Los implantes de titanio que reemplazan articulaciones como la cadera o la rodilla enfrentan un entorno agresivo dentro del cuerpo humano. Tanto la fricción constante como el contacto con la sangre y otros fluidos del organismo, además de la acción de bacterias y hongos, pueden desgastar su superficie o provocar infecciones
Para enfrentar este problema, un nuevo recubrimiento protegería el implante del desgaste hasta diez veces más que el titanio sin recubrimiento, limitaría la colonización de microorganismos y favorecería el crecimiento de células óseas hasta en un 70%
Además de las reacciones químicas que pueden ocurrir en la superficie del titanio, los implantes que se fabrican con este material también están expuestos a microorganismos problemáticos como Staphylococcus aureus, una bacteria capaz de adherirse al metal y formar biopelículas, unas estructuras microscópicas en las que miles de ellas se agrupan y se vuelven mucho más resistentes a los antibióticos y al sistema inmunológico del paciente.
Cuando estas infecciones se desarrollan pueden provocar inflamación en los tejidos cercanos y debilitar la unión entre el hueso y el implante. En los casos más complejos incluso es necesario retirar la prótesis y realizar una nueva cirugía. Según la revista médica Bienestar Colsanitas, cada año en Colombia se realizan más de 18.000 reemplazos de cadera, especialmente en adultos mayores, debido a enfermedades como la artrosis y la artritis reumatoide, fracturas graves o tumores.
Con este panorama en mente, la investigadora Érika Lorena Medina Miranda, doctora en Ingeniería – Ciencia y Tecnología de Materiales, decidió estudiar el problema justo en la superficie del implante: la delgada frontera en donde el metal entra en contacto con los tejidos del cuerpo y con los microorganismos. Allí diseñó un recubrimiento formado por varias capas microscópicas de distintos materiales, organizadas a escala nanométrica para que cada una cumpla una función específica.
Cómo se probó el recubrimiento protector
Para los experimentos, la investigadora trabajó con pequeños discos de titanio —de alrededor de 1 cm de diámetro—, similares al material con el que se fabrican muchos implantes médicos.
Sobre estas piezas aplicó un recubrimiento multicapa, y posteriormente las sometió a diferentes pruebas para evaluar su resistencia al desgaste, su comportamiento frente a fluidos que imitan los del cuerpo humano y su interacción con células óseas, bacterias y hongos.
La capa base del recubrimiento está formada por zirconia, una cerámica extremadamente resistente que protege al titanio del desgaste mecánico y de las reacciones químicas que ocurren dentro del organismo.
Sobre ella se deposita hidroxiapatita, un material muy similar al mineral que compone los huesos humanos y que favorece la adhesión de las células óseas.
Por último se incorporan nanopartículas de plata, conocidas por su capacidad para limitar el crecimiento de microorganismos.
En las pruebas de laboratorio, cuando la investigadora cultivó las células precursoras del hueso sobre la superficie recubierta, observó que estas se adherían fácilmente y permanecían vivas. En algunos ensayos, hasta el 70% de las células logró crecer sobre el material, lo que sugiere que el implante se integraría mejor con el hueso.
En pruebas que simulan la fricción constante de una articulación —como la que ocurre al caminar o subir escaleras— la superficie tratada resistió hasta diez veces más el desgaste en comparación con el titanio sin recubrimiento. Esto ayudaría a prolongar la vida útil de los implantes de cadera y rodilla, que actualmente ronda los 20 años, aunque se puede reducir por desgaste o por infecciones.
La doctora Medina también observó resultados relevantes en las pruebas con microorganismos. Cuando bacterias (Paenibacillus) y hongos (Penicillium) entraron en contacto con el material, la presencia de nanopartículas de plata impidió que lograran colonizar la superficie. En los experimentos realizados, estos microorganismos se eliminaron por completo evitando la formación de biopelículas que suelen desencadenar infecciones en implantes médicos.
Avances en etapa de laboratorio
Para fabricar este recubrimiento, la investigadora utilizó “sputtering por magnetrón”, una técnica en la que los materiales se transforman en una especie de “lluvia de átomos” dentro de una cámara al vacío. Estos átomos se depositan sobre el titanio formando una película extremadamente delgada que recubre su superficie capa por capa.
Además, mediante microscopía electrónica se aseguró que el recubrimiento quedara distribuido uniformemente sobre el metal. Posteriormente se realizaron ensayos de desgaste y corrosión en soluciones que imitan los fluidos del cuerpo humano, así como experimentos con células óseas, bacterias y hongos.
En conjunto, los resultados indican que este recubrimiento nanométrico no solo protege el metal frente al desgaste y la corrosión, sino que además favorece la integración con el hueso y reduce la colonización de microorganismos, tres factores fundamentales para aumentar la seguridad y la duración de los implantes ortopédicos.
