Todos los años, más de un millón de estadounidenses reciben una prótesis artificial de cadera o rodilla. Estos implantes están diseñados para durar muchos años, pero en aproximadamente el 17 por ciento de los pacientes que reciben un reemplazo total de articulación, el implante eventualmente se afloja y debe ser reemplazado temprano, que puede causar complicaciones peligrosas para los pacientes de edad avanzada.

Para ayudar a minimizar estas operaciones onerosas, un equipo de ingenieros químicos del MIT ha desarrollado un nuevo recubrimiento para implantes que podría ayudarlos a adherirse mejor al hueso del paciente, Previniendo fallas prematuras.

“Esto permitiría que el implante dure mucho más tiempo, a su vida natural, con menor riesgo de falla o infección, "Dice Paula Hammond, el profesor David H. Koch de ingeniería en el MIT y autor principal de un artículo sobre el trabajo que aparece en la revista Materiales avanzados .

El revestimiento que induce a las propias células del cuerpo a producir hueso que fija el implante en su lugar, también podría usarse para ayudar a curar fracturas y mejorar los implantes dentales, según Hammond y el autor principal Nisarg Shah, estudiante de posgrado en el laboratorio de Hammond.

Una alternativa al cemento óseo

Las caderas artificiales consisten en una bola de metal en un tallo, conectando la pelvis y el fémur. La bola gira dentro de un vaso de plástico adherido al interior de la cavidad de la cadera. Similar, Las rodillas artificiales constan de placas y un vástago que permiten el movimiento del fémur y la tibia. Para asegurar el implante, los cirujanos usan cemento óseo, un polímero que se asemeja al vidrio cuando se endurece. En algunos casos, este cemento acaba agrietándose y el implante se desprende del hueso, causando dolor crónico y pérdida de movilidad para el paciente.

"Normalmente, en cuyo caso, el implante se retira y se reemplaza, lo que provoca una tremenda pérdida de tejido secundario en el paciente que no habría ocurrido si el implante no hubiera fallado, ”Dice Shah. “Nuestra idea es prevenir fallas recubriendo estos implantes con materiales que pueden inducir hueso nativo que se genera dentro del cuerpo. Ese hueso crece en el implante y ayuda a fijarlo en su lugar ".

El nuevo revestimiento consta de una película muy fina, que van desde 100 nanómetros hasta una micra, compuesto por capas de materiales que ayudan a promover un rápido crecimiento óseo. Uno de los materiales, hidroxiapatita, es un componente natural del hueso, hecho de calcio y fosfato. Este material atrae células madre mesenquimales de la médula ósea y proporciona una interfaz para la formación de hueso nuevo. La otra capa libera un factor de crecimiento que estimula a las células madre mesenquimales a transformarse en células productoras de hueso llamadas osteoblastos.

Una vez que se forman los osteoblastos, comienzan a producir hueso nuevo para rellenar los espacios que rodean el implante, asegurándolo al hueso existente y eliminando la necesidad de cemento óseo. Tener tejido sano en ese espacio crea una unión más fuerte y reduce en gran medida el riesgo de infección bacteriana alrededor del implante.

“Cuando se usa cemento óseo, se crea un espacio muerto entre el hueso existente y el vástago del implante, donde no hay vasos sanguíneos. Si las bacterias colonizan este espacio, seguirían proliferando, ya que el sistema inmunológico no puede alcanzarlos y destruirlos. Tal recubrimiento sería útil para evitar que eso ocurra, ”Dice Shah.

El hueso tarda al menos dos o tres semanas en rellenar y estabilizar completamente el implante. pero un paciente aún podría caminar y hacer fisioterapia durante este tiempo, según los investigadores.

Control sintonizable

Ha habido esfuerzos previos para recubrir implantes ortopédicos con hidroxiapatita, pero las películas terminan siendo bastante gruesas e inestables, y tienden a desprenderse del implante, Dice Shah. Otros investigadores han experimentado inyectando el factor de crecimiento o depositándolo directamente sobre el implante, pero la mayor parte termina drenándose del lugar del implante, dejando muy poco para tener algún efecto.

El equipo del MIT puede controlar el grosor de su película y la cantidad de factor de crecimiento liberado mediante un método llamado ensamblaje capa por capa. en el que los componentes deseados se colocan una capa a la vez hasta que se logran el grosor y la composición del fármaco deseados.

“Esta es una ventaja significativa porque hasta ahora otros sistemas realmente no han podido controlar la cantidad de factor de crecimiento que necesita. Por lo general, muchos dispositivos deben usar cantidades que pueden ser órdenes de magnitud más de las que necesita, que puede provocar efectos secundarios no deseados, ”Dice Shah.

Los investigadores ahora están realizando estudios en animales que han mostrado resultados prometedores:los recubrimientos conducen a una rápida formación de hueso, bloquear los implantes en su lugar.

Este recubrimiento podría usarse no solo para reemplazos de articulaciones, pero también para placas de fijación y tornillos utilizados para fijar fracturas óseas. “Es muy versátil. Puede aplicarlo a cualquier geometría y tener un revestimiento uniforme por todas partes, ”Dice Shah.

Otra posible aplicación es en implantes dentales. Convencionalmente La implantación de un diente artificial es un proceso de dos pasos. Primero, un tornillo roscado está incrustado en la mandíbula; este tornillo tiene que estabilizarse integrándose con el tejido óseo circundante durante varios meses antes de que el paciente regrese a la clínica para que le coloquen la nueva corona en el tornillo. Esto podría reducirse a un proceso de un solo paso en el que el paciente recibe el implante completo utilizando una versión de estos recubrimientos.

Esta investigación fue financiada por el Instituto Nacional sobre el Envejecimiento de los Institutos Nacionales de Salud y realizada en el Instituto David H. Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer con el apoyo del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.