Las células muestran signos de crecimiento saludable en esta imagen de microscopio electrónico de transmisión, tomadas 15 horas después de que se colocaron sobre una superficie de titanio recubierta con una alfombra de diminutos nanocables. En el recuadro (arriba a la izquierda), se pueden ver filamentos que se extienden desde las células hasta la superficie, lo que indica una fuerte conexión. Los ingenieros de la Universidad Estatal de Ohio están desarrollando el revestimiento, que algún día podría ayudar a que los huesos rotos y los reemplazos de articulaciones sanen más rápido. Crédito:Sheikh Akbar, Universidad del Estado de Ohio.
Los huesos rotos y los reemplazos de articulaciones algún día pueden sanar más rápido, gracias a un revestimiento inusual para implantes médicos en desarrollo en la Universidad Estatal de Ohio.
Los investigadores aquí han descubierto que las células óseas crecen y se reproducen más rápido en una superficie texturizada que en una lisa, y crecen mejor cuando pueden adherirse a una alfombra de pelusa microscópica hecha de diminutos alambres de óxido de metal.
En pruebas, los cables aumentaron el crecimiento celular en casi un 80 por ciento en comparación con otras superficies, lo que sugiere que el recubrimiento ayudaría a que los huesos sanos formen un vínculo fuerte con un implante más rápido.
Los ingenieros desarrollaron una técnica asequible para crear los cables, que describen en un artículo en la edición de julio de 2013 de la revista Cerámica Internacional .
"Lo realmente emocionante de esta técnica es que no tenemos que tallar los nanocables de una pieza sólida de metal o aleación. Podemos cultivarlos desde cero, explotando la física y la química de los materiales, "dijo el jeque Akbar, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el estado de Ohio. "Por eso llamamos a nuestro proceso 'nanoestructuras por diseño de material'".
El equipo de Akbar (co-asesorado por su colega, Suliman Dregia, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales) pudo hacer crecer los cables adaptando la mezcla de materiales y gases dentro de un horno. A temperaturas alrededor de 1, 300 grados Fahrenheit, finos filamentos de dióxido de titanio se levantaron de una superficie lisa de titanio. Cada uno era decenas de miles de veces más pequeño que un cabello humano.
Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra un solo cable, decenas de miles de veces más delgado que un cabello humano, que fue creado en un horno en la Universidad Estatal de Ohio. Los ingenieros cultivan alfombras de estos cables en superficies de titanio para impulsar el crecimiento celular. con el objetivo final de ayudar al cuerpo a sanar alrededor de los implantes de huesos y articulaciones. Crédito:Imagen cortesía de Sheikh Akbar, Universidad del Estado de Ohio.
Pero entonces sucedió algo inusual que los ingenieros no pudieron explicar. Cada alambre creció una capa protectora de óxido de aluminio alrededor de sí mismo, como una capa de corteza alrededor del tronco de un árbol. El crecimiento del recubrimiento puede tener sentido, si el material del horno fuera una aleación de titanio que contuviera aluminio. Pero en este caso, los investigadores estaban trabajando con titanio puro, por lo que no está claro cómo los cables se convirtieron en una capa de aluminio.
"Es extraño que no comprendamos completamente por qué este proceso funciona de la manera en que lo hace. Tendremos que hacer una microscopía sofisticada para resolverlo, pero sabemos que los cables solo se forman en las condiciones adecuadas, "Dijo Akbar.
En pruebas, los investigadores cultivaron células de cáncer de hueso en tres superficies diferentes:titanio liso, dióxido de titanio liso, y la alfombra de nanocables. (Eligieron las células cancerosas porque las células son particularmente resistentes, y también se reproducen de la misma manera que lo hacen las células óseas sanas).
La mayor diferencia en el crecimiento celular se produjo dentro de las primeras 15 horas de la prueba, cuando los investigadores midieron una concentración 20 por ciento más alta de la enzima fosfatasa alcalina del crecimiento óseo producida por las células que crecen en los nanocables. Al final del estudio, había alrededor de 90, 000 células por centímetro cuadrado en la superficie del nanoalambre, un 80 por ciento más que las 50, 000 células por centímetro cuadrado en cada una de las otras dos superficies.
El coautor del estudio Derek Hansford, profesor asociado de ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales, dijo que el recubrimiento podría ayudar a las personas que tienen reemplazos de cadera y rodilla, implantes dentales, o huesos rotos que requieren tornillos y placas para repararlos.
"Nuestra esperanza es que este tratamiento de superficie se convierta en una modificación fácil de implementar de los implantes de titanio para ayudarlos a formar una interfaz más fuerte con el tejido óseo circundante. Una interfaz más fuerte significa que los implantes y los huesos podrán compartir mejor las cargas mecánicas, y podemos preservar mejor los huesos y tejidos blandos sanos alrededor del lugar del implante, "Dijo Hansford.
Akbar cree que el precio es adecuado para el desarrollo comercial. $ 100 en papel de aluminio es suficiente para hacer cientos de muestras.
El método para hacer crecer los cables también es extremadamente simple. Más allá de establecer la combinación adecuada de materiales y gases, se trata de poco más que presionar un botón para encender el horno de laboratorio.
"Seriamente, si pasaras el día en mi laboratorio, podrías aprender a hacerlo tú mismo, "Dijo Akbar.
Él y su equipo ahora están explorando otras combinaciones de materiales y gases para crear diferentes formas nanométricas para el crecimiento celular y la detección química.
