Las tendencias en biomateriales
están centradas fundamentalmente es matrices para la medicina regenerativa, que
deben ser biocompatibles y funcionales, y capaces de promover regeneración
celular de forma diferenciada para cada aplicación. Sistemas de liberalización
controlada, tales como gelificación o encapsulación de moléculas o células con
actividad terapéutica incluido el uso de micro y nanopartículas. Sistemas de
cultivo y validación, donde se incluyen los soportes para cultivo celular o
tisular en la fabricación de material de ingeniería de tejidos. Producción de
ortobiológicos, esto es, sistemas bacterianos modificados genéticamente para la
producción y ensamblaje de unidades polipeptídicas que se repiten y producen
materiales de origen biológico. Superficies bifuncionales, esto es, materiales
modificados para albergar componente biológico, como por ejemplo sangre y
enzimas, sin contaminar órganos artificiales y dispositivos de diagnóstico. Por
último, aplicaciones biónicas, es decir, los implantes de materiales
tradicionales, bien mejorados o fabricados con nuevos diseños y materiales.
Como corolario de lo expuesto, es
de manifestar que un aspecto importante a destacar es que los biomateriales
empezaron siendo materiales industriales a los que se les pedía que cumplieran
con ciertos requisitos de biocompatibilidad; pero en la actualidad se diseñan,
fabrican y procesan muchos biomateriales con el único fin de que tengan una
aplicación en el campo médico, es decir, cada biomaterial se sintetiza y
elabora, específicamente, para cada sistema o aparato médico. Actualmente, se
utilizan sistemas informáticos para el diseño de implantes que permite la
fabricación de, por ejemplo, prótesis desarrolladas en función del estado en
que se encuentra el paciente y/o del tipo de fractura que se trata, y se llevan
a cabo modelados y simulaciones numérica del comportamiento de órganos, para
posibilitar el desarrollo de nuevos y mejores implantes. Si bien estos hechos
no son nuevos en el campo de la ingeniería, le dan una enorme versatilidad e
interés al campo de los biomateriales; campo que, en constante evolución,
ofrece excelentes oportunidades para el desarrollo de nuevos sistemas y la
expansión de las aplicaciones actuales. Sin embargo, esto requiere estudios de
investigación avanzados para definir los verdaderos límites o las propiedades
necesarias para la sustitución de tejidos con fiabilidad a largo plazo. El
trabajo en el campo de los biomateriales implica necesariamente un trabajo
coordinado entre expertos de distintas áreas de conocimiento (químicos,
físicos, ingenieros, médicos, odontólogos, etc.). Sin esta coordinación,
absolutamente imprescindible, no se podría alcanzar el objetivo final del
biomaterial, que requiere la realización de muchas etapas, que se inicia con la
fabricación del material a utilizar, se sigue con el procesado y su control tanto
de calidad como biosanitario, y se finaliza con la aplicación clínica y
seguimiento de la misma. Como se mencionó anteriormente, para cada necesidad
hay que diseñar y fabricar un biomaterial específico y la selección de expertos
será diferente. A pesar de las dificultades surgidas y de los innumerables
fracasos asociados, es de esperar que la ciencia de los biomateriales continúe
expandiéndose y, para ello, tiene que superar una enorme cantidad de desafíos
ingenieriles, algunos de los cuales son el desarrollo de nuevos materiales, en
especial los poliméricos y los compuestos; la aplicación de la nanotecnología
en el campo de los biomateriales; el diseño de superficies que asegure que un
implante sea biocompatible y que quede correctamente fijado al organismo (para
evitar su extracción temprana); el desarrollo de sensores y órganos
artificiales, etc. Estos ejemplos pueden servir como estímulo para futuras
investigaciones que conduzcan a una nueva dimensión en la ciencia de los
biomateriales en el futuro.
Polímeros.
• Polietileno.
La investigación presente y futura del
grupo está ligada principalmente a la utilización del carbono con distintas
morfologías en la mejora del polietileno. Una de estas nuevas líneas consiste
en la obtención de materiales compuestos con matriz de polietileno y tres
reforzamientos diferentes. El primero de ellos es el refuerzo con fibras de
carbono, que son biocompatibles. Esta modificación ya se introdujo hace tiempo
sin resultados positivos. Sin embargo, la evaluación actual de las prótesis
retiradas indica que los fallos ocurridos estaban relacionados, no tanto con
las propiedades intrínsecas de ambos materiales, sino con los procesos de
conformado empleados en aquella época y que actualmente están optimizados.
La segunda propuesta se basa en el
refuerzo con nanotubos de carbono, y en la aplicación de la radiación y de su
funcionalización para obtener una adhesión adecuada con la matriz para obtener
una mayor transferencia de la carga. La tercera vía consiste en obtener un homocompuesto,
reforzando el polietileno con fibras de polietileno de uso médico, que
presentan un grado de cristalinidad mayor y mejores propiedades mecánicas.
Todas estas modificaciones están destinadas a mejorar las prestaciones del
polietileno que actúa en las zonas articulares.
El GBM participa también en un proyecto
Consolider, formado por quince grupos de toda España, para investigar en la
modificación de las superficies de los materiales, y más concretamente en su
funcionalización para aplicaciones biomédicas. El objetivo de esta
investigación consiste en eliminar el desgaste posterior que se produce, no en
las zonas articulares, sino en aquellas donde el polietileno se fija a otros
componentes, y que por los micromovimientos entre ellos se produce también
desgaste. La propuesta es el recubrimiento del polietileno con diamante
parecido al carbono (DLC) aplicado con técnicas de deposición química y física
en fase vapor. Se trata de buscar las características adecuadas de espesor,
adhesión y homogeneidad de estas capas de DLC que proporcionen mayor
resistencia al desgaste, bajo coeficiente de fricción y unas buenas propiedades
mecánicas en los componentes de polietileno.
• Polisiloxano.
Investigadores
de la Escuela de Medicina de Harvard y el Massachusetts Institute of Technology
(MIT) en Estados Unidos crearon un polímero de silicona que actúa como una
“segunda piel invisible” capaz de replicar las propiedades de una dermis joven
al mejorar temporalmente la hidratación y reducir la apariencia de arrugas y ojeras.
El llamado
polímero de polisiloxano se creó usando moléculas de silicona y oxígeno como
base. Éste se adhiere a la dermis y se caracteriza por ser elástico,
transparente y tener larga duración. Además, la capa es imperceptible a la
vista e imita los mecanismos de una piel joven.
Aunque
actualmente esta tecnología está siendo estudiada como un producto cosmético
comercial que se perfila como una opción a la cirugía estética (pero sin
riesgos asociados), los científicos esperan que finalmente pueda usarse para
ofrecer protección contra la radiación solar y mejorar medicamentos que tratan
enfermedades de la piel como dermatitis o eccema.
Según la
revista Nature Materials, se
realizaron varios ensayos en personas para probar la efectividad y seguridad del
polímero de polisiloxano y se descubrió que al aplicarlo en el área donde se
forman las ojeras ejerce una fuerza compresiva constante que aprieta la piel
durante al menos 24 horas y, en general, quienes usaba la “segunda piel
invisible” perdían menos agua que quienes recurrían a un producto comercial de
gama alta.
• Policaprolactona
(PCL)
La policaprolactona (PCL)
es un poliéster alifático biodegradable con un bajo punto de fusión de
alrededor de 60°C y una temperatura de transición vítrea de alrededor de -60°C.
Es obtenido a partir de la polimerización de la caprolactona.
La PCL es degradada por
hidrólisis de sus vínculos ésteres en condiciones fisiológicas (tales como en
el cuerpo humano) y por lo tanto ha recibido una gran atención para su uso como
un biomaterial implantable. En particular, es especialmente interesante para la
preparación de dispositivos implantables de largo plazo, debido a su
degradación, que es incluso más lenta que la de polilactida. la PCL ha sido
aprobada por la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. (FDA) en
aplicaciones específicas utilizadas en el cuerpo humano como, por ejemplo, un
dispositivo para suministro de fármaco, sutura (vendido bajo la marca Monocryl)
o barrera de adhesión. El Monocryl es una sutura quirúrgica sintética y
absorbible, fabricada y patentada por Ethicon Inc. Se compone de poliglecaprona
25, que es un copolímero de glicólida y Ɛ-caprolactona. La biocompatibilidad de
la PCL ha sido muy estudiada, especialmente del Capronor que es un dispositivo
anticonceptivo válido durante 18 meses. El agente activo es el progestágeno
levonorgestrol, se presenta en cápsulas sub-cutáneas que se colocan por medio
de una cirugía menor. Se ha demostrado que el polímero no es tóxico, excepto
por una pequeña irritación en el lugar del implante. Láminas de
policaprolactona también son utilizadas como bolus (equivalente a tejido ceroso
colocado en la superficie de la piel) en radioterapia para homogeneizar o
modular el rango de la dosis de radiación de haces externos. Como las láminas
de PCL se ablandan con agua caliente y se vuelven moldeables, se pueden aplicar
en áreas difíciles como pared torácica, nariz, parótida o cualquier superficie
anatómica irregular.
El gel de micro esferas de
PCL, reabsorbible, biocompatible, se aplica mediante una microinyección, lo que
lo convierte en un procedimiento médico no quirúrgico.
Las últimas técnicas de cultivo in vitro de
tejidos usan el polímero policaprolactona para crear una estructura de
andamiaje óptima para el desarrollo y maduración de condrocitos para crear
tejido cartilaginoso.
Biomateriales
inteligentes.
El
progreso que recientemente han tenido las tecnologías relacionadas con los
nanomateriales ha abierto nuevas perspectivas en el desarrollo de biosensores,
pues la incorporación de estos conduce a una mejora de las prestaciones de los
dispositivos tecnológicos.
Entre
los nanomateriales más utilizados para este fin destacan las nanopartículas
metálicas, el grafeno y los nanotubos de carbono. Las nanopartículas de
diamante, un material perteneciente a la familia de los nanomateriales de
carbono, presentan un amplio abanico de propiedades que resultan ventajosas
para la fabricación de biosensores: pueden producirse a gran escala y
adquirirse a un precio moderado, son de fácil manejo y, además, son altamente
biocompatibles y de naturaleza no tóxica. Estas dos últimas características
resultan importantes de cara a desarrollar dispositivos compatibles con la
química sostenible.
Sin
embargo, a pesar de estas propiedades, hasta el momento las nanopartículas de
diamante no habían sido prácticamente utilizadas para el desarrollo de
biosensores.
• Carbono
Nuevo
biosensor basado en nanopartículas de diamante:
Científicos
de la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto de Ciencias de Materiales
de Madrid han desarrollado un biosensor enzimático que, gracias a la
incorporación de partículas de diamante, logra determinar con una gran
sensibilidad concentraciones de lactato en alimentos y muestras médicas. El
lactato es la forma ionizada del ácido láctico y sus estudios son de interés en
campos como la biomedicina y la alimentación.
Investigadores
del departamento de Química Analítica
de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con el Instituto de
Ciencias de Materiales de Madrid, han demostrado la utilidad de emplear
nanopartículas de diamante en el desarrollo de biosensores para la
determinación de lactato.
El
lactato es una sustancia importante en campos como la medicina o la industria
alimentaria, donde su concentración puede relacionarse, por ejemplo, con
desórdenes clínicos o con la frescura y estabilidad de ciertos alimentos.
Aunque actualmente existen en el mercado métodos para su determinación, la
mayoría presenta importantes inconvenientes, como la necesidad de realizar un
tratamiento de la muestra antes del análisis o la utilización de
instrumentación costosa, no siempre al alcance de todos los laboratorios.
El nuevo biosensor de
lactato, descrito en la revista Bioelectrochemistry, además de
utilizar una instrumentación muy sencilla, permite realizar mediciones
directamente en la muestra, sin necesidad de un pretratamiento, lo que acorta
sustancialmente el tiempo de análisis.
“Una de las principales
ventajas de este biosensor es que logra la detección electroquímica de lactato
a un potencial más bajo de lo que es habitual, lo que mejora la selectividad
del dispositivo”, explican los autores del trabajo.
“La presencia de partículas
de diamante de tan solo cuatro nanómetros de diámetro confiere además una gran
estabilidad al dispositivo. Al cabo de 30 días de almacenamiento, la señal
disminuye únicamente un 2% respecto a la inicial. En cambio, cuando el
dispositivo no incorpora las nanopartículas de diamante, la disminución es del
50%”, agregan los investigadores.
El
biosensor desarrollado permitió cuantificar concentraciones de lactato en una
matriz compleja como es el vino. Es previsible así mismo que permita analizar
otras muestras como sangre donde además el lactato se encuentra en
concentraciones más bajas.
• Grafito
La
propiedad física del magnetismo se ha asociado históricamente con metales como
el hierro, níquel y cobalto, sin embargo, el grafito - un mineral orgánico
formado por pilas de hojas de carbono individuales - ha desconcertado a los
investigadores en los últimos años al mostrar signos de debilidad del
magnetismo.
La
búsqueda de una explicación, no ha estado exenta de polémica, con varios grupos
de investigación proponiendo diversas teorías. La propuesta más reciente,
publicada el 27 de enero, en la revista EPL (Europhysics Letters),
ha sido presentada por un grupo de investigación de la Universidad de
Manchester que incluye al científico ganador del premio Nobel, Profesor Sir
Andre Geim.
El grupo
de investigación, dirigido por la Dra. Irina Grigorieva, encontró que el
magnetismo en muchos cristales de grafito disponibles en el mercado, se ha
reducido a grupos de tamaño de micrones predominantemente de hierro, que
normalmente serían difíciles de encontrar a menos que los instrumentos
adecuados se utilicen de una manera particular.
Encontrar
la manera de hacer grafito magnético podría ser el primer paso para utilizarlo
como un imán bio-compatible para uso en la medicina y la biología como
biosensores eficaces.
Para
llegar a sus conclusiones, los investigadores en primer lugar, cortaron un
pedazo de grafito disponible comercialmente en cuatro secciones y midieron la
magnetización de cada pieza. Sorprendentemente, encontraron variaciones
importantes en el magnetismo de cada muestra. Era razonable para ellos el
concluir que la respuesta magnética tuvo que ser causada por factores externos,
como las pequeñas impurezas de otro material.
Para comprobar
esta hipótesis, los investigadores miraron profundamente en la estructura de
las muestras con un microscopio electrónico de barrido (SEM por sus siglas en
inglés) - un microscopio muy potente que muestra imágenes de las muestras
mediante su escaneo con un rayo de electrones - y encontraron que había
partículas inusualmente pesadas colocadas en lo profundo bajo la superficie.
La
mayoría de estas partículas se confirmó que eran de hierro y titanio,
utilizando una técnica conocida como microanálisis de rayos X.Como el oxígeno,
también estuvo presente, las partículas eran probablemente magnetita o bien
titanomagnetite, ambas son magnéticas.
Los
investigadores también fueron capaces de deducir cuántas partículas magnéticas
se necesitarían y, qué tan separadas tendrían que estar para crear el
magnetismo observado originalmente. Las observaciones de sus experimentos
fueron acordes con sus estimaciones, es decir, las partículas magnéticas
visualizadas podrían dar cuenta de toda la señal magnética en la muestra.
La Dr.
Grigorieva, dijo: "El entusiasmo en torno a los resultados de
ferromagnetismo en el grafito, es decir, el carbón puro, es debido al hecho de
que el magnetismo no se encuentra normalmente en la materia orgánica. Si
podemos aprender a crear y controlar magnetismo en los materiales basados en
carbono, en especial el grafeno, este será un desarrollo importante para los
sensores y la espintrónica."
• Dendrímeros.
Estos nanodispositivos ya han sido mencionados con
anterioridad en el pertinente apartado.
Cerámicos.
• Nitruro de Silicio
(Si3N4)
Cuando hablamos de materiales biocompatibles aplicables a implantes en
tejido humano, hasta ahora nos referíamos exclusivamente a metales como el
titanio o el PEEK, un polímero termoplástico. Pero la compañía Amedica
Corporación, afincada en Salt Lake City (Utah), lleva más de veinte años
desarrollando Nitruto de Silicio de grado médico capaz de ayudar en la
regeneración de nuevo tejido óseo, prevenir infecciones e incluso fusionar
distintos materiales en una sola pieza.
Las iniciativas anteriores relativas a extender la vida útil de las
prótesis articulares de cadera y rodilla han incluido la utilización de
materiales resistentes al desgaste. El proyecto «LifeLongJoints: Silicon
nitride coatings for improved implant function» (LIFELONGJOINTS) plantea un
objetivo diferente. El mismo consiste en formular un recubrimiento con mayor
resistencia al desgaste, que además produzca partículas solubles que afecten
menos a los tejidos biológicos circundantes. Las prótesis con recubrimientos de
nitruro de silicio resistentes al desgaste utilizados en las superficies e
interfaces articulares presentarán mayor resistencia al desgaste.
Gracias al proyecto se dispone de prótesis más robustas y duraderas y disminuyen los casos de pacientes que rechazan los implantes protéticos. LIFELONGJOINT es un proyecto de cinco años que se completará en 2018. Se trata de un consorcio que cuenta con la participación de quince centros de excelencia que forman parte de la comunidad de investigación y tecnológica de Europa.
El proyecto incluye otros objetivos, aparte de la formulación y caracterización de un recubrimiento a base de nitruro de silicio resistente al desgaste para las superficies articulares y no articulares. Estos incluyen desarrollar metodologías avanzadas que permiten realizar simulaciones de las actividades diarias mediante sistemas mecánicos e informáticos, que calculan el desgaste y permiten realizar estudios preclínicos de algunos dispositivos prototipo. Estas últimas pruebas son más completas que las que se utilizan actualmente, en tanto permiten medir la resistencia de los recubrimientos a ciertas actividades como subir escaleras y trastabillar. Las pruebas de laboratorio permitirán también estudiar los efectos del nitruro de silicio sobre las células vivas para comprobar la toxicidad. El recubrimiento de nitruro de silicio también genera menos corrosión que a su vez disminuye las respuestas biológicas adversas.
En el curso del primer año, las entidades asociadas de LIFELONGJOINTS identificaron los parámetros del proceso de depósito en lo que respecta a las propiedades del recubrimiento del nitruro de silicio. Tras esto se realizaron pruebas a las muestras de cromo y cobalto recubiertas con nitruro de silicio. Se trata de pruebas de adhesión, aspereza, dureza, resistencia al desgaste y tribocorrosión. Los científicos investigaron los motivos por los cuales ocurren los rechazos a los implantes protéticos, específicamente la tribocorrosión de las articulaciones cónicas en las prótesis de cadera. Actualmente se trabaja en el desarrollo de simuladores de última generación que imitan a los «ciclos de vida reales» que producen cargas y movimientos adversos.
Los primeros resultados del proyecto son auspiciosos. Se espera que los nuevos recubrimientos conduzcan a mejores respuestas terapéuticas a las artroplastias y más beneficios para los pacientes, así como una mayor calidad de impresión en 3D de las prótesis realizadas con este material.
Gracias al proyecto se dispone de prótesis más robustas y duraderas y disminuyen los casos de pacientes que rechazan los implantes protéticos. LIFELONGJOINT es un proyecto de cinco años que se completará en 2018. Se trata de un consorcio que cuenta con la participación de quince centros de excelencia que forman parte de la comunidad de investigación y tecnológica de Europa.
El proyecto incluye otros objetivos, aparte de la formulación y caracterización de un recubrimiento a base de nitruro de silicio resistente al desgaste para las superficies articulares y no articulares. Estos incluyen desarrollar metodologías avanzadas que permiten realizar simulaciones de las actividades diarias mediante sistemas mecánicos e informáticos, que calculan el desgaste y permiten realizar estudios preclínicos de algunos dispositivos prototipo. Estas últimas pruebas son más completas que las que se utilizan actualmente, en tanto permiten medir la resistencia de los recubrimientos a ciertas actividades como subir escaleras y trastabillar. Las pruebas de laboratorio permitirán también estudiar los efectos del nitruro de silicio sobre las células vivas para comprobar la toxicidad. El recubrimiento de nitruro de silicio también genera menos corrosión que a su vez disminuye las respuestas biológicas adversas.
En el curso del primer año, las entidades asociadas de LIFELONGJOINTS identificaron los parámetros del proceso de depósito en lo que respecta a las propiedades del recubrimiento del nitruro de silicio. Tras esto se realizaron pruebas a las muestras de cromo y cobalto recubiertas con nitruro de silicio. Se trata de pruebas de adhesión, aspereza, dureza, resistencia al desgaste y tribocorrosión. Los científicos investigaron los motivos por los cuales ocurren los rechazos a los implantes protéticos, específicamente la tribocorrosión de las articulaciones cónicas en las prótesis de cadera. Actualmente se trabaja en el desarrollo de simuladores de última generación que imitan a los «ciclos de vida reales» que producen cargas y movimientos adversos.
Los primeros resultados del proyecto son auspiciosos. Se espera que los nuevos recubrimientos conduzcan a mejores respuestas terapéuticas a las artroplastias y más beneficios para los pacientes, así como una mayor calidad de impresión en 3D de las prótesis realizadas con este material.
Compuestos
• Cerómeros.
Se pretende hacer una revisión
del estado del arte y avances más recientes en el campo de los compuestos
poliméricos bioabsorbibles reforzados con cerámicos bioactivos usados como
biomateriales, enfocado en las técnicas de procesamiento, principales problemas
encontrados durante su fabricación y su potencial de desarrollo.
Los dispositivos médicos
bioabsorbibles se utilizan en todos los ámbitos de la salud y muy especialmente
en la ortopedia. La versatilidad de estos materiales permite presentar
múltiples soluciones confiables que benefician tanto a los pacientes como a los
médicos, dentro de estas soluciones se incluyen su capacidad de llevar a cabo
funciones secundarias como la liberación controlada de medicamentos, la
posibilidad de controlar su velocidad de degradación según su aplicación
específica y la encapsulación y posterior liberación de factores de crecimiento
para la regeneración de tejidos. Actualmente el uso de compuestos
bioabsorbibles - bioactivos para la fijación ósea tiene un amplio campo de
acción, entre sus aplicaciones se encuentran los tratamientos de una gran
variedad de fracturas como las craneomaxilofaciales, las de la mano, columna,
entre otras, además, recientemente su uso se ha expandido a las cirugías
reconstructivas y para la fabricación de scaffolds en la ingeniería de tejidos.
• Plásticos-Cerámicos
Los desarrollos más recientes en
cuanto a los compuestos bioabsorbibles - bioactivos están enfocados en la
mejora de las propiedades mecánicas y bioactividad, algunos de estos
desarrollos son: el uso de fibras de vidrios de fosfato para fabricar tornillos
de PLA reforzados unidireccionalmente. Mejora de las propiedades mecánicas y
estabilidad térmica del PLA por medio del entrecruzamiento de las fibras del
material a través de tratamiento químico, uso de nanopartículas de biovidrio
para reforzar matriz de polímero bioabsorbible, materiales compuestos de
PLA-Hidroxiapatita reforzados mediante recubrimientos de fibras de PLLA e
hidroxiapatita, uso de fibras de hidroxiapatita para reforzar matriz de PLA,
combinación de fosfatos tricálcicos con magnesio como material de relleno en
los compuestos de matriz bioabsorbible con el fin de mejorar su actividad
biológica, entre muchos otros. El desarrollo de estos estudios ha logrado
mejorar las propiedades de estos materiales hasta el punto de incrementar, en
algunos casos, el 100% de su resistencia mecánica y mejorar considerablemente
su bioactividad.
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