SERVICIOS

Diseño & Desarrollo

BIOMECÁNICA

Implantes e Instrumental

SPIN OFF

Patentes

DEPARTAMENTO

DE INGENIERÍA

MECÁNICA

1999 – 2009 ACTIVIDADES IN

VE

ST

IGA

CIÓ

N

&

DE

SA

RR

OL

LO

CIRUGÍA

ORTOPÉDICA

CIRUGÍA

CARDIOVASCULAR

BIOMATERIALES

SE

RV

ICIO

S BIOMEDICOS

OTROS

ABORDAJE

DE MÍNIMA

INVASIÓN

DEPARTAMENTO INGENIERÍA MECÁNICA

grupo adjunto

LABRET-UMA

tejidotitanio educatkibsMotiva

tejidotejidotitaniotitanio educaeducatkibstkibsMotivaMotiva

www.motivando.me

www.ciber-bbn.es

3 AREAS DE

DESARROLLO

PARA

RECONSTRUIR

TEJIDO

Biomateriales

Más de cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantado algún tipo de prótesis

Los biomateriales están destinados a su fabricación

El campo de los biomateriales ha experimentado un espectacular avance en los últimos años

Una motivación importante ha sido el aumente de forma considerable de la esperanza de vida.

Biocompatibles, es decir no se produzcan reacciones no deseadas en la interfaz tejido-

material. El material será entonces tolerado y no tóxico. Tanto la tolerancia como la

toxicidad son función de la concentración de las distintas sustancias que componen un material.

Resistentes a los agentes químicos (fluidos fisiológicos -> corrosión) y a los estímulos

mecánicos (carga y roce -> rotura y desgaste ) para que puedan mantener sus prestaciones

durante el tiempo que tengan que estar en servicio.

Las partículas liberadas sean toleradas.

Biomateriales requerimientos

Poliméricos metálicos cerámicos

Biomateriales clasificación

Biomateriales poliméricos

.

•BASE QUÍMICA: H, C, O

• enormes variedad de compuestos

• muchas posibilidades de fabricación, fibras, tejidos, películas o bloques.

• naturales (Colágeno, Quitosano)

• sintéticos (Polietileno, Ácido Poliláctico, Poliglicólico, etc.)

• bioestables (Polietileno, Polimetilmetacrilato)

• Biodegradables (Ácido Poliláctico, Poliglicólico, Quitosano) EJEMPLOS: ampliamente utilizados en clínica en implantes quirúrgicos, como en membranas protectoras o en sistemas de dosificación de fármacos particular importancia tienen los cementos óseos acrílicos, que han encontrado importantes campos de aplicación, en particular, en traumatología

Biomateriales metálicos

• BASE QUÍMICA: Ti, Fe, Co, Ag, Ta, Pt, Au

• resistencia elevada

• modulo elástico mucho mas elevado que los tejidos biológicos

• son conductores eléctricos

• sufren corrosión, algunos se protegen con capas de oxido

EJEMPLOS: ampliamente utilizados en clínica en implantes quirúrgicos, sobretodo del aparato locomotor y cardio vascular.

Biomateriales cerámicos

• BASE QUÍMICA: C, Ca, O, Al, Si, P, Ti, Zr

• escasa resistencia mecánica

• modulo elástico mas elevado que los metales, muy frágiles

• no son conductores eléctricos

• no sufren corrosión

EJEMPLOS: ampliamente utilizados en clínica en implantes quirúrgicos, sobretodo del aparato locomotor, alumina y zirconio para superficies articulares de baja fricción, Hidroxiapatita como acabado superficial de metales y relleno óseo.

Biomateriales

Hidroxiapatita, Titanio spray

Hidroxiapatita, Titanio spray

Acero 316, Cr-Co-Mo, Titanio

Acero 316, Cr-Co-Mo, Titanio

Alumina, Zirconia, Cr-Co-Mo

Alumina, Zirconia, Polietileno

Poliglicólico Polietileno

Metilmetacrilato

TECNOLOGIA

SIMULACIÓN MECÁNICA

(FEM)

PROTOTIPADO RÁPIDO

INGENIERÍA INVERSA

ENSAYOS DE

PROTOTIPOS

DISEÑO MECÁNICO

ELECTROSPINNING

TECNOLOGÍA LÁSER

MECANIZADO POR

ARRANQUE DE VIRUTA

ELECTRON BEAM

MELTING

12

Diseño

Fase conceptual

Acumular información

Lluvia de ideas

Análisis de problemas

Medios técnicos

Estudio ergonómico

Concepto básico verificación

NO

SI

Fase de desarrollo

FASES DEL DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MÉDICO-SANITARIOS

DISEÑO PROTOTIPO FABRICACIÓN

EX

PLO

TA

CIÓ

N

C

OM

ER

CIA

L

DISEÑO DE

CONCEPTO

PROTOTIPO

FUNCIONAL

MODELADO 3D

Y CÁLCULO

SATISFACE

EL DISEÑO?

ENSAYOS

CLÍNICOS ENSAYO

MECÁNICO

FABRICACIÓN

SERIE CORTA

SATISFACE

EL ENSAYO?

MODIFICACION

DE DISEÑO

MARCADO CE

DEL PRODUCTO

BUSQUEDA DE

FABRICANTE

MODIFICACIÓN

DE DISEÑO

IDEA

SI

PROTOTIPO

RÁPIDO SI

SATISFACE

EL ENSAYO? SI

OPTIMIZACIÓN

DE COSTES: ADAPTACIÓNES,

MOLDES, MATRICES

ENSAYO

CLÍNICO

La herramienta principal

Plataforma CAD/CAM Lápiz

Computer

Aided

Design /

Manufacturing

Ejemplos de aplicaciones: estudio de porosidad ( parametrizado)

Ejemplos de aplicaciones: cálculo mecánico.

Ejemplos de aplicaciones: estudio de estructura reticulada (ramificación )

Ejemplos de aplicaciones: visualización

Ejemplos de aplicaciones: concreto

Video técnica quirúrgica tatto

Técnicas de

fabricación

PROCESOS DE FABRICACIÓN TRADICIONALES:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

•Arranque de material.

•Taladrado.

•Fresado.

•Torneado.

•Conformación o deformación

plástica.

•Laminación.

•Forja.

•Extrusión.

•Estirado.

•Conformado de chapa.

•Moldeo.

•Fundición.

•Inyección.

•Soplado.

•Pulvimetalurgia (sinterizado).

•Electroerosión.

•Soldadura.

PROCESOS DE ACABADO:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

•Tratamientos térmicos.

•Temple.

•Revenido.

•Recocido.

•Nitruración.

•Cementación.

•Tratamientos superficiales (acabado).

•Abrasivos.

•Pulido.

•Arenado.

•Granallado.

•Eléctricos.

•Electropulido.

PROCESOS DE FABRICACIÓN MANUALES

ACTUALIDAD:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

CNC (Control Numérico por Computadora):

•Años 50: nuevas necesidades, nuevos retos.

•Geometrías más complejas.

•Automatización de procesos.

•Repetibilidad.

•Desarrollo de la tecnología informática.

PROCESOS DE FABRICACIÓN

CNC (Control Numérico por Computadora):

•Años 90-2000:

•Máquinas multipropósito.

¿Puede fabricarse todo lo que se diseña?:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

FABRICACIÓN ADITIVA:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

•Fabricación directa de un archivo CAD.

•Inicialmente, en plástico; actualmente, también metales.

•Diversas tecnologías: FDM, Estereolitografía, SLS, EBM, etc.

FABRICACIÓN ADITIVA:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

FABRICACIÓN ADITIVA:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

FABRICACIÓN ADITIVA:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

FABRICACIÓN ADITIVA:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

FABRICACIÓN ADITIVA:

PROCESOS DE FABRICACIÓN

Video fabricación prótesis de cadera

ESTRUCTURAS TRABECULARES PARA

RECONSTRUIR Y ESTABILIZAR GRANDES

DEFECTOS ÓSEOS

www.motivando.me dmonopoli@itccanarias.org

EVOLUCIÓN PROTÉSICA

vista interna

vista externa

¿Que hacer con los fracasos protésicos o los grandes defectos óseos?

no siempre hay hueso de buena calidad para un anclaje más profundo

Tipo 2A

Defectos femorales

Tipo 1 Tipo 3

Tipo 2C

Tipo 2B

CASO 1 CASO 2 CASO 3 CASO 4

CASO 5

CASO 4

COMPARATIVA: CASO 5 LÍMITE ELÁSTICO 120 N/mm²

VÁST. RANURADO

FIJACIÓN 65mm

VÁST. RANURADO

FIJACIÓN 75mm

VÁST. ENCERROJ.

FIJACIÓN 65mm

VÁST. RANURADO

APERTURA CÓNICA

DISEÑO AVANZADO Conclusiones 1. Fijación distal mínima 6 cm

2. Fijación proximal lo que se pueda

3. Pasar el istmo con el implante

Alternativas?

… una nueva generación de prótesis

• Utilizar solo el espacio necesario para asegurar una

estabilidad mecánica dejando cuanto más espacio libre

posible para la regeneración ósea

• Tener una elasticidad optima para mejorar la distribución

de tensiones en el hueso intentando evitar fracturas.

• Regeneración de tejido en el espacio dejado libre en

proximidad del implante

• Osteo-integración del implante

DISEÑO CONCEPTUAL

de una nueva generación de prótesis

ELECTRON BEAM MELTING

HIPERBIO

FUSIÓN POR CAPA CON RAYO DE ELECTRONES

UN SALTO TECNOLÓGICO PARA SOLUCIONES

ÓPTIMAS Y PERSONALIZADAS

VENTAJAS

• no existen limitaciones geométricas

• se adapta a las geometrías anatómicas

• optimiza las prestaciones mecánicas

• reduce tiempos y costes de fabricación

• el cambio de diseño no afecta al coste

se presta para implantes a medida

51

HIPERBIO

Approvals for custom made implants

design and manufacturing in Europe

ESTRUCTURAS METÁLICAS DE SOPORTE Polvo: Ti6Al4V ELI, CrCoMo, 316,

Proceso de fabricación: fusión capa a capa por rayo de electrónes

Rango de dimensiones: milimetrico

A partir de 0,5 mm

Optimo 0,7-1,2 mm

A partir de 0,5 mm

optimo 1- 4 mm

inducir el crecimiento óseo en el espacio

dejado libre es lo que marca la diferencia

55

… y se pueden fabricar estructuras

células paciente

ESQUEMA DE TRABAJO

implantación

imágenes diseño

fabricación

planificación

RECONSTRUCCIONES SUPERFICIALES

58

RECONSTRUCCIÓNES PROFUNDAS

HIPERBIO

MINIMALLY INVASIVE PRIMARY IMPLANTS

preserving bone in young adults

imágenes

diseño

bioreactor funcional

planificación

células

engineered

bone - graft

pacientes

Estímulos

Factores

Nutrientes

fabricación

FDM

EBM

ELECTROSPINNING

ESQUEMA DE TRABAJO

Medicina regenerativa = ingeniería de tejido

La Ingeniería de tejidos, también conocida como medicina regenerativa

se sirve de la combinación de la biología celular y los métodos de

ingeniería (materiales, microfabricación, robótica) para reparar o

reemplazar parcial o totalmente tejidos (por ejemplo hueso, cartilago,

válvula cardiaca, vejiga, etc.)

Diferenciación celular

osteogénesis condrogénesis miogénesis Estroma medular

Legamento – génesis

Osteoblasto transitorio

Condroblasto transitorio

Mioblasto Célula estromal

transitoria

Fibroblasto transitorio

Osteoblasto Condroblasto Fusión mioblasto

Osteocito Condrocito Miotúbulo Célula estromal

Fibroblasto

Hueso Cartílago Músculo Médula Tendón/ Ligamento

Diferenciación celular

Células mesenquimales

Un entorno organizado

tejido titanio educa tkibs Motiva

www.motivando.me

para enfrentarse a nuevos retos

La cirugía de mínima invasión

La cirugía reconstructiva

La medicina regenerativa

diseño dispositivos

simulación quirúrgica

Ingeniería de tejido

cirugía asistida

prototipado

Ensayos in-vivo

Tratamientos superifcales

Planificación quirúrgica

ME

DIC

INA

TECNOLOGÍA

Motiva estructura

ingeniería de

tejido

dispositivos

implantables

formación y

entrenamiento

servicios tecnológicos

intensivos en

conocimiento

El ITC como elemento de conexión

RECURSOS HUMANOS INVOLUCRADOS

simulación células diseño

histología mecatrónica fabricación

aproximadamente 45 personas involucradas directamente en MOTIVA

objetivo

aprovechar al máximo las capacidades

existentes en canarias, coordinarlas y

complementarlas para impulsar:

•la sanidad local ( pacientes, economía, formación)

•la economía local (diversificar, el conocimiento como oportunidad)

•nuestra presencia en España y en Europa (alcanzar masa crítica)

Poner imagen y texto de cursos realizados y colaboraciones puntuales

con empresas (cordis, mentice, …)

Dr. Alfredo Santana

Dr. Alexis Quesada Instituto Universitario de Cibernética

Catd.ª Carmen Évora Grupo Sistemas Liberación Sustancias

Ingeniería Química y Tecno. Farmaceutica

Dr. A . Santana CABIMER Sevilla

SCAFFOLDS POLIMÉRICOS BIODEGRADABLES: FDM

SCAFFOLDS POLIMERICOS BIODEGRADABLES:

ELECTROSPINNING

DESARROLLO DE NUEVOS PROCESOS:

ELECTROSPINNING + FDM

+

=

Dr. Alejandro Yanez

Dep. Ingeniería Mecánica

Dr. A. Facchini

Dip. Ingegneria Tissutale

Dr. A. Crovace

Dip. Emergenza Trapianti Organi

Dr. J. Becerra LABRET Málaga

COLABORACIONES EN MARCHA PARA ALCANZAR LOS OBJETIVOS

experimentación con ovejas

Cultivo celular y señalización

FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS Y SERIES CORTAS

16 trabajos realizados

Nitruración de fibras nanocristalinas de óxido de titanio Materiales Cerámicos y Pilas de Combustible. Dpto. Química Inorgánica

Celda de cultivo multicapa para biorreactor funcional en 3D

Instituto de Ciencias y Tecnologías Cibernéticas

Red de Terapia Celular

Scaffolds poliméricos electrohilados. Scaffolds poliméricos

mediante FDM

Sistemas de Liberación de Sustancias Activas.

DISEÑO Y DESARROLLO DE DISPOSITIVOS

Logros:

Crecimiento de axones de neuronas en polímeros sintéticos

elaborados por electrohilado.

Próximo reto:

Fabricar tubos de electrohilado que se implantarán en los

cabos de nervios lesionados, añadiendo posteriomente,

células gliales, factores de crecimiento y moléculas que ayuden

a restablecer la reconexión nerviosa.

Objetivo final:

Recuperar nervios periféricos lesionados y reconstruir matrices

susceptibles de restablecer traumatismos en Sistema Nervioso

Central (médula espinal- para-tetraplegias-, nervio óptico)

Scaffolds poliméricos electrohilados de alta orientación para

regeneración de tejido neuronal

Grupo de investigación de Neurogliociencia y Reparación axonal ULPGC

Dra. Maximina Monzón Mayor

DISEÑO Y DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MECÁNICOS

Implante acetabular poroso para perros (realizados 2 implantes)

Clínica de los Tarahales, Dr. Alejandro Artiles.

Solución: Acetábulos porosos, cuya estructura reticulada incrementa la osteointegración del implante.

TRATAMIENTO ARTROSCÓPICO OSTEOCONDRITIS DE ASTRÁGALO

técnica desarrollada con el Dr. Javier Ara (12 casos clínicos en el HUC)

Primeros casos en el 2011 en:

•Hospital S. Juan De Díos de Tenerife

•Clínica Asepeyo de Sevilla

SPM scanning probe microscopy

microscopía de efecto túnel STM scanning tunnelling microscopy

AFM mirar e interactuar

muchas gracias

dmonopoli@itccanarias.org

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