Biomateriales para sustitución y reparación de tejidos

María Vallet Regí

Departamento de Química Inorgánica y Bioinorgánica. Facultad de Farmacia. Universidad Complutense de Madrid

Reconstruir partes dañadas del ser humano ya es una realidad (figura 1). Pero si se extrapolan las partes al todo:

  • ¿Se está hablando de ciencia-ficción?
  • ¿Dónde termina la ciencia-ficción y empieza el hecho científico?
  • ¿Hasta dónde puede llegar la ciencia en la elaboración de prótesis, dispositivos y cementos óseos?

Más de cincuenta millones de personas en todo el mundo tienen implantado algún tipo de prótesis y es un hecho bien conocido en nuestra sociedad la utilidad y necesidad de todo tipo de implantes, siendo raro que en nuestro entorno próximo no conozcamos algún caso de familiar o amigo que los necesite.

Los biomateriales están destinados a su aplicación en seres vivos, y para su fabricación se requiere la coordinación de expertos de muy diversos campos. El campo de los biomateriales ha experimentado un espectacular avance en los últimos años y una motivación importante para ello ha sido el hecho de que la esperanza de vida aumente de forma considerable.

Según los demógrafos de Naciones Unidas, dentro de unos 5 años es muy probable que haya más personas de más de 60 años que niños de menos de 15. Hoy en día una de cada diez personas tiene 60 años o más, pero en el año 2050 se prevé que será una de cada cinco. Y se prevé también que el número de los que tienen unos 80 años se multiplicará por cinco. La longevidad masiva tiene implicaciones individuales relacionadas con mantener la calidad de vida (figura 2).

Fig1. Piezas que pueden implantarse en el organismo
Figura 01. Piezas que pueden implantarse en el organismo.
Fig. 2: Hoy en día 1 de cada 10 personas tiene 60 años o más pero en el año 2050 se prevé que será 1 de cada 5.
Figura 2: Hoy en día 1 de cada 10 personas tiene 60 años o más pero en el año 2050 se prevé que será 1 de cada 5.

Estos factores sociológicos han impulsado un gran avance en Biomateriales, y han potenciado la investigación en este campo. Si a esto se le añade la mejora de las técnicas quirúrgicas, se puede entender el crecimiento acelerado en la utilización de prótesis, implantes, sistemas y aparatos médicos que deben trabajar en contacto con los tejidos corporales.

Los biomateriales deben cumplir con las condiciones de partida de ser biocompatibles y asegurar una determinada vida media. A su vez, tienen que aportar las prestaciones específicas que requiera la aplicación a que vayan destinados.

Inicialmente, que fue hace relativamente poco tiempo, durante el último tercio del siglo XX, los biomateriales eran esencialmente materiales industriales seleccionados con el criterio de que fueran capaces de cumplir ciertos requisitos de aceptabilidad biológica. Sin embargo, hoy en día muchos biomateriales son diseñados, sintetizados y procesados con el único fin de tener una aplicación en el campo médico.

En la actualidad, en el mundo de los biomateriales se formulan tres importantes cuestiones:

  • ¿Qué calidad de vida proporcionarán?
  • ¿Cuánto durarán?
  • ¿Cuál es su precio?

Las respuestas no son en ningún caso satisfactorias al cien por cien; sin embargo, sí son positivas en líneas generales para un elevado número de pacientes. Para llegar, o al menos aproximarse a ese cien por cien deseado, hay todavía mucho trabajo por hacer, desde los campos investigador, médico, técnico e industrial.

A los biomateriales, materiales implantables intracorporalmente, se les exige que lleven a cabo una función adecuada y no ocasionen ningún daño al organismo. Entre sus características es imprescindible que sean biocompatibles, esto es, biológicamente aceptables.

Factores decisivos a la hora de evaluarlos son su biocompatibilidad y su duración, ya que estos materiales tienen que permanecer en contacto con los tejidos vivos, por lo que es imprescindible que posean una buena compatibilidad, es decir, que no se produzcan reacciones no deseadas en la interfaz tejido-material, y que mantengan sus prestaciones durante el tiempo que tengan que estar en servicio.

Naturalmente, ese tiempo será muy diferente según la función a que esté destinado y podrán seleccionarse distintos materiales para fabricar un implante, en función de que éste sea provisional o definitivo.

Se utilizan tanto para la reconstrucción del organismo, como para darle soporte. Las propiedades de un material implantable dependen de factores biológicos, mecánicos y cinéticos, y su carácter multidisciplinar, obliga a considerar simultáneamente muchos factores.

El que los biomateriales sean tales, implica una composición adecuada no sólo del material implantado, sino también de las partículas liberadas de cualquier implante, como consecuencia de su desgaste y de los productos de degradación a que pueda dar lugar.

Pero tanto tolerancia como toxicidad de cualquier sustancia en el organismo humano son función de la concentración en la que se encuentra presente. Esto es un hecho bien conocido en Química Bioinorgánica, que estudia los elementos que intervienen en la bioquímica de los humanos, lo que puede relacionarse con la composición que debe tener un determinado biomaterial para que cumpla las normas de no toxicidad.

Puede también relacionarse la dosis de cualquier elemento esencial con su respuesta esperada, factor muy importante a la hora de elegir, no sólo la composición, sino la posible concentración de las sustancias que intervienen en el implante.

Atendiendo a la naturaleza del material artificial con el que se fabrica un implante, se puede establecer una clasificación en materiales cerámicos, metálicos, poliméricos o materiales compuestos.

Los poliméricos (figura 3), ampliamente utilizados en clínica, deben su éxito a las enormes posibilidades que presentan, tanto en variedad de compuestos, como en ofrecer la posibilidad de fabricarlos de muy distintas maneras, con características bien determinadas, y con facilidad de conformarlos en fibras, tejidos, películas o bloques.

Fig. 3: Materiales poliméricos implantables
Figura 03: Materiales poliméricos implantables.

Pueden ser tanto naturales como sintéticos y, en cualquier caso, se pueden encontrar formulaciones bioestables, esto es, con carácter permanente, particularmente útiles, para sustituir parcial o totalmente tejidos u órganos lesionados o destruidos, y biodegradables, esto es, con carácter temporal, por tanto, con una funcionalidad adecuada durante un tiempo limitado, el necesario mientras el problema subsista.

Tanto en implantes quirúrgicos, como en membranas protectoras o en sistemas de dosificación de fármacos existen aplicaciones de este tipo de materiales, y particular importancia tienen los cementos óseos acrílicos, que han encontrado importantes campos de aplicación, en particular, en traumatología.

De los biomateriales metálicos (figura 4), cabría señalar, en términos generales, que el número de elementos metálicos que se utilizan en la fabricación de implantes es muy limitado, si tenemos en cuenta que más de tres cuartas partes del sistema periódico lo son. El primer requisito para su utilización es que sean tolerados por el organismo, por lo que es muy importante la dosis que puedan aportar a los tejidos vivos. Otro requisito también imprescindible es que tengan una buena resistencia a la corrosión.

Fig. 4: Materiales metálicos implantables

Todo químico conoce bien que la corrosión es un problema general de los metales, más aún si están inmersos en un medio hostil como es el organismo humano, y a temperaturas del orden de 37 °C.

Sin embargo, algunos metales se escapan, por lo menos en principio, a este problema, como son los metales preciosos.

Otros, al formar una capa de óxido en su superficie, la pasivan, protegiendo el interior del metal al evitar que avance la corrosión, como ocurre en el titanio.

De los biomateriales cerámicos (figura 5), a primera vista podría pensarse que su principal ventaja es su baja reactividad química, por tanto, su carácter inerte, que conlleva una clara biocompatibilidad. Pero no todas las biocerámicas son inertes y, de hecho, muchos materiales cerámicos que se utilizan en cirugía reconstructiva son bioactivos.

Las biocerámicas se introducen en una época (década de los 70) en la que comenzaban a detectarse fracasos en los biomateriales utilizados hasta ese momento, como eran el acero, aleaciones de cobalto y polimetil metacrilato.

Fig. 5: Materiales cerámicos implantables
Figura 05: Materiales cerámicos implantables.

El fracaso se debía, entre otras razones, a la encapsulación de estos materiales, lo que hizo dirigir la mirada hacia las cerámicas, en un intento de buscar una buena oseointegración. Sin embargo, la fragilidad de las biocerámicas restringió, en gran medida, su campo de aplicación, seleccionando sólo funciones que no necesitaran elevadas prestaciones mecánicas, a excepción de la alúmina y la zirconia, que se emplearon y emplean en articulaciones de cadera.

Hay que tener presente que las biocerámicas podrían ser los biomateriales ideales, ya que poseen una buena biocompatibilidad y oseointegración y, a su vez, son los materiales más parecidos al componente mineral del hueso. Es muy frecuente utilizar los tres tipos, metálicos, cerámicos y poliméricos, en la fabricación de una prótesis. Un ejemplo ilustrativo puede ser una artroplastia de cadera (figura 6).

Fig. 6: Artroplastia de cadera donde intervienen simultáneamente materiales metálicos, cerámicos y poliméricos.
Figura 06: Artroplastia de cadera donde intervienen simultáneamente materiales metálicos, cerámicos y poliméricos.

Cuando se piensa en reparar una parte del esqueleto, a priori podrían existir dos posibilidades muy distintas, reemplazar la parte dañada, o sustituirla regenerando el hueso. Este planteamiento hace pensar en un campo de investigación muy importante, dirigido a conseguir biocerámicas basadas en fosfatos de calcio, que tengan buena resistencia mecánica y que puedan conducir a la regeneración de hueso.

En esta dirección podría pensarse en reforzar las biocerámicas ya conocidas, por ejemplo, sintetizando biocomposites que mejoren los pobres aspectos mecánicos de las cerámicas y profundizar en el estudio del mecanismo de formación del hueso natural para buscar las condiciones de síntesis que permitan obtener en el laboratorio biomateriales compuestos orgánicoinorgánico con propiedades mecánicas aceptables. El objetivo final de la comunidad científica que trabaja en este campo es fabricar hueso artificial equivalente al hueso natural.

Las primeras cerámicas que fueron utilizadas en aplicaciones médicas, la alúmina y la zirconia, son dos prototipos de cerámicas conocidas como inertes, razón fundamental por lo que fueron elegidas para su utilización en implantes. A estas cerámicas las caracteriza una cinética de reacción muy lenta, tanto que se las puede considerar como cerámicas «casi inertes». Pero, naturalmente, otras cerámicas tienen cinéticas de reacción más rápidas, e incluso muy rápidas.

Como en cualquier reacción química, el producto de reacción de una sustancia con su entorno puede conducir a un resultado no favorable, como es la corrosión de un metal, pero puede también conducir a un producto de reacción favorable que transforme químicamente el producto de partida en el producto final deseado. Éste es el caso de las cerámicas bioactivas que, en contacto con los fluidos fisiológicos, reaccionan químicamente en la dirección de producir hueso neoformado.

El fosfato de calcio más utilizado en la fabricación de implantes es la hidroxiapatita, por ser el compuesto más parecido al componente mineral de los huesos, presenta buenas propiedades como biomaterial, tales como biocompatibilidad, bioactividad, osteoconductividad y unión directa al hueso.

En 1971, Hench y col. descubrieron que ciertas composiciones de vidrios se enlazaban al hueso. A dichos vidrios se les denominó vidrios bioactivos y han sido objeto de numerosos estudios, con vistas a su utilización clínica como implantes para la sustitución y reparación de tejidos óseos.

La unión con el hueso se produce a través de una capa de hidroxicarbonatoapatita formada en la superficie de los vidrios bioactivos cuando entran en contacto con los fluidos biológicos. Dicha capa se forma como consecuencia de la alta reactividad de los vidrios en un medio acuoso, que propicia un rápido intercambio de los iones de la superficie del vidrio con los de los fluidos circundantes. Este proceso produce una variación de la concentración iónica del fluido y, simultáneamente, la formación de una capa de gel de sílice en la superficie del vidrio, favoreciendo ambos efectos la cristalización de hidroxicarbonatoapatita (figura 7).

Fig. 7: Posible mecanismo de reacción de un vidrio reactivo en contacto con un fluido
Figura 07: Posible mecanismo de reacción de un vidrio reactivo en contacto con un fluido.

Esta apatita, crecida sobre la superficie de las piezas de vidrio, es semejante a las apatitas biológicas, esto es, nanocristalina y no estequiométrica (figura 8) con presencia de carbonato (figura 9).

El comportamiento de la superficie de las biocerámicas es un factor clave en la respuesta del implante. Por eso, su caracterización es imprescindible. Cuanto mayor superficie específica y porosidad, mayor reactividad y, por tanto, cinética más rápida en la respuesta.

Por otro lado, las células tienen claras preferencias por la forma de la superficie y su terminación: lisa o rugosa.

El desarrollo de las vitrocerámicas se inició en los años 60. Son cerámicas policristalinas obtenidas por cristalización controlada de vidrios, donde coexisten fases amorfas y cristalinas. Estas vitrocerámicas poseen excelentes propiedades térmicas y mecánicas en comparación con las cerámicas tradicionales, y en el campo de los biomateriales se sintetizan con la esperanza de mejorar las pobres propiedades mecánicas de los vidrios, sus precursores, pero sin que el tratamiento térmico, o la adición de precipitados metálicos, afecte, o lo haga poco, a la bioactividad de los mismos.

Fig. 8: Micrografías de barrido y de transmisión de la nueva capa formada sobre el vidrio. Diagrama de difracción de electrones correspondientes. EDS del vidrio y de la capa formada.
Figura 08: Micrografías de barrido y de transmisión de la nueva capa formada sobre el vidrio. Diagrama de difracción de electrones correspondientes. EDS del vidrio y de la capa formada.

Los vidrios y vitrocerámicas bioactivos apuntan otra utilidad en el campo de las cerámicas, la posible eliminación de células cancerígenas en huesos, mediante el método de hipertermia. Este método consiste en un calentamiento selectivo sobre una determinada zona. Por encima de 43ºC, las células cancerígenas, con menos vasos sanguíneos y terminaciones nerviosas, por tanto, menos oxigenadas que el resto de las células, son las primeras en morir cuando se les aplica un tratamiento térmico.

Si éste es selectivo, esto es, 43ºC con un control en el tiempo de aplicación, se puede conseguir atacar a las células cancerosas sin alterar a las células sanas. La inclusión de agregados de material ferro o ferrimagnético en los vidrios y vitrocerámicas bioactivos es una posible solución a este problema.

Por un lado, se logra la unión y crecimiento de hueso con la vitrocerámica bioactiva y, por otro, un aumento controlado de la temperatura mediante el ciclo de histéresis del material magnético y las corrientes de Foucault inducidas por un campo magnético externo variable con el tiempo.

Por otra parte, existen bastantes intentos de, a partir de mezclas bifásicas de fosfatos de calcio, sintetizar el componente mineral del hueso. Así se han preparado sustitutivos óseos basados en mezclas entre hidroxiapatita y b-fosfato tricálcico que evolucionan, bajo condiciones fisiológicas, a nano-apatitas carbonatadas. Estas reacciones están basadas en equilibrios entre la fase más estable, hidroxiapatita, y la más reabsorbible, b-fosfato tricálcico, que dan lugar a una mezcla que sufre una progresiva disolución en el cuerpo humano, sirviendo como semilla de formación de nuevo hueso y aportando iones Ca2+ y PO43- al medio local. Este material se puede utilizar conformado en piezas, en forma de recubrimientos o inyectado.

En la actualidad, se están preparando muy diversas mezclas bifásicas con distintos fosfatos de calcio, vidrios, y sulfatos de calcio entre otros.

Fig. 9: IFTR del vidrio y de la capa formada a distintos tiempos. Difragtograma de RX de una hidroxiapatita cristalina utilizada como patrón, del hueso y del vidrio antes y después de estar en contacto con fluidos fisiológicos durante distintos tiempos
Figura 09: IFTR del vidrio y de la capa formada a distintos tiempos. Difragtograma de RX de una hidroxiapatita cristalina utilizada como patrón, del hueso y del vidrio antes y después de estar en contacto con fluidos fisiológicos durante distintos tiempos.

Otra línea de investigación actual y muy interesante es la de cementos bioactivos de fosfato de calcio. Estos cementos fraguan in situ, son muy compatibles con el hueso y, supuestamente, se reabsorben lentamente, proceso durante el cual el hueso natural va sustituyéndolos. Sin embargo, las propiedades de estos cementos, actualmente en uso, son aún insuficientes
para una aplicación fiable.

En la actualidad, para todas aquellas aplicaciones clínicas que requieran soportar carga se están utilizando implantes, en su mayoría metálicos, lo que origina problemas importantes debido a:

  • La gran diferencia de propiedades mecánicas entre el implante artificial y el hueso natural, lo que da lugar a rupturas.
  • La presencia de iones que, procediendo del implante artificial, pueden ser tóxicos o perjudiciales y son causa de dolor.
  • La imposibilidad de regenerar el hueso natural.

Una alternativa, para paliar en parte estos problemas mientras no se logre un material similar al hueso, es recubrir el implante metálico con cerámicas. Esto se está realizando tanto en implantes dentales como en prótesis de cadera, aunque el camino que hay que recorrer es todavía muy largo para mejorar estos productos. El proceso de recubrimiento de un metal por una cerámica es complejo y existen muchos métodos para realizarlo. De él depende, en gran parte, el éxito clínico, ya que la calidad y la duración de la fijación en la interfaz dependen en gran medida de la pureza, tamaño de partícula, composición química del recubrimiento, espesor de la capa y características superficiales del sustrato.

Otra de las ventajas que se obtienen al recubrir un implante metálico por una cerámica es la reducción de la liberación de iones procedentes de la aleación metálica.

La cerámica constituye una verdadera y eficaz barrera que ralentiza la cinética de difusión de iones metálicos al organismo vivo. Por esta razón, se está utilizando la hidroxiapatita, para mejorar la fijación de las prótesis articulares de cadera, dadas sus excelentes propiedades biológicas.

Existe un amplio campo interdisciplinar donde se estudian las propiedades y procesos en las intercaras entre materiales sintéticos y entornos biológicos. Pueden, además, fabricarse superficies biofuncionales para mejorar la unión entre la pieza implantada y el tejido vivo. Los materiales empleados en tecnología biomédica se diseñan, en gran medida, buscando que presenten interacciones biológicas concretas y deseables con su entorno, en vez de la antigua práctica habitual que consistía en intentar adaptar materiales tradicionales a las aplicaciones biomédicas.

Por otra parte, los investigadores de ciencia de materiales están aprendiendo cada vez más de los materiales presentes en la Naturaleza, para poderlos imitar en la fabricación de materiales sintéticos.

La ingeniería de tejidos, iniciada hace una década, está en pleno apogeo investigador y dando los primeros frutos en desarrollo. Consiste en disponer de un andamio fabricado con un material artificial, por ejemplo, con una biocerámica. La posibilidad de conformar piezas cerámicas con porosidad diseñada, para utilizarlas como sustratos en ingeniería tisular, abre un espectacular futuro para los fosfatos de calcio y otras biocerámicas. Sobre el sustrato se cultivan células para que la pieza llegue a colonizarse. Esto puede realizarse tanto in vitro como in vivo.

Uno de los objetivos primordiales es el desarrollo de materiales para lograr la reparación funcional y la reconstrucción de estructuras biológicas. En este sentido se está dedicando especial atención a la obtención y caracterización de superficies de diferentes sustratos, para su aplicación en el desarrollo de andamios tridimensionales utilizables en ingeniería de tejidos. Uno de los aspectos prioritarios es el estudio y modificación de las propiedades superficiales de los sustratos, con el fin de modular su interacción con entidades biológicas tales como macromoléculas y células.

La estrategia de reparación y sustitución de partes dañadas del organismo será, en un futuro próximo, claramente distinta a la de los implantes biomédicos tradicionales, utilizados en la actualidad.

Referencias

  • Mann, S., Webb, J., Williams, RJP., (1989). VCH. Germany.
  • Vallet-Regí, M., (1997). Anales de Química. International Edition. Suplemento 1 vol. 93.1, S6-S14.
  • Heimke, G., (1989). Angew. Chem., Int.Ed.Engl 28, 111.
  • Hench, LL., Pollack, JM., (2002). Science 295, 1014-1017.
  • Carliste, EM., (1970). Science 167, 179.
  • LeGeros, RZ., (1965). Nature 206, 403.
  • Hench, LL., (1991). J. Am. Ceram. Soc. 74, 1487.
  • Vallet-Regí, M., Ragel, CV., Salinas, AJ., (2003). Microreview. European Journal of Inorganic Chemistry. 1029-1042.
  • Constanz, BR., Ison, IC., Fulmer, MT., Fulmer, RD., Poser, RD., Smith, ST., Vanwagoner, M., Ross, J., Goldstein, SA., Jupiter,
    JB., Rosental, DI., (1995). Science 267, 1796.
  • Vallet-Regí, M., González-Calbet, JM., (2003). Progress in Solid State Chemistry. En prensa.
  • Vallet-Regí, M., Rámila, A., (2000). Chemistry of Materials 12, 961-965.
    • Martínez, A., Izquierdo-Barba, I., Vallet-Regí, M., (2000). Chemistry of Materials 12, 3080-3088.
  • Vallet-Regí, M., Pérez.Pariente, J., Izquierdo-Barba, I., Salinas, AJ., (2000). Chemistry of Materials 12, 3770-3775.
  • Vallet-Regí, M., (2001). J. Chem. Soc. Dalton Trans 02, 97-108.
  • Pérez del Real, R., Arcos, D., Vallet-Regí, M., (2002). Chemistry of materials 14, 64-70.
  • Arcos D., Pérez del Real, R., Vallet-Regí, M., (2002). Biomaterials 23, 2151-2158.
  • Pérez del Real, R., Wolke, JGC., Vallet-Regí, M., Jansen, JA., (2002). Biomaterials 23, 3673-3680.
  • Rámila A., Padilla, S., Muñoz, B., Vallet-Regí, M., (2002). Chemistry of Materials 14, 2439-2443.
  • Arcos D., Peña, J., Vallet-Regí, M., (2003). Chemistry of Materials 15(21), 4132-4138.
  • Ragel, CV., Vallet-Regí, M., (2000). J. Biomed. Mater. Res. 51, 424-429.
  • Cabañas, MV., Vallet-Regí, M., (2003). J. Mater. Chem. 13, 1104.
  • Castner, DG., Ratner BD, (2002). Surface Science 500, 28-60.
  • Tirrell,M., Kokkoli, E., Biesalski, M., (2002). Surface Science 500, 61-83.
  • Kasemo, B., (2002). Surface Science 500, 656-677.
  • Hartgerink, JD., Beniash, E., Stupp, SI., (2001). Science 294, 1684-1688.


Technological Innovation