Biomateriales como Implantes en el Cuerpo Humano

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  • Octubre 20, 2017
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Laura Alicia Manjarrez Nevárez, Luisa Piroshka Terrazas Bandala, Miriam Rosario Zermeño Ortega, Carlos Armando de la Vega Cobos, Emiliano Zapata Chávez, Flor Isela Torres Rojo, María Olga González Rangel y Raymundo Lerma Gutiérrez

Facultad de Ciencias Químicas/Universidad Autónoma de Chihuahua
Universidad Tecnológica de Chihuahua

1. Introducción

Se define a los biomateriales como materiales farmacológicamente inertes, que pueden ser incorporados o implantados en organismos vivos con el objetivo de remplazar y/o restaurar alguna función de los mismos, y que están en contacto permanente o intermitente con fluidos corporales, los cuales son altamente corrosivos.
Las principales características que deben presentar son:
a) biocompatibilidad, esto significa que el individuo debe aceptar el material, sin que se presente irritación de tejidos, respuesta inflamatoria y/o reacciones alérgicas; b) no deberán ser ni tóxicos ni carcinogénicos (Langer y Tirrell 2004); c) ser químicamente estables o biodegradables en productos inocuos, y d) su diseño, tamaño y forma deben ser los adecuados. Además de lo anterior se deberá considerar su costo de fabricación y procesamiento a gran escala (Lizarbe I., 2007).

Debido a que los biomateriales se implantan con el objetivo de reemplazar y/o restaurar un elemento en los humanos con una función específica, será importante conocer los factores que favorecen o disminuyen su eficiencia; tal es el caso de las propiedades mecánicas, las cuales trascienden en la selección del material. Para el diseño de una prótesis, es de vital importancia considerar las condiciones propias del sistema músculo-esquelético junto con el movimiento, debido a que la generación de esfuerzos considerables sobre la pieza injertada provoca un desgaste en el material y una probable generación de desechos, que en la mayoría de los casos desencadena una serie de síntomas de inflamación, dolor e infección. Además es significativo destacar que los materiales empleados para dicho fin sean ligeros, de bajo costo y que sus propiedades se mantengan por un tiempo prolongado, de ser posible que funcionen de manera satisfactoria a lo largo de la vida.
Además, dentro de las características mecánicas que deben considerarse en un biomaterial están sus propiedades intrínsecas como rigidez, porosidad, interconectividad y tamaño de poros, superficie específica, permeabilidad y rugosidad del sustrato, así como su potencial eléctrico, humectación y comportamiento hidrofílico o hidrofóbico, ya que estos determinarán la compatibilidad e interacción del implante en el cuerpo (Soria, 2009).
Actualmente se ha considerado lo que se denomina “medicina regenerativa”, la cual combina la ingeniería en los tejidos y la liberación de medicamentos, con la finalidad de generar tejidos y órganos con una mejor funcionalidad y estructura biológica. Esto puede ser posible, debido a que la medicina regenerativa considera el implante de materiales como soporte estructural para la regeneración de un tejido base, a partir de la incorporación de las células del individuo dentro del andamio implantado (Sun y Tan, 2013).
El objetivo de este trabajo es presentar los diversos tipos de biomateriales que se emplean en el área médica y sus aplicaciones específicas.

2. Tipos de biomateriales

2.1. Metálicos

Los metales son materiales formados por elementos químicos metálicos, los cuales están unidos por enlaces metálicos. Poseen una nube de electrones que es compartida por los iones, lo que permite el desplazamiento relativo de una de sus capas de iones respecto a otras, sin que se produzcan rupturas, lo que determina su plasticidad, conductividad eléctrica y térmica (Duffo, 2011).
Los metales y sus aleaciones se encuentran dentro de los principales materiales utilizados como prótesis e implantes. Sus propiedades están determinadas por la microestructura, la cual se establece durante su procesamiento. Los aceros inoxidables, titanio, aleaciones de cobalto-cromo, entre otras, son los más utilizados en procedimientos quirúrgicos, en forma de placas y tornillos. No obstante, estos implantes al permanecer un periodo prolongado de tiempo tienden a liberar cationes metálicos que pueden ser tóxicos a consecuencia de los procesos de corrosión y desgaste, lo cual provoca el decremento de la compatibilidad del material, además de generar una serie de problemas en el paciente, como inflamación, infección y pérdida de tejido (Staiger et al., 2004), por lo que es necesaria en una segunda intervención quirúrgica su extracción. Los implantes biodegradables y reabsorbibles representan una alternativa en las reparaciones óseas, sin embargo presentan algunas limitaciones, como la liberación de iones metálicos y/o partículas tóxicas.
En este contexto se encuentra el magnesio y sus aleaciones, los cuales han demostrado tener biocompatibilidad y biodegradabilidad. Entre sus características destacan sus los valores de densidad, módulo elástico y resistencia a la compresión, los cuales se aproximan a los del hueso. Además, el magnesio es un elemento necesario para la incorporación del calcio al hueso y para la estimulación del crecimiento de nuevo tejido, no siendo tóxico y degradándose en los fluidos del cuerpo, lo que le hace particularmente apropiado para aplicaciones ortopédicas (Carboneras et al., 2011). No obstante, su alta velocidad de corrosión en condiciones fisiológicas hace que el material se degrade antes de que pueda cumplir su función, generando hidrógeno durante este proceso, que puede dar lugar a abultamientos y necrosis del tejido circundante. Por estas razones se han sintetizado aleaciones con el propósito de disminuir su cinética de degradación, a partir de mejorar su estabilidad química y superficial (Briceño et al., 2014). Con base en este objetivo se han desarrollado las aleaciones de paladio-magnesio, que pretenden inducir un desplazamiento de los potenciales de corrosión a valores más positivos. Las variaciones de la concentración del paladio permiten controlar la velocidad de degradación de los implantes hasta que el hueso esté recuperado (González et al., 2012).
El principal reto a superar con los metales es la equiparación del módulo de Young de estos materiales con los del tejido óseo, ya que esto favorecerá la estimulación del crecimiento del nuevo hueso y mejorará la estabilidad del implante. En el caso del titanio, la aleación más ampliamente utilizada es (α + β) -tipo Ti64 ELI, la cual tiene un módulo de Young de ~110 GPa, y se usa comúnmente en dispositivos de implante. Sin embargo, debido a la toxicidad del vanadio contenido en dicha aleación y al alto valor de módulo que muestra respecto al del hueso (~10-30 GPa), sus aplicaciones se ven limitadas, como por ejemplo su uso en dispositivos para la columna vertebral (Briceño et al., 2014). En los últimos años se han investigado nuevas aleaciones de este metal con una buena biocompatibilidad y un bajo módulo de Young (~60 GPa) similar a la del hueso han sido desarrollados para aplicaciones biomédicas (Chen y Thouas, 2015).
Recientemente, la investigación en biomateriales metálicos se ha direccionado en la aplicación de la cirugía reconstructiva no convencional de tejidos-órganos duros. Un ejemplo son las aleaciones de memoria de forma de Ni-Ti como endoprótesis vasculares y las nuevas aleaciones basadas en magnesio para la ingeniería de tejidos y regeneración ósea (Chen y Thouas, 2015).

2.2. Poliméricos

Los polímeros son definidos como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas denominadas monómeros, que se repiten a lo largo de toda una cadena. Debido a la gran variedad de configuraciones que adoptan estos materiales, poseen una gran capacidad para adaptar sus propiedades al tejido receptor, además de ser muy versátiles; su biodegradación y estabilidad estarán sujetas a factores como la cristalinidad, temperaturas de fusión, transición vítrea, peso molecular y secuencia de distribución, así como a la presencia de impurezas o aditivos. Varias de las aplicaciones biomédicas han sido encaminadas a su implementación en equipos y materiales quirúrgicos, como fabricación de bolsas de suero, mangueras, tubos flexibles, cinta adhesiva, vendas, etcétera.
El polimetilmetacrilato (PMMA) fue uno de los primeros polímeros usados como material biomédico en una reparación de córnea en la Segunda Guerra Mundial. Actualmente en la elaboración de lentes de contacto blandas se utilizan hidrogeles, los cuales poseen buenas propiedades hidrofílicas, permeabilidad al oxígeno y se adaptan bien a la córnea. Tal es el caso de los recombinámeros tipo elastina (ELRs), un tipo de biopolímeros que han sido utilizados en forma de hidrogeles para promover la mucoadhesión intensificando la unión del ELRs sobre la mucosa ocular, anclando sobre su superficie biopolímeros que interaccionen fuertemente con las mucinas presentes. Esto se logra a partir de la modificación de la superficie de los hidrogeles mediante la inserción de ELRs cargados positivamente para generar interacciones electrostáticas con las mucinas, que presentan cargas negativas, así como también a través de la formación de enlaces disulfuro con los tioles presentes en las mucinas y los grupos tioles de los ELRs. Incrementar la interacción hidrogel-mucosa favorecerá los tratamientos oculares, tal es el caso de la dosificación de fármacos como azetazolamida, que persiguen la cura y control del glaucoma (Postigo Casado, 2016).
Por otra parte se encuentran los biopolímeros, los cuales representan una alternativa sustentable, ya que pueden ser obtenidos a partir de materias primas de bajo costo, así como se ha observado que una gran parte de estos materiales presentan biocompatibilidad y no generan sustancias citotóxicas. Tal es el caso de la celulosa, que ha demostrado una alta biocompatibilidad en órganos y/o tejidos en donde se incorpora, además, considerando sus niveles mínimos de toxicidad, permite el desarrollo celular promoviendo el tejido u órgano dañado (Riva R. et al., 2014).
En investigaciones recientes se ha desarrollado celulosa bacteriana producida por bacterias de los géneros Gluconacetobacter, Rhizobium y Sarcina, entre otros. Estos microorganismos pueden sintetizar nanocintas de celulosa a partir de fuentes de carbono, las cuales se han empleado como matrices en el crecimiento celular y la regeneración de tejidos, con una futura aplicación en el tratamiento de quemaduras y úlceras cutáneas (Osorio et al., 2014).
Los objetivos principales de la ingeniería de tejidos son el desarrollo de materiales capaces de motivar la reparación funcional y la reconstrucción de estructuras biológicas. En este sentido se están utilizando diversos materiales para la síntesis de andamios tridimensionales y bidimensionales. El quitosano ha destacado en las aplicaciones médicas, debido a sus características de biocompatibilidad y bioabsorción, además de presentar propiedades hemostáticas, acelerantes de la cicatrización y estimulantes del sistema inmune del hospedero contra infecciones virales y bacterianas (Quihui Cota et al., 2017). Algunas de sus aplicaciones están vinculadas al desarrollo de soportes bidimensionales y tridimensionales en conjunto con el colágeno, lo que ha resultado en un material reforzado con buenas características de absorción, hinchamiento y propiedades térmicas (Ramos et al., 2012), así como también pueden constituir un sistema modelo apropiado para el crecimiento celular y con un gran potencial para su aplicación en el desarrollo de piel artificial mediante las herramientas de la ingeniería de tejidos (Zamora, Sibaja y Vega, 2010).

2.3. Cerámicos

Los materiales cerámicos utilizados en medicina son materiales biocompatibles, entre sus propiedades se cuenta que son más rígidos y resistentes que el acero cuando se someten a fuerzas de compresión, soportan más calor y corrosión que los metales o los polímeros, tienen una densidad menor que la mayoría de los metales y sus aleaciones, y sus materias primas son abundantes y baratas. Por el contrario, debemos decir que son materiales muy quebradizos, es decir, que no tienen deformación plástica y que tienen una escasa resistencia a las fuerzas de tracción, flexión o cizallamiento.
De acuerdo a su reactividad química con el organismo, se pueden agrupar de la siguiente manera: inertes (los cuales se emplean principalmente en tejidos para mejorar sus propiedades mecánicas, tal es el caso de la zirconia y la alumina), bioactivos (los cuales proporcionan una mejor unión interfacial) y reabsorbibles (que son utilizados para reemplazar completamente un tejido del organismo que se regenere, como por ejemplo el fosfato tricálcico [TPC], el sulfato de calcio y el fosfato trisódico).
Los fosfatos de calcio son una familia de compuestos químicos que se diferencian de acuerdo a la relación molar Ca/P; dentro de este grupo se encuentra la hidroxiapatita (HAp), la cual puede ser de origen natural o sintético y es la biocerámica más ampliamente utilizada por su biocompatibilidad en la ingeniería de tejido óseo, ya que provee de sitios activos para la biomineralización y adhesión celular. Por otra parte, su fragilidad y baja resistencia a la compresión limitan su uso clínico a injertos carentes de cargas o como material de relleno (Botero, 2016).
La hidroxiapatita no presenta propiedades osteoinductoras ni osteogénicas, sino que al implantarse demuestra ser un material osteoconductor, el cual se produce en materiales con alta afinidad al tejido óseo, promoviendo la formación de nuevo tejido, pero también son capaces de dirigir su crecimiento, dependiendo de la estructura que tienen. Es conocido que estos materiales deben tener alta porosidad (del orden de cientos de micras) para permitir el desarrollo del hueso dentro y a través de ellos. Esta propiedad ha sido utilizada para el desarrollo de cementos con aditivos HAp. Por otra parte, debido a la presencia de los iones hidroxilo en su composición química, posee un efecto bactericida. Una de las aplicaciones de la HAp es como recubrimiento de prótesis metálicas, que se realiza para dar a la superficie un aspecto adecuado y reconocible para el tejido, proporcionando una superficie adecuada para la adhesión celular, que por acción enzimática permanece en largo plazo (Kowalyszyn, Silva y Torres, 2013).
Los vidrios bioactivos o biovidrios han destacado en la industria ortopédica a causa de su capacidad de formar una capa compuesta de nanocristales de apatita carbonatada, que posee características químicas y cristalinas similares al hueso natural, lo que permite que los osteoblastos la incorporen en su estructura, biotransformándola en una matriz extracelular compuesta de apatita biológica y colágeno (Rojas Giraldo, 2016). En el caso de los biovidrios, estos han sido empleados en la generación de materiales cementantes, ya que han demostrado mejorar la bioactividad del material debido a su capacidad de regular la liberación de iones de calcio y contribuir con la formación de tejido óseo nuevo en cementos óseos (Ciro, Zapata y López, 2015).
Los materiales bioeutécticos son una gama de materiales cerámicos que se han desarrollado a partir de vidrios en el sistema CaO-P2O5-SiO2 para ser usados en el reemplazo de tejido duro. Presentan la característica de estar conformados por dos fases, una bioactiva y otra bioabsorbible, esta última se disuelve al estar en contacto con los fluidos fisiológicos y deja huecos que son invadidos por las células óseas, esto significa que una vez que se disuelve en líquidos fisiológicos la zona correspondiente al material bioabsorbible presenta huecos en donde caben las células de tejido óseo, en donde se llevará a cabo la colonización de este material. En cuanto a la fase bioactiva, es la que se enlaza al tejido óseo y con el tiempo se transforma en hueso. Esta nueva tecnología presenta un gran avance en la medicina, sin embargo sus altos costos han influenciado fuertemente en la viabilidad de su aplicación (Tejada, Piña y Ávila, 2004).

3. Conclusión

Actualmente la ingeniería biomédica ha incrementado sus esfuerzos por generar biomateriales con características novedosas que respondan a las necesidades de los pacientes. Las principales aplicaciones están enfocadas en el desarrollo de prótesis, implantes, liberadores de sustancias con fines terapéuticos y andamios celulares, por lo que los materiales forman parte medular en este proceso, ya que las características propias de cada uno y la sinergia que se genera al combinarlos nos dan la oportunidad de sintetizar materiales avanzados en las diferentes áreas de la medicina.

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