Producen un material bioactivo mediante impresión 3D

Un centro de investigación apoyado por la FAPESP optimiza la obtención de un material a base de vidrio con aplicaciones en prótesis oculares y en el tratamiento de la sensibilidad dental, entre otras

Por Elton Alisson, desde São Carlos (Brasil)  |  Agência FAPESP – Una técnica cuyo desarrollo estuvo a cargo de científicos de la localidad de São Carlos (en el estado de São Paulo, Brasil) podrá simplificar y abaratar el costo de fabricación de un material vitrocerámico con gran potencial de aplicación.

Este material puede utilizarse en prótesis oculares, en huesecillos artificiales del oído, en el tratamiento de la sensibilidad de los dientes y en otras soluciones médicas, con menos rechazo que otros implantes artificiales y estimulando la regeneración de los tejidos óseos.

Investigadores del Centro de Investigación, Educación e Innovación en Vidrios (CeRTEV) –un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) con sede en la localidad de paulista de São Carlos y financiado por la FAPESP– lograron obtener, mediante impresión 3D, estructuras formadas con este material, un vitrocerámico altamente poroso que actúa como soporte (scaffold) para inducir la regeneración ósea.

Este nuevo método, desarrollado en colaboración con científicos de la Universidad de Padua (Italia), de la Pennsylvania State University (Estados Unidos) y del Centro Nacional de Investigación (Egipto), aparece descrito en un artículo publicado en el Journal of the American Ceramic Society (JACS) y destacado en su editorial.

“Este estudio se ubica a la vanguardia de la investigación y el desarrollo, y aporta nuevas ideas tendientes a mejorar y dotar de sostenibilidad a la fabricación de materiales vitrocerámicos para aplicaciones biomédicas”, dijo Jonathon Foreman, editor de JACS.

Con base en resinas de silicona comerciales baratas, carbonatos de calcio y de sodio y fosfato de sodio, los investigadores lograron elaborar composiciones similares a las del biosilicato. Este material, desarrollado en la década de 1990 en el CeRTEV, y patentado y licenciado para una empresa, se produce actualmente en polvo, en gránulos, en forma de estructuras de soporte macroporosas (scaffolds) para injertos óseos, en fibras o como piezas únicas (monolíticas), mediante el empleo de la tecnología convencional de fabricación de vitrocerámica.

El método tradicional de producción de biosilicato consiste en la cristalización controlada de un vidrio especial mediante tratamientos térmicos.

“Los vidrios convencionales son frágiles. Mediante la cristalización controlada de un biovidrio, logramos producir el biosilicato que, además de su alta resistencia mecánica, puede mecanizárselo, y es bioactivo y bactericida”, dijo Edgar Dutra Zanotto, docente de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y coordinador del CeRTEV.

Al entrar en contacto con fluidos corporales como la saliva y el plasma sanguíneo, el biosilicato sufre reacciones que llevan a la formación en su superficie de una capa de hidroxicarbonato apatita (HCA), un compuesto químicamente similar a la fase mineral de los huesos. De esta forma, el material vitrocerámico bioactivo adquiere la capacidad de adherirse a los huesos, a los dientes e incluso a los cartílagos, además de estimular la regeneración del tejido óseo.

“El biosilicato ha sido ampliamente reconocido como un excelente material para aplicaciones en ingeniería de tejidos óseos”, dijo Dutra Zanotto durante su conferencia en la primera edición del Simposio de Investigación e Innovación en Materiales Funcionales, organizado por el Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF) durante los días 23 y 24 de mayo en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).

Con el objetivo de desarrollar una ruta de procesamiento alternativa para este material, los investigadores sometieron polímeros a base de silicona con micropartículas de óxidos a un tratamiento térmico para dar origen al biosilicato. Esta ruta innovadora se utiliza en la fabricación de “cerámicas derivadas de polímeros” (PDCs, por sus siglas en inglés).

Con base en esos filamentos de silicona que contienen las micropartículas activas, obtuvieron mediante impresión 3D composiciones similares al biosilicato altamente porosas bajo la forma de soportes macroporosos, además de espumas moldeadas.

Dichas piezas fueron sometidas a un tratamiento térmico a 1.000 °C. Los ensayos indicaron que los materiales exhibían una alta porosidad (de entre el 60% y el 75%) y una resistencia a la compresión de alrededor de 7 megapascales (MPa) –70 kilos (kg) por centímetro cuadrado (cm²)– en el caso de los soportes macroporosos, y de entre 1,5 y 6 MPa –entre 1,5 kg y 6 kg por cm² – en el caso de las espumas.

“Demostramos que los polímeros precerámicos, con los precursores de óxidos adecuados, pueden emplearse en la síntesis directa del biosilicato en una ruta rápida y sencilla”, dijo Dutra Zanotto. “Estos materiales también tienen potencial para disminuir los costos de la materia prima y de procesamiento, y reducir las emisiones de compuestos orgánicos volátiles.”

Ingeniería de tejidos

El biosilicato producido mediante el método tradicional se probó con éxito en diversos estudios in vitro, in vivo y clínicos, en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería de tejidos.

Una de ellas fue en el tratamiento de la hipersensibilidad dentinal, que es el dolor agudo que se desencadena al ingerir alimentos y bebidas calientes o frías, causado por la retracción de las encías y la exposición de los túbulos microscópicos de uno de los tejidos que forman los dientes: la dentina.

El material vitrocerámico se aplicó en polvo, bajo la forma de partículas micrométricas de tamaño suficiente como para rellenar la cavidad de los túbulos de la dentina.

En contacto con la saliva, este material sufre reacciones que inducen la formación de HCA en su superficie. De esta forma, los túbulos dentinales quedan obliterados, lo cual impide que líquidos presentes en dichos tubos microscópicos puedan ser estimulados por alteraciones de la temperatura o del calor de los alimentos y bebidas que provocan la sensibilidad.

“Un estudio clínico realizado con este material indicó que seis aplicaciones fueron suficientes como para eliminar la sensibilidad dentinal de los pacientes”, dijo Dutra Zanotto.

El biosilicato también se emplea en la fabricación de huesecillos artificiales para el reemplazo de los del oído medio humano: el estribo, el yunque y el martillo. Los implantes de oído poseen alrededor de 10 milímetros de longitud y entre 1 y 2 milímetros de espesor. Son implantados en pacientes con deficiencia auditiva causada por problemas en esos huesos y provocada por infecciones o distintas afecciones.

Un estudio clínico realizado por investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo (USP), en su campus de Ribeirão Preto, con 30 pacientes con sordera causada por la pérdida de la función de los huesecillos del oído medio, indicó que 24 de ellos lograron recuperar la audición tras el implante.

“Antes, los pacientes no escuchaban casi nada. Luego del implante de los huesecillos, pasaron a escuchar sonidos en una altura mínima de 10 decibeles, lo que equivale a un susurro”, afirmó Dutra Zanotto.

Una de las aplicaciones más recientes del biosilicato es la de los implantes intraorbitales, conocidos popularmente como “ojos de vidrio”. Como el biosilicato es bioactivo, los implantes intraorbitales elaborados a base del material vitrocerámico se adhieren a los tejidos circundantes al ojo del paciente implantado.

“De este modo, el implante adquiere la misma movilidad que el ojo no dañado, aparte de ser bactericida, minimizando así el riesgo de infección” explicó Dutra Zanotto.

De acuerdo con el investigador, el material utilizado en las prótesis oculares comunes fue prohibido por la Agencia Nacional de Vigilancia Sanitaria (Anvisa) de Brasil.

“Existe un enorme mercado en Brasil para los implantes oculares que hemos desarrollado. Ya hemos negociado la licencia del material con una empresa, que está aguardando la autorización de Anvisa para su comercialización”, dijo Dutra  Zanotto.

Puede leerse el artículo intitulado Biosilicate scaffolds produced by 3D-printing and direct foaming using preceramic polymers (DOI: 10.1111 / jace.15948), de Hamada Elsayed, Pietro Rebesan, Murilo C. Crovace, Edgar Dutra Zanotto, Paolo Colombo y Enrico Bernardo, en el Journal of the American Ceramic Society, en el siguiente enlace: https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jace.15948.