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BIOINGENIERÍA

Prótesis a medida

El Instituto Biofabris elabora implantes de aleación de titanio para pacientes que perdieron huesos del cráneo o de la cara luego de un accidente o a causa de enfermedades

Imágenes de la tomografía del paciente, modelo en 3D del cráneo y prótesis a medida proyectada mediante un software

INCT-Biofabris Imágenes de la tomografía del paciente, modelo en 3D del cráneo y prótesis a medida proyectada mediante un softwareINCT-Biofabris

Una prótesis de titanio fabricada a medida transformó la vida de la estudiante Jessica Alves Farias Cussioli, de 23 años. Luego de un grave accidente en Araçatuba, en el interior del estado de São Paulo, en septiembre del año pasado, cuando se cayó de la moto y se golpeó la cabeza contra un contenedor, ella sufrió un hundimiento profundo en el lateral derecho del cráneo, en una zona que comienza en los ojos y va hasta la parte superior de la cabeza. Ocho meses después, el 26 de mayo, se convirtió en la primera paciente en recibir un implante craneofacial de titanio en Brasil, mediante un procedimiento que se realizó en el Hospital de Clínicas de la Universidad de Campinas (HC-Unicamp). La prótesis fue fabricada a la medida por pedido del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Biofabricación (INCT-Biofabris), cuya sede se encuentra en la Unicamp y lo financian la FAPESP y el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), y demandó un largo proceso de investigación y desarrollo multidisciplinario que comenzó en 2009.

En Biofabris, además de la Unicamp, participan las universidades de São Paulo (USP), las federales de São Paulo (Unifesp) y de Rio Grande do Sul (UFRGS), el Instituto de Investigaciones Nucleares (Ipen) y el Centro de Tecnología de la Información Renato Archer (CTI), entre otras instituciones. “Trabajamos en el desarrollo de polímeros, biopolímeros, materiales metálicos y cerámicos, que se destinan a diversas aplicaciones”, dice el ingeniero químico Rubens Maciel, docente de la Facultad de Ingeniería Química (FEQ) de la Unicamp y coordinador de Biofabris. Los estudios de desarrollo de nuevos materiales abarcan incluso test in vitro  e in vivo para evaluar si ocasionarán algún problema al paciente, en el caso de un futuro implante. “Su actividad en el organismo no puede ser nociva para las células ni perjudicar al cuerpo en el sitio en donde se lo implanta”.

En la cirugía de Jessica Alves participó un equipo médico integrado por cuatro cirujanos plásticos y un neurocirujano, y demandó más de ocho horas. El procedimiento quirúrgico constituyó la última etapa de un trabajo mancomunado que involucró a médicos e investigadores durante tres meses. La cooperación entre el instituto y el HC comenzó inmediatamente después de la inauguración de Biofabris. “Luego de una extensa charla con Rubens Maciel y André Jardini [ingeniero mecánico  e investigador del instituto Biofabris], me di cuenta que podríamos establecer una colaboración científica”, relata Paulo Kharmandayan, docente y coordinador del área de Cirugía Plástica del Departamento de Cirugía de la Facultad de Ciencias Médicas (FCM) de la Unicamp, e integrante de Biofabris. Más allá de la convergencia de intereses en las líneas de investigación, también contaba la cercanía física de los laboratorios. “Fue una tarde completa de conversaciones, en la que expuse mis necesidades en el área médica y ellos se comprometieron a hallar soluciones para las demandas planteadas”. A medida que pasó el tiempo y el instituto creció, surgieron más preguntas y propuestas. “Actualmente mantenemos reuniones semanales y con cada discusión surgen nuevas ideas”.

Prótesis craneofaciales elaboradas con titanio

Caius Lucilius/HC-Unicamp Prótesis craneofaciales elaboradas con titanioCaius Lucilius/HC-Unicamp

El trabajo de elaboración de los tres implantes de titanio personalizados que componen la prótesis y forman una superficie de 10 centímetros de longitud insumió 20 horas. El primer paso para la fabricación de una prótesis consiste en tomar imágenes del área del cuerpo que se necesita reparar mediante una tomografía. Esas imágenes se cargan en el programa InVesalius, un software que desarrolló el CTI, que se encarga de la reconstrucción en 3D de la parte afectada. Con base en la comparación de la parte conservada con la dañada por el trauma o accidente, los investigadores generan una prótesis con el tamaño y el formato más apropiado, conservando la apariencia y recuperando la función original de la protección del cerebro. Basándose en ese modelo virtual de la cabeza del paciente, se construyen un cráneo modelo y una prótesis de nylon impresa en 3D. “La planificación virtual es una larga etapa, en la que el programador y el equipo médico discuten todos los ajustes necesarios, antes de arribar a la prótesis de metal definitiva”, explica Kharmandayan.

Acabado y esterilización
En la etapa final, en la que se elabora la prótesis metálica, se coloca una aleación con polvo de titanio en el interior de la máquina de manufactura aditiva, una técnica de impresión en la que se genera un modelo tridimensional mediante capas sucesivas de material. El polvo se sinteriza por medio de un láser y forma capas de 0,4 milímetros de espesor. Según las características de la pieza, el proceso de fabricación puede demandar todo un día. Una vez que se la extrae de la máquina, se somete a la pieza a un tratamiento térmico o químico y, en el caso de que se la fuera a utilizar en aplicaciones médicas para implantes, atraviesa incluso un proceso de limpieza, un acabado superficial para extraerle residuos y se esteriliza.

Jessica Alves fue la sexta paciente operada por el equipo de Kharmandayan. Es una de las pacientes que forman parte de un proyecto aprobado por el comité de ética de la Unicamp, que contempla la realización de 15 cirugías. “Ésa fue la primera cirugía craneofacial que practicamos con este material. Las otras, solamente fueron de cráneo o rostro”, comentó el cirujano plástico. Al primer paciente operado, en 2012, se le colocó una prótesis para la reconstrucción del cráneo a los 17 años, tres años después de un grave accidente con su bicicleta. “Había abandonado los estudios, permanecía encerrado en su casa, no tenía vida social. Luego de practicársele la cirugía, volvió a estudiar, comenzó a tocar la guitarra, quedó como nuevo, sacó su licencia de conducir y consiguió un empleo en la administración pública.

Proyección de la prótesis a partir del modelo 3D

INCT-BiofabrisProyección de la prótesis a partir del modelo 3DINCT-Biofabris

El tratamiento más utilizado actualmente para la recomposición de la región afectada consiste en la extracción de un segmento del hueso del sector sano de la cabeza al que se lo coloca en el sitio donde se sufrió el trauma. Pero eso no siempre es factible. “Cuando los defectos son grandes o en el caso en que se produzca una absorción del hueso a causa de la infección, se necesita recurrir a un sustituto sintético, metálico o no”, explica. Uno de los que se utiliza con mayor frecuencia para esa finalidad es el metacrilato de metilo, un tipo de plástico que se descubrió en la década de 1920. “Existen varios relatos de pacientes que sufrieron rechazo de la prótesis porque ese material puede liberar sustancias químicas”. Otra particularidad consisten en que la reconstrucción con el metacrilato de metilo, la realiza en forma artesanal el cirujano. “El plástico en pasta, a una temperatura de 82 grados Celsius, se modela directamente sobre el cerebro del paciente, en el caso de una reconstrucción craneal”. El modelo a mano deja mucho que desear. Cuatro de los pacientes operados en el HC de la Unicamp como parte del proyecto tenían prótesis plásticas implantadas con anterioridad.

La aleación de titanio se utiliza en el campo medicinal desde hace bastante tiempo y, desde hace algunos años, también en odontología, porque es un material bastante testeado, seguro y posteriormente no libera residuos. “Las miniplacas que utilizamos, además de ser seguras, permiten la integración con el hueso”, dice Kharmandayan. “Se la elabora con pequeñas ranuras en su superficie, para que la osteointegración y el crecimiento celular se produzcan más rápidamente que en una superficie común”, resalta Maciel. Las placas de titanio para reconstrucción craneofacial se producen en otros países y se comercializan en el mercado, pero se las construye con un tamaño estándar, y no a medida para cada paciente y sus necesidades. “Una placa como la que se le implantó a Jessica Alves costaría en el mercado unos 130 mil reales”, estima Maciel. “El gasto nuestro para la elaboración de la placa personalizada, así como las que utilizamos con otros pacientes, se ubicó en un rango de 3 mil a 5 mil reales, dependiendo del material que utilizamos”. Eso sin contar los honorarios médicos y el costo de adquisición de máquinas, proyecto y esterilización, por ejemplo, que fueron asumidos por el Biofabris.

Modelo de estudio del cráneo y de la prótesis

Antonio ScarpinettiModelo de estudio del cráneo y de la prótesisAntonio Scarpinetti

Nuevos materiales
Más allá de las prótesis personalizadas con aleaciones de titanio, se desarrollan otras líneas de investigación con instituciones colaboradoras, que involucran la búsqueda de nuevos materiales. Una de ellas, mediante un convenio con la UFRGS, se centra en las biocerámicas de fosfato de calcio, tales como la hidroxiapatita, un material similar a la parte mineral del hueso, y otros similares. “Realizamos la síntesis y caracterización de cerámicas y modelamos las piezas en el equipamiento de prototipado rápido”, dice Cecília Zavaglia, profesora del Departamento de Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería Mecánica (FEM) y vicecoordinadora del instituto. Estos materiales cerámicos que se desarrollaron, a los que se denomina beta fosfato tricálcico, pueden emplearse como sustituto de huesos y dientes, para pequeñas reparaciones. Se han realizado test in vitro e in vivo para evaluar la biocompatibilidad del material y su toxicidad. La próxima etapa serán los ensayos clínicos.

Otros materiales que se utilizan en la biofabricación son los biopolímeros. La melaza de la caña de azúcar, la semilla del asaí y el aceite de ricino son materias primas de fuentes renovables  que se utilizan para la fabricación de esos materiales. A partir de la melaza, por ejemplo, los investigadores obtuvieron el poliácido láctico, un polímero que el organismo puede absorber a tasas controlables. “Realizamos la polimerización del ácido láctico para utilizarlo como base en una serie de aplicaciones, tales como la regeneración de tejidos, piel artificial, desarrollo de cartílagos y de huesos”, dice Jardini. “Ese material puede utilizarse a modo de esqueleto para sembrar células que necesitan desarrollarse en un determinado entorno”. En una impresora 3D, se procesa el polímero para que adquiera el formato que se va a implantar en el paciente. Ese biopolímero se siembra entonces con células del propio paciente y, luego de su crecimiento, puede implantarse la prótesis en el sitio deseado.

A partir de la semilla del asaí, se desarrolló un poliuretano que se utiliza como prótesis ósea, principalmente en las regiones del cráneo y de la cara (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 196). Y el aceite de ricino asociado con el ácido cítrico derivó en un nuevo polímero, que resultó en un depósito de patente. “El aceite de ricino que se obtuvo fue sometido a una reacción con el ácido cítrico, con lo cual se obtuvo un poliéster reticulado a partir de un proceso de polimerización que no utilizó agentes tóxicos para inducir la reacción química”, dice Maria Ingrid Rocha Barbosa Schiavon. La investigadora comenzó con su estudio durante el posdoctorado, cuyo resultado fue un depósito de patente en conjunto con otros investigadores del Biofabris.

A partir del poliácido láctico que se obtiene de la caña de azúcar, en asociación con el poli 2-hidroxietil metacrilato (pHEMA), se elaboró un polímero híbrido como resultado de la investigación de doctorado de Marcele Fonseca Passos, bajo la supervisión de Maciel y Carmen Gilda, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Federal de Pará (UFPA). La investigación condujo a un depósito de patente, el proceso no precisa de agentes químicos, y el producto obtenido posee uso potencial en odontología, regeneración parcial de cartílago, de meniscos y de oreja. Las pruebas de toxicidad revelaron biocompatibilidad del polímero y en la actualidad se están realizando ensayos con animales en la Facultad de Biología de la UFPA, en colaboración con el Instituto Evandro Chagas, también en el estado de Pará.

Proyectos
1.
Biofabris – Instituto de Biofabricación (nº 2008/57860-3); Modalidad Proyecto Temático – INCT; Investigador responsable Rubens Maciel Filho (Unicamp); Inversión R$ 2.691.894,52 (FAPESP) y R$ 2.239.094,33 (CNPq).
2. Síntesis de biopolímeros epóxicos a partir de fuentes renovables para la construcción de dispositivos biomédicos utilizando técnicas de prototipado rápido y bioelaboración (nº 2009/16480-6); Modalidad Beca de Posdoctorado; Investigador responsable Rubens Maciel Filho (Unicamp); Becaria Maria Ingrid Rocha Barbosa Schiavon; Inversión R$ 215.732,36 (FAPESP).
3. Redes IPNs de pHema-PLA para aplicación en ingeniería de tejidos (nº 2011/18525-7); Modalidad Beca de doctorado; Investigador responsable Rubens Maciel Filho (Unicamp); Becaria Marcele Fonseca Passos; Inversión R$ 177.978, 84 (FAPESP).

Artículos científicos
CALDERONI, D. R. et al. Paired evaluation of calvarial reconstruction with prototyped titanium implants with and without ceramic coating. Acta Cirúrgica Brasileira. v. 29, p. 579-87. 2014.
JARDINI, A. L. et al. Cranial reconstruction: 3D biomodel and custom-built implant created using additive manufacturing. Journal of Cranio-Maxillo-Facial Surgery. v. 42, p. 1877-84. 2014.
LAROSA, M. A. et al. Microstructural and mechanical characterization of a custom-builtimplant manufactured in titanium alloy by direct metal laser sintering. Advances in Mechanical Engineering. v. 2014. p. 1-8. 2014.

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