El hueso artificial se refiere a un material similar al hueso creado en un laboratorio que puede usarse en injertos óseos , para reemplazar el hueso humano que se perdió debido a fracturas graves, enfermedades, etc. [1]
La fractura ósea, que es una rotura total o parcial del hueso, es una afección muy común que tiene más de tres millones de casos en los EE. UU. por año. [2] Los huesos humanos tienen la capacidad de regenerarse mediante un ciclo de resorción ósea y formación ósea. La célula responsable de la resorción ósea es el osteoclasto , mientras que la célula responsable de la formación ósea es el osteoblasto. Dicho esto, el cuerpo humano puede regenerar el hueso fracturado. Sin embargo, si el daño al hueso es causado por una enfermedad o una lesión grave, se vuelve difícil para el cuerpo repararse a sí mismo. Cuando el cuerpo humano no puede regenerar el tejido óseo perdido, los cirujanos entran y reemplazan el hueso faltante utilizando autoinjertos, aloinjertos e injertos sintéticos (hueso artificial). Al comparar el hueso artificial con el autoinjerto y el aloinjerto, es menos invasivo y más biocompatible, ya que evita el riesgo de infecciones virales desconocidas. [3]
Al diseñar biomateriales implantables, los criterios clave son la biocompatibilidad , la osteoconductividad , la alta porosidad y la compatibilidad biomecánica. El hueso artificial se fabricó inicialmente con materiales como metales y cerámicas sólidas, que son lo suficientemente fuertes como para soportar la carga en el hueso. Sin embargo, la rigidez de esos materiales creó una enorme carga para los pacientes y no era consistente con los criterios para implantar biomateriales. Los huesos artificiales hechos de metal y cerámica tienden a tener un desempeño deficiente en términos de biocompatibilidad, ya que es difícil integrarlos en los tejidos óseos. [4] Por lo tanto, para ayudar mejor a quienes lo necesitan a vivir una vida más cómoda, los ingenieros han estado desarrollando nuevas técnicas para producir y diseñar mejores estructuras y materiales óseos artificiales.
Los dos componentes principales del hueso son la hidroxiapatita [Ca10(PO4)6(OH)2] y las fibras de colágeno. La hidroxiapatita, que es una de las formas más estables de fosfato de calcio, constituye entre el 60 y el 65 por ciento del hueso. [5] El resto del hueso está compuesto de materiales que incluyen sulfato de condroitina , sulfato de queratán y lípidos . [5] El aumento de la investigación y el conocimiento sobre la organización, la estructura y las propiedades del colágeno y la hidroxiapatita han dado lugar a muchos avances en los andamiajes basados en colágeno en la ingeniería de tejidos óseos. La estructura de la hidroxiapatita es muy similar a la del hueso original, y el colágeno puede actuar como cables moleculares y mejorar aún más la biocompatibilidad del implante. [6]
En los Estados Unidos, se han reportado más de 6,5 millones de defectos óseos y más de 3 millones de casos de lesiones faciales cada año. Más de 2,2 millones de procedimientos de injerto óseo se realizan en todo el mundo por año. Las causas comunes para el injerto óseo son la resección de tumores, malformaciones congénitas, traumatismos, fracturas, cirugía, osteoporosis y artritis. [7] Según la Encuesta Nacional de Atención Médica Ambulatoria (NAMCS), en 2010, hubo aproximadamente 63 millones de visitas al departamento de cirugía ortopédica y alrededor de 3,5 millones de visitas por fracturas en los departamentos de emergencia en los EE. UU. Entre los 6,5 millones de casos de fracturas o defectos óseos, aproximadamente 887.679 personas fueron hospitalizadas. [8]
La investigación sobre los tipos de materiales en el injerto óseo se ha centrado tradicionalmente en la producción de compuestos de polisacáridos orgánicos ( quitina , quitosano , alginato ) y minerales ( hidroxiapatita ). Los andamios de alginato , compuestos de iones de calcio reticulados, se están explorando activamente en la regeneración de la piel, el hígado y los huesos. [9] La capacidad del alginato para andamiar lo convierte en un polisacárido novedoso. Aunque muchos minerales se pueden adaptar para la composición ósea, la hidroxiapatita sigue siendo el material dominante, ya que su resistencia y el conocido modelo de Jager-Fratzl de hueso humano proporcionan un marco preexistente para el espaciado y la fabricación.
Los materiales adecuados para su uso en huesos artificiales deben ser biocompatibles, osteoconductores y mecánicamente fuertes. [5] La hidroxiapatita se utiliza a menudo en estudios de huesos artificiales porque tiene la biocompatibilidad y osteoconductividad necesarias para un implante óseo eficaz y duradero, pero es bastante frágil, [5] y además exhibe una tasa de disolución de aproximadamente 10 % en peso por año, que es significativamente más lenta que la tasa de crecimiento del hueso recién formado, lo que requiere medidas para mejorar su tasa de disolución. [10] Para aplicaciones que requieren un material con mejor tenacidad, se puede utilizar nácar artificial nanoestructurado debido a su alta resistencia a la tracción y módulo de Young . [11] En muchos casos, el uso de un tipo de material limita las capacidades de un implante óseo artificial, por lo que se utilizan compuestos. Los implantes compuestos de quitosano e hidroxiapatita aprovechan la biocompatibilidad del quitosano y su capacidad de moldearse en formas porosas complejas, así como la osteoconductividad de la hidroxiapatita para crear un compuesto que presenta las tres características. [5] Otros compuestos adecuados para su uso en hueso artificial son los que utilizan alginato, un biopolímero conocido por sus propiedades de formación de andamios. Los usos del alginato en compuestos incluyen compuestos de quitosano para la reparación del tejido óseo, compuestos de biovidrio para reparar o reemplazar hueso defectuoso o enfermo, o compuestos de cerámica y colágeno para la regeneración ósea. [9] El material utilizado en un implante de hueso artificial depende en última instancia del tipo de implante que se crea y su uso.
La impresión 3D se está convirtiendo en una forma eficiente de producir huesos artificiales. Primero, se crea un modelo óseo mediante la reconstrucción de imágenes de tomografía computarizada obtenidas del paciente. Luego, los materiales óseos artificiales se utilizan como "filamento" para la impresión 3D. Según la resolución de los injertos, el modelo óseo 3D se dividiría en algunas capas. La impresora imprimiría una capa, luego la siguiente sobre la última y, finalmente, produciría un hueso artificial. La mayoría de los estudios recientes muestran que los nanocristales de hidroxiapatita (HA) son el material ideal para los huesos artificiales impresos en 3D. Los nanocristales de HA se sintetizan mediante síntesis húmeda utilizando fosfato de diamonio y cloruro de calcio como precursores de fósforo y calcio, respectivamente. [12] Además, la policaprolactona (PCL) también se puede utilizar para la producción de huesos artificiales con impresión 3D en algunos informes de investigación. En comparación con la reparación de huesos dañados, la técnica de impresión 3D podría producir implantes que satisfagan las necesidades de reparación personalizadas. Por otro lado, las técnicas de impresión 3D producen implantes con pocos efectos adversos para los pacientes. Las células huésped de diversas clasificaciones, como los linfocitos y los eritrocitos, muestran una respuesta inmunológica mínima a los injertos artificiales. [13]
Los materiales sustitutos óseos eficaces deben presentar una buena resistencia mecánica junto con una bioactividad adecuada. La bioactividad, que a menudo se mide en términos de tasas de disolución y la formación de una capa mineral en la superficie del implante in vivo, se puede mejorar en biomateriales, en particular la hidroxiapatita, modificando la composición y la estructura mediante dopaje. [10] Como alternativa a los sistemas de hidroxiapatita, los compuestos de quitosano se han estudiado a fondo como un material para usar en hueso artificial. [5] El quitosano por sí mismo se puede modificar fácilmente en formas complejas que incluyen estructuras porosas, lo que lo hace adecuado para el crecimiento celular y la osteoconducción. [5] Además, los andamios de quitosano son biocompatibles y biodegradables, pero tienen baja tenacidad, y el material en sí no es osteoconductor. [5] La hidroxiapatita, por otro lado, presenta una biocompatibilidad excelente, pero se ve obstaculizada por su naturaleza frágil. [14] Cuando se implementa con hidroxiapatita como compuesto, tanto la tenacidad como la osteoconductividad mejoran significativamente, lo que hace que el compuesto sea una opción viable para el material de hueso artificial. [5] El quitosano también se puede utilizar con nanotubos de carbono, que tienen un alto módulo de Young (1,0-1,8 TPa), resistencia a la tracción (30-200 GPa), alargamiento de rotura (10-30%) y relación de aspecto (>1000). [5] Los nanotubos de carbono son muy pequeños en tamaño, químicamente y estructuralmente estables y bioactivos. [5] El compuesto formado por nanotubos de carbono y quitosano mejora enormemente la tenacidad del quitosano. [5] El nácar artificial nanoestructurado es otra opción para crear hueso artificial. [11] El nácar natural está compuesto por una disposición de capas orgánicas e inorgánicas similares al ladrillo y el mortero. [9] Esto, junto con la reticulación iónica de moléculas fuertemente plegadas, permite que el nácar tenga alta resistencia y tenacidad. [9] El nácar artificial que imitaba tanto la estructura como el efecto de los enlaces iónicos tenía una resistencia a la tracción similar al nácar natural, así como un módulo de Young final similar al hueso laminar. [11] Desde un punto de vista mecánico, este material sería una opción viable para el hueso artificial.
Se deben considerar varios aspectos de cualquier diseño de hueso artificial antes de implementar el diseño en un paciente. Los implantes de hueso artificial que no se ajustan bien dentro de un paciente debido a eventos como dejar el hueso receptor sin fijar pueden causar enrojecimiento e hinchazón en la región receptora. [3] Los implantes mal ajustados también pueden ser causados por sinterización , que puede causar una contracción dimensional de un implante de hasta un 27%. [15] La osteoconductividad es otra consideración importante para el diseño de hueso artificial. Los materiales sinterizados aumentan la cristalinidad del fosfato de calcio en ciertos huesos artificiales, lo que conduce a una mala reabsorción por osteoclastos y una biodegradabilidad comprometida . [15] Un estudio evitó esto al crear huesos artificiales hechos a medida e impresos con inyección de tinta que utilizaron fosfato tricálcico α (TCP), un material que se convierte en hidroxiapatita y solidifica el implante sin el uso de sinterización. [15] Además, el α-TCP es biocompatible y ayuda a formar hueso nuevo, lo que es mejor para los pacientes a largo plazo. [3] Los diseños de huesos artificiales deben ser biocompatibles, tener osteoconductividad y durar largos períodos de tiempo dentro de un paciente para ser una solución viable en comparación con los implantes óseos autólogos y alogénicos.
Los injertos artificiales mantienen una resistencia a la compresión comparable, pero en ocasiones carecen de similitud con el hueso humano en respuesta a fuerzas laterales o de fricción. [16] En particular, la topografía del hueso artificial es inexacta en comparación con su contraparte natural. En Grant et al., los injertos óseos artificiales producidos por deposición fusionada tenían en promedio un coeficiente de fricción un 20% menor en comparación con el hueso real. [16] Si bien las tomografías computarizadas y los modelos óseos posteriores son altamente indicativos del hueso real para la composición interna, el producto final depende de la resolución de la impresora. En los casos en que ocurren defectos de la impresora, el problema más probable es una disminución en la resistencia a la compresión debido a huecos no intencionales. [15] Después de la implantación, la disminución de la proliferación y diferenciación celular es evidente a medida que los pacientes aumentan de edad. Esto prolonga la integración de los injertos y dificulta la formación de tejido óseo. En modelos animales, la incorporación de aloinjertos causa la formación de teratomas . Queda por ver si la probabilidad de este evento aumenta significativamente o no. [2] Por lo tanto, es necesario el uso de otros agentes biológicos para imitar la estructura del cuerpo. El colágeno tipo I , que constituye una parte importante de la masa orgánica del hueso, es un agente de andamiaje que se utiliza con frecuencia. Alternativamente, el polímero quitosano posee una respuesta biológica similar, es decir, la promoción de la osteogénesis in vivo. [2]
Las técnicas de fabricación más modernas incluyen la impresión por inyección de tinta. [17] En un estudio, una impresora de inyección de tinta 3D produjo implantes de autoinjerto para la mandíbula inferior de 10 pacientes. El implante de hidroxiapatita se produjo a partir de polvo de fosfato tricálcico que se endureció después de la hidratación. [17] El procedimiento quirúrgico se realizó tanto por motivos estéticos como funcionales. Todos los pacientes indicaron satisfacción con el producto óseo. En otro estudio, que examinó réplicas de fémures de cabra, se produjeron nanocristales de hidroxiapatita y se mezclaron en el sitio antes de cargar una impresora 3D. El estudio observó una ligera disminución de la resistencia a la compresión de los fémures, que podría atribuirse a una impresión imperfecta y una mayor proporción de hueso esponjoso . En general, las técnicas de impresión 3D producen implantes con pocos efectos adversos en los pacientes. Las células huésped de diversas clasificaciones, como los linfocitos y los eritrocitos , mostraron una respuesta inmunológica mínima a los injertos artificiales. [2] Solo en el caso de una esterilización inadecuada o una predisposición previa a la infección se produjeron complicaciones significativas. La velocidad de impresión es el paso principal que limita la velocidad en la producción de hueso artificial. Según el tipo de implante óseo, el tiempo de impresión puede variar de una a varias horas. [15] A medida que las impresoras producen injertos de mayor resolución, la duración de la impresión aumenta proporcionalmente.
Las investigaciones sobre materiales óseos artificiales han revelado que los vidrios de silicato bioactivos y reabsorbibles ( biovidrio ), las vitrocerámicas y los fosfatos de calcio exhiben propiedades mecánicas similares a las del hueso humano. [18] Propiedades mecánicas similares no aseguran la biocompatibilidad. La respuesta biológica del cuerpo a esos materiales depende de muchos parámetros, incluida la composición química, la topografía, la porosidad y el tamaño del grano. [18] Si el material es metal, existe el riesgo de corrosión e infección. Si el material es cerámico, es difícil formar la forma deseada y el hueso no puede reabsorberlo o reemplazarlo debido a su alta cristalinidad. [3] La hidroxiapatita, por otro lado, ha demostrado excelentes propiedades para apoyar la adhesión, diferenciación y proliferación de células de osteogénesis, ya que es termodinámicamente estable y bioactiva. [18] Los huesos artificiales que utilizan hidroxiapatita se combinan con tejido de colágeno para ayudar a formar nuevos huesos en los poros y tienen una fuerte afinidad con los tejidos biológicos al tiempo que mantienen la uniformidad con el tejido óseo adyacente. [3] A pesar de su excelente desempeño en la interacción con el tejido óseo, la hidroxiapatita tiene el mismo problema que la cerámica en la reabsorción debido a su alta cristalinidad. Dado que la hidroxiapatita se procesa a alta temperatura, es poco probable que permanezca en un estado estable. [3]