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Biomateriales

Aliados metálicos

Las prótesis ortopédicas se muestran más eficientes y biocompatibles

EDUARDO CESAREl área de biomateriales viene experimentando un gran crecimiento en los últimos años. Se estima que el mercado mundial asociado con estos materiales destinados a usos medicos, producidos con metales, cerámicas, polímeros (sintéticos o naturales) y compuestos compatibles con el organismo humano, crecerá en un índice del 12% anual. En diversos centros de investigación del Brasil se realizan importantes estudios en este campo del conocimiento, entre ellos, en el Instituto de Química de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) con sede en la localidad de Araraquara, donde el profesor e ingeniero de materiales Antonio Carlos Guastaldi y su equipo estudian y desarrollan implantes odontológicos y prótesis ortopédicas de aleaciones metálicas realizadas en titanio y molibdeno (Ti-Mo). El investigador se encuentra detallando una patente relacionada con el desarrollo del biomaterial, que será depositada en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI) en septiembre. Si todo sucede con normalidad, y las empresas se interesan, ella considera que los implantes odontológicos pueden estar disponibles en el mercado en 2010 y, durante el año siguiente, será el turno de las primeras prótesis ortopédicas construidas con el nuevo material.

Una importante característica de las prótesis construidas con esas aleaciones, que cuentan con entre un 6% y un 20% de molibdeno en su composición final, es la biocompatibilidad, es decir, una mejor interacción con el organismo. “La gran mayoría de las prótesis ortopédicas existentes en el mercado se fabrica con aleaciones de titanio, aluminio y vanadio. El problema es que el vanadio es tóxico”, dice Guastaldi, quien coordina el Grupo de Biomateriales de la Unesp de Araraquara. “El molibdeno, aparte de su biocompatibilidad, no es tóxico. Confiere a la aleación propiedades mecánicas superiores a las de los implantes de titanio puro y mayor compatibilidad con el organismo que las aleaciones convencionales de titanio, aluminio y vanadio”. Debido a su elevada interacción biológica y excelente resistencia a la corrosión, los biomateriales confeccionados con titanio cuentan con extenso uso médico, porque su estabilidad termodinámica, que mantiene al material químicamente estable, resulta una condición esencial para que ocurra la osteointegración. Esta propiedad de la aleación Ti-Mo fue estudiada en el trabajo de posdoctorado del químico Nilson de Oliveira, en cooperación con otros dos grupos de investigación. Uno nacional, perteneciente al Laboratorio de Metalurgia Física y Solidificación, de la Facultad de Ingeniería Mecánica en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), y otro internacional, de la Universidad de Palermo, en Italia, donde se realizaron estudios de resistencia a la corrosión de esas aleaciones en soluciones que simulan la agresividad del medio fisiológico en el cuerpo humano.

En odontología, se emplean con mayor profusión los implantes de titanio cp –sigla de “comercialmente puros”. En el sector ortopédico, como el titanio puro no posee las propiedades mecánicas adecuadas para la fabricación de prótesis, se recurre a aleaciones de este metal con otros elementos químicos para la reconstrucción de rodillas, caderas, cráneos, columnas y otros conjuntos óseos. Un factor importante para evaluar la eficiencia de una prótesis ortopédica, según explica el profesor de la Unesp, es su módulo de elasticidad, un parámetro mecánico que informa al respecto de la rigidez y capacidad de deformación del material.

Lo ideal es que la prótesis cuente con un módulo de elasticidad similar al del hueso humano, facilitando la transferencia de carga del implante para los tejidos vecinos (hueso, músculos y tendones). “En caso de que su módulo sea muy diferente pueden ocurrir rupturas entre el hueso y el implante en la región donde debería haberse concretado la osteointegración”. Y aquí reside la segunda ventaja de las prótesis de titanio y molibdeno desarrolladas en Araraquara: sucede que cuentan con un módulo de elasticidad (definido por el cociente entre la tensión aplicada y la deformación elástica resultante) más próximo al del hueso humano que los de las aleaciones tradicionales. El módulo de elasticidad de un hueso se expresa en gigapascales (GPa), una medida de tensión. Según el investigador, ese módulo, en el hueso humano, se encuentra entre 0,1 y 20 GPa, y los de las prótesis creadas por su equipo, se hallan en el rango entre 75 y 80 GPa mientras que en las prótesis convencionales varía entre 100 y 114 GPa.

EDUARDO CESARSuperficie bioactiva
Otro aspecto importante para el éxito de las cirugías de implante de prótesis ortopédicas reside en su capacidad de interacción con el tejido óseo en el ámbito fisicoquímico, manteniéndose estable y soportando cargas sin provocar dolor, inflamación o desencaje del propio implante. Para que esto suceda, la superficie de la prótesis, región en contacto directo con los tejidos del cuerpo, necesita ser bioactiva y, de ese modo, favorecer la formación ósea en el lugar de fractura. Pese a las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión y la biocompatibilidad del titanio, las aleaciones de este material son inertes, porque no provocan interacción química entre la superficie del implante y el tejido óseo neoformado. En función de esta limitación, investigadores de varios países estudian tratamientos de la superficie para mejorar la adhesión y la fijación de tejidos duros vivos recién formados en la conexión hueso-implante. Se han estudiado varias técnicas para mejorar la osteointegración, entre ellas el uso de láser para modificar la estructura de la superficie del implante. Ése fue el camino seguido por el equipo de Guastaldi. “La aplicación de láser de alta potencia puede conducir  a la formación de superficies nanoestructuradas y de también óxidos en la superficie del material. Algunos de los nuevos compuestos formados son reconocidos y aceptados por el organismo, favoreciendo la adhesión, la proliferación y la diferenciación celular, aparte de promover la osteointegración en escala nanométrica”. Con ello, la cantidad de hueso formado en el lugar resulta mayor, en un período de tiempo menor.

El equipo también realizó estudios con recubrimientos de hidroxiapatita, un compuesto de calcio y fósforo, en la superficie del implante, tornándolo bioactivo. El material es un referente para la sustitución y regeneración ósea ya que posee similitud química y estructural con la parte mineral de huesos y dientes y su presencia en la superficie del implante crea condiciones fisicoquímicas para la proliferación de células óseas, siendo posible también la planificación de la composición química del recubrimiento, mejorando las actividades físicas, químicas y biológicas de los implantes, por ejemplo, los desarrollados para diabéticos. El recubrimiento de hidroxiapatita fue realizado solamente en las piezas de Ti cp para la fabricación de implantes dentales, pero la intención del grupo es repetir el mismo estudio en las aleaciones de Ti-Mo para uso ortopédico.

Las investigaciones del Grupo de Biomateriales de Araraquara se encuentran avanzadas, pero todavía habrá que recorrer un largo camino hasta que los materiales creados en los laboratorios de la universidad se transformen en productos  comerciales disponibles para odontólogos y médicos. Los ensayos iniciales revelaron que las aleaciones presentan resistencia a la corrosión y resultan adecuadas para su aplicación como biomaterial. La etapa posterior de la investigación consistió en la realización de pruebas in vitro. Se pusieron discos metálicos construidos con la aleación Ti-Mo de un centímetro de diámetro y dos milímetros de espesor junto con un cultivo de células no diferenciadas (células madre) para evaluar si habría formación de células óseas, una etapa indispensable del proceso de osteointegración. El éxito de tales pruebas condujo a los investigadores a comenzar los test in vivo, realizados en colaboración con otros grupos de investigación en las facultades de odontología de Araraquara y Araçatuba, ambas pertenecientes a la Unesp, aparte de colaboraciones internacionales, de la Universidad de Ilha da Madeira, Portugal, y de la Universidad de Chiete-Pescara, Italia.

Los implantes, con forma de tornillo, de 10 milímetros de longitud por 3,5 milímetros de diámetro, fueron insertados en la tibia de conejos y retirados cuatro, ocho y doce semanas después, para analizar el patrón de osteointegración. Algunos implantes se habían tratado con láser en su superficie y otros no. “Esos ensayos revelaron que hubo mayor formación y crecimiento del hueso en los implantes tratados con láser y con recubrimiento de hidroxiapatita en comparación con otros implantes comerciales”, destaca Guastaldi. “También se comprobó que nuestras prótesis de Ti-Mo son eficientes y biocompatibles, y que los enlaces químicos establecidos entre el implante y el hueso son más fuertes que la mera adhesión física verificada para la mayoría de los implantes comerciales”.

Los ensayos clínicos en humanos todavía no están programados y recién se realizarán cuando exista interés por parte de alguna industria para la producción de las prótesis. Según el investigador, ya existe una empresa del rubro odontológico –de la cual él prefiere no divulgar el nombre– interesada por conocer el implante de titanio y molibdeno con tratamiento superficial láser y recubrimiento de hidroxiapatita. Las prótesis óseas tardarán algo más de tiempo en alcanzar status de comercialización, ya que todavía deben llevarse a cabo los estudios de recubrimiento con hidroxiapatita y la realización de ensayos en humanos.

Los proyectos
1. Desarrollo de aleaciones metálicas Ti-Mo aplicadas como biomaterial para implantes (nº 05/04050-6);Modalidad Apoyo Regular al Proyecto de Investigación; Coordinador Antônio Carlos Guastaldi – UNESP; Inversión R$ 82.950,00 (FAPESP)
2. Modificación de la superficie de implantes empleando haz de luz láser y recubrimiento con apatitas mediante método biomimético (nº 05/04109-0); Modalidad Apoyo Regular al Proyecto de Investigación; Coordinador Antônio Carlos Guastaldi – UNESP; Inversión R$ 287.812,50 (FAPESP)

Artículos científicos
OLIVEIRA, N.T.C.; GUASTALDI, A.C. Electrochemical stability and corrosion resistance of Ti-Mo alloys for biomedical applications. Acta Biomaterialia. v. 5 (1), 399- 405, 2009.
OLIVEIRA, N.T.C.; ALEIXO, G.; CARAM, R.; GUASTALDI, A.C. Development of Ti-Mo alloys for biomedical applications: microstructure and electrochemical characterization. Materials Science and Engineering: A. v. 452/3, p. 727-731, 2007.

 

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