BIOMATERIALES EN CIRUGÍA ORTOPÉDICA (PARTE 2): CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Un biomaterial es un material sintético o natural diseñado para crear una superficie de contacto con sistemas biológicos con el fin de aumentar o sustituir un tejido, un órgano o una función.

Se clasifican en:

• Bioinertes
• Biodegradables
• Bioactivos

BIOCOMPATIBILIDAD Y REQUISITOS CLAVE

La biocompatibilidad implica que el material no debe producir:

• Reacción inflamatoria
• Hemólisis
• Reacción alérgica o inmunológica
• Carcinogénesis
• Efectos adversos por degradación
• Debe permitir la eliminación por vías naturales.

Los cirujanos ortopédicos deben comprender las propiedades tribológicas y las interacciones biológicas de los biomateriales para establecer un diseño apropiado y una selección e indicación razonada en las diferentes enfermedades del aparato locomotor. Esto es crucial, ya que los implantes se ven sometidos a la acción de la carga, el cizallamiento, los ciclos del movimiento exigidos y la acción corrosiva de los líquidos orgánicos.

Propiedades Mecánicas: Hueso vs. Implantes

El hueso es elástico y flexible:

• Módulo de Young (Hueso cortical): 17 GPa
• Módulo de Young (Hueso esponjoso): 1 GPa

En comparación, el Acero Inoxidable 316L tiene un Módulo de Young de 200 GPa.

Se buscan materiales resistentes pero con una elasticidad lo más aproximada posible a la de la estructura en la que se implanta. Superar el límite de elasticidad puede provocar la FATIGA DEL MATERIAL. Por ello, se exige:

• DUREZA (resistencia a la penetración).
• RESISTENCIA A LA FATIGA o RESISTENCIA AL DESGASTE.

TIPOS DE BIOMATERIALES UTILIZADOS

Biomateriales Metálicos

Los más utilizados son: Acero inoxidable, Cromo cobalto y Aleaciones de titanio.

1. Acero Inoxidable

Aleación de hierro, cromo, níquel, molibdeno, magnesio, silicio y carbono (0.03%). Es un material bioinerte y biotolerante, resistente a la corrosión. Es especial para estabilizar fracturas, pero es susceptible de romperse y debe ser retirado una vez cumpla su misión.

2. Cromo Cobalto

Su Módulo de Young es ligeramente más bajo que el acero. Es más biocompatible y más resistente a la corrosión. Es excelente para implantes protésicos osteoarticulares.

3. Aleaciones de Titanio (Aluminio y Vanadio)

Es el más biocompatible, más resistente a la corrosión y más elástico. Ofrece mayor dureza (resistencia a la corrosión), menor densidad y peso, aunque es más caro. Permite una mejor osteointegración del implante al hueso.

Polímeros

1. Cementos Acrílicos (Polimetacrilato)

Genera calor durante el proceso de polimerización. Con el tiempo, envejece, se rompe y libera partículas de desgaste que movilizan el implante.

Características y desventajas:

• No se osteointegra, creando una interfaz o membrana de tejido fibroso entre el cemento y el hueso circundante.
• Su unión es puramente mecánica, no biológica.
• Poca resistencia a la fatiga (aflojamiento) y poca elasticidad (movilización).
• La generación de calor puede causar muerte celular.

Su resistencia a las fuerzas de cizallamiento no supera los 3 GPa. A pesar de sus limitaciones, se utiliza en casos de necesidad, como cuando la calidad del hueso es deficiente o para vertebroplastias (introducido dentro del cuerpo vertebral).

2. Polietileno

Se utiliza como superficie de contacto o de interposición con el componente metálico o cerámico, conocido como PAR DE FRICCIÓN.

Exige un peso molecular (PM) elevado de sus cadenas poliméricas. Actualmente se utiliza el polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) y técnicas de nanotecnología de cross-link para su manufactura, con el objetivo de minimizar el desgaste y la enfermedad de las partículas desprendidas por la movilidad y la fricción articular.

Cerámicas

Cerámicas Tenaces (Alúmina o Zirconio)

Poseen excelente biocompatibilidad y resistencia al desgaste. Ofrecen resistencia a la rotura gracias a su capacidad de cambiar de fase (de tetragonal a monoclínico) al iniciarse una fisura, lo que detiene su propagación.

Por ello, el PAR DE FRICCIÓN CERÁMICA-CERÁMICA es ampliamente utilizado en prótesis articulares de cadera.

MATERIALES BIOACTIVOS E INGENIERÍA TISULAR

Materiales Bioactivos

Son aquellos que pueden integrarse e inducir la formación de hueso y de cartílago.

Hidroxiapatita (HA)

Es un material osteoconductor (por su estructura similar al hueso) utilizado como revestimiento protésico mediante una técnica de chorro de plasma. Su efecto osteointegrador se debe a que proporciona al osteoblasto paredes rígidas sobre las que apoyar sus prolongaciones protoplásmicas y depositar su matriz osteoide (colágena), que posteriormente será calcificada.

Ingeniería Tisular y Regeneración

Ingeniería Tisular

Intento de sustituir tejidos deteriorados por la enfermedad, utilizando biomateriales portadores de células progenitoras y factores de crecimiento.

Regeneración Tisular

Se logra mediante el implante de un material poroso tridimensional de soporte o andamio (scaffold) sobre el que las células pueden organizar su crecimiento, multiplicación y formación de tejidos vivos del mismo fenotipo que aquel donde se implanta.

Ejemplos de andamios (scaffolds):

• Hidroxiapatita porosa sintética en esferas.
• Matriz de colágeno.
• Mallas de tantalio junto a factores de crecimiento.
• Andamio + células madre + factores de crecimiento.

Para defectos cartilaginosos se utilizan condrocitos autólogos cultivados cubiertos por un soporte o mediante técnicas de mosaicoplastia.

IMPLANTES BIOLÓGICOS

Injertos Óseos

El hueso es considerado el mejor biomaterial para injertos. Se clasifican en:

• Autólogo (del propio paciente)
• Homólogo (de la misma especie)
• Heterólogo (de otra especie)
• Hueso sintético

Injertos de Cartílago Autólogo

Técnicas utilizadas:

• Mosaicoplastia
• Cultivo de condrocitos