Este desarrollo es producto del trabajo del Grupo de Materiales Cerámicos y Vítreos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín, que durante años ha explorado el potencial de la cerámica en aplicaciones biomédicas, es decir en el uso de materiales y tecnologías que ayudan en el área de la salud. Aunque en Medicina ya se han usado scaffolds, la innovación aquí radica en la combinación de materiales, la técnica de fabricación y el diseño estructural.

La investigadora Carolina Duque Uribe, magíster en Ingeniería Física, explica que, a diferencia de otros materiales empleados en implantes –como metales o polímeros biodegradables–, los andamios fabricados con fosfatos de calcio, un material cerámico, tienen la ventaja de que su composición es similar a la del tejido óseo, lo que facilita su integración con el cuerpo humano sin generar reacciones tóxicas ni inflamatorias. De hecho, los fosfatos de calcio son componentes fundamentales de los huesos y dientes, brindándoles dureza y resistencia.

Este material se incorporó con una geometría compleja y específica llamada “giroide”, la cual se obtiene mediante avanzados cálculos matemáticos que permiten generar una superficie tridimensional, que sería el espacio ideal para que las células del cuerpo crezcan, se multipliquen y reorganicen, como si se tratara de un rompecabezas biológico.

“Para este estudio trabajamos con la geometría de superficies minimales triplemente periódicas (TPMS), que presenta curvas y porosidades interconectadas, lo cual facilita la adhesión y proliferación celular”, detalla la magíster.

El andamio obtenido parece una esponja con poros minuciosamente calculados, de tamaño similar a los poros de los huesos, que oscilan entre 500 y 1.000 micrómetros (μm), como los de una fibra textil.

Así lo hizo

El proceso de fabricación de los andamios comenzó con la preparación de una mezcla de resina, que se solidifica al exponerla a la luz. Esta mezcla contenía alrededor del 43 % de partículas cerámicas, las cuales se añadieron gradualmente hasta alcanzar la viscosidad adecuada para la impresión 3D.

A partir de ahí se utilizó la técnica de estereolitografía cerámica, que emplea luz ultravioleta para solidificar la mezcla capa por capa. “A través de esta técnica ajustamos parámetros como el tiempo de exposición a la luz ultravioleta, lo que nos permitió solidificar el material y obtener el objeto final”, explicó la magíster Duque.

Tras obtener la estructura básica se realizó un postratamiento para asegurar su completa solidificación, seguido de un tratamiento térmico en un horno, que eliminó la resina dejando solo el material cerámico con la forma deseada. “La temperatura sube a más de 470 °C, lo que degrada la resina, que se convierte en gas y deja el cuerpo cerámico con la geometría original, pero con una porosidad distinta”, detalló la experta.

Los andamios resultantes se sometieron a rigurosas pruebas mecánicas para comprobar su resistencia, y además la magíster usó técnicas de microscopía que le permitieron analizar cómo estaba formada esa microestructura. En este tipo de desarrollos también es crucial realizar pruebas de degradación, ya que el uso previsto de los andamios es para su integración en el hueso. Estas pruebas se enfocaron en observar si el material comenzaba a desprender partículas o a descomponerse en fluidos similares a los del cuerpo humano.

“En laboratorio obtuvimos resistencias mecánicas de hasta 0,83 MPa en fosfato de calcio y 0,46 MPa en alúmina, otro material que probamos. Estos valores son comparables con los de los huesos esponjosos y cortical, que forman las capas tanto interna y porosa como externa dura y densa de los huesos”.

También evaluó la citotoxicidad y capacidad de proliferación celular de los andamios de fosfato de calcio, utilizando una línea celular de fibroblastos de ratón (L929), un tipo de células conectivas comúnmente empleadas en estudios de laboratorio –in vitro–. Estas células se cultivaron en contacto con los andamios y se observó que estos no presentaban efectos tóxicos y sí permitían el crecimiento de las células.

El propóleo, un insumo importante

La ingeniera dio un paso más allá al sumergir los andamios en extractos de propóleo, una sustancia producida por las abejas conocida por sus propiedades antimicrobianas, que inhiben el crecimiento de bacterias.

“Impregnamos nuestros andamios en extractos de propóleo, estudiado en trabajos anteriores. Por el color de la sustancia, los scaffolds pasaban de ser blancos a tomar un color café claro”, comentó la investigadora.

Los andamios impregnados con propóleo se sometieron a pruebas contra bacterias como S. aureus y Escherichia coli, y se confirmó lo que estudios previos habían sugerido: el propóleo es eficaz en la eliminación de bacterias. En este caso se probó que era especialmente efectivo en la inhibición de S. aureus, una de las principales causas de infecciones en implantes médicos.

Aunque los resultados son alentadores, la investigadora enfatiza en que este es apenas el punto de partida. Con posteriores investigaciones se pueden crear modelos preclínicos con células óseas humanas para determinar si su uso es seguro y efectivo en aplicaciones médicas reales.

A largo plazo esta tecnología se podría aplicar en la fabricación de implantes personalizados, diseñados para cada paciente a partir de imágenes médicas en 3D. Esto no solo mejoraría la integración del implante con el tejido óseo, sino que además reduciría los tiempos de recuperación y las complicaciones posoperatorias.

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