Los implantes médicos podrían fallar con menos frecuencia si estuvieran recubiertos con un material cerámico microscópicamente arrugado diseñado por investigadores de la Universidad de Michigan. El recubrimiento se describe en un artículo publicado en ACS Applied Materials and Interfaces. .

Las diminutas arrugas del material tienen el tamaño perfecto para que se adhieran las células óseas jóvenes y las células inmunitarias. Al adherirse más firmemente a los recubrimientos, las células humanas pueden adherirse fuertemente al implante y extenderse a lo largo de su superficie. Las células óseas estiradas se desarrollan más rápido y las células inmunitarias estiradas tienden a ayudar a curar el tejido y reducir la inflamación en lugar de atacar al implante como un invasor extraño, por lo que los investigadores creen que sus recubrimientos podrían hacer que los implantes médicos tengan más éxito.

"Los implantes médicos fallan cuando no se integran bien con el cuerpo, ya sea porque las células inmunes intentan repeler el implante o porque hay una curación inadecuada del tejido alrededor del implante", dijo Jouha Min, profesor asistente de ingeniería química y autor correspondiente de el estudio.

"La mayoría de los estudios sólo se centran en un problema a la vez, pero los recubrimientos podrían abordar ambos problemas y ayudar al paciente a volver a su vida normal mucho más rápido", añadió Min.

Cuando el tejido alrededor de un implante médico no sana adecuadamente, el implante puede aflojarse y perder parte de su función, lo que a menudo requiere cirugía correctiva. Este problema, llamado aflojamiento aséptico, representa alrededor del 20 % de todas las cirugías de revisión de cadera y el 25 % de todas las cirugías de revisión de rodilla, según el informe de 2023 de la Academia Estadounidense de Cirujanos Ortopédicos. Los problemas de inflamación representan otro 22 % de las revisiones de cadera y alrededor del 33 % de las revisiones de rodilla.

De los 3,1 millones de reemplazos de cadera y rodilla realizados entre 2012 y 2022, casi 236.000 requirieron cirugía correctiva. Con el aumento anual del número de reemplazos de cadera y rodilla, muchas personas se beneficiarán de implantes que se integran mejor con sus cuerpos.

Según el nuevo estudio, los recubrimientos arrugados podrían ayudar a realizar un implante exitoso, pero sólo si el tamaño de las ranuras en los recubrimientos se puede controlar con precisión. Cuando los surcos del recubrimiento tienen alrededor de 2 micrómetros de ancho, las células humanas comienzan a estirarse y a formar apéndices en forma de dedos para adherirse a los surcos, que son más de 10 veces más pequeños que las células óseas.

A medida que las células se mueven en su entorno, también activan interruptores genéticos que estimulan el desarrollo de células óseas maduras o células inmunes que reducen la inflamación. Cuando el ancho de las ranuras del recubrimiento es menor que un micrómetro, las células no se estiran. Como resultado, las células óseas se desarrollan más lentamente y las células inmunitarias se activan para combatir los cuerpos extraños y causar inflamación.

"Al pasar de la nanoescala a la microescala, podemos dirigir las células del tejido a favor de un implante exitoso", afirmó Mohammad Asadi Tokmedash, estudiante de doctorado en ingeniería química y primer autor del estudio.

El nuevo método de fabricación de recubrimientos de los investigadores les permite controlar el tamaño de las ranuras. Primero añaden el material cerámico sobre una lámina de poliestireno capa a capa.

Una vez que la cerámica tiene el espesor suficiente, los investigadores calientan la lámina de poliestireno, provocando que se encoja. La cerámica adherida se encoge con el poliestireno, pero también se agrieta y deforma porque es menos flexible que el poliestireno. Las grietas y curvas resultantes se convierten en ranuras a las que se adhieren las células, y el tamaño de las ranuras está controlado por el grosor de las capas cerámicas agregadas sobre la lámina de poliestireno antes de calentarla.

Hay una desventaja de omitir ranuras más pequeñas a nanoescala del recubrimiento:son mejores para evitar que las bacterias patógenas se adhieran al crear una superficie rugosa y puntiaguda que daña las membranas celulares de las bacterias. Los surcos más grandes a microescala pueden ser ideales para que las células humanas se adhieran, pero también brindan mucho espacio para que las bacterias se escondan y crezcan en los recubrimientos.

Debido a que la infección es otra causa importante de falla de los implantes, el equipo está trabajando actualmente en un método que permita que sus recubrimientos maten las bacterias y al mismo tiempo proporcionen asas seguras para que se adhieran las células humanas. Experimentos futuros pondrán a prueba su idea. Los recubrimientos se estudiaron en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan.