{"id":66,"date":"2012-01-20T11:03:43","date_gmt":"2012-01-20T10:03:43","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/?p=66"},"modified":"2012-05-25T22:37:34","modified_gmt":"2012-05-25T21:37:34","slug":"la-ingenieria-de-materiales-y-las-valvulas-cardiacas-i","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/2012\/01\/20\/66\/","title":{"rendered":"La Ingenier\u00eda de Materiales y las v\u00e1lvulas cardiacas (I)"},"content":{"rendered":"

Por Jos\u00e9 Miguel Atienza <\/a>, <\/strong> Dr. Ing. de Caminos, Canales y Puertos, e Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid)<\/p>\n

La v\u00e1lvula a\u00f3rtica, con su cierre y apertura c\u00edclicos, permite que el coraz\u00f3n bombee el flujo sangu\u00edneo suficiente para garantizar la respiraci\u00f3n celular y las diversas funciones del metabolismo. Para hacerse una idea de la importancia de su comportamiento mec\u00e1nico, es f\u00e1cil calcular aproximadamente cu\u00e1ntas veces se ha abierto y cerrado una v\u00e1lvula a\u00f3rtica durante la vida de una persona de ochenta a\u00f1os: cerca de 3.000 millones de ciclos. Se trata, por tanto, de un dise\u00f1o mec\u00e1nico con un extraordinario comportamiento en fatiga.<\/p>\n

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Figura 1. Esquema de la v\u00e1lvula a\u00f3rtica. \u00a92009. Nucleus Medical Media, Inc.<\/figcaption><\/figure>\n

Las pr\u00f3tesis valvulares cardiacas sustituyen a las v\u00e1lvulas nativas que han sufrido un da\u00f1o irreparable en su funci\u00f3n o que gen\u00e9ticamente son defectuosas. Existen dos tipos de v\u00e1lvulas: artificiales (o mec\u00e1nicas) y biol\u00f3gicas.<\/p>\n

Las pr\u00f3tesis mec\u00e1nicas est\u00e1n formadas por oclusores r\u00edgidos en cuya fabricaci\u00f3n no se incluye el uso de material biol\u00f3gico. Son seguras y resistentes, pero precisan tratamientos anticoagulantes de por vida, con su correspondiente medicaci\u00f3n y control peri\u00f3dico, por lo que s\u00f3lo pueden usarse en pa\u00edses con un gran desarrollo sanitario. En este post nos centraremos en los dise\u00f1os y materiales que se utilizan para fabricar dichas v\u00e1lvulas, dejaremos para otro las v\u00e1lvulas biol\u00f3gicas.<\/p>\n

V\u00e1lvulas Mec\u00e1nicas<\/strong><\/p>\n

El misterio que ha rodeado al coraz\u00f3n ha condicionado que hasta finales del siglo XIX no se realizaran sobre \u00e9l las primeras suturas. La primera pr\u00f3tesis valvular documentada fue la v\u00e1lvula de bola desarrollada por Charles Hufnagel que se coloc\u00f3 en la aorta tor\u00e1cica descendente de un paciente en 1952, antes incluso del desarrollo de la circulaci\u00f3n extracorp\u00f3rea. Desde ese momento, la evoluci\u00f3n de las v\u00e1lvulas cardiacas se convirti\u00f3 en un apasionante recorrido de m\u00e1s de cincuenta a\u00f1os en el que medicina e ingenier\u00eda de materiales han trabajado de la mano.<\/p>\n

Desde el punto de vista de los materiales, como sucede en otras aplicaciones dentro del cuerpo humano, adem\u00e1s de una exigencia importante en propiedades mec\u00e1nicas, durabilidad y ligereza, existe un condicionante clave: los aspectos relacionados con la biocompatibilidad. En este caso, resulta fundamental que el material utilizado sea lo menos proclive posible a la formaci\u00f3n de trombos y coagulaci\u00f3n de la sangre.<\/p>\n

A finales de los a\u00f1os 50 hab\u00eda pocos materiales disponibles para su utilizaci\u00f3n en seres humanos: Dacron y Teflon (derivados del polietileno) en injertos vasculares; Silastic (caucho de silicona) para derivaciones en la hidrocefalia; Lucite (material acr\u00edlico) en la pr\u00f3tesis de aorta descendente; y acero inoxidable y Stellite (aleaci\u00f3n cobalto-cromo) en ortopedia. La gran revoluci\u00f3n lleg\u00f3 con el carb\u00f3n pirol\u00edtico (Pyrolyte o Pyrocarbon), descubierto en 1966 por J. Bokros, cuando investigaba un material para recubrimientos de combustible nuclear. El carb\u00f3n pirol\u00edtico es grafito bombardeado con \u00e1tomos de carb\u00f3n a muy altas temperaturas, un material casi tan duro como el diamante y con muy poco desgaste. Tiene una estructura similar al grafito, pero ciertas imperfecciones le permiten desarrollar enlaces fuertes entre las diferentes l\u00e1minas de grafeno. Pero su gran ventaja en este caso consiste en ser el material resistente menos trombog\u00e9nico (poco proclive a producir trombos o embolias) que se conoce, lo cual resulta clave para estas v\u00e1lvulas artificiales.<\/p>\n

Tipos de v\u00e1lvulas mec\u00e1nicas<\/strong><\/p>\n

Actualmente se distinguen tres tipos de pr\u00f3tesis mec\u00e1nicas seg\u00fan su dise\u00f1o, que determina el flujo de la sangre. A continuaci\u00f3n describimos los materiales m\u00e1s frecuentemente utilizados para cada una:<\/p>\n

– De bola: La m\u00e1s conocida es la v\u00e1lvula de Starr-Edwards (Fig. 2), la primera v\u00e1lvula mec\u00e1nica en implantarse de forma masiva. Originalmente estaba constituida por una jaula de Lucite, una bola de Silastic y un anillo de Teflon sobre soportes de acero. M\u00e1s tarde, la bola pas\u00f3 a ser de Stellite. La idea original para el dise\u00f1o de esta pr\u00f3tesis est\u00e1 basada en una patente de tap\u00f3n de botella de vino y, a pesar de las cr\u00edticas iniciales debidas a sus diferencias f\u00edsicas con la v\u00e1lvula a\u00f3rtica nativa, ha demostrado una durabilidad superior a los 40 a\u00f1os sin da\u00f1o estructural, por lo que a\u00fan sigue siendo utilizada.<\/p>\n

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Figura 2. V\u00e1lvula mec\u00e1nica de bola (Starr-Edwards)<\/figcaption><\/figure>\n

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– De disco basculante: Las pr\u00f3tesis de disco basculante mejoran el flujo, si bien se convierte en un flujo exc\u00e9ntrico. En 1970 se construy\u00f3 la pr\u00f3tesis de Bj\u00f6rk-Shiley (Fig. 3) en Stellite; inicialmente el disco se fabric\u00f3 con un pol\u00edmero (Delrin), pero pronto se sustituy\u00f3 por grafito recubierto con carb\u00f3n pirol\u00edtico. Otras pr\u00f3tesis de similares caracter\u00edsticas son: Lillehei-Kaster (titanio y el disco basculante en carb\u00f3n pirol\u00edtico, 1970), pronto sustituida por Lillehei-Medical (\u00edntegramente en carb\u00f3n pirol\u00edtico), Omniscience (1978), Omnicarbon (1984) o Medtronic-Hall (1977).<\/p>\n

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Figura 3. V\u00e1lvula mec\u00e1nica de disco vasculante (Bj\u00f6rk-Shiley)<\/figcaption><\/figure>\n

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– Bivalvas: La idea de las pr\u00f3tesis bivalvas es lograr un flujo central, que genera una hemodin\u00e1mica similar a la fisiol\u00f3gica. Para conseguirlo se utilizan dos valvas semicirculares conectadas al anillo por una bisagra de mariposa: en la apertura pivotan creando tres \u00e1reas de flujo, una central y dos perif\u00e9ricas, consiguiendo que las turbulencias sean m\u00ednimas y que el \u00e1rea valvular efectiva sea pr\u00e1cticamente la del anillo. En 1977 se implant\u00f3 la primera pr\u00f3tesis de St Jude, construida en carb\u00f3n pirol\u00edtico, dise\u00f1o que no se modific\u00f3 en 30 a\u00f1os. En 2002 St Jude Medical cubr\u00eda m\u00e1s del 50% del mercado de las pr\u00f3tesis valvulares y en 2007 se hab\u00edan implantado m\u00e1s de 2 millones de estas pr\u00f3tesis. En 1994 Bokros fund\u00f3 el Medical Carbon Research Institute (MCRI) para utilizar una forma de carbono isotr\u00f3pico puro con el que desarroll\u00f3 una nueva pr\u00f3tesis bivalva, la On-X, cuya trombogenicidad podr\u00eda ser menor que la del carb\u00f3n pirol\u00edtico (http:\/\/www.onxlti.com\/contract-manufacturing\/on-x-pyrolytic-carbon\/<\/a>).<\/p>\n

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Figura 4. V\u00e1lvula mec\u00e1nica bivalva (St. Jude Medical)<\/figcaption><\/figure>\n

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La evoluci\u00f3n de los dise\u00f1os de las pr\u00f3tesis mec\u00e1nicas y la utilizaci\u00f3n de nuevos materiales en su construcci\u00f3n han ido mejorando el funcionamiento hemodin\u00e1mico y la durabilidad. La trombogenicidad tambi\u00e9n se ha ido reduciendo, especialmente desde la introducci\u00f3n del carb\u00f3n pirol\u00edtico. El encuentro m\u00e9dico-ingeniero se ha hecho imprescindible, acrecentando el di\u00e1logo entre ambas disciplinas. Hoy por hoy, en el producto final de una v\u00e1lvula cardiaca concurren profesionales de diversas \u00e1reas: cardi\u00f3logos, cardiocirujanos, ingenieros mec\u00e1nicos, ingenieros electr\u00f3nicos, ingenieros de materiales, entre otros; aportando cada uno su campo del saber, pero confluyendo hacia un mismo objetivo.<\/p>\n

En el a\u00f1o 2008, seg\u00fan Registro de la Sociedad Espa\u00f1ola de Cirug\u00eda Tor\u00e1cica y Cardiovascular (http:\/\/www.sectcv.es\/<\/a>), se implantaron en Espa\u00f1a un total de 11167 pr\u00f3tesis, de las cuales 5235 fueron mec\u00e1nicas. Ninguna es de patente espa\u00f1ola. El gasto estimado supera los 15 millones de euros anuales.<\/p>\n

Fuente:<\/p>\n

– Selecci\u00f3n de materiales de base col\u00e1geno para biov\u00e1lvulas cardiacas. J.M. Atienza, J.M. Garc\u00eda P\u00e1ez, L. \u00c1lvarez, R. Claramunt, F.J. Rojo, A. Ros, G.V. Guinea. Libro: INSUFICIENCIA CARDIACA SEVERA, editor: E. Cabrera Fischer y R. Armentano, Universidad Favaloro, 2012
\n– Lefrak EA, Starr A. Cardiac valve prostheses. Appleton-Century-Crofts. New York. 1979
\n– DeWall RA, Qasim N, Carr L. Evolution of mechanical heart valves. Ann Thorac Surg;69:1612-1621; 2000
\n– www.onxlti.com
\n– www.pyrocarbon.com<\/p>\n

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Por Jos\u00e9 Miguel Atienza , Dr. Ing. de Caminos, Canales y Puertos, e Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid) La v\u00e1lvula a\u00f3rtica, con su cierre y apertura c\u00edclicos, permite que el coraz\u00f3n bombee el flujo sangu\u00edneo suficiente para garantizar la respiraci\u00f3n celular y las diversas funciones del metabolismo. Para hacerse una idea de la importancia de su comportamiento mec\u00e1nico, es f\u00e1cil calcular aproximadamente cu\u00e1ntas veces se ha abierto y cerrado una v\u00e1lvula a\u00f3rtica durante la vida de una persona de ochenta a\u00f1os: cerca de 3.000 millones de ciclos. Se trata, por tanto, de un\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":187,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[16828,2468],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/66"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/users\/187"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=66"}],"version-history":[{"count":40,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/66\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":482,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/66\/revisions\/482"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=66"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=66"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=66"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}