BIOMATERIALES

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Facultad de Ingeniería 
Departamento de Mecánica 
 
 
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR 
Biomateriales 
Los biomateriales cumplen una función de suma importancia en la actualidad, puesto que 
otorgan la posibilidad de tener una mejor calidad de vida y realizar avances respecto a la 
mejora de la salud humana. Los biomateriales son materiales diseñados con el objetivo de que 
se relacionen de forma adecuada y no perjudicial con los sistemas biológicos, siendo 
empleados así en el ámbito médico. A lo largo del presente informe se hablará con detalle de 
qué son, su importancia, ventajas y desventajas, clasificación y sus aplicaciones. 
 
1. ¿Qué son los biomateriales? 
Son materiales que pueden ser naturales o sintéticos, siendo estos últimos una integración 
de compuestos metálicos, cerámicos, polímeros o materiales compuestos. Los 
biomateriales cumplen el objetivo de ser usados en sistemas biológicos, reemplazando o 
mejorando cualquier función dentro de estos, y han de cumplir que, al interactuar con los 
tejidos del organismo, este no sufra ningún tipo de daño o alteración. En otras palabras, 
se podría decir que son aquellos materiales naturales o artificiales que sustituyen parcial 
o totalmente una función natural o una estructura viva, de una forma segura y 
fisiológicamente aceptable para el cuerpo. 
 
Estos materiales son biocompatibles, pues es la capacidad que deben de poseer para poder 
interactuar con los tejidos de nuestro cuerpo, sin que este emita una respuesta de rechazo 
por parte del sistema inmunológico. Algunos de los factores a considerar a fin de analizar 
su biocompatibilidad y conocer con qué organismos puede interaccionar son; la 
naturaleza química, precisar cuál será la aplicación que se le va a dar, conocer qué tanto 
contacto tendrá con el tejido vivo y demás. De igual manera se hacen diversas pruebas 
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de biocompatibilidad antes de emplearse en los seres humanos, las cuales se pueden 
clasificar en: 
 
• Pruebas iniciales: implican pruebas de citotoxicidad, las cuales son 
investigaciones en poblaciones celulares que examinan la respuesta inmunológica 
que genera el material. Y asimismo, se llevan a cabo pruebas de mutagenicidad o 
carcinogénesis, que son aquellas que evalúan el impacto de los materiales sobre el 
material genético celular (ADN). 
 
• Pruebas secundarias: facilitan mensurar los niveles de las respuestas inmunitarias 
o inflamatorias frente a un material. Involucran pruebas de sensibilidad, irritación 
de mucosas, implantación, etc. 
 
• Pruebas terciarias o de uso: ya habiendo efectuado las pruebas primarias y 
secundarias y contar con la aprobación de un comité certificado de ética, se utilizan 
en animales y humanos. 
 
2. Clasificación de los biomateriales 
La clasificación de los biomateriales se da de acuerdo a distintas razones como su fuente, 
rol biológico o biocompatibilidad, tiempo de funcionamiento, composición y estructura. 
 
2.1. Fuente 
• Naturales: existen tres tipos de biomateriales en esta categoría; están los 
autógenos, extraídos del mismo individuo que aceptará el injerto; los alo-injerto, 
son obtenidos de otra persona ajena a la que recibirá el injerto; y por último, los 
xeno-injertos, que no provienen de una fuente humana. 
• Sintéticos: son elaborados en un laboratorio con ayuda de diversos materiales. 
 
2.2. Composición 
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Por la composición se pueden subclasificar en polímeros, cerámicos, metálicos y 
compuestos. A continuación, se va a presentar las definiciones de cada uno, las 
ventajas y desventajas que poseen: 
 
2.2.1. Polímeros 
Son macromoléculas en su mayoría orgánicas, que se conforman gracias a la 
unión de monómeros. Suelen este tipo de biomateriales cambiar las 
propiedades de acuerdo a su composición, siendo más duros, densos o 
plásticos. Algunos ejemplos son saturaciones, vesículas sanguíneas y tejidos 
suaves. 
 
Ventajas de los polímeros 
• Son de alta elasticidad y a su vez, tienen una baja densidad. 
• Fáciles de fabricar. 
Desventajas de los polímeros 
• Baja resistencia mecánica. 
• Alta degradación y deformación con el tiempo. 
 
2.2.2. Cerámicos 
Compuestos químicos complejos que están formados por elementos metálicos 
y no metálicos. Este tipo de materiales cuentan con un vasto conjunto de 
propiedades mecánicas y físicas gracias a los enlaces covalentes o iónicos. 
Algunos ejemplos son los implantes dentales y ortopédicos. 
 
Ventajas de los biomateriales cerámicos 
• Presentan una alta biocompatibilidad. 
• Resistentes a la alta corrosión. 
• Poseen la propiedad de no reaccionar químicamente (inercia química). 
Desventajas de los biomateriales cerámicos 
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• Son frágiles ante altos esfuerzos de gran impacto, por ende, tienen baja 
resistencia mecánica. 
• Difícil fabricación. 
• Inelásticos y bastante densos. 
 
2.2.3. Metálicos 
Biomateriales que están compuestos por uno o más metales. Cabe resaltar que 
los metales disponibles para la fabricación de implantes son bastantes 
limitados, debido a que están obligados a cumplir ciertos requisitos como ser 
resistentes a la corrosión y tolerados por el organismo, un buen ejemplo con 
estas características es el titanio. Algunos usos son el reemplazo de 
articulaciones, implantes de raíces dentales, cables para sutura, soportes y 
platinas para huesos. 
 
Ventajas de los biomateriales metálicos 
• Alta resistencia a los impactos y al desgaste. 
• Alta ductilidad. 
Desventajas de los biomateriales metálicos 
• Al ser de origen metálico, tienen una baja biocompatibilidad. 
• Se pueden llegar a corroer gracias a los tejidos a su alrededor, perdiendo 
de este modo propiedades mecánicas. 
• Tienen una alta densidad. 
• Difíciles de fabricar. 
 
2.2.4. Compuestos 
Son aquellos que tienen dos o más componentes con el propósito de constituir 
una estructura integra y se emplean cuando se requieren propiedades que no 
tiene un material por sí solo. Este tipo de biomateriales cuentan con una fase 
continua o matriz – puede ser polimérica, cerámica o metálica – y una 
discontinua o de carga, que es de la cual dependen la mayoría de las 
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propiedades mecánicas que tenga el material final. Se usan en cementos óseos 
y resina dental. 
 
Ventajas de los biomateriales compuestos 
• Ofrecen una muy buena biocompatibilidad. 
• Son inertes químicamente. 
• Alta resistencia a la corrosión y a los esfuerzos físicos. 
Desventajas de los biomateriales compuestos 
• No tienen consistencia en la fabricación. 
2.3. Rol biológico 
• Bio-inerte: no interactúa con el cuerpo, es decir, no ocasionan ninguna reacción, 
siendo posible que puedan mantenerse largos periodos de tiempo en un entorno de 
fluidos corporales corrosivos. Este tipo de biomateriales se suele usar en implantes 
permanentes, cirugía maxilofacial y craneal. 
• Bio-activo: tienen la función de involucrarse con el cuerpo, ya que se encargan de 
reparar el tejido y combatir infecciones. 
• Bio-reabsorbible o biodegradables: son los materiales que se reabsorben o se 
disuelven con el pasar del tiempo, brindan los elementos esenciales con el fin de que 
el tejido se repare. 
• Tóxico: generan una respuesta inmunitaria peligrosa para la persona, pues el cuerpo 
lo detecta como una amenaza. 
 
2.4. Tiempo de funcionamiento 
• Temporales: son aquellos que no se van a absorber o degradar en el organismo, por 
lo tanto, tienen que ser removidos. 
• Permanentes: en contraste a los temporales, están los que no necesitan ser 
removidos en un plazo de tiempo. 
 
2.5. Estructura 
• Bulk: tornillos, clavos, láminas y demás. 
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• Recubrimientos: como protección o bioactivos, esto últimose refiere al tipo de 
sustancia química que se halla en las plantas y algunos alimentos. 
• Porosos: capa de superficie metálica porosa, andamios para ingeniería de tejidos, 
etc. 
 
3. Aplicaciones de los biomateriales 
Los biomateriales son usados en el área de la medicina para apoyar, mejorar o reemplazar 
tejidos, funciones biológicas o inclusive huesos, ampliando así el margen de vida de 
cualquier persona. A continuación, se van a mencionar de forma específica ciertas 
aplicaciones de los biomateriales: 
• Implantes médicos: son dispositivos ideados con el objetivo de sustituir, ayudar o 
mejorar alguna estructura biológica. Dentro de este grupo se encuentran las válvulas 
cardiacas, endoprótesis vasculares, injertos, articulaciones artificiales, ligamentos, 
tendones, implantes de pérdida de audición, implantes dentales y dispositivos que 
estimulan los nervios. 
 
• Métodos para promover la curación de tejidos humanos: se trata de las suturas 
absorbibles o no absorbibles, clips, grapas para el sellado de heridas y apósitos 
disolubles – los apósitos son productos que cubren y protegen una herida –. 
 
• Tejidos humanos regenerados: consiste en combinar soportes de biomaterial o 
andamios, células y moléculas activas biológicamente con la finalidad de elaborar 
tejidos funcionales que reparen o sostengan los tejidos deteriorados u órganos 
completos. Por ejemplo, la piel y los cartílagos artificiales, hidrogel de regeneración 
ósea y una vejiga humana cultivada en laboratorio. 
 
• Sondas moleculares y nanopartículas: una sonda molecular es una secuencia de 
ADN y en raras ocasiones de ARN, utilizada con el propósito de analizar el genoma 
y percibir la presencia de copias extras en una región en específico, lo cual sucede 
en los cánceres. O en su defecto, saber si faltan copias en partes del genoma, que 
ocurre de igual manera en cánceres y en síndromes hereditarios. 
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Y una nanopartícula, es una partícula cuyas tres dimensiones son más pequeñas que 
100 nm, son usadas para conducir anticuerpos, medicamentos, elementos necesarios 
para las pruebas con imágenes y demás sustancias hasta una determinada parte del 
cuerpo. Tanto las sondas moleculares como las nanopartículas quebrantan las 
barreras biológicas y ayudan a la detección, el diagnóstico y tratamiento del cáncer 
a nivel molecular. 
 
• Nanomateriales: materiales constituidos de nanopartículas, que en el campo de la 
medicina actual posee un gran potencial, dada su magnífica relación superficie – 
volumen; reducir en general las fibras de un biomaterial (nano fibras) da un área de 
superficie específica mayor en la que se quiere actuar. Se debe mencionar que la 
producción de nano fibras tiene poca utilidad por los costos, la selección de 
materiales, el ensamblado de fibras y la tasa de producción. 
 
• Biosensores: detectan la presencia y cantidad de sustancias específicas y transmiten 
esos datos. Por ejemplo, los dispositivos de monitoreo de glucosa en la sangre y los 
sensores de actividad cerebral. 
 
• Sistemas de administración de medicamentos que transportan y / o aplican 
medicamentos a un objetivo de la enfermedad. Los ejemplos incluyen endoprótesis 
vasculares recubiertas con medicamentos y obleas de quimioterapia implantables 
para pacientes con cáncer. 
 
4. Estado del arte o revisión bibliográfica 
4.1. Tendencias recientes en la aplicación terapéutica de materiales de ingeniería de 
purificación de sangre para enfermedades renales 
 
El artículo elaborado por Cui Gao, Qian Zhang, Yi Yang, Yangyang Li y Weiqiang 
Lin, el cual se titula “Recent trends in therapeutic application of engineered blood 
purification materials for kidney disease” o traducido al español “Tendencias recientes 
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en la aplicación terapéutica de materiales de ingeniería de purificación de sangre para 
enfermedades renales”, se basa en el estudio de diversos biomateriales para la 
elaboración de una membrana que cumpla la función de purificación de la sangre. Las 
fases de dicho trabajo son: 
 
• Materiales biomédicos para la eliminación de toxinas. 
• Membrana compuesta polimérica. 
• Absorbentes basados en nanomateriales y nanopartículas. 
• La toxicidad de los biomateriales para la purificación de la sangre. 
 
 
4.1.1. Materiales biomédicos para la eliminación de toxinas 
Dentro del artículo, podemos apreciar distintos estudios referente a los 
materiales que se podrían utilizar en la fabricación de la membrana para la 
eliminación de toxinas, entre los cuales podemos encontrar al carbón activado 
(AC), las zeolitas, los nanotubos de carbón (CNTs), mordenita acida (MOR), 
estilitas de intercambio iónico (SITs), la estructura metalorgánica (MOF o MIL), 
partículas de ópalo inverso de polímero impreso molecularmente (MIPIOP), las 
ciclodextrinas (CD), y por último, los MXenes. 
 
El artículo posee demasiada información de diversas pruebas con múltiples 
variantes de cada uno de los anteriormente mencionados, por lo cual es muy 
complicado hacer un resumen acerca de eso sin tener que explicar absolutamente 
todo lo demás, pero haremos el intento. Comencemos por el AC, de acuerdo con 
la investigación realizada, este componente es muy útil cuando se habla de 
desintoxicación y purificación, pero al tratarse de algo mucho más profundo a 
nivel físico, es decir, el tratamiento de la sangre es contraproducente su uso, 
debido a que al ser tan efectivo, puede ocurrir la destrucción de moléculas que 
realmente son sanas y totalmente útiles, por lo cual, es una opción, pero no es la 
mejor. 
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Los componentes que le siguen son las zeolitas, y se habla en plural porque 
existen numerosos tipos con diversas características; las zeolitas son minerales 
cristalinos microporosos que se basan en diversas composiciones de elementos, 
el haber resaltado lo de “cristalinos microporosos” no es al azar, ya que es 
importante para entender el uso de estos componentes, se basan especialmente 
en un sistema de canales para poder absorber selectivamente las toxinas 
urémicas. La importancia de este material radica en diferentes factores, como lo 
son que poseen una alta resistencia a los procesos químicos y físicos no son 
tóxicos en ningún aspecto, son estables en solución acuosa y además de lo 
anterior, no se degradan en condiciones fisiológicas, lo cual es de suma 
importancia cuando se habla de los biomateriales, ya que estos se implementan 
conjunto a un ser vivo; otros datos a reconocer son que se pueden encontrar 
naturalmente y además de eso es de fácil fabricación si se intenta sinterizar, 
también como lo dije al principio, existen diferentes tipos ya que se puede variar 
el tamaño de sus partículas y la forma de estas para absorber cierta toxina. 
 
Por otra parte, volviendo al tema de los carbonos primigenios, nos encontramos 
con el uso de los nanotubos de carbón, lo cual es una mejora del primer punto, 
es decir, los AC; estos poseían una rea de superficie mucho mayor al de los AC, 
además de contar con un mayor rendimiento en la absorción de toxinas urémicas 
y sin tantos daños colaterales a moléculas útiles, razón por la cual lo 
consideraron el material más adecuado para la fabricación de la membrana de 
purificación. Liu Y, Peng X, Hu Z, Yu M, Fu J, y Huang Y fueron los encargados 
de fabricar gránulos adsorbentes de carbón poroso que contienen nitrógeno 
(NPCA), y conjunto con el equipo principal que elaboró el artículo, pudieron 
observar que tenían ventajas añadidas en base a la bioseguridad, puesto a que 
estos eliminaban efectivamente las toxinas urémicas unidas a proteínas (PBUT), 
además de poseer una alta hemocompatibilidad in vitro. 
 
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Los siguientes 2 componentes son una adición a laszeolitas para que sean mucho 
más efectivas, puesto a que, lo que no logre quitar la zeolita que se esté 
utilizando, lo harán las MOR y las SITs, las cuales emplean el proceso de 
ionización para poder extraer los restos de toxinas que hayan dejalos las zeolitas. 
 
El componente que le sigue en el artículo es la estructura metalorganica, la cual 
puede recibir 2 nombres, ya sea MOF o MIL, este es un material hibrido que 
tiene una estabilidad térmica y química, además de que resulta ser mucho más 
eficiente que todos los anteriormente mencionados debido a su porosidad ultra 
alta y sitios activos; están elaborador en base a iones metálicos y enlazadores 
orgánicos, por lo que han ganado mucho terreno rápidamente en aplicaciones 
para separación de compuestos bioactivos, purificación de agua, suministro de 
fármacos y separación de gases, no obstante, para lo que realmente lo 
necesitamos, no tenemos suficientes pruebas puesto a que los estudios en base 
al uso de las estructuras metalorganicas para la elaboración de un riñón artificial 
apenas ha comenzado; un dato a destacar es que el porcentaje de la limpieza de 
toxinas en la sangre se encuentra entre el 70% y el 98%, a pesar de ello, la 
producción es escasa y suelen ser tóxicos de por si, por tal razón, existen los 
llamados MIL, los cuales se elaboran a partir de hierro en vez de zirconio como 
a los MOF, lo cual llega a ser menos toxico y a su vez, encontraron que la 
absorción de toxinas es 3 veces mayor que los MOF. 
 
Consiguiente a los anteriores componentes, nos encontramos ahora a las 
MIPIOP, estas poseen características sinigual puesto a que poseen una alta 
hemocompatibilidad y se ha demostrado que su capacidad de adsorción se 
mantiene estable después de reutilizarse 5 veces, además de que la estructura 
porosa creada es altamente ordenada, se les imparten propiedades fotónicas que 
le permiten monitorear y autoinformar el estado de adsorción, la creación de este 
componente se ve inspirada con base a la capacidad de autodepuración del riñón. 
 
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Las CD o ciclodextrinas son oligosacáridos cíclicos de forma toroidal 
compuestos por 6-8 unidades de D-glucosa (α, β, γ), con un exterior hidrofílico 
y una cavidad interna relativamente hidrofóbica, que pueden encapsular 
diferentes huéspedes lipofílicos de bajo peso molecular o macromoléculas, 
debido a esto, propusieron por primera vez agregar poli-β-ciclodextrinas (PCD) 
para mejorar la eficiencia de transferencia de masa; esta nueva estrategia no 
ejerce un impacto negativo en la membrana de diálisis y es segura para la 
aplicación clínica ya que se ha demostrado que la PCD tiene una tasa de 
hemólisis baja y no puede atravesar la membrana para entrar en contacto con la 
sangre; el porcentaje de la de las toxinas en las moléculas es de un 96%, lo cual 
da a entender que este componente es de esencial importancia en la elaboración 
de la membrana. 
 
Para finalizar, nos encontramos a los componentes MXenes, estos son una 
familia de carburos y nitruros bidimensionales de metales de transición, estos 
componentes poseen propiedades únicas, incluida la hidrófila debido a sus 
superficies funcionales y las soluciones coloidales estables en el agua debido al 
alto potencial negativo, a pesar de que sus estudios apenas están comenzando, 
el primer miembro de esta familia estudiado, el cual es el Ti3C2Tx absorbe urea 
de una manera muy eficiente, además de tener una biocompatibilidad realmente 
alta y una biotoxicidad demasiado baja según los estudios realizados, inclusive, 
la capacidad de adsorción de esos componentes demostró ser 13,4 veces mayor 
a la del AC tradicional y una tasa de eliminación mucho más rápida que este, 
por lo cual, sobra decir que este es el componente que mejor cumple la función 
que se desea emplear. 
 
4.1.2. Membrana compuesta polimérica 
Gracias al desarrollo de la ciencia de los biomateriales, varios materiales 
polímeros artificiales han ganado mucha popularidad debido a su fácil 
accesibilidad y su buena capacidad de proceso; el estudio demuestra que gracias 
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a esto, los polímeros compuestos han sido usados múltiples veces en la 
fabricación de membranas de diálisis, por ejemplo, el uso compuesto de 
polietersulfona (PES) conjunto con polivinilpirrolidona (PVP) o con 
poliacrilonitrilo (PAN), lo cual genera una capacidad innata de absorción de 
toxinas urémicas, y además, conjunto con las zeolitas pueden aumentar 
significativamente dicha capacidad de absorción, especialmente hablando de la 
zeolita P87 y PES, la cual, conjunta, es llamada PES-P87 y según los estudios 
realizados, puede adsorber 550 μg de sulfato de indoxilo por gramo de 
membrana en agua desionizada, lo que probablemente se deba a la atracción 
electrostática. 
 
Tijink MS, Wester M, Sun J, Saris A, Bolhuis-Versteeg LA, Saiful S 
desarrollaron una membrana de matriz mixta (MMMs) las cuales pueden 
cumplir simultáneamente 2 procesos que son, difusión y absorción de las 
toxinas, además de que pueden eliminar adecuadamente las PBUT. El resto de 
este punto en el artículo consiste en encontrar el MMMs adecuado para la 
función que quieren cumplir, sin embargo, la estructura teórica de estas se basa 
en una capa interna de partículas libres adherida a la capa macroporosa que está 
compuestas por partículas AC incrustada en una matriz compuesta por 
PES/PVP, y gracias a los componentes de esta matriz mixta, posee de manera 
inherente una gran hemocompatibilidad; no obstante, el problema de esta 
primera generación de matrices mixtas se debe a se reduce significativamente 
las concentraciones relativas que las partículas de AC en el caso del ácido 
hipúrico, el sulfato de indoxilo y el sulfato de p-cresil, debido a que poseían un 
diámetro bastante grande, por lo cual, está generación de MMMs necesitaba una 
optimización. 
 
De acuerdo con lo anterior, lo que hicieron fue elaborar la membrana con unas 
fibras huecas con dimensiones más pequeñas para así reducir su tamaño, lo cual 
ocasionó que lógicamente posean un diámetro mucho mas pequeño, un bajo 
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coeficiente de ultrafiltración y sin ninguna fuga de partículas, lo que a su vez 
leas hizo mejores que las versiones anteriores en la eliminación de las PBUT. 
 
Por una parte, ya se pudo mejorar el tema de la eficiencia en la purificación, sin 
embargo, falta mejorar la biocompatibilidad de este componente para que sea 
seguro, de esto se encargó el equipo de Nie, los cuales lograron que de la 
capacidad de eliminación y la biocompatibilidad de la membrana compuesta 
polimérica a través de métodos que incrustan partículas adsorbentes en ella o 
injertan un polímero que imita a la heparina se vieran mejoradas; el proceso de 
fabricación es demasiado técnico, tanto que no se puede siquiera resumir, por lo 
que, citamos textualmente: 
 
“Using a spin-coating method and a subsequent liquidliquid phase 
separation technique. The heparinmimicking polymer brush consists of a 
sodium styrene sulfonate (SS) that has an anti-coagulant segment and poly 
(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (EGMA), which would improve 
the water permeability and antifouling ability of PES membranes. This 
brush is then grafted onto multiwall CNTs (f-CNTs) … This novel CNT-P 
(SS-co-EGMA)/PES combines adsorption and diffusion in one process, and 
it has been found to be very stable, as no f-CNT is eluted from the PES 
matrix during filtration.” (Gao, C., Zhang, Q., Yang, Y., Li, Y., Lin, 
W.,2022). 
 
Sin embargo, este proceso de fabricación necesita una optimización, puesto a 
que la elaboración de las fibras del diámetro deseado es bastante complicada 
teniendo en cuenta la tecnología actual, además de también la estabilidad de los 
componente a una nanoescala. 
 
4.1.3. Adsorbentesbasados en nanomateriales y nanopartículas 
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En el artículo podemos encontrar una conceptualización muy detallada del uso de 
nanomateriales y nanopartículas para poder minimizar los componentes para 
aumentar la superficie especifica en la que se quiere trabajar, y aunque se 
encuentran divididos en 2 puntos diferentes, es decir, adsorbentes basados en 
nanomateriales es un tema aparte de las nanopartículas, siguen basándose en la 
misma mecánica, la cual acabamos de mencionar en este punto. Añadiendo que 
nosotros igualmente lo mencionamos en la parte de “Aplicaciones de los 
biomateriales”, razón por la cual, no profundizaremos en esta parte. 
 
4.1.4. La toxicidad de los biomateriales para la purificación de la sangre 
Como bien se entiende, los biomateriales se utilizan en diversos campos de la 
medicina, para cultivos de células y tejidos, órganos artificiales, dispositivos para 
la purificación de la sangre, entre muchas otras implementaciones, por lo cual, 
deben poseer una alta biocompatibilidad para que no surja ningún efecto 
secundario, y aún más para el caso de la purificación de la sangre, ya que es en 
base al contacto directo y constante con ella, por lo cual, en el caso de este 
proyecto, debe constan igualmente con una extraordinaria hemocompatibilidad, 
ya que sin esta, puede ocasionar hemolisis, coagulación del plasma, activación de 
las plaquetas, los cuales conducen a la coagulación de la sangre y la formación de 
trombos; para solucionar estos problemas se emplean, en el caso del primero, una 
inyección de reactivos anticoagulantes, como por ejemplo la heparina, sin 
embargo, el uso de esta puede llegar a causar hemorragia espontánea, osteoporosis 
y reacciones alérgicas en los pacientes, por lo cual, se debe llevar a cabo de otra 
forma; la solución que desarrollan en el artículo es la modificación de la membrana 
y la modificación del anticoagulante, estas modificaciones de la membrana se basa 
en la implementación de la nanopartícula de óxido de hierro (Fe2O3 NP), la cual 
cuenta con una biocompatibilidad mejorada y una excelente eliminación de urea y 
lisozima, además de otra nanopartícula llamada la nanopartícula magnética 
heparinmimética sintetizada (HMNP), ya que esta es otro biomaterial adecuado 
que combina óxido de hierro y heparina, además de que se puede emplear como 
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un anticoagulante de hemodiálisis a largo plazo, y que a su vez, todos sus 
componentes son biocompatibles y posee una excelente estabilidad de reciclaje, 
donde puede ser recolectado por un campo magnético después de la hemodiálisis; 
el uso de la HMNP en la membrana posee una estructura similar a la heparina, así 
como propiedades antiincrustantes favorables, que las convierten en materiales 
biomédicos ideales para evitar la toxicidad durante la purificación de la sangre. 
 
4.1.5. Conclusión 
Para concluir todo lo hablado, estudiado y elaborado en todo este artículo, 
podemos decir que hay muchos tipos de biomateriales para poder realizar el 
proceso de purificación de la sangre, los cuales los mismos autores clasifican en 
3: absorbentes (como las zeolitas, el AC y los CTNs), las membranas poliméricas 
compuestas (como el PES, PVP y PAN), y por ultimo los nanomateriales (como 
el MOF), cada uno posee sus ventajas y desventajas, además de sus alternativas y 
las mejoras que se les pueden hacer, al momento de probar con otra composición 
química, sin embargo, aún queda mucho por profundizar en esta área, para así 
poder llegar a un material con una muy alta capacidad de adsorción y 
biocompatibilidad, además de simultáneamente poseer una extraordinaria 
hemocompatibilidad para que así no pueda haber ningún efecto secundario al 
momento de usarlo en aplicaciones médicas. 
 
4.2. Vacunas contra el cáncer mejoradas con biomateriales 
El artículo escrito por Shengxian Li, Jing Wu , Xiaoping Li , Jingtao Chen y Chunxi 
Wang titulado “Biomaterial-enhanced cancer vaccines” nos habla sobre las 
complicaciones de la reciente estrategia de vacunación contra el cáncer para prevenir 
la progresión de éste en el organismo, esto debido a la toxicidad sistémica y a la baja 
inmunogenicidad – capacidad de un antígeno de activar el sistema inmunitario 
induciendo una respuesta en el organismo – de los compuestos resultantes como 
antígenos. 
 
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En consecuencia, se ha visto que el uso de biomateriales poliméricos tales como 
andamios moleculares, diferentes tipos de polímeros; algunos formados a partir de 
proteínas, o micro agujas que ofrecen grandes ventajas como adyuvantes 
inmunológicos en las vacunas, lo que precisamente mejora la inmunogenicidad del 
antígeno del cáncer, y además, protege a las cargas antigénicas de la toxicidad 
sistémica para promover la presentación del antígeno en células afectadas. El 
documento se encuentra dividido en las distintas bases para cada una de las vacunas 
para el cáncer: 
 
• Vacunas mejoradas con biomateriales basadas en péptidos y proteínas 
• Vacunas basadas en ácidos nucleidos 
• Vacunas compuestas basadas en células tumorales 
• Vacunas basadas en virus. 
 
4.2.1. Vacunas mejoradas con biomateriales basadas en péptidos y proteínas 
En esta sección se habla a profundidad de péptidos específicos y proteínas de 
células tumorosas para producir TAA (Tumor Associated Antigen) o antígenos 
asociados a tumores. Por una parte, conocemos que los péptidos gracias a su 
reducido tamañ0, facilidad de síntesis, modificación y excelente 
biocompatibilidad son perfectos para servir de base para el antígeno y que además 
junto a proteínas especiales formadas a partir de bioingeniería de ciertos polímeros 
gracias a su estructura y obtención a través de un sofisticados enfoque de 
expresión de proteínas recombinantes son capaces de formar un antígeno bastante 
seguro y biocompatible para el organismo, gracias en su totalidad al uso de 
biomateriales, y que además, exhiben funcionalidades y propiedades 
fisicoquímicas extraordinarias para el caso, como la biocompatibilidad y 
biodegradabilidad, las dos anteriores fundamentales para el uso en organismos 
vivos. En relación a lo anterior, nos mencionan que existen 4 grandes categorías 
de vacunas basadas en péptidos y proteínas: 
 
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• Las vacunas polivalentes de péptidos largos que liberan péptidos 
absorbidos por las APC (Antigen Presenting Cell) para su posterior 
presentación a través de moléculas del complejo mayor de 
histocompatibilidad I (MHC I) y MHC II. 
• Las vacunas de péptidos múltiples que contienen epítopos (Moléculas 
reconocidas por el sistema inmunitario) específicos de linfocitos auxiliares 
CTL y T y se pueden preparar fusionando múltiples péptidos con estos 
epítopos. Resulta importante destacar que las vacunas multipéptido pueden 
activar tanto las células T CD4+ como las células T CD8+. 
• Las vacunas de cóctel de péptidos y las vacunas de péptidos híbridos 
representan otros dos tipos de vacunas, siendo estas dos últimas vacunas que 
incluyen péptidos de fusión que consisten en múltiples epítopos ordenados. 
Pero existen 2 grandes obstáculos para el desarrollo de vacunas eficaces en 
contra del cáncer basadas en péptidos y proteínas. En primer lugar, los péptidos 
y las proteínas pueden inducir tolerancia inmunitaria tras la captación y 
presentación por las DC (Dentitric Cell) o células dentífricas, en estado 
estacionario en ausencia de suficiente estimulación adyuvante. Además, los 
péptidos y proteínas libres muestran propiedades farmacocinéticas deficientes, 
es decir, una mala absorción por parte del organismo y pueden eliminarse 
rápidamente antes de la absorción de DC. 
Como problema menor, la estabilidad deficiente de la vacuna y los efectos 
secundarios pueden limitaraún más la aplicación de vacunas basadas en 
péptidos o proteínas, y este inconveniente se puede mejorar mediante la 
implementación de DDS (Drug Delivery Systems) eficientes, para lo cual, y 
como se mencionó al principio, entran en escena los biomateriales. 
El artículo nos comenta que han sido utilizados varios biomateriales para 
mejorar el suministro de péptidos y proteínas que induzcan respuestas 
antitumorales del sistema inmune, materiales como el quitosano(biopolímero), 
polímeros sintéticos e híbridos de lípidos, nanopartículas de polidopamina, 
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micropartículas de silicio poroso que cargan el antígeno hasta las células 
afectadas, etc. En general materiales que muestren haber tenido un efecto afín al 
retraso del desarrollo tumoral en el organismo, y/o, que induzca respuestas 
inmunitarias alrededor de esto. Todos efectos de los anteriores se encuentran 
mejor detallados en el documento original. 
 
4.2.2. Vacunas basadas en ácido nucleico 
Por otra parte, nos comentan sobre este tipo de vacunas basadas en ácidos 
nucleidos tienen gran potencial gracias a su capacidad de codificar 
TAA(Tumor Associated Antigen) o inmunoadyuvantes, no obstante, son 
susceptibles a la degradación y la toxicidad sistemática de las vacunas, por lo 
que su aplicación clínica se vio ampliamente limitada, para solucionar esto, 
comentan que se hizo uso de sistemas de entrega basados en biomateriales, 
más en específico, un sistema de entrega de dos niveles con nanopartículas 
disueltas en una micro aguja, este tipo de estrategias resultan muy 
prometedoras las estrategias para superar estos inconvenientes. 
 
Dentro de este tipo de vacunas, se hablan sobre las vacunas de ADN y ARN, 
que son ambas muy prometedoras para la inmunoterapia contra el cáncer, 
provocando respuestas inmunitarias antitumorales tanto en inmunidad humoral 
y tumoral, para el caso de las primeras, gracias al antígeno de las células madre 
prostáticas que codifica cadenas de pDNA e cargó en este sistema de 
administración para obtener MN cargados con RALA/pPSCA, la vacuna 
resultante exhibió actividad antitumoral tanto profiláctica como terapéutica, y 
todo gracias a que el método de administración fue basado en nanopartículas 
más específicamente acido poliacrílico (PAA) y nano partículas de óxido de 
hierro que aseguraban el transporte de las cadenas hasta las células tumorales. 
 
Por otra parte, las vacunas de ARN inducen inmunidad antitumoral a través de 
la inhibición o regulación positiva de genes relacionados a la inmunidad, por 
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ejemplo, los precursores de siRNA pueden ser reconocidos por Dicer RNase e 
incorporados en el complejo de silenciamiento inducido por RNA, que a su vez 
se une a los sitios diana del mRNA, induciendo la escisión específica de la 
secuencia y, por lo tanto, suprimiendo la expresión de la proteína diana. Sin 
embargo, la poca estabilidad de las moléculas de ARN limitan su aplicación, 
mas es gracias a nuevamente la administración basada en nanopartículas la que 
mejora la estabilidad de la administración de las moléculas y de la misma 
forma mejorando su efecto inmunomodulador, recientemente esto se usó para 
silenciar una expresión de genes inmunosupresores o eliminar los factores 
principales que promueven el desarrollo tumoral gracias a nano partículas, en 
un caso concreto, a unas susceptibles especies reactivas de oxígeno (ROS), que 
al hacer contacto con las nanopartículas y los supresores que estas cargaban, 
silenciaron por completo la expresión del factor de crecimiento tumoral-β 
(TGF-β) para modificar el microambiente tumoral inmunosupresor. 
 
4.2.3. Vacunas compuestas basadas en células tumorales 
Se evidencia que este tipo de vacunas tienen ventajas considerables respecto a las 
demás, un ejemplo seria la presencia de múltiples TAA que pueden inducir una 
respuesta inmunitaria antitumoral sinérgica tras la presentación sincrónica de 
antígenos. Las fuentes de antígenos para las vacunas de este tipo pueden estar 
basadas 2 dos tipos de células, células cancerígenas alogénicas y células 
cancerígenas autólogas. Las células cancerosas autólogas proporcionan un perfil 
antigénico completo para la inducción de una mayor inmunidad específica del 
tumor. Sin embargo, la preparación de vacunas autólogas basadas en células 
tumorales requiere el aislamiento de suficientes células tumorales lo que en 
pacientes que no se pueden someter a cirugía no podría lograrse, más gracias al 
uso de biomateriales, en concreto, de micro agujas con un suministro de 
nanopartículas que delimitan el lugar donde se encuentran las células tumorosas 
y se es posible de inducir una respuesta inmunológica del organismo, por otra 
parte, y para las alogénicas basadas en células tumorales , vemos que permiten la 
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producción en masa y modificación de genes inmunosupresores para potenciar la 
respuesta inmunitaria antitumoral, y todo esto gracias a la administración por 
sistemas de nanopartículas que permiten mejorar la inmunogenicidad, que a su 
vez pueden ser recubiertas de la membrana cancerosa (CCM) facilitan la llegada 
de estas a células cancerosas. 
 
El articulo resalta grandes avances en el campo gracias al uso de los biomateriales, 
pues estos sin duda demuestran ser de gran utilidad al momento de alcanzar y 
delimitar las células cancerígenas del cuerpo, a lo que cito textualmente: 
 
“In a study by Liu et al., CPP-decorated pristine PLGA nanoparticles were 
prepared to improve GM-CSF and IL-2 internalization by tumor cells, thus 
maintaining cytokine activities to obtain a multi-adjuvant whole-cell tumor 
vaccine (WCTV). The resulting multi-adjuvant WCTV exhibited satisfactory 
protective and therapeutic effects” (Li, S., Wu, J., Li, X., Chen, J., & Wang, 
C. 2022). 
Afirmación por parte del estudio de Liu Et Al que sustenta la anterior premisa 
y que además demostró según el artículo que el resultado de la vacuna 
antitumoral basada en nanopartículas administró TSA (Tumor Specific 
Antigens) junto con CpG para mejorar la eficiencia de presentación de 
antígenos y activar los procesos inmunitarios posteriores, estimulando 
directamente a las células del organismo. Además, esta formulación exhibió 
un potente efecto terapéutico cuando se combinó con bloqueos de puntos de 
control. 
4.2.4. Vacunas basadas en virus 
Con respecto a este tipo de vacunas el articulo nos comenta que las nanopartículas 
basadas en virus (VNP or Virus Based Nanoparticles), nanoportadores de 
estructura de proteína natural, han sido ampliamente estudiadas por sus 
capacidades de activación inmune mediada por PAMP (Pathogen-Associated 
Molecular Patterns) y su orientación viral inherente. Estas ventajas pueden dotar 
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a las VNP de eficacia en la administración de antígenos y de una potente 
estimulación inmunitaria antitumoral, suposición que se sustenta efectivamente 
con una serie de estudios sobre las respuestas inmunitarias de diferentes partículas 
basadas en la estructura de virus, y que gracias a la bioingeniería de diferentes 
materiales se pudieron das las bases para la estructuración de andamios para la 
arquitectura proteica que demostraría inhibir los focos tumorales de diferentes 
zonas del organismo. 
 
4.2.5. Conclusión 
Para dar fin al artículo, este concluye recalcando la prometedora eficacia de los 
vacunas contra el cáncer basadas en biomateriales, gracias a sus propiedades 
biocompatibles y la eficacia a la hora de combatir el desarrollo tumoral en un 
organismo, sin embargo, algunos aspectos aun necesitan mejoras, tales como 
el garantizar la seguridad del uso de biomateriales como adyuvantes en los 
organismos o las diferencias entre los sistemas inmunológicos animal y 
humano, quecomplica la traducción clínica de estas vacunas, pero sin lugar a 
duda, y tras la revisión de diferentes sistemas de administración basados en 
biomateriales con la ayuda de estos muy posiblemente en el futuro se puedan 
crear vacunas con una gran estabilidad y con capacidad de inducir una 
respuesta solida en el sistema inmunitario antitumoral. 
 
 
Bibliografía 
ATRIA Innovation. (2021, 14 diciembre). ¿Qué son los biomateriales? 
https://www.atriainnovation.com/que-son-los-biomateriales/ 
Gao, C., Zhang, Q., Yang, Y., Li, Y., Lin, W. (2022). Recent trends in therapeutic application 
of engineered blood purification materials for kidney disease. Biomaterials Research. 
BioMed Central. https://doi.org/10.1186/s40824-022-00250-0 
Facultad de Ingeniería 
Departamento de Mecánica 
 
Gobierno de México. (s. f.). Los Biomateriales. Recuperado 30 de mayo de 2022, de 
http://www.ciqa.mx/Biomateriales.aspx#:%7E:text=Con%20los%20biomateriales%
20se%20pueden,y%20la%20calidad%20de%20vida. 
Li, S., Wu, J., Li, X., Chen, J., & Wang, C. (2022). Biomaterial-enhanced cancer vaccines. 
Materials & Design, 218, 110720. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110720 
National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. (s. f.). Biomateriales. 
Recuperado 30 de mayo de 2022, de https://www.nibib.nih.gov/espanol/temas-
cientificos/biomateriales#:%7E:text=Los%20biomateriales%20inyectables%20se%2
0utilizan,por%20parte%20del%20sistema%20inmunol%C3%B3gico. 
University of Technology, Iraq. Biomaterials. Recuperado 13 de noviembre de 2015. 
https://uotechnology.edu.iq/appsciences/filesPDF/material/lectures/4c/8-
Biochmical1.pdf 
 
 
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110720
https://www.nibib.nih.gov/espanol/temas-cientificos/biomateriales#:%7E:text=Los%20biomateriales%20inyectables%20se%20utilizan,por%20parte%20del%20sistema%20inmunol%C3%B3gico
https://www.nibib.nih.gov/espanol/temas-cientificos/biomateriales#:%7E:text=Los%20biomateriales%20inyectables%20se%20utilizan,por%20parte%20del%20sistema%20inmunol%C3%B3gico
https://www.nibib.nih.gov/espanol/temas-cientificos/biomateriales#:%7E:text=Los%20biomateriales%20inyectables%20se%20utilizan,por%20parte%20del%20sistema%20inmunol%C3%B3gico