Los ligamentos artificiales son dispositivos que se utilizan para reemplazar ligamentos dañados . Hoy en día, el uso más común de ligamentos artificiales es en la reconstrucción del ligamento cruzado anterior . [1] Aunque el autotrasplante sigue siendo el método más común de reconstrucción de ligamentos, se desarrollaron numerosos materiales y estructuras para optimizar el ligamento artificial desde su creación en la era de la Primera Guerra Mundial . [2] Muchos ligamentos artificiales modernos están hechos de polímeros sintéticos, como el tereftalato de polietileno . [3] Se han añadido varios recubrimientos para mejorar la biocompatibilidad de los polímeros sintéticos. [3] Los primeros ligamentos artificiales desarrollados en la década de 1980 eran ineficaces debido al deterioro del material. [4] Actualmente, el ligamento artificial Sistema de refuerzo avanzado de ligamentos (LARS) se ha utilizado ampliamente en aplicaciones clínicas. [5] La ingeniería de tejidos es un área de investigación en crecimiento cuyo objetivo es regenerar y restaurar la función de los ligamentos. [2]
La investigación sobre ligamentos artificiales comenzó en la época de la Primera Guerra Mundial . [2] En el primer caso documentado de un ligamento artificial en 1914, el Dr. Corner utilizó un trozo de filamento de plata como injerto sintético para reconstruir una rotura del ligamento cruzado anterior ( LCA ). [2] Se utilizó un ligamento hecho de seda para reemplazar un LCA en 1918. [2]
A principios de la década de 1980, el progreso tecnológico en química y ciencia de materiales promovió el desarrollo de materiales médicamente adecuados. Los médicos utilizaron estos materiales sintéticos en aplicaciones clínicas. La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) aprobó un ligamento artificial hecho de Gore-Tex para su uso en la reconstrucción del LCA en 1986. [6]
El diseño de ligamentos artificiales en la década de 1980 constaba de dos partes principales: un cable o cinta relativamente rígido y cilindros de caucho de silicona en uno o ambos extremos. [2] El cable o cinta solía estar fabricado de polietileno , nailon o fibra de carbono . El cilindro de caucho de silicona varió de tamaño para adaptarse a pacientes de diferentes tamaños. [2] [7] [1] Teóricamente, la flexibilidad del caucho de silicona permitiría cierta deformación bajo cargas relativamente bajas, y el ligamento artificial se endurecería para mantener su forma bajo cargas más altas. [7] [1] En la práctica, este diseño nunca logró su objetivo de imitar la propiedad de un ligamento natural. [8] El rendimiento mecánico de los ligamentos artificiales era inadecuado para una aplicación clínica generalizada. A largo plazo, se produjeron pérdidas de rendimiento, complicaciones y fracasos. [8]
El deterioro del material contribuyó a la ineficacia de los primeros ligamentos artificiales. [4] Los problemas ocurrirían en los meses y años posteriores al tratamiento. [2] [4] JE Paulos indicó en un informe sobre el uso de Gore-Tex en la reconstrucción del LCA : "Los primeros resultados de la prótesis de Gore-Tex utilizada para la reconstrucción del LCA mostraron bajas tasas de fracaso. Desafortunadamente, con un seguimiento prolongado, nuestra tasa El número de complicaciones sigue aumentando. Se siguen produciendo fallos mecánicos, derrames e infecciones". [2] En ese momento, los materiales utilizados en los ligamentos artificiales no podían mantener un rendimiento mecánico adecuado. [2] [4] Para muchos de estos materiales, su rendimiento mecánico disminuyó a largo plazo. [1] [8] [4]
El uso principal de los ligamentos artificiales modernos es la reconstrucción del ligamento cruzado anterior . Muchos ligamentos artificiales buscan imitar o superar el rendimiento del LCA nativo . [5] El rendimiento mecánico de un ligamento artificial puede caracterizarse por su resistencia a la abrasión , su resistencia a la fatiga por flexión y rotación , [2] y su prevención del deslizamiento o rotura del injerto. [9] La biocompatibilidad es importante para el funcionamiento del ligamento artificial in vivo. [3] La biocompatibilidad está relacionada con el crecimiento interno de nuevo tejido, [10] la migración de fibroblastos, la osteointegración del hueso, la reducción de la inflamación , la prevención de la infiltración de tejido cicatricial y la mejora de la hidrofilicidad. [3] Se ha demostrado que el crecimiento interno de tejido y la migración de fibroblastos mejoran la resistencia mecánica del ligamento artificial, [10] y la osteointegración con el hueso circundante puede reducir la probabilidad de deslizamiento del injerto. [9] Muchos ligamentos artificiales están diseñados para minimizar la inflamación y la infiltración del tejido cicatricial porque pueden dificultar la resistencia mecánica y causar la ruptura del injerto. [3] El diseño de ligamentos artificiales se esfuerza por mejorar la hidrofilicidad porque la hidrofobicidad puede desencadenar la respuesta natural del huésped a los cuerpos extraños. [3]
El refuerzo avanzado de ligamentos (LARS) es un ligamento artificial líder en la cirugía de reparación del LCA. Están fabricados de tereftalato de polietileno (PET). [3] Consisten en una porción intraósea y otra intraarticular. La sección intraósea consta de fibras longitudinales unidas por una estructura transversal tejida. Esta estructura tejida puede ayudar a prevenir la deformación y la abrasión. [5] [11] La porción intraarticular está hecha de fibras longitudinales pretorcidas en un ángulo de 90 grados. Esta sección está diseñada para resistir la fatiga y promover el crecimiento interno de tejido. [5] Los ligamentos de Leeds Keio consisten en una estructura de malla de poliéster . Busca imitar las propiedades mecánicas del ACL nativo. La naturaleza porosa del ligamento puede promover el crecimiento interno del tejido, lo que se ha demostrado que mejora las propiedades mecánicas. [5] El injerto artificial PGA Dacron consta de un 75% de ácido poliglicólico biodegradable trenzado y un 25% de hilo de Dacron permanente . [11] El ligamento artificial Kennedy LAD está hecho de cintas de polipropileno . Está diseñado para promover el crecimiento interno del tejido y la transferencia progresiva de carga al nuevo ligamento. [10]
El LCA nativo de un ser humano tiene una resistencia a la tracción del orden de kilonewtons [3] y un alargamiento en el momento de la falla de aproximadamente el 10%. [10] Las propiedades mecánicas del LCA nativo varían en toda la población humana. La fuerza del ligamento cruzado anterior de un niño tiende a ser mayor que la de un adulto. [10] Los ligamentos artificiales PGA Dacron tienen una resistencia máxima a la tracción cercana a 3500 N y un alargamiento máximo medio de aproximadamente el 20%. [10] Los ligamentos LAD de Kennedy tienen una resistencia a la tracción en el momento de la falla de aproximadamente 1500 N y una rigidez aproximada de 50 N/mm. [10] Los ligamentos artificiales de Leeds-Keio tienen una resistencia máxima a la tracción cercana a los 2000 N y una rigidez de alrededor de 250 N/mm después del crecimiento interno del tejido. [10] Los ligamentos artificiales LARS tienen diferentes propiedades mecánicas dependiendo de la cantidad de fibras utilizadas. Un ligamento de mayor calibre tendrá una mayor resistencia a la tracción. Durante las pruebas, un ligamento LARS de calibre 60 exhibió una resistencia a la tracción máxima de 2500 N, mientras que un ligamento de calibre 120 exhibió una resistencia a la tracción de 5600 N. [5] [12] Se ha demostrado que el tejido encarnado mejora las propiedades viscoelásticas y reduce la fricción. [5]
Se han añadido recubrimientos a los ligamentos artificiales para mejorar su biocompatibilidad. Se ha demostrado que los recubrimientos de biovidrio 58S e hidroxiapatita mejoran la osteointegración y la actividad celular in vitro y en estudios con animales [3] cuando se depositan sobre ligamentos de PET mediante el método de remojo. [2] [3] Se ha demostrado que los tratamientos de superficie con hidroxipropilcelulosa mejoran la osteointegración de los ligamentos de PET en estudios con animales. [2] El PET sin recubrimiento es hidrofóbico, por lo que los recubrimientos están diseñados para mejorar la hidrofilicidad. [3] Los recubrimientos de ácido hialurónico pueden reducir la hidrofobicidad y se ha demostrado que reducen la formación de tejido cicatricial y la inflamación in vivo. [3] Los recubrimientos compuestos de ácido hialurónico y quitosano se pueden depositar sobre las superficies de los ligamentos artificiales mediante la técnica de capa por capa, y se ha demostrado que mejoran la formación de hueso nuevo en la interfaz del ligamento en ratones. [9] El quitosano se utiliza para reducir la hidrofobicidad y mejorar la osteointegración y la deposición de minerales, mientras que el ácido hialurónico promueve la diferenciación y el crecimiento celular. [9] Se ha demostrado en estudios con animales que los recubrimientos de poli(estirenosulfonato de sodio) mejoran la funcionalidad de la rodilla y la imitación del LCA nativo. [2] [13]
El ligamento cruzado anterior (LCA) es una estructura del cuerpo humano que se lesiona con frecuencia y que puede causar daños secundarios en las rodillas, como desgarros de meniscos y degeneración del cartílago articular, sin tratamiento médico. La reconstrucción del LCA es una técnica comúnmente practicada para la lesión del LCA, realizada en el 30% de los pacientes, y que logra devolver la estabilidad a la estructura de la rodilla. [2] [14] Las reconstrucciones tradicionales del LCA utilizan autoinjertos o aloinjertos que exigen un tiempo de rehabilitación prolongado y, en la mayoría de los casos, desarrollan morbilidad del donante a largo plazo. [11]
Los primeros intereses en los ligamentos artificiales llevaron a la implementación de tejidos no humanos, como los ligamentos Proplast hechos de teflón y fibras de carbono y Polyflex hechos de polipropileno . [10] [15] Los resultados demostraron una pobre resistencia a las fuerzas de torsión. [11] Aprobada por la FDA en 1986 y adoptada posteriormente en las clínicas, la prótesis de ligamento cruzado Gore-Tex demostró bajas tasas de falla mecánica pero altas tasas de ruptura en el seguimiento. [16] Luego se abandonó Gore-Tex en la cirugía del LCA y se adoptó el ligamento Leeds-Keio (LK). En la investigación de seguimiento posterior a largo plazo, el ligamento LK demostró un rendimiento prometedor al principio, pero todavía mostró bajas tasas de estabilidad en 2 años y mayores cambios degenerativos en comparación con su articulación opuesta en una década. [17] [18] En el siglo XXI, el ligamento de refuerzo avanzado de ligamentos (LARS) se convirtió en el ligamento artificial más popular del mercado. Los ligamentos LARS no sólo proporcionan resultados satisfactorios inicialmente sino que tampoco funcionan de manera diferente en al menos 2 años. [19] Los ligamentos LARS demuestran una mayor estabilidad y una menor tasa de morbilidad en comparación con el autoinjerto en investigaciones a corto plazo y en un estudio de 9 años, el ligamento LARS mostró una tasa de supervivencia del 100 %. [5] Los injertos sintéticos de LCA siempre desarrollan fluencia, fatiga y falla, por lo que la demanda de injertos sintéticos con suficiente suministro, propiedades mecánicas satisfactorias y una baja tasa de morbilidad es esencialmente alta. [5] Actualmente, el ligamento LARS es el más comparable tanto a los autoinjertos como a otros injertos sintéticos. [5]
Las complicaciones que comúnmente ocurren en los ligamentos artificiales después de los primeros diez años son rotura, restos de desgaste, sinovitis, inestabilidad recurrente, osteólisis y derrames crónicos. [10] Las complicaciones no suelen surgir inmediatamente después de la cirugía o después de un período relativamente corto y, en algunos casos, comienzan a aparecer después de los primeros diez años. Se requieren investigaciones de seguimiento para estudiar el rendimiento de ciertos materiales sintéticos para ligamentos artificiales y monitorear la salud de los pacientes. [10] Las tasas de ruptura generalmente se registran en 2 a 5 años. [10]
Si bien se desconoce el futuro de los ligamentos artificiales, los principales investigadores en ingeniería de tejidos tienen como objetivo regenerar y reparar el ligamento para restaurar su función normal. [2] La ingeniería de tejidos del LCA se basará en la curación del ligamento colateral medial (LCM), ya que el LCA no se cura de forma natural. [2] Se utilizará una célula semilla en ingeniería de tejidos para la reparación de ligamentos del LCA. La célula semilla debe tener cualidades tales como: fácilmente disponible, potente para proliferar y eficiente en la elaboración de una matriz extracelular madura. Las células madre, como las células madre mesenquimales derivadas de la médula ósea , las células madre derivadas del tejido adiposo, las células madre perivasculares y los fibroblastos del prepucio humano , se utilizan habitualmente en la ingeniería de tejidos. [2]