Biomaterial, similar al tejido óseo, para regeneración de huesos

Por Érika González

Puebla, Puebla. 22 de noviembre de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Ya sea por el desgaste inherente al envejecimiento o por secuelas de traumatismos, la regeneración ósea es un tópico que ha impulsado el estudio y desarrollo de nuevos materiales para la elaboración de prótesis que cada vez sean más compatibles con el cuerpo humano y menos costosas en su fabricación.

Tal es el caso de un grupo de investigadores de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), quienes desarrollan un biomaterial —similar al tejido óseo— que, además de ser biodegradable y 12 veces más económico, es capaz de regenerar el hueso.

Hoy día la ciencia no solo enfrenta el reto de emplear nuevos materiales en cuestión de prótesis e implantes, también se enfrenta con la aceptación que tenga el cuerpo ante un nuevo objeto, el medio en el que estará y de su interrelación con el organismo.

Grupo científico interdisciplinario

Los componentes extracelulares del hueso están calcificados, lo que lo convierten en un material duro, firme e idealmente adecuado para su función de soporte y protección ya que proporciona apoyo interno al cuerpo y ofrece lugares de inserción a los músculos y tendones que son esenciales para el movimiento, protege los órganos vitales y envuelve a los elementos formadores de la sangre de la medula ósea, además de depositar el calcio movilizante (calcio requerido en la sangre y otros líquidos del cuerpo).

Debido a la importancia de este tejido, se logró constituir un grupo interdisciplinario que se daría a la tarea de idear un material compuesto que tuviera las características del tejido óseo, que fuera compatible con el cuerpo humano y que además pudiera regenerar el hueso.

El doctor Efraín Rubio Rosas y el maestro Eric Reyes Cervantes del Centro Universitario de Vinculación y Transferencia de Tecnología (Cuvytt); el doctor José Fernando Rojas Rodríguez y el maestro Abraham Maldonado, de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas; la doctora Maura Cárdenas García, de la Facultad de Medicina, junto con la estudiante Brenda Lizbeth Arroyo Reyes, de la escuela de Biología; el doctor Marco Antonio Morales y el estudiante Irving Fernández Cervantes, ambos de la Facultad de Ingeniería Química, son las mentes detrás de este desarrollo que en un futuro podría cambiar el rumbo de los implantes.

Algoritmos y huesos

Para dar forma a este proyecto habría que formular un molde, un modelo que detalle exactamente la morfología del tejido óseo.

Abraham Maldonado, estudiante del doctorado de Física Aplicada y becario del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), comenta en entrevista que junto con el doctor Marco Antonio Morales empezaron a indagar todo sobre la composición de los huesos para concebir un modelo matemático que reflejara la constitución del tejido.

Así pues, con un algoritmo listo, la materia prima es inyectada en una impresora 3D que da el soplo de vida a un material compuesto similar al hueso y que el cuerpo no rechaza.

Flexibilidad y resistencia

El doctor Efraín Rubio Rosas, miembro nivel II del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), coordinador de Laboratorios e Investigación Aplicada del Cuvytt, explica en entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, que la parte orgánica del hueso está formada por colágeno de tipo dos que le da flexibilidad y la parte inorgánica está formada por hidroxiapatita (fosfato de calcio) que le da resistencia.

Detalla que para la obtención del biomaterial que imita al tejido óseo, han utilizado nanopartículas de hidroxiapatita y biopolímeros degradables como el ácido poliláctico.

Según relatan los investigadores, conociendo las condiciones del proceso fisiológico del cuerpo humano (pH de 7.4, temperatura de 37 grados centígrados, así como iones de fósforo, calcio y sodio) se puede inducir el crecimiento de fosfato de calcio o hidroxiapatita.

Rubio Rosas afirma que luego de reproducir la estructura del tejido óseo en una impresión 3D —resultado de la combinación de nanopartículas de hidroxiapatita y los biopolímeros—, la impresión se sumerge en un fluido fisiológico simulado para examinar el desarrollo del hueso nuevo.

Señala que en teoría la porosidad del nuevo biomaterial, al interactuar con el fluido fisiológico, logra que la réplica no solo sea compatible con el cuerpo humano y funcione de soporte, también permite reconstruir el hueso.

Pruebas biológicas

La estudiante en Biología, Brenda Lizbeth Arroyo Reyes, junto con la doctora Maura Cárdenas García son las encargadas de realizar las pruebas de biocompatibilidad tóxicas del material con características casi idénticas a las del hueso original.

Además de las pruebas tóxicas, el doctor Marco Antonio Morales explica que dentro de las pruebas de biocompatibilidad también se realizan pruebas de fluido fisiológico simulado y pruebas biomecánicas, donde se registra la porosidad, la composición y la asimilación del polímero.

“Por el momento se han realizado pruebas con bacterias para posteriormente extrapolarlas a roedores. Paralelamente trabajamos con células madre para que esas células sean humanas y podamos saber si solo funcionará como relleno óseo o nos permitirá llegar más allá para que sea una regeneración total”, complementa Lizbeth Arroyo.

Con las pruebas de resistencia, porosidad, densidad, presión, compresión y toxicidad, realizadas hasta el momento, se han obtenido resultados favorables, pues se ha comprobado 96 por ciento de compatibilidad con el tejido humano.

Biomaterial biodegradable y económico

Irving Fernández Cervantes, próximo ingeniero en Materiales, menciona que aunque en la actualidad existen prótesis cada vez más compatibles con el cuerpo humano, los materiales que se implementan en su mayoría son de acero inoxidable y los precios son muy altos ya que son productos importados.

A diferencia de estos, el biomaterial que ellos lograron concebir es ácido poliláctico biodegradable, lo cual abarata los costos considerablemente, haciéndolo de fácil acceso.

“De siete mil pesos que puede costar una unidad de acero, una de nuestro biomaterial saldrá aproximadamente en 500 pesos”, puntualiza.

Además su implantación no requeriría de más de una cirugía, no representaría riesgo de infección o complicación de salud derivada del injerto de una prótesis de metal al interior del cuerpo.

Línea de investigación alterna

El doctor Efraín Rubio Rosas trabaja con otra línea de investigación para desarrollar diferentes biocerámicos a base de hidroxiapatita mediante diferentes técnicas o metodologías: química sol-gel (crear un material en forma de gelatina), precipitación y crecimiento biomimético, logrando así obtener materiales en forma de polvo con dimensiones nanométricas compatibles con el cuerpo humano.

En esta otra línea colabora con el doctor José Albino Moreno Rodríguez, académico de la Facultad de Ciencias Químicas, cuya aportación es dotar los materiales cerámicos de la capacidad de liberar ciertos fármacos de forma controlada para tratar algunos problemas del organismo como es la cicatrización.

Futuro fracturado

De acuerdo con el informe del Latin America Regional Audit: Epidemiología, costos e impacto de la osteoporosis en 2012, en México la esperanza de vida se espera alcance los 82 años de edad, el número de personas de 50 años o más será más del doble para el año 2050, pasando de los 20 millones actuales a casi 55 millones. Debido a esto, se estima que las fracturas por osteoporosis y otras enfermedades óseas asociadas con el envejecimiento aumenten en consecuencia.

Una de cada 12 mujeres y uno de cada 20 hombres mayores de 50 años sufren una fractura de cadera por osteoporosis. Se estima que para el año 2050, debido al envejecimiento de la población, el número anual de fracturas de cadera podría aumentar de 29 mil 732 actuales a 155 mil 874 fracturas al año: un aumento de 424 por ciento dentro de los próximos cuarenta años.

El también conocido Latin American Vertebral Osteoporosis Study (LAVOS) encontró osteoporosis en la columna vertebral en nueve por ciento y 17 por ciento de los hombres y mujeres estudiados, respectivamente, y osteopenia en 30 por ciento y 43 por ciento en los hombres y mujeres, respectivamente. Encontraron osteoporosis en la cadera (fémur) en seis por ciento de los hombres y 16 por ciento de las mujeres y osteopenia en 56 por ciento de los hombres y 41 por ciento de las mujeres. Aunque no es tan grave como la osteoporosis, la osteopenia es indicador de una densidad mineral ósea menor que la normal.

La incidencia global de fracturas vertebrales en mujeres mexicanas resultó ser de 19.2 por ciento, el más alto entre los cinco países incluidos en el estudio LAVOS (Argentina, Brasil, Colombia, México y Puerto Rico).

El costo directo de tratar una fractura de cadera varía ampliamente, pero se estima que oscila entre cuatro mil 500 a siete mil 550 dólares por fractura.

Una preocupación importante es que las fracturas vertebrales (espinales) no son diagnosticadas ni tratadas adecuadamente. Quienes presentan estas fracturas no acuden a consulta clínica y atribuyen el dolor a malestar de espalda u osteoartritis. El diagnóstico oportuno de las fracturas vertebrales es importante para que pueda tener lugar el tratamiento de la enfermedad subyacente, evitando así fracturas futuras.

Solo hay 409 equipos para medir la densidad ósea (DXA) en todo México, y solo una minoría (15 por ciento) de estos se encuentra disponible en el sistema público de salud; esto es claramente insuficiente para satisfacer las necesidades actuales, ya no digamos necesidades futuras.

El estado de fracturas y osteoporosis que existe en país se debe al bajo consumo de productos lácteos que son proveedores de calcio y al aumento en el consumo de bebidas carbonatadas. México es el segundo país con mayor consumo per cápita de bebidas gaseosas y el mayor consumidor de refrescos de cola.

Reconocimientos

En septiembre pasado, el equipo de científicos ganó el primer lugar en un concurso de prototipos estudiantiles que organizó la BUAP, siendo acreedores de 20 mil pesos, asesorías del Centro de Innovación y Competitividad Empresarial (CICE) para formar su propia empresa de tecnología y el patrocinio de la universidad para patentar su invento; sin embargo, aún continúan en la búsqueda de recursos para continuar con nuevas líneas de investigación que los conduzcan a un pleno desarrollo.

El equipo de investigadores poblanos espera que al comprobar su completa efectividad y tras aprobar todos los protocolos sanitarios, este biomaterial no solo regenere el tejido óseo y sea implementado en casos de osteoporosis o cáncer, sino que sea capaz de sustituir un hueso de mayores dimensiones y, ¿por qué no?, funja como prótesis de algún sistema de huesos más complejo.