Investigadores mexicanos desarrollan una tecnología que ayuda a sustituir o regenerar los huesos dañados en pacientes diabéticos y así, evitar que pierdan una parte de su cuerpo.
Se tratan de andamios óseos impresos en 3D, que manejan un diseño especial y materiales que se comportan lo más parecido a un hueso real y replican características clave de este tejido, como forma, porosidad y rigidez.
Esta línea de investigación nació hace más de cinco años al trabajar con un paciente que ya había tenido una amputación y buscaban desarrollar prótesis sensorizadas y cómodas, cuenta Erick Guadalupe Ramírez, investigador y director del programa en Innovación y Transformación de la Escuela de Ingeniería y Ciencias el campus Monterrey.
Fue cuando Josué García, ingeniero en mecatrónica con formación en la Universidad de Stanford y el Tecnológico de Monterrey, pensó en atender este problema desde mucho más atrás. Es decir, cuando ya hay afectaciones en el tejido óseo por diabetes y podría haber riesgo de perder una extremidad.
En México, la principal causa de amputaciones es la diabetes. Las personas con esta enfermedad tienen entre 15 y 30 veces más riesgo de perder una extremidad que quienes no la padecen. Infecciones por úlceras y daño en tejidos blandos son algunas de las diversas causas que pueden derivar en amputaciones, así como por problemas en el tejido óseo, como fracturas que no cicatrizan.
Mecatrónica e ingeniería enfocadas en la salud
“Es un trabajo en equipo donde colaboran expertos en diseño, manufactura, materiales y cirugía. Los cirujanos ven las posibilidades que las nuevas tecnologías pueden ofrecer”, dice.
Así surgió la idea del desarrollo de injertos que sirvan como sustitutos de alguna parte de los huesos que hayan tenido esa degeneración.
“Fue una motivación para enfocarnos en la diabetes como una enfermedad y saber que podemos hacer ingeniería para el beneficio de la humanidad”, dice. “Cuando una persona tiene esta enfermedad pasan alteraciones en el organismo, como mayor porosidad en los huesos y hace que una persona tenga mayor riesgo de tener una fractura”.
¿Qué son y cómo se hacen los andamios óseos artificiales?
Los investigadores se enfocaron en desarrollar andamios óseos artificiales a través de técnicas de manufactura aditiva avanzada. Para García es una manera de aportar al campo de la medicina regenerativa con sustitutos de hueso.
Para conseguirlo diseñaron una estructura basada en geometrías llamadas TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces) que imitan la forma interna de los huesos. Se tratan de patrones similares a los de una esponja o panal que permiten que el andamio sea resistente y ligero. La geometría del diseño es ajustable a la parte del cuerpo y su naturaleza se presta a que las células puedan regenerar el hueso dañado.
Sobre el proceso que siguen para el desarrollo de estos andamios óseos, primero se hace una tomografía computarizada al paciente, explica Ramírez. A partir de ella se reconstruye el hueso en 3D y se diseña un andamio personalizado.
“La tomografía computarizada es un procedimiento que se hace en los hospitales, pero nosotros generamos los archivos 3D para poder analizarlos”, agrega. “Una de las ventajas de la manufactura aditiva es que podemos hacer formas complejas, que con los métodos tradicionales no son posibles. Entonces podemos tener la complejidad del cuerpo humano, la que nos da el proceso de manufactura, más las cosas extra que agregamos como la hidroxiapatita y otros elementos para acelerar la regeneración ósea”.
La hidroxiapatita y fosfatos de calcio son materiales que por naturaleza nosotros los generamos, están en los dientes y en los huesos, pero bajo circunstancias como alteraciones del metabolismo causadas por la diabetes—, puede que no sean lo suficientemente abundantes en ciertas regiones de los huesos. Entonces, de forma externa o artificial, los incorporan en el material, explica.
Manufactura digital, precisa y veloz
El investigador dice que lo innovador de esta propuesta es que el equipo tiene acceso a herramientas de manufactura digital que permiten crear los andamios óseos personalizados con mayor precisión y en menos tiempo.
Dependiendo de las necesidades específicas del paciente y las indicaciones de los médicos sobre ese caso, se hace una propuesta de diseño; luego, se hacen estudios dinámicos: de biomecánica —para obtener datos sobre el movimiento de las personas al caminar— y de cargas estructurales.
“Utilizamos software de simulación mecánica para analizar cómo se transmiten las fuerzas en la estructura del cuerpo y cómo afectan directamente al implante que estamos diseñando”, explica García. “A partir de la información dinámica que adquirimos, simulamos mecánicamente los implantes para saber cuál es su performance bajo esas cargas mecánicas”.
Explorando otros padecimientos
Ramirez destaca que el proyecto es un trabajo multidisciplinario en el que sus estudios se complementan con otras áreas relacionadas a su línea de investigación, por ejemplo, para sintetizar biomateriales, y sobre aspectos médicos y biológicos.
Además, aunque aún están en fase de exploración, el objetivo es conseguir una aplicación que, además de ser útil para pacientes con diabetes, se pueda aprovechar para atender a personas con otros padecimientos.
“Ahorita estamos viendo casos de fracturas para diabetes, pero también se pueden ver para situaciones donde hay cáncer y hay que hacer reconstrucciones o hay que quitar algún hueso que ya tiene sarcoma”, dice.
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