polímeros que son compatibles con el cuerpo humano y que tienen la capacidad de degradarse tiempo después de su aplicación. Cabe mencionar que se descompone en productos que no resultan dañinos para el

cuerpo humano y que el organismo es capaz de eliminarlos o metabolizarlos.

El uso de polímeros biodegradables ha ido en aumento, este aumento es proporcional al avance en la tecnología que permite la creación de nuevos polímeros con mejores características. Los polímeros biodegradables al tener la ventaja de ser temporales, ofrecen una gran aportación biomédica. Esto debido a que ahorran tiempo, dinero, y generan mejores resultados; sus complicaciones son menores.

El proceso para que un polímero biodegradable pueda ser usado en el ser humano es complejo. Se deben analizar todas las variables posibles, y confirmar que no exista característica alguna que afecte el correcto funcionamiento del cuerpo humano.

El PLA (Poliácido láctico), PGA (poliglicolido), PLGA(Poli( l- lactide- co- glicólido) y otros son ejemplos de polímeros biodegradables utilizados en aplicaciones médicas de gran alcance. Son materiales para uso en la reparación de tejidos de sistemas en los cuales células son implantadas con filminas de PLGA en el transporte de medicamentos.

Figura 14. Flujograma de polímeros biodegradables. Imagen recuperada de

http://www.eis.uva.es/~macromol/curso05-06/medicina/polimeros_biodegradabl

es.htm

Ejemplo de aplicación de polímeros

Una aplicación de biomateriales poliméricos se da en la oftalmología, donde

existen los lentes de contacto (véase en figura 15), estos lentes están en

contacto directo con el organismo, son pequeñas lentes que cubren la córnea,

estas lentes cambian la forma en la que la luz entra al ojo, por lo tanto

modifican la visión de la persona que las usa. Los lentes de contacto están

hecho de un polímero compatible con el cuerpo humano. Los dos tipos más

comunes de lentes son los lentes de contacto corneales rígidas y los lentes de

contacto blandas hidrofílicas.

Fig. 15 Lente de contacto. Imagen recuperada de

http://www.noticiasggl.com/salud-general/cosas-que-no-sabias-de-los-lentes-de-

contacto/

Las lentes de contacto corneales rígidas están hechas a base de un polímero

llamado polimetilmetacratilato (véase en figura 16), ya que este material

permite el paso de oxígeno, tiene una transparencia del 93%, es ligero y

además de esto resiste a la intemperie y a los rayos ultravioleta.

Fig. 16 Estructura del polimetilmetacratilato. Imagen recuperada de

http://es.wikipedia.org/

Aunque hoy en día se usan más las lentes de contacto blandas hidrofílicas. Las

cuales están compuestas por polihidroxietilmetacrilato y otros plásticos

flexibles, estas lentes son hidrofílicas, es decir, almacenan agua, y además se

adaptan a la curvatura del ojo. El polihidroxietilmetacrilato (véase en figura 17)

es un material flexible. Las lentes de contacto hechas de este material son

demasiado gruesas para que suficiente oxígeno pueda difundir a través de

ellas hacia el cristalino del ojo, así que todas las lentes de contacto hechas de

este material, se fabrican por copolimerización de polihidroxietilmetacrilato y

otros copolímeros que hacen el gel más delgado e incrementan la cantidad de

agua dentro del hidrogel.

Fig. 17 Estructura del polihidroxietilmetacratilato. Imagen recuperada de

http://es.wikipedia.org/

Bibliografía

1. Industriales, E.d.(s.f.) Escuela de ingenierías Industriales. Recuperado el

22 de septiembre de 2014. Los polímeros en medicina:

www.eis.uva.es/macromol/curso05-06/medicina/polímeros_biodegradabl

es.htm

2. Murillo, S. Biomateriales Poliméricos. Prezi. (2012).

www.prezi.com/qt3rsvnb0z3v/biomateriales-poliméricos

3. Ramírez, A.A.: Biomaterial de implante óseo. CENIC, 101-103 (2003).

4. Smith, William.: Fundamentos de la Ciencia de Materiales e Ingeniería.

McGraw Hill. 2004.

Código de honor.

Nosotros declaramos haber realizado este trabajo con estricto apego al código

de honor de la UDEM.