Biomateriales. Crecimiento en cirugía ortopédica y traumatología

Los medicamentos pueden aliviar el dolor y mejorar la función de algunas enfermedades músculo-esqueléticas. Pero otras patologías, como fracturas, artrosis, osteoporosis, tumores, metástasis óseas, entre otras, pueden necesitar intervención quirúrgica y la implantación de biomateriales sintéticos o naturales.

¿Qué son los biomateriales?

Los biomateriales son sustancias aisladas o una combinación de sustancias, que pueden interactuar o ser implantadas en organismos vivos. El objetivo es reproducir la función de los tejidos vivos en los sistemas biológicos, de forma segura, mecánicamente funcional y fisiológicamente aceptable.

Estas sustancias se implantan en procedimientos diagnósticos o terapéuticos, ya sea de forma temporal o permanente.

Cuando son implantados en el cuerpo, tratan de restaurar un defecto existente y en algunos casos conseguir la regeneración tisular.

Características de un biomaterial ideal

Para poder ser implantados los biomateriales deben cumplir ciertas características como:

  • Ser biocompatibles, es decir, que el organismo receptor los acepté y no desarrolle mecanismos de rechazo.
  • Esterilizables, el material debe soportar los métodos de esterilización, sin tener interacción ni afectarse.
  • No ser tóxicos, ni cancerígenos.
  • Resistentes a la corrosión.
  • Ser químicamente estables o biodegradables en productos no tóxicos.
  • Tener una resistencia y propiedades mecánicas, así como características superficiales, tiempo de fatiga y peso apropiados.
  • Tener una adecuada forma, tamaño y diseño.
  • Bajo costo, fabricación reproducible y que se puedan producir a gran escala.

Clasificación de los biomateriales

Según su origen

  • Materiales biológicos
  • Tejidos blandos: piel, tendón, pericardio.
  • Tejidos duros: hueso, dentina.
  • Materiales sintéticos
  • Polímeros, al tener propiedades cercanas a los tejidos vivos, son los materiales más usados en implantes e ingeniería de tejidos.
  • Metales (acero, Ti, Ti aleaciones, Cr-Co, Ta) poseen buenas propiedades mecánicas. Ampliamente utilizados en prótesis ortopédicas.
  • Cerámicas (alúmina, hidroxiapatita, fosfato tricálcico, etc.) son químicamente inertes y estables. Utilizados en prótesis óseas y válvulas del corazón.
  • Materiales compuestos (composites) se usan en todos los campos de la bioingeniería y sus propiedades dependen de los elementos que los constituyen.

Según su respuesta biológica

  • Biotolerados o biocompatibles. Son encapsulados por una capa de tejido conjuntivo fibroso al ser implantados. La biocompatibilidad es la capacidad que tiene un material de generar una respuesta específica en el huésped, que le permita desarrollar sus funciones. Contrario de lo que se piensa, la biocompatibilidad no busca evitar la generación de una respuesta; de hecho, muchas veces, es necesaria la reacción para cumplir su función. Lo que sí se busca es que esta respuesta sea acorde a la función del material y no genere rechazo.
  • Bioinertes. No producen ninguna reacción en el organismo. Se recubren de una capa de óxido estable que presenta contacto directo con el hueso, sin provocar ninguna reacción y sin inhibir la osteogénesis.
  • Bioactivos. Producen una reacción en los tejidos. Con el hueso, establecen un enlace químico directo, gracias a su capacidad para fijar proteínas inductoras en su superficie.

Según su generación

Esta clasificación nace de acuerdo a la evolución en la investigación de los biomateriales.

  • Primera generación: Materiales bioinertes.
  • Segunda generación: Materiales bioactivos y biodegradables.
  • Tercera generación: Materiales diseñados para estimular respuestas celulares específicas a nivel molecular. Son los desarrollados por la ingeniería tisular.

La ingeniería de tejidos se basa en tres elementos:

  1. Soportes o andamios (Scafforts): pueden ser metales, cerámicas o polímeros.
  2. Generación de señales biológicas, químicas, mecánicas o eléctricas.
  3. Células madres mesenquimales, de la médula ósea o tejido adiposo. Últimamente se han estudiado las derivadas del líquido amniótico, con resultados alentadores en animales.
  • Cuarta generación: Materiales con capacidad de estimular células específicas, para ayudar al cuerpo a curar y reparar sus propios tejidos de forma natural siguiendo procesos fisiológicos. También son conocidos como biomateriales inteligentes.

¿Para qué se usan los biomateriales en cirugía ortopédica y traumatología?

El uso de biomateriales en cirugía ortopédica se centra en cinco aplicaciones principales:

  1. Cirugía reconstructiva de las articulaciones.
  2. Implantes espinales.
  3. Productos ortobiológicos.
  4. Tratamiento de neoplasia, metástasis e infecciones óseas.
  5. Implante para el tratamiento de las fracturas.

El éxito de los biomateriales va a depender de la interconexión de diversos factores dependientes del cirujano, del paciente y del propio biomaterial. El cirujano debe proveer unas condiciones locales adecuadas para conseguir buenos resultados. Estas son un lecho sin contaminación, viable, vascularizado y una buena estabilización del defecto óseo.

Crecimiento de la cirugía ortopédica y traumatología en biomateriales

La prótesis más antigua del mundo data de entre 1000 a 600 años a.C. Se trata de un hallux artificial de cuero y madera, encontrado en el pie de una momia egipcia. Desde entonces, hemos evolucionado a prótesis más sofisticadas como la rodilla monocéntrica con freno de carga o la rodilla policéntrica de 4 ejes

En otra momia de unos 3000 años, se halló un clavo de hierro de 23 cm de longitud, fijado con resina al hueso de la rodilla, para conseguir una artrodesis de la misma. Actualmente existen alrededor de 2700 tipos de dispositivos médicos considerados como biomaterial.

Autoinjerto para la reconstrucción del hueso

La técnica más utilizada actualmente para la reconstrucción de hueso es el autoinjerto, el cual consiste en tomar tejido óseo de otra zona del mismo paciente, que puede ser del mismo hueso o de un hueso distinto.

Alguna de las desventajas de este procedimiento es el sacrificio de la zona dadora de hueso, lo que puede ocasionar trastornos en el paciente. Otra desventaja es la disponibilidad limitada, en caso de que se necesite una gran cantidad de hueso para injertar.

Otra técnica utilizada es el aloinjerto, en donde se toma hueso de una persona fallecida. El inconveniente, es la posible transmisión de enfermedades por parte del donante. Debido a estos contratiempos surgen los biomateriales sintéticos para contrarrestar estas desventajas.

Avances en regeneración ósea

Transportadores para los factores de crecimiento

Hasta el momento se han descrito 4 tipos de transportadores para el factor de crecimiento: Materiales inorgánicos, polímeros sintéticos, polímeros naturales (colágeno tipo 1, fibrina, etcétera) y compuestos (composites) de los materiales anteriores. También se ha utilizado el aloinjerto para la liberación de factores osteogénicos.

Actualmente se está trabajando en la obtención de materiales artificiales, sintéticos o biológicos, desnaturalizados que puedan sustituir al hueso.  Una fractura cerrada, podría evitar convertirse en abierta, con el desarrollo de transportadores inyectables.

Terapia celular

Para que se produzca la reparación del hueso es necesaria la presencia de células osteocompetentes. El enfoque clínico actual que se maneja para la liberación de células directamente en el lugar de reparación incluye el uso de médula ósea aspirada desde la cresta ilíaca, que además aporta factores de crecimiento.

A pesar de ser un procedimiento mínimamente invasivo y con buenos resultados, la concentración y la calidad de las células suministradas en la zona receptora puede variar significativamente. Factores individuales, como la edad, el sitio de obtención y la técnica empleada, contribuyen con esta variación.

Una alternativa es el uso de concentrado de aspirado de médula ósea, sin embargo, existen controversias respecto al control de calidad y el número necesario de células progenitoras adecuadas para la reparación ósea.

Ingeniería tisular aplicada a la reparación ósea

La ingeniería del tejido óseo combina células osteocompetentes, difundidas sobre andamios biocompatibles, tridimensionales, con factores de crecimiento, para generar hueso nuevo.

Actualmente, existen injertos compuestos en forma de andamio, sembrados de aspirado de médula ósea o factores de crecimiento, que son usados como alternativa al injerto autólogo. Esta es una ciencia nueva, que aún necesita resolver problemas relacionados con la eficacia, seguridad y costos.

Terapia genética

La terapia genética, una rama de la ingeniería tisular, busca desarrollar la posibilidad de estimular la producción de factores de crecimiento, a través de la activación del ADN.

La transferencia genética se haría utilizando un virus como vector o vectores no víricos, por medio de estrategias in vivo y ex vivo. Ha dado resultados prometedores en estudios con animales, sin embargo, la seguridad biológica, su eficacia real y los costos, deben ser aclarados antes de aplicarse en humanos.

Dónde nos encontramos en el desarrollo de biomateriales

En el campo de los biomateriales se observa una evolución continua y, gracias a la tecnología, se pueden crear soluciones que imitan las características biológicas y materiales del tejido a sustituir.

De igual forma, la creación de estructuras 3D permite la elaboración de implantes personalizados, con estructuras mecánicas y biológicamente complejas que puedan conducir e inducir la regeneración y curación intrínseca propia del organismo.

Futuro de la regeneración ósea

Las opciones de tratamiento actuales de diferentes patologías osteoarticulares se encuentran en desarrollo y se están abriendo nuevas direcciones en el campo de la regeneración ósea con enfoques mecánicos y biológicos, poniendo mayor atención en los andamios y las señales.

El desarrollo de nuevos métodos de estudio, como por ejemplo la nanotecnología, permite evaluar las propiedades mecánicas del hueso regenerado a nivel microscópico, lo que ha permitido desarrollar e investigar nuevas terapias como adyuvantes o alternativas a los mecanismos tradicionales de regeneración ósea.

Los conocimientos a nivel celular y molecular sobre el proceso de regeneración ósea han mejorado mucho en los últimos años y continúan avanzando las investigaciones en este campo.

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