Sobre huesos y piedras: a propósito de los biomateriales

Biomateriales. Huesos y piedras Si nuestros huesos sufren el paso del tiempo volviéndose más quebradizos, las piedras, sostén de nuestros monumentos, no se libran de sus efectos.

Es cierto que hay muchos más factores, pero todos en conjunto y contando con el tiempo como cómplice, consiguen que tanto huesos como piedras se fracturen, erosionen y pongan en riesgo el equilibrio arquitectónico de nuestro cuerpo y de nuestro patrimonio cultural, necesitando ser reparados e, incluso, sustituidos.

Además de sufrir estos procesos tan similares, huesos y piedras tienen en común que pueden beneficiarse de nuestro conocimiento en biomateriales. ¡Comenzamos!

¿Qué son los biomateriales?

«Biomateriales son aquellos materiales que o bien se generan a partir de materia viva (dientes, huesos, caparazones de invertebrados…), o bien constituyen parte de ella sin que la materia viva sea su origen».

Principalmente son cuatro los compuestos químicos que forman parte de los biomateriales: bicarbonato cálcico, fosfatos de calcio, óxido de silicio y óxido de hierro.

También se pueden considerar biomateriales aquellos metales, polímeros biodegradables o materiales biocerámicos implantados en el aparato locomotor (prótesis), siempre que cumplan una serie de requisitos como:

Poseer un módulo elástico lo más parecido al hueso.
Presentar y asegurar una elevada resistencia a la corrosión y al desgaste. De producirse, deben ser reabsorbibles y NO tóxicos para el organismo.
Mostrar biocompatibilidad con ausencia de reacciones adversas en tejidos y grado óptimo de integración en el hueso (osteointegración).
Tener una adecuada resistencia para soportar cargas cíclicas.

En este sentido, en Cirugía Traumatológica y Reconstructiva se usan metales como:

El Acero 136, en el que el níquel es el encargado de fijar la fase clave de resistencia a la corrosión. Normalmente se recubre con una capa polimérica más asimilable.
La aleación Niquel-Cobalto, que muestra una resistencia mayor a la corrosión y un buen límite de fatiga. Sin embargo, la alta concentración de níquel puede provocar depósitos tóxicos.
El Titanio presenta una baja densidad y una gran resistencia a presión, tracción y corrosión, por lo que suele ser la elección preferente para prótesis de cadera. Sin embargo, el límite elástico del Titanio no logra igualar al del hueso. Por ello se sigue investigando en conseguir nuevas aleaciones, siendo la de Ti₆Al₄V la más utilizada actualmente.

Ahora bien, ¿podrá mejorar la impresión 3D algunos aspectos que no benefician a los biomateriales metálicos? Fíjate en el caso de esta simpática tortuga, a la que se le implantó una prótesis de mandíbula (creada por esta novedosa técnica de impresión), la cual permite obtener una prótesis “personalizada” y ergonómicamente perfecta.

Tortuga - Biomateriales metálicos

Los polímeros biodegradables destacan por su inocuidad, presión mecánica adecuada y por favorecer la regeneración tisular. Suelen emplearse para recubrir tornillos y/o placas que fijarán huesos o prótesis. Además, según su utilidad se pueden usar distintos polímeros, como por ejemplo:

Para liberación de fármacos se usan poliortoésteres (laminares: llevan el fármaco entre sus láminas), policianocrilatos (en forma de microesferas) y polianhidros. Éstos últimos se utilizan para medicamentos como insulina, enzimas y el BCNU (bis-cloroetilnitrosourea), empleado en un tipo de tumor cerebral.
Como adhesivos para dispositivos ortopédicos se utilizan los policianocrilatos, polianhidros y poliácido láctico, puesto que son excelentes por su biocompatibilidad.
Para la fabricación de clavos, el ácido poliglicólico.
Para suturas: policarbonatos, poliácido glicólico y el poliácido láctico, cuyos productos de degradación intervienen en el ciclo de Krebs.

Los materiales biocerámicos se emplean, mayoritariamente, como cemento para fijar y recubrir las prótesis, con el fin de permitir el crecimiento celular. El problema se presenta en la interfase metal-cerámica, generando desajustes o movimientos indeseados y, por ello, hay que cambiar la prótesis.

Los materiales biocerámicos a destacar son:

Los fosfatos cálcicos αTCP y βTCP (fosfato tricálcico) que se pueden sintetizar fácilmente en el laboratorio.
La hidroxiapatita de baja cristalinidad, OHAP, que se usa sólo de recubrimiento, pues no puede sustituir al hueso.

Como comenté al inicio de este artículo, huesos y piedras se benefician de nuestro conocimiento en biomateriales. Así, tras el repaso a los biomateriales usados en un entorno biológico, os voy a presentar a los biocementos producidos por bacterias, que se están utilizando en la reparación de fracturas y grietas de nuestro patrimonio cultural. Este patrimonio, monumental y escultórico, suele estar construido con mármol, calizas o dolomías que sufren una meteorización constante.

«La meteorización consiste en un aumento de la porosidad, una disolución gradual de la matriz mineral y una consecuente pérdida de las propiedades mecánicas de la pieza. Esa meteorización es un deterioro progresivo que plantea un problema Mundial nada fácil de abordar».

En un estudio reciente, llevado a cabo por J. David Flores y Raúl Rivas del departamento de Microbiología y Genética de la USAL (Universidad de Salamanca), se ha desarrollado un procedimiento de introducción en las fracturas pétreas de bacterias inductoras de la precipitación de carbonato.

Según su observación, las bacterias no sólo colonizan la superficie de la piedra sino que se adentran en ella, ocupan sus poros y forman precipitados de carbonato muy consistentes. Se obtiene así un biocemento eficaz y coherente que puede consolidar un amplio espectro de materiales.

Núcleos de carbonato precipitado.

¿Por qué es tan prometedor este biocemento? Porque mediante este novedoso procedimiento se imita el proceso natural de formación de la piedra calcárea y originan un producto muy similar a la piedra a tratar.

En este grupo de investigación en concreto, se trabaja en la caracterización y aplicación de nuevas bacterias precipitadoras de carbonato cálcico para que pueda usarse en la biorrestauración. Trabajando en primer lugar con una bacteria de la familia de los Citricoccus. La calcita que producen cristaliza sobre los clastos silíceos y el proceso compacta el material (la grieta desaparece), mejorando la resistencia de éste frente a agresiones ambientales.

Estas bacterias biocalcificadoras están mostrando, por el momento, un enorme potencial biotecnológico puesto que es un procedimiento poco agresivo, se evita el uso de sustancias contaminantes y su huella a nivel estético es congruente. También las hace perfectas para la ingeniería civil e industrial. Sirvan como ejemplo, estos dos estudios que me han llamado poderosamente la atención:

El primero, un estudio pionero y elogiado por las revistas Nature y Science, se llevó a cabo en la Universidad de Granada, allá por el año 2003. Describe la producción de un cemento perfecto químicamente idéntico a la piedra original y que la tapiza sin tapar sus poros. El objetivo del estudio era encontrar un material para la Restauración de La Alhambra y otros elementos ornamentales.

La Alhambra - Biocemento

El microorganismo elegido fue el Myxococcus xantus, muy utilizado como antibiótico y capaz de producir distintos materiales como fosfatos, carbonatos y cuarzo. En pruebas de laboratorio, se comprobó que a los 30 días de exponer la piedra a la cepa, se generaba una capa de cristales de carbonato más dura que la propia piedra y más resistente a la lluvia ácida.

El segundo estudio a remarcar nos lleva a Holanda, a la Universidad Técnica de Delf. En ésta se ha desarrollado un biohormigón que se autorrepara de cualquier fractura provocada por las tensiones: “las bacterias reparan el hormigón conforme crecen porque producen caliza que rellena las fracturas y sella el material“. Este tipo de biohormigón ya se utiliza en algunas construcciones de Holanda, si bien queda un paso muy importante que es estudiar cómo afecta la temperatura a la autorreparación.

Espero que os haya gustado «sobre huesos y piedras: a propósito de los biomateriales». Estos biomateriales nos ayudan a diario y nos ayudarán, tanto para nuestro bienestar funcional, como para la conservación de emblemas arquitectónicos de las diversas culturas.

Laura G. Rubio

Nota: Esta entrada participa en la XLIX Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es Radical Barbatilo.

Donar Si le ha gustado este artículo y desea reconocer el tiempo, esfuerzo y dedicación que hay detrás de él, ahora puede realizar una donación.