Una representación tridimensional de un compuesto novedoso para la fijación de huesos desarrollado por un equipo de investigación dirigido por el científico de materiales de UConn, Mei Wei. Crédito:Bryant Heimbach / UConn
Los investigadores de UConn han creado un compuesto biodegradable hecho de fibras de seda que se puede utilizar para reparar huesos rotos que soportan cargas sin las complicaciones que a veces presentan otros materiales.
La reparación de los principales huesos que soportan cargas, como los de la pierna, puede ser un proceso largo e incómodo.
Para facilitar la reparación, los médicos pueden instalar una placa de metal para sostener el hueso mientras se fusiona y cicatriza. Sin embargo, eso puede resultar problemático. Algunos metales filtran iones en el tejido circundante, causando inflamación e irritación. Los metales también son muy rígidos. Si una placa de metal soporta demasiada carga en la pierna, el hueso nuevo puede volver a crecer más débil y ser vulnerable a fracturas.
Buscando una solución al problema, La profesora de la Universidad de Connecticut, Mei Wei, un científico de materiales e ingeniero biomédico, recurrió a arañas y polillas en busca de inspiración. En particular, Wei se centró en la fibroína de seda, una proteína que se encuentra en las fibras de seda hiladas por arañas y polillas conocidas por su dureza y resistencia a la tracción.
La comunidad médica conoce desde hace tiempo la fibroína de seda. Es un componente común en las suturas médicas y la ingeniería de tejidos debido a su resistencia y biodegradabilidad. Sin embargo, nadie había intentado nunca hacer un compuesto de polímero denso con él, y eso es lo que Wei sabía que necesitaba si iba a crear un mejor dispositivo para curar los huesos rotos que soportan cargas.
Una descripción general de las técnicas de procesamiento utilizadas para fabricar compuestos biodegradables de alto rendimiento para ayudar con la curación ósea. Crédito:Mei Wei / UConn Image
Trabajando con el profesor asociado de UConn Dianyun Zhang, un ingeniero mecánico, El laboratorio de Wei comenzó a probar la fibroína de seda en varias formas compuestas, buscando la combinación y proporción adecuadas de diferentes materiales para lograr una resistencia y flexibilidad óptimas. El nuevo compuesto ciertamente necesitaba ser fuerte y rígido, sin embargo, no tanto como para inhibir el crecimiento óseo denso. Al mismo tiempo, el composite necesitaba ser flexible, permitiendo que los pacientes retengan su rango natural de movimiento y movilidad mientras el hueso cicatriza.
Después de docenas de pruebas, Wei y Zhang encontraron los materiales que buscaban. El nuevo compuesto consta de largas fibras de seda y fibras de ácido poliláctico, un termoplástico biodegradable derivado de la maicena y la caña de azúcar, que se sumergen en una solución en la que cada uno está recubierto con finas partículas de biocerámica hechas de hidroxiapatita (el mineral de fosfato de calcio que se encuentra en los dientes). y huesos). Luego, las fibras recubiertas se empaquetan en capas en un pequeño marco de acero y se presionan en una barra compuesta densa en un molde de compresión caliente.
En un estudio publicado recientemente en el Revista del comportamiento mecánico de los materiales biomédicos , Wei informa que el compuesto biodegradable de alto rendimiento mostró características de resistencia y flexibilidad que se encuentran entre las más altas jamás registradas para materiales biorreabsorbibles similares en la literatura.
Y podrían mejorar aún más.
Profesora Mei Wei, Derecha, con el profesor asociado Dianyun Zhang (atrás a la derecha), Doctor. candidato en ciencia de materiales Bryant Heimbach, y el estudiante Beril Tonyali en su laboratorio en el Instituto de Ciencia de Materiales. Crédito:Sean Flynn / UConn Photo
"Nuestros resultados son realmente altos en términos de fuerza y flexibilidad, pero creemos que si podemos lograr que todos los componentes hagan lo que queremos que hagan, podemos llegar aún más alto, "dice Wei, quien también se desempeña como decano asociado de investigación y educación de posgrado de la Escuela de Ingeniería.
El nuevo compuesto también es resistente. Los huesos grandes de las piernas en adultos y personas mayores pueden tardar muchos meses en sanar. El compuesto desarrollado en el laboratorio de Wei hace su trabajo y luego comienza a degradarse después de un año. No se requiere cirugía para la extracción.
Junto a Wei y Zhang en la investigación estaban Bryant Heimbach, un doctorado candidato y científico de materiales en el laboratorio de Wei; y Beril Tonyali, un estudiante universitario de la UConn que desea obtener un título en ciencia e ingeniería de materiales.
El equipo ya ha comenzado a probar nuevos derivados del compuesto, including those that incorporate a single crystalline form of the hydroxyapatite for greater strength and a variation of the coating mixture to maximize its mechanical properties for bones bearing more weight.
