Los implantes de titanio que reemplazan articulaciones como la cadera o la rodilla enfrentan condiciones exigentes dentro del cuerpo humano. La fricción constante del movimiento, el contacto con la sangre y otros fluidos corporales, además de la presencia de bacterias y hongos, deterioran su superficie y pueden provocar infecciones.

Una investigación liderada por la doctora Érika Lorena Medina Miranda, de la Universidad Nacional de Colombia, presenta una alternativa para enfrentar este problema: un recubrimiento multicapa diseñado a escala nanométrica que protege el metal, limita la colonización de microorganismos y favorece la adhesión de células óseas.

La investigadora centra su trabajo en la superficie del implante, el punto donde el metal entra en contacto directo con los tejidos del cuerpo y con los microorganismos. Allí diseñó una estructura formada por varias capas microscópicas de materiales con funciones específicas.

“Nos enfocamos en la superficie del titanio, porque allí ocurren los procesos de desgaste, corrosión y colonización de microorganismos que pueden afectar la vida útil del implante”, explica Medina Miranda.

El recubrimiento combina tres materiales. La capa base contiene zirconia, una cerámica de alta resistencia que protege el titanio frente al desgaste mecánico y las reacciones químicas del organismo.

Encima se deposita hidroxiapatita, un material similar al mineral que compone los huesos humanos y que favorece la adhesión de las células óseas. Finalmente, se incorporan nanopartículas de plata, conocidas por su capacidad para limitar el crecimiento de microorganismos.

La investigadora evaluó el desempeño de este sistema mediante pruebas de laboratorio. Utilizó pequeños discos de titanio de aproximadamente un centímetro de diámetro, similares al material empleado en muchos implantes médicos.

Sobre estas piezas aplicó el recubrimiento multicapa y luego realizó ensayos para analizar su resistencia al desgaste, su comportamiento frente a fluidos que imitan los del cuerpo humano y su interacción con células óseas, bacterias y hongos.

En los experimentos con células precursoras del hueso, las pruebas mostraron que estas se adhieren con facilidad a la superficie tratada. En algunos ensayos, hasta el 70 % de las células logró crecer sobre el material. Este resultado sugiere que el implante podría integrarse mejor con el hueso del paciente.

Las pruebas mecánicas también evidenciaron mejoras importantes. En experimentos que simulan la fricción de una articulación —como la que ocurre al caminar o subir escaleras— la superficie recubierta resistió hasta diez veces más el desgaste que el titanio sin tratamiento.

Este avance resulta relevante si se tiene en cuenta la vida útil de las prótesis actuales. Muchos implantes de cadera o rodilla duran alrededor de 20 años, aunque su funcionamiento puede deteriorarse antes debido al desgaste o a infecciones.

Las infecciones representan uno de los mayores riesgos en este tipo de dispositivos médicos. Bacterias como Staphylococcus aureus pueden adherirse al metal y formar biopelículas, estructuras microscópicas donde miles de microorganismos se agrupan y se vuelven más resistentes a los antibióticos y al sistema inmunológico del paciente.

Cuando estas infecciones aparecen, los tejidos cercanos pueden inflamarse y la unión entre el hueso y el implante se debilita. En los casos más complejos, el paciente requiere retirar la prótesis y someterse a una nueva cirugía.

De acuerdo con la revista médica Bienestar Colsanitas, en Colombia se realizan más de 18.000 reemplazos de cadera cada año, especialmente en adultos mayores que padecen artrosis, artritis reumatoide, fracturas graves o tumores.

En las pruebas microbiológicas, Medina Miranda expuso el material a bacterias del género Paenibacillus y a hongos del género Penicillium. La presencia de nanopartículas de plata evitó que estos microorganismos colonizaran la superficie. En los experimentos realizados, los microorganismos desaparecieron y no se formaron biopelículas.

Para fabricar el recubrimiento, la investigadora utilizó una técnica llamada sputtering por magnetrón. En este proceso, los materiales se transforman en una especie de “lluvia de átomos” dentro de una cámara al vacío. Estos átomos se depositan sobre el titanio y forman una película extremadamente delgada que cubre el metal capa por capa.

Mediante microscopía electrónica, el equipo verificó que el recubrimiento quedara distribuido de manera uniforme sobre la superficie del titanio. Posteriormente realizó ensayos de desgaste y corrosión en soluciones que simulan los fluidos del cuerpo humano.

Los resultados indican que este recubrimiento nanométrico protege el metal frente al desgaste y la corrosión, mejora la integración con el hueso y limita la presencia de microorganismos.

“Estos resultados muestran que un diseño adecuado de recubrimientos puede mejorar la seguridad y la duración de los implantes ortopédicos”, señala Medina Miranda.

Aunque el desarrollo se encuentra en etapa de laboratorio, el estudio abre la puerta a implantes más duraderos y seguros para miles de pacientes que requieren reemplazos articulares.

Reemplazos de cadera en Colombia

Cada año se realizan más de 18.000 cirugías de reemplazo de cadera en el país, según la revista médica Bienestar Colsanitas. La mayoría de los pacientes son adultos mayores con artrosis, artritis reumatoide o fracturas graves.

Cómo funciona el recubrimiento

El sistema combina tres capas: zirconia para resistencia mecánica, hidroxiapatita para facilitar la adhesión del hueso y nanopartículas de plata para limitar el crecimiento de bacterias y hongos.
 

* Esta información se realizó con la colaboración de la Universidad Nacional y su oficina Unimedios.

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