LOS BIOMATERIALES Y SU IMPORTANCIA EN EL SECTOR MÉDICO.

En las últimas cinco décadas se han logrado grandes avances en el campo de los biomateriales, los cuales incluyen cerámicos, vidrios, polímeros, materiales compuestos, vitro-cerámicas, aleaciones metálicas, e incluso las células y tejidos vivos. Es conocido el progreso reciente de estos materiales en aplicaciones clínicas e implantes, ya que con ellos se pueden rediseñar piezas moldeadas o mecanizadas, recubrimientos, fibras, películas, espumas y telas para su uso en productos y dispositivos biomédicos. Con los biomateriales se pueden fabricar válvulas cardíacas, reemplazos de articulaciones de cadera, implantes dentales, lentes de contacto entre muchas otras aplicaciones.

Los biomateriales son un elemento indispensable para mejorar la salud humana y la calidad de vida. Las aplicaciones de biomateriales incluyen diagnósticos (conjuntos de genes y biosensores), suministros médicos (bolsas de sangre y herramientas quirúrgicas), tratamientos terapéuticos (implantes y dispositivos médicos) y medicina regenerativa emergente (piel y cartílago diseñados por tejido). Los polímeros, al ser orgánicos, ofrecen una versatilidad que los metales metales y cerámicas no alcanzan[1]. El amplio espectro de propiedades físicas, mecánicas y químicas proporcionadas por los polímeros ha impulsado la extensa investigación, desarrollo y aplicaciones de biomateriales poliméricos.

Además en el tema económico, se estima que el valor de mercado global de biomateriales ortopédicos alcanzará alrededor de  los US $ 26 mil millones para 2026 y crecerá a una tasa compuesta anual superior al 10.0% durante el tiempo previsto[2], lo que hace que este mercado sea de gran atractivo tanto para los investigadores como para las empresas que buscan proveer de este tipo de soluciones al mercado. Los biomateriales, que pueden ser naturales o sintéticos se usan en aplicaciones médicas para apoyar, mejorar o reemplazar el tejido dañado o una función biológica. El primer uso histórico de biomateriales data de la antigüedad, cuando los egipcios usaban suturas hechas de tendones de animales[3]. En la actualidad el campo moderno de los biomateriales combina medicina, biología, física y química, la ingeniería de tejidos y la ciencia de los materiales.

Un factor importante que impulsa el mercado de los biomateriales en aplicaciones ortopédicas es la mayor prevalencia de enfermedades articulares degenerativas y trastornos musculoesqueléticos. Además, se prevé que la creciente población geriátrica, propensa a las circunstancias ortopédicas debido a la baja densidad ósea y al desarrollo de enfermedades asociadas con el hueso, aumente la oferta de productos durante la era prevista. Debido a la creciente demanda de que estos productos posean una elevada intensidad de presión, la cerámica y el vidrio bioactivo fueron la categoría de tipo de producto dominante en 2018. Se espera que el segmento de biomaterial de polímero sea el que presente una tasa de crecimiento más acelerada del 2019 al 2026 debido al alto uso de los biomateriales para la reconstrucción y fijación de la columna vertebral, la cadera y la rodilla.

Algunos de los biomateriales están diseñados para degradarse o reabsorberse dentro del cuerpo en lugar de extraer el implante una vez que se ha cumplido su función. Para tener éxito en la aplicación de estos materiales, se tienen en cuenta muchas propiedades tales como las mecánicas, la no toxicidad, la modificación de la superficie, la velocidad de degradación, la biocompatibilidad y la tasa de corrosión y el diseño estructural.  Las investigaciones en el área continúan encaminándose a la solución de los principales inconvenientes que presentan los injertos que se utilizan actualmente: las reacciones inmunológicas, los riesgos de contaminación, la ausencia de donantes, la necesidad de varias intervenciones quirúrgicas y el riesgo de transmisión de enfermedades.

Otro de los factores determinantes para la aceptación de nuevos materiales para este tipo de aplicaciones es su tiempo de vida útil; actualmente, los implantes óseos tienen una vida media de alrededor de diez años, sin embargo, teniendo en cuenta el envejecimiento demográfico y la creciente demanda de la cirugía ortopédica en pacientes más jóvenes, estos implantes deberían ser diseñados para aplicaciones a más largo plazo. Por las razones anteriores, tanto la investigación básica como aplicada, se sigue encaminado al campo de la exploración de nuevos materiales.

Como respuesta a la necesidad de innovar en el campo de los biomateriales, la doctora Adriana B. Espinoza Martínez, el doctor Alberto Jorge Dávila Mendoza y el doctor Luis Francisco Ramos de Valle, investigadores del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) presentan grandes avances de una tecnología que consiste en el desarrollo de un material compuesto con potencial para aplicarse como injerto  enfocado a hueso duro para implantes ortopédicos, así como para la reparación o reconstrucción de tejido óseo.   Este desarrollo ha sido patentado por el CIQA ante el IMPI con el número de expediente MX/a/2018/014732.

La tecnología propuesta, consiste en un material compuesto de una mezcla de polímeros, particularmente olefinas cíclicas y polietileno, con incorporación de grafeno. Además de la composición de la fórmula, la innovación se encuentra también en el proceso, que aprovecha los efectos de la aplicación de ultrasonido. Con esta composición y proceso, se buscar obtener propiedades mecánicas y biológicas específicas para la aplicación anteriormente mencionada. La tecnología surge como la evolución de una investigación de ciencia básica dirigida al desarrollo de materiales bioinertes con altas propiedades mecánicas.

En el caso de esta tecnología, se pretenden desarrollar compuestos poliméricos nanoestructurados a base de mezclas de polímeros como el polietileno lineal de baja densidad y copolímeros de olefinas cíclicas (COC) para su uso como injerto de hueso duro (hueso compacto), además, esta mezcla de polímeros será reforzada con grafeno. El polietileno es un polímero sencillo, sintético y de bajo costo, así mismo, los COC son materiales que exhiben numerosas cualidades útiles, tales como alta transparencia óptica, resistencia a altas temperaturas y biocompatibilidad.

Por otra parte, el proceso constituye una innovación importante en el presente trabajo, ya que se incorporarán métodos como la aplicación de ultrasonido para lograr características funcionales óptimas. Además, como la tensión mecánica en los huesos no se puede medir en sujetos vivos sin el uso de un procedimiento quirúrgico, se llevarán a cabo tanto el modelamiento como la simulación de la compresión de un injerto de hueso duro utilizando modelos bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D), con el fin de estimar los esfuerzos a los que se somete el hueso de forma no invasiva “in vivo”.

Entre los beneficios que se pretenden alcanzar con el desarrollo de esta tecnología, están el de contar con un material que sea económicamente competitivo para aplicación para seres humanos y que supere las limitaciones actuales de los materiales que existen para la reparación y regeneración de hueso, particularmente del polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), aceptado ampliamente en el reemplazo de partes de tejido óseo cortical por sus características de resistencia, deslizamiento y biocompatibilidad, pero que, sin embargo, presenta dificultad en su procesamiento y desgaste a largo plazo.