Cada año se implantan en el mundo más de tres millones de prótesis de cadera y rodilla al año, con un coste global de varios miles de millones de euros sin contar los costes asociados a lo aspectos clínicos. El diseño y los materiales de los componentes de estas prótesis permiten en la actualidad una probabilidad de supervivencia de las mismas del 90-95% en periodos entre quince y veinte años.
Sin embargo, el aumento de la expectativa de vida, los accidentes, la práctica deportiva y la obesidad hacen necesario extender su operatividad y retrasar su revisión en el periodo post-implantación. Hay que tener en cuenta que estas segundas intervenciones, además de suponer una alta carga emocional al paciente e incluso riesgo personal, constituyen un alto coste económico para la sociedad.
Los investigadores del Grupo de Biomateriales del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A), en la Universidad de Zaragoza, trabajan en este campo multidisciplinar de la ingeniería y del área de la salud desde hace una década. Su objetivo es tratar de encontrar materiales con mejores propiedades mecánicas, tribológicas (fricción, desgaste y lubricación) y de estabilidad química para disminuir las causas de revisión asociadas a los materiales de las prótesis, según explica el investigador principal del grupo, el profesor José Antonio Puértolas.
Actualmente, el 80% de las prótesis que se implantan tienen un par de fricción formado por metal o cerámica en la componente femoral y un polietileno especial en la copa o acetábulo. Este polímero es la parte débil del par, y su desgaste genera osteolisis o pérdida de hueso periprótesico con el consiguiente aflojamiento de la prótesis, que hace necesario una artoplastia de revisión o re-intervención quirúrgica. La investigación en este campo ha mejorado esta debilidad estructural mediante la reticulación por irradiación gamma o haces de electrones, junto a tratamientos térmicos o la incorporación de vitamina E, con un resultado notable pero no definitivo.
Los investigadores del I3A han desarrollado un material compuesto formado por PEEK reforzado con grafeno que puede constituir una alternativa al polietileno actual
Por una parte, el polieteretercetona (PEEK), presenta mejores propiedades mecánicas que el polietileno, pero especialmente mayor estabilidad química, lo que permite ser esterilizado mediante radiación, sin el problema del polietileno asociado a los radicales inducidos por la radiación, que provocan una oxidación y una fragilización del material si no se eliminan por completo.
Y por otra parte, la comunidad científico-técnica ha intentado mejorar las propiedades mecánicas del polietileno para reducir el espesor de las copas, lo que permite un mayor diámetro de éstas, y una reducción de la probabilidad de dislocación. La incorporación de grafeno como reforzante, con unas propiedades mecánicas intrínsecas muy elevadas y una capacidad de lubricación sólida, puede aportar mejores propiedades tribológicas (de fricción y desgaste) y mecánicas.
Este material compuesto sería un primer paso para el diseño de una prótesis de material totalmente polimérico, que no llevara metales.
La investigación ha conducido a unos resultados prometedores, ya que con un porcentaje del 5% de grafeno se obtiene una disminución del coeficiente de fricción del 38%, y una reducción del desgaste del 83%. Este trabajo ha sido publicado recientemente en la prestigiosa revista Carbon, y en él han colaborado también investigadores de otros institutos de invetigación (Carboquímica, ICMA), ya que la caracterización física y química del material requiere el uso de diversas técnicas.
Es una primera fase de la labor de investigación que desarrolla el grupo de Biomateriales en este campo y que apunta hacia un avance en la mejora de la calidad y en el rendimiento de las prótesis. Sin embargo, "hay que superar nuevas fases de la investigación como el conocimiento de la bioactividad de las partículas de desgaste, la realización de ensayos tribológicos más próximos al comportamiento biomécanico de las prótesis y ensayos clínicos para cumplir con la normativa de regulación de dispositivos médicos, previa a una implantación médica", aclara el profesor José Antonio Puértolas.
Estos resultados permiten ser optimistas y abren una nueva vía para mejorar los materiales de las prótesis y retrasar en lo posible las artoplastias de revisión.
J.A. Puértolas, M. Castro, J.A. Morris, R. Ríos, A. Ansón-Casaos
Tribological and mechanical properties of graphene nanoplatelet/PEEK composites
Fotografía: Piron Guillaume (Unsplash)
