Polímeros: biomateriales, propiedades físicas y aplicaciones en medicina

Polímeros en Biomateriales y Aplicaciones Médicas

Polímeros M. en C. María Monserrat Díaz Hernández

• Catéter (drenajes)
• Prótesis de oído
• Prótesis oculares
• Tubos de regeneración de nervios
• Rinoplastias (cartílago y hueso)
• Válvulas cardiacas
• Prótesis de mama
• Protesis vasculares
• Pieles artificiales
• Redes protectoras
• Prótesis de cadera
• Prótesis de tendones y ligamentos
• Prótesis de rodilla

Poseen una serie de propiedades únicas que los hacen útiles en una amplia variedad de aplicaciones de biomateriales, como ortopedia, odontología, reemplazos de tejidos duros y blandos y dispositivos cardiovasculares

Es la clase más utilizada para la fabricación de dispositivos médicos

Biomateriales para la Salud

Prótesis de Caderas

CHED Biomateriales para la salud: prótesis de caderas KNEshare

Hidroxiapatita

HIDROXIAPATITA Es la matriz mineral que se encuentra en nuestros huesos

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Molécula del Polímero

Alto Peso Molecular

Molécula del polímero O1 Alto peso molecular Una sola molécula de polímero podría tener un peso molecular de 200.000 Da

Estructura Molecular

Estructura molecular Linear Polymers Branched Polymers Crosslinked Polymers Networked Polymers 02. Estructuras Lineales, copolímero de bloque, polímero de bloque, red polímerica.

Estructura Química de las Moléculas

Estructura química de las moléculas H Me H Me H Me H Me H Me H Me H Me H H H HH HH HH HH HH H Isotactic PP H Me Me H Me Me HH Me Me H H HH HHHH Syndiotactic PP Me HH Me H Me H Me Me H H Me V HH H Atactic PP La estructura se va repitiendo una y otra ves Serie de enlaces simples de carbono-carbono., con átomos de hidrógeno y grupo metilo colgantes La cadena de polímero está compuesta por muchos grupos -(-CH 2-CHCH 3-)- unidos covalentemente de extremo a extremo. . HHHHH HHHH HH HHH

Repeticiones Comunes de Polímeros

Eteno y Polietileno

Repeticiones más comúnes H H C=C H H Eteno I-O-I I-O-I n Polietileno

Propileno y Polipropileno

H H 1- C=C H CH3 Propileno Polimerización Ziegler - Natta H H 1 1 IC-CL_ o Catálisis por metaloceno H CH3 Polipropileno

Cloruro de Vinilo y Poli(cloruro de vinilo)

Repeticiones más comúnes H H C=C - H Cl free radical vinyl polymerization H H - I C-CI -0 H Cl vinyl chloride poly(vinyl chloride)

Metacrilato de Metilo y Poli(metacrilato de metilo)

H CH3 free radical vinyl polymerization CH3 C=C ICH2-CI C=0 H C=0 0 0 CH3 CH3 methyl methacrylate poly(methyl methacrylate)

Tereftalato de Polietileno

Repeticiones más comúnes Polyethylene terephthalate 123RF 0 231 O O O O (@)123RF (C10 H3O4)n n

Nylon 6,6

0 Cl Cl H2N II 0 adipoyl chloride hexamethylene diamine 0=U H ー .N4 =0 I-Z nylon 6,6 .NH2 C +

Celulosa

Repeticiones más comúnes OH OH O O -0 O O HO OH HO OH n celulosa

Copolímeros

Copolímeros Sintetizar polímeros que contiene más de una unidad repetitiva químicamente distinta

• A. -AAAAAAAAAAAAA- Homopolymer
• AABABBBAABBAB. Random copolymer
• ----- ABABABABABA ---... Alternating copolymer
• -AAAABBBBBAAAA Block copolymer
• H H H B B ---- Graft copolymer F F F LL- Teflon C-C-co- C-C- F FFF
• B. Poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) random copolymer
• O CH3 0 C-CH-Oco C-CH2-O 1 Poly(lactide-co-glycolide) random copolymer

Determinación de la Composición Química

Espectroscopia de Resonancia Magnética

Determinación de la composición química Espectroscopia de resonancia magnética Los protones 1H y 13C se excitan a un estado de energía más alto a través de una ráfaga de radiación de radiofrecuencia. Los núcleos se relajan a un estado de energía más bajo que se mide como una señal eléctrica. A través del análisis de la ubicación y la intensidad de los picos, se puede determinar la estructura química de las moléculas.

Espectroscopia Infrarroja

Espectroscopia infrarroja El espectro IR se crea al representar gráficamente la absorbancia en función de la longitud de onda.

Peso Molecular de Polímeros

Peso molecular Peso molecular esta dado por el peso de las moléculas y el número de moles de moléculas Wi = Ni*Mi La distribución del peso molecular y promedios Polimerización: Se construyen cadenas de polímeros a partir de monómeros de bajo peso molecular. La mayoría de los polímeros tienen una distribución de pesos moleculares. Ejemplo: Polimerización del polietileno. H H HH C=C 1 H H H H n Eteno Polietileno

Valores Promedio de Peso Molecular

Por lo tanto ... Un polímero se debe describir por diferentes valores de promedio de peso molecular Number Average (Mn) Weight Average (Mw) ΣΝΜ. 2 Mn= ΣΝΜ. Mw= Mn: peso molecular promedio en número Mw: peso molecular promedio en peso N: es el número de moléculas M: peso molecular de una cadena de polímero Mw>=Mn Cuanto mayor sea el peso molecular promedio, más resistente será un material polimérico. La viscosidad de fusión también aumenta lo que dificulta el procesamiento del material.

Índice de Polidispersidad (PDI)

Índice de polidispersidad PDI = Mw/Mn Mn: peso molecular promedio en número Mw: peso molecular promedio en peso Si el PDI = 1, los pesos moleculares promedio en número y promedio en peso son idénticos, lo que significa que la muestra de polímero es monodispersa. Para la mayoría de los polímeros de condensación, el PDI es aproximadamente 2.

Ejemplo de Cálculo de PDI

Ejemplo Una muestra polidispersa de poliestireno se prepara mezclando tres muestras monodispersas en las siguientes proporciones: 1g = 10,000 peso 2g = 50,000 peso 2 g = 100,000 peso 3 3 Mn = == 1 3 Σ Ν; i=1 3 i=1 ΣWi i=1 (W1/M;) 3 E W;Mi i=1 1+2+2 =31,250 2 + 100,000 3 ΣΝ;Μί 2 = 62,000 Mw = i=1 3 E W; i=1 =1.98 PDI = 3 Σ Ν;Μ; i=1 Mw Mn 62,000 31,250 + 1 10,000 2 50,000 10,000+2(50,000)+2(100,000) 5 1

Comportamiento Físico y Características Químicas

Comportamiento físico con las características químicas Rigidez de la cadena Composición o polaridad de la cadena Estados físicos de los polímeros Las interacciones intermoleculares que ocurren entre moléculas de polímero individuales Arquitectura o regularidad de la cadena Peso molecular

Estado Gomoso

Comportamiento físico con las características químicas Estado gomoso Las espirales aleatorias tienen suficiente energía térmica para que se produzca una rotación alrededor de los enlaces simples. Macroscópicamente, estos materiales son blandos, flexibles y extensibles

Estado Vítreo

Estado vitrio La velocidad de rotación alrededor de los enlaces principales de una cadena de polímero se vuelve cada vez más lenta, y la cadena se vuelve cada vez más rígida. Temperatura de transición vítrea (Tg) disminuye la rotación. Es duro, rígido y quebradizo.

Estado Semicristalino

Comportamiento físico con las características químicas Wound Drainage Reservoir WW OOF 0 Estado semicristalino Ciertos polímeros tienen la capacidad de compactarse en una red regular, lo que conduce a la formación de dominios cristalinos estables Dado que solo una parte de las largas cadenas de polímero pueden cristalizar (algunos segmentos no podrán compactarse en los cristalitos), este estado se denomina semicristalino. La parte cristalina deja de estar endurecida cuando se supera la temperatura de fusión cristalina Tm.

Comportamiento Físico de Polímeros Lineales y Amorfos

Comportamiento físico de polímeros lineales y amorfos. Se unen por interacciones secundarias como las fuerzas de London, interacciones dipolo- dipolo y enlaces de hidrogeno. Comportamiento físico más similar al de tejidos naturales.

• Catéter (drenajes)
• Prótesis de oído
• Prótesis oculares
• Tubos de regeneración de nervios
• Rinoplastias (cartílago y hueso)
• Válvulas cardiacas
• Prótesis de mama
• Protesis vasculares
• Pieles artificiales
• Redes protectoras
• Prótesis de cadera
• Prótesis de tendones y ligamentos
• Prótesis de rodilla

Curva de Tensión - Deformación

Curva de tensión - deformación E' D Esfuerzo último -> E Esfuerzo de fluencia B C Fractura Limite de proporcionalidad 0 S Región lineal Plasticidad perfecta o fluencia Endurecimiento por deformación Estricción

Propiedades Físicas y Absorción de Agua de Biomateriales Poliméricos Comunes

TABLE 1.2.2.1 Physical Properties and Equilibrium Water Absorption of Common Polymeric Biomaterials Material Tensile Modulus (GPa) Tensile Strength (MPa) Elongation at Break (%) Water Absorption (%) Polyethylene (PE) 0.8-2.2 30-40 130-500 0.001-0.02 Poly(methyl methacrylate) 3-4.8 38-80 2.5-6 0.1-0.4 (PMMA) Polytetrafluoroethylene (PTFE) 1-2 15-40 250-550 0.1-0.5 Polylactide 3.4 53 4.1 <0.5 (PLA) Poly(hydroxyethyl methacrylate)+ (PHEMA) 0.29 0.15 71 40 Polypropylene (PP) 1.6-2.5 21-40 100-300 0.01-0.035 Poly(ethylene terephthalate) (PET) 3-4.9 42-80 50-500 0.06-0.3

Módulo de un Polímero como Función de la Temperatura

Modulo de un polímero como función de la temperatura. (A) 10 Linear amorphous Log of modulus (Pa) Semi-crystalline Crosslinked 5 T. Tmn

Cristalinidad en Polímeros

Cristalinidad en Polímeros · Cristalinidad: Afecta la densidad, la resistencia mecánica y la estabilidad térmica · Grado de cristalinidad: Proporción de un polímero que es cristalina en comparación amorfa. Polímero de estructura amorfa Polímero de estructura cristalina

Técnicas de Caracterización de Polímeros

Difracción de Rayos X

Técnicas de caracterización Difracción de Rayos X Cuando una muestra de polímero se expone a rayos X, se mide la dispersión de los rayos X en función del ángulo de dispersión. · Materiales Amorfos: Producen picos amplios y difusos en todos los ángulos. · Materiales Cristalinos: Generan picos agudos en ángulos específicos, lo que indica estructuras ordenadas. PMMA Puro PMMA/Grafite (10%) - PMMA/Grafite (20%) PMMA/Grafite (30%) Intensidade (u.a) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 20

Medición de Densidad

Técnicas de caracterización Medición de densidad La densidad de un polímero es mayor cuando tiene un grado más alto de cristalinidad, ya que las regiones cristalinas se empaquetan más densamente que las amorfas.

Espectroscopía Infrarroja

Espectroscopía infrarroja Esta técnica se puede utilizar para identificar grupos funcionales específicos y sus interacciones dentro de las regiones cristalinas, ofreciendo una visión del grado de cristalinidad. 100 B Transmitancia (%) 90 80 1650 C=0-20 C=0 70 4000 3000 2000 1500 1000 450 Número de onda (cm-1)

Síntesis de Polímeros

Mecanismos de Polimerización

Síntesis de polímeros Mecanismos de polimerización Condensación y por adición

Ejemplos de Reacciones Orgánicas Comunes

TABLE 1.2.2.3 Examples of Common Organic Reactions Reactants Product R-OH + R-O-CH2-CH2-OH Ether bond Alcohol epoxide 0 O R-OH + HO-C-R' Alcohol carboxylic acid O R-O-C-R' Ester bond O H R-C-OH + N-R' R-C-N-R' Amide bond H Carboxylic acid amine H H H R-N + O=CN-R' R-N- O=0 C-N-R' Urea bond Amine isocyanate R-OH + O=C=N-R" O H I- Alcohol isocyanate R-O-C-N-R' Urethane bond I Z H

Síntesis de Polímeros por Condensación

Síntesis de polímeros Mecanismos de polimerización Condensación y por adición (A) Condensation reaction of ethylene glycol and dimethyl terephthalate to produce a repeat unit of poly(ethylene terephthalate) and the byproduct methanol. O O HO-CH2-CH2 -OH + CH3 -0-C C -0-CH3 O O 0-C C-0-CH2-CH2- (B) Condensation reaction of adipic acid and hexamethylenediamine to produce a repeat unit of Nylon 6,6. First a Nylon salt is formed to ensure equimolar amounts of monomer. The Nylon salt is then polymerized to Nylon 6,6. Often acetic acid is used during synthesis to control molecular weight and thus act as a viscosity stabilizer. O O 0=0 0=0 HO-C-(CH2)4-C-OH + H2N-(CH2)5-NH2 "0-C-(CH2)4-C-O"+H3N-(CH2)6-NH3+ Nylon salt H Nylon salt + Acetic acid O O H C-(CH2)4-C-N-(CH2)5-N Condensación Se utilizan monómeros monofuncionales (solo un grupo funcional)