Práctica impartida por Donato Monopoli en el tramo de Física y Tecnología Médica durante el curso 2011-2012 en la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. www.cdyte.com www.motivando.me www.ulpgc.es

1. BIOMECÁNICA
Implantes e Instrumental
DEPARTAMENTO
SPIN OFF
Patentes DE INGENIERÍA
MECÁNICA
SERVICIOS
Diseño & Desarrollo

2. ACTIVIDADES 1999 – 2009
CIRUGÍA
ORTOPÉDICA
INVESTIGACIÓN
DESARROLLO
ABORDAJE
CIRUGÍA
&
DE MÍNIMA
CARDIOVASCULAR
INVASIÓN
BIOMATERIALES
BIOMEDICOS
SERVICIOS
OTROS

3. DEPARTAMENTO INGENIERÍA MECÁNICA
tkibs titanio tejido educa
www.ciber-bbn.es Motiva grupo adjunto
LABRET-UMA
www.motivando.me

4. 3 AREAS DE
DESARROLLO TEJIDO
PARA
RECONSTRUIR

5. 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.

6. Biomateriales requerimientos
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.

7. Biomateriales clasificación
Poliméricos
metálicos
cerámicos

8. 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

9. 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.

10. 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.

11. Biomateriales
Hidroxiapatita, Titanio spray
Acero 316, Cr-Co-Mo, Titanio
Alumina, Zirconia, Polietileno
Alumina, Zirconia, Cr-Co-Mo
Hidroxiapatita, Titanio spray
Metilmetacrilato
Acero 316, Cr-Co-Mo, Titanio
Poliglicólico
Polietileno

12. TECNOLOGIA MECANIZADO POR
ARRANQUE DE VIRUTA
DISEÑO MECÁNICO
TECNOLOGÍA LÁSER
INGENIERÍA INVERSA
ELECTROSPINNING
SIMULACIÓN MECÁNICA
(FEM) ENSAYOS DE
PROTOTIPOS
PROTOTIPADO RÁPIDO
ELECTRON BEAM
MELTING
12

13. Diseño

14. Fase conceptual
Acumular información
Lluvia de ideas
Análisis de problemas
Medios técnicos
Estudio ergonómico
NO
Fase de desarrollo
SI
Concepto básico verificación

15. FASES DEL DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MÉDICO-SANITARIOS
ENSAYO
DISEÑO PROTOTIPO CLÍNICO FABRICACIÓN
EXPLOTACIÓN
COMERCIAL
IDEA
DISEÑO DE PROTOTIPO FABRICACIÓN MARCADO CE
CONCEPTO FUNCIONAL SERIE CORTA DEL PRODUCTO
MODELADO 3D ENSAYO ENSAYOS BUSQUEDA DE
Y CÁLCULO MECÁNICO CLÍNICOS FABRICANTE
PROTOTIPO SATISFACE SATISFACE OPTIMIZACIÓN
RÁPIDO EL ENSAYO? SI EL ENSAYO? SI DE COSTES:
ADAPTACIÓNES,
MOLDES, MATRICES
SATISFACE MODIFICACIÓN MODIFICACION
EL DISEÑO? SI DE DISEÑO DE DISEÑO

16. La herramienta principal
Lápiz Plataforma CAD/CAM
Computer
Aided
Design /
Manufacturing

17. Ejemplos de aplicaciones: estudio de porosidad ( parametrizado)

18. Ejemplos de aplicaciones: cálculo mecánico.

19. Ejemplos de aplicaciones: estudio de estructura reticulada (ramificación )

20. Ejemplos de aplicaciones: visualización

21. Ejemplos de aplicaciones: concreto

22. Video técnica quirúrgica tatto

23. Técnicas de
fabricación

24. PROCESOS DE FABRICACIÓN
PROCESOS DE FABRICACIÓN TRADICIONALES:
•Arranque de material. •Moldeo.
•Taladrado. •Fundición.
•Fresado. •Inyección.
•Torneado. •Soplado.
•Pulvimetalurgia (sinterizado).
•Conformación o deformación
plástica. •Electroerosión.
•Laminación.
•Forja. •Soldadura.
•Extrusión.
•Estirado.
•Conformado de chapa.

25. PROCESOS DE FABRICACIÓN
PROCESOS DE ACABADO:
•Tratamientos térmicos.
•Temple.
•Revenido.
•Recocido.
•Nitruración.
•Cementación.
•Tratamientos superficiales (acabado).
•Abrasivos.
•Pulido.
•Arenado.
•Granallado.
•Eléctricos.
•Electropulido.

26. PROCESOS DE FABRICACIÓN MANUALES
ACTUALIDAD:

27. 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.

28. PROCESOS DE FABRICACIÓN
CNC (Control Numérico por Computadora):
•Años 90-2000:
•Máquinas multipropósito.

29. PROCESOS DE FABRICACIÓN
¿Puede fabricarse todo lo que se diseña?:

30. PROCESOS DE FABRICACIÓN
FABRICACIÓN ADITIVA:
•Fabricación directa de un archivo CAD.
•Inicialmente, en plástico; actualmente, también metales.
•Diversas tecnologías: FDM, Estereolitografía, SLS, EBM, etc.

31. PROCESOS DE FABRICACIÓN
FABRICACIÓN ADITIVA:

32. PROCESOS DE FABRICACIÓN
FABRICACIÓN ADITIVA:

33. PROCESOS DE FABRICACIÓN
FABRICACIÓN ADITIVA:

34. PROCESOS DE FABRICACIÓN
FABRICACIÓN ADITIVA:

35. PROCESOS DE FABRICACIÓN
FABRICACIÓN ADITIVA:

36. Video fabricación prótesis de cadera

37. ESTRUCTURAS TRABECULARES PARA
RECONSTRUIR Y ESTABILIZAR GRANDES
DEFECTOS ÓSEOS
www.motivando.me dmonopoli@itccanarias.org

38. EVOLUCIÓN PROTÉSICA
vista interna
vista externa

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

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

44. Defectos femorales
Tipo 1 Tipo 2B Tipo 3
CASO 5
Tipo 2A Tipo 2C
CASO 1 CASO 2 CASO 3 CASO 4

45. CASO 4

46. VÁST. RANURADO VÁST. RANURADO VÁST. ENCERROJ. VÁST. RANURADO
FIJACIÓN 65mm FIJACIÓN 75mm FIJACIÓN 65mm APERTURA CÓNICA
COMPARATIVA: CASO 5
LÍMITE ELÁSTICO 120 N/mm²

47. Conclusiones
DISEÑO AVANZADO
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

48. DISEÑO CONCEPTUAL
de 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

49. ELECTRON BEAM MELTING
HIPERBIO

50. FUSIÓN POR CAPA CON RAYO DE ELECTRONES
UN SALTO TECNOLÓGICO PARA SOLUCIONES
ÓPTIMAS Y PERSONALIZADAS

51. 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

52. Approvals for custom made implants
design and manufacturing in Europe
HIPERBIO

53. 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 de0,5 mm
Optimo 0,7-1,2 mm
0,5 mm
A partir de
optimo 1- 4 mm

54. inducir el crecimiento óseo en el espacio
dejado libre es lo que marca la diferencia

55. … y se pueden fabricar estructuras
55

56. ESQUEMA DE TRABAJO
imágenes planificación diseño
paciente células
fabricación
implantación

57. RECONSTRUCCIONES SUPERFICIALES

58. RECONSTRUCCIÓNES PROFUNDAS
58

59. MINIMALLY INVASIVE PRIMARY IMPLANTS
preserving bone in young adults
HIPERBIO

60. ESQUEMA DE TRABAJO
diseño
imágenes
planificación
pacientes células fabricación
EBM
Estímulos
Factores
Nutrientes
ELECTROSPINNING
engineered
bone - graft
FDM
bioreactor funcional

61. 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.)

62. Diferenciación celular

63. Diferenciación celular
Células mesenquimales
osteogénesis condrogénesis miogénesis Estroma Legamento –
medular génesis
Osteoblasto Condroblasto Mioblasto Célula Fibroblasto
transitorio transitorio estromal transitorio
transitoria
Osteoblasto Condroblasto Fusión
mioblasto
Osteocito Condrocito Miotúbulo Célula Fibroblasto
estromal
Hueso Cartílago Músculo Médula Tendón/
Ligamento

64. Un entorno organizado
para enfrentarse a nuevos retos
tkibs titanio tejido educa
Motiva
La cirugía de mínima invasión
La cirugía reconstructiva
La medicina regenerativa
www.motivando.me

65. estructura Motiva
EDICINA
diseño dispositivos
prototipado
Ingeniería de tejido
Planificación quirúrgica
Ensayos in-vivo
simulación quirúrgica
cirugía asistida
Tratamientos superifcales
TECNOLOGÍA

66. formación y
entrenamiento
ingeniería de
tejido
dispositivos
implantables
servicios tecnológicos
intensivos en
conocimiento
El ITC como elemento de conexión

67. RECURSOS HUMANOS INVOLUCRADOS
simulación células diseño
histología mecatrónica fabricación
aproximadamente 45 personas involucradas directamente en MOTIVA

68. 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)

70. Poner imagen y texto de cursos realizados y colaboraciones puntuales
con empresas (cordis, mentice, …)

71. Dr. Alfredo Santana
Dr. Alexis Quesada
Instituto Universitario de Cibernética

72. Dr. A . Santana CABIMER Sevilla
Catd.ª Carmen Évora
Grupo Sistemas Liberación Sustancias
Ingeniería Química y Tecno. Farmaceutica

73. SCAFFOLDS POLIMÉRICOS BIODEGRADABLES: FDM

74. SCAFFOLDS POLIMERICOS BIODEGRADABLES:
ELECTROSPINNING

75. DESARROLLO DE NUEVOS PROCESOS:
ELECTROSPINNING + FDM
+
=

76. Dr. J. Becerra LABRET Málaga
Dr. A. Facchini
Dip. Ingegneria Tissutale
Dr. A. Crovace
Dip. Emergenza Trapianti Organi
Dr. Alejandro Yanez
Dep. Ingeniería Mecánica

77. COLABORACIONES EN MARCHA PARA ALCANZAR LOS OBJETIVOS
experimentación con ovejas
Cultivo celular y señalización

78. FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS Y SERIES CORTAS
16 trabajos realizados

79. 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.

80. DISEÑO Y DESARROLLO DE DISPOSITIVOS
Scaffolds poliméricos electrohilados de alta orientación para
regeneración de tejido neuronal
Grupo de investigación de Neurogliociencia y Reparación axonal ULPGC
Dra. Maximina Monzón Mayor
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)

81. 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.

82. 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

89. SPM scanning probe microscopy

91. microscopía de efecto túnel
STM scanning tunnelling microscopy

93. AFM mirar e interactuar

97. muchas gracias
www.motivando.me
dmonopoli@itccanarias.org