Dos grupos de investigadores del Instituto Tecnológico de Costa Rica (Tec) trabajan en el desarrollo de una nueva generación de implantes de hueso con materiales más livianos y compatibles con el organismo humano.
Los científicos utilizan tecnología de punta para obtener un grado de personalización que hoy no existe, mediante la creación, desde cero, de materiales para injertos que se adhieran mejor a los tejidos vivos o se absorban y así buscar una mejor calidad de vida.
Su intención es desarrollar alternativas novedosas para atender desgastes óseos y fracturas.
De hecho, este ambicioso proyecto ya ha rendido frutos. Hay varios productos que están siendo sometidos a estudios preclínicos. Varios de ellos fueron mostrados a La Nación durante una reciente visita al Tecnológico.
“Buscamos brindar a los ortopedistas más opciones para productos que se integren mejor con las actividades de una persona”, expresó Jorge Mauricio Cubero Sesín, director del Laboratorio de Investigación en Materiales por Deformación Plástica Severa del Tec.
“En la actualidad, los implantes vienen con diferentes tamaños, como si fueran tallas. Lo que buscamos es algo que pueda ir más dirigido a las necesidades que se han visto en este tipo de problemas”, destacó el investigador.
La iniciativa une a científicos del Laboratorio de Materiales y Procesos Bioinspirados y del Laboratorio de Investigación en Materiales por Deformación Plástica Severa, de la Escuela de Ingeniería en Materiales, donde también participan profesores y estudiantes de la Maestría en Dispositivos Médicos del Tec.
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Además, se cuenta con el apoyo de la Universidad Nacional (UNA); la Universidad de Oulu, en Finlandia; la Universidad de Utrecht, en Países Bajos; y el Centro de investigación de magnesio en Kumamoto, en Japón.
Todavía faltan años de investigación para obtener productos que puedan usarse en huesos humanos, pero los encargados señalan que el trabajo ha mostrado resultados esperanzadores en pruebas de laboratorio y los primeros ensayos preclínicos.
Los especialistas advierten que la palabra “personalizados” no quiere decir que se hagan adaptados específicamente a cada persona, porque esto sería “sumamente caro”. Lo que se trata es de crear materiales más biocompatibles (compatibilidad con tejidos vivos).
La naturaleza: principal inspiración para nuevos implantes
Teodolito Guillén Jirón, director del Laboratorio de Materiales y Procesos Bioinspirados y coordinador del proyecto, comentó que, como el nombre del laboratorio lo dice, la naturaleza es el principal componente para desarrollar estos productos.
“La naturaleza es la maestra idónea para llevar a una solución. En el área de implantes, copiamos lo que nos ha enseñado la naturaleza. Vemos la estructura de los huesos y esta es nuestra inspiración. Los tomamos como plataforma, como base”, destacó.
Guillén explicó que el hueso humano se compone de dos estructuras: el hueso cortical, que está en la superficie y es rígido. Y el hueso trabecular o poroso, que está en el interior.
“Para tener una mejor adaptación al organismo, queremos un implante que se parezca lo más posible a ese hueso poroso”, resumió.
Guillén comentó que los implantes de acero inoxidable que se utilizaron por décadas y que todavía se usan en algunos casos sí tienen biocompatibilidad, pero están hechos de un material muy rígido y pesado, que podría afectar a la persona.
Entonces, la primera fase con la que el equipo comenzó hace 15 años, fue estudiar bien los diferentes huesos humanos, su composición, su geometría y sus características.
Dicha primera etapa nació con microtomografías (estudios de imágenes) para captar la estructura y reproducirla en materiales que tuvieran la biocompatibilidad necesaria.
“Estos implantes más funcionales y personalizados se enfocan en resolver características específicas de los pacientes: anatomía, estructura de hueso, necesidades”, comentó el investigador Miguel Araya Calvo.
Araya indicó que los implantes de acero inoxidable tienen una rigidez muy diferente a la del hueso. Señaló que las actividades cotidianas generan cargas mecánicas. Si el material tiene una rigidez mayor, el hueso circundante no va a recibir esa carga, la recibirá solamente el implante.
“El hueso circundante necesita recibir esas cargas para ser bioestimulado. Si el hueso es bioestimulado va a crecer, va a estar sano, va a estar fuerte", dijo.
“Pero si la carga la recibe solamente el implante y el hueso circundante no es bioestimulado, ese hueso se va a reabsorber, se va a dañar. Sus células van a morir, y eventualmente pueden ocurrir varias cosas, como que el implante se suelte, que la persona sufra una fractura en el hueso circundante o incluso que el implante se fracture“, agregó.
En este momento se trabaja en resolver dos tipos de problemas muy diferentes y que por ello requieren dos tipos de soluciones distintas:
- El desgaste óseo, que conduce a reemplazos fijos de cadera o rodilla, o estabilizadores de columna, por ejemplo.
- Fracturas que requieren de pines o implantes, pero en las que los huesos y sus tejidos pueden regenerarse y no sea necesario un implante permanente.
“Al final debemos conocer las diferentes necesidades del paciente ¿Va a necesitar un implante permanente o no? ¿Va a necesitar un implante completo o uno mucho más pequeño?
“Hay personas que solo se deben tratar una lesión pequeñita. Con base en el criterio del médico se verá qué requieren, pero necesitamos tener materiales para cada una de esas necesidades”, aseveró Guillén.
Integrar el implante a los huesos
La primera línea de investigación consiste entonces en buscar soluciones para implantes fijos. Para ello, los científicos tienen en mente un concepto llamado osteointegración.
Araya explicó que se trata de un proceso en el que existe una unión mecánica entre el hueso, el tejido del hueso y el implante. Esta ocurre gracias al crecimiento del tejido óseo. El hueso se bioestimula con cada movimiento y actividad.
Diferentes aleaciones de titanio y otros materiales, con esa porosidad, permitirían que el hueso las envuelva y se vuelvan uno solo, algo que no sucede con los implantes convencionales. Por eso funcionarían más como un andamio, en donde el hueso se reconstruiría, que como un implante. Pero este andamio permanecería allí dando la firmeza necesaria.
“En este momento hacemos estudios de las fuerzas asociadas a la osteointegración entre el tejido del hueso y el implante metálico”, precisó Araya.
La porosidad no solo depende de los materiales, también de la estructura de sus átomos. Ahí es donde entra en acción el equipo del Laboratorio de Investigación en Materiales por Deformación Plástica Severa del Tec
“El secreto a veces no está en cambiar el material, sino en cambiar la composición atómica para lograr resultados más precisos según la necesidad del paciente.
“Sin cambiar los materiales químicos, sigue siendo la misma aleación de titanio, pero estructurada diferente en la escala atómica y eso cambia el qué tan resistente, qué tan rígido y esa elasticidad”, explicó Jorge Mauricio Cubero, director del laboratorio.
Un material que el cuerpo absorba
La otra línea de investigación, que se trabaja en paralelo, es encontrar materiales que una vez que el cuerpo regenere el hueso, pueda absorberlos. Esta línea es más nueva y comenzó hace unos diez años.
“En algunas fracturas es necesario colocar un implante tipo tornillo o placa de fijación para que temporalmente el hueso se alinee mientras sana.
“Tal vez no es necesario que esté ahí toda la vida, pero el titanio no se va a absorber, va a quedar ahí toda la vida y eso no es necesario”, detalló Cubero.
En estos casos, la aleación principalmente es de magnesio. El magnesio es más liviano incluso que el titanio y se parece más al hueso, pero es más difícil de trabajar, más reactivo.
Y tiene el problema de que, por sí mismo, podría terminar de absorberse antes de que el hueso sane. Por esta razón también se trabaja en combinación con otros materiales.
“Tratamos de controlar y hacer más lenta la tasa de degradación para que haya todavía integridad mecánica mientras el hueso sane”, especificó Cubero.
Diferentes tipos de estudios
Para que estos avances lleguen a seres humanos se requieren muchos tipos de estudios para determinar que el dispositivo sea seguro y cumpla sus funciones.
El primer paso, señaló Guillén, son los estudios de física y química que se realizan en laboratorio. Ahí se ponen a prueba los materiales en diferentes rangos de fuerza y movimiento.
Posteriormente, se hacen estudios in vitro, con medios de cultivo celulares que ven cómo las células interactúan con los materiales.
Una vez que se pasan estas pruebas se realizan ensayos preclínicos en animales. Para probar las estructuras de los materiales se necesitan huesos animales similares a los de los seres humanos, que conlleven, según sus características, funciones y carguen pesos proporcionalmente similares.
Para ello, el Tec se alió con la UNA para realizar pruebas en caballos en la sede universitaria en Heredia. Para ello, el proyecto debió ser sometido a protocolos éticos de investigación muy rigurosos.
“Estos estudios son muy importantes antes de utilizar los materiales en personas. Debemos saber que son factibles físicamente, químicamente y biológicamente para utilizarlas en personas”, dijo Guillén.
Esto ha permitido probar cómo el hueso se integra a los implantes que buscan la integración. Ya se han visto resultados con algunos tipos de estructuras.
“Con esa información extraemos datos con fuerzas máximas, la fuerza para sacar el implante. Posteriormente a eso hacemos análisis a través de microscopía electrónica para ver el hueso que creció dentro de la estructura”, dijo Araya.
¿Qué sigue?
Todavía falta camino antes de que sea realidad en seres humanos. Los equipos siguen probando diferentes tipos de materiales, analizan los datos de los que ya han tenido ensayos preclínicos y preparan eventuales ensayos en seres humanos.
Esa validación clínica en personas será un paso trascendental para que alguna vez los implantes sean una realidad, por eso, los investigadores se concentran en completar todas las fases previas.