Los injertos óseos impresos con láser podrían transformar la curación ósea

Un equipo de ingenieros de ETH Zurich presentó una forma más eficiente y práctica de crear injertos óseos. Su método utiliza nuevos materiales e impresión láser para permitir una recuperación más rápida y con menos riesgos. Esto es lo que debe saber.

Por qué están aumentando las fracturas óseas

Es muy probable que conozca, como mínimo, a alguien que se haya roto un hueso alguna vez. Aunque estas experiencias pueden ir desde accidentes infantiles hasta traumatismos graves, todas requieren algún tipo de atención médica para garantizar que el hueso sane correctamente.

Por desgracia, el número de personas que sufren fracturas óseas ha aumentado de forma constante en todo el mundo. Este incremento refleja el envejecimiento de la generación del baby boom. Los informes de la Fundación Internacional de Osteoporosis (IOF) muestran que tan solo el año pasado se registraron más de 37 millones de fracturas por fragilidad entre las personas mayores, y se prevé que esta tendencia continúe a medida que envejece la población.

Cómo sanan los huesos naturalmente

El cuerpo humano es extraordinario y puede curar por sí solo las fracturas leves. Como parte de esta capacidad, primero despliega diversos tipos de células de tejido blando hacia la zona dañada. Estas células temporales actúan como un andamiaje que permite que el nuevo hueso tome forma y finalmente se endurezca.

Parte de este éxito se debe a la singular combinación de conductos y espacios microscópicos presentes en todo el hueso. Sorprendentemente, los informes indican que un diminuto fragmento de hueso, menor que una moneda, puede contener más de 54 kilómetros de túneles microscópicos.

Cuando las fracturas óseas requieren intervención quirúrgica

Hay casos en los que la fractura es tan grave que el cuerpo humano no puede curar la lesión sin la ayuda adicional de profesionales sanitarios. En concreto, las fracturas abiertas graves deben estabilizarse mediante clavos metálicos e implantes.

Además, la extirpación de un tumor puede dejar una parte del hueso ausente. Los médicos deben rellenar ese segmento para estabilizar el hueso correctamente. En algunos casos, se crea un injerto con hueso del propio paciente.

Autoinjertos

Los autoinjertos son la forma más habitual en que los profesionales sanitarios abordan esta situación. Pueden adoptar muchas formas, aunque las opciones más comunes emplean hueso del paciente, cerámica o metal.

Problemas con los autoinjertos

Los autoinjertos pueden mejorar el proceso de curación, pero también tienen inconvenientes. En primer lugar, el procedimiento exige una operación adicional para obtener el tejido óseo que se utilizará en el injerto. Este paso añade costes, riesgos y demoras, además de requerir más profesionales.

Descubrimiento de injerto óseo impreso con láser de ETH Zurich

El artículo científico «A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1»¹, publicado en Advanced Materials, presenta un enfoque completamente nuevo con potencial para transformar la atención sanitaria.

Microfabricación 2PP

Para crear injertos mejores y más estables, el equipo recurrió a un método conocido como polimerización de dos fotones (2PP). Desarrollada originalmente como una técnica de escritura láser directa para ingeniería de tejidos y desarrollo de fármacos, se basa en pulsos láser de femtosegundos.

Estos diminutos láseres de alta intensidad se utilizan para endurecer materiales fotosensibles especiales. La ventaja de este enfoque es que permite a los ingenieros desarrollar arquitecturas tridimensionales de alta resolución a escala submicrométrica. Esta última capacidad llamó la atención de Xiao-Hua Qin, profesor de Ingeniería de Biomateriales en ETH Zurich, y de su equipo.

Se necesitaba un nuevo hidrogel

Imitar la matriz extracelular (ECM) humana no es tarea fácil, pues requiere un nivel de complejidad inigualable del que carecían las estrategias 2PP tradicionales. El equipo observó que un láser de dos fotones permite concentrar la reacción fotoquímica exactamente en una sola zona, lo que ofrece mucho más control que los anteriores métodos de un solo láser.

Sin embargo, el gel no era lo bastante rígido para conservar la forma ni lo bastante reactivo para mantenerse en su sitio. Para resolver estos problemas, el equipo se centró en crear un nuevo hidrogel.

En particular, la forma actual de fabricación 2PP utiliza un hidrogel que contiene proteínas (met)acriladas.  Es habitual emplear reticulantes de tiol comerciales solubles en agua, como el ditiotreitol. Estas proteínas carecen de los potentes mecanismos de reticulación necesarios para sustentar el crecimiento óseo.

Fuente – ETH Zurich

Este material no puede soportar el grado de complejidad que exige el hueso humano y, cuando intentaron utilizarlo, registraron una gran cantidad de defectos estructurales. La opción tradicional habría sido aumentar la concentración de polímero, pero el equipo descartó esa alternativa.

PVA Thiol Crosslinker (PVASH)

Los ingenieros decidieron que lo mejor era desarrollar un hidrogel completamente nuevo. El hidrogel basado en un reticulante macromolecular de tiol de alcohol polivinílico soluble en agua (PVASH) emplea moléculas especializadas para mantenerse estable y ser biocompatible.

En concreto, el equipo mezcló PVASH con PVA funcionalizado con norborneno (nPVA) como primera parte del procedimiento. El siguiente paso consistió en añadir fotoiniciadores para garantizar que el proceso láser funcionara correctamente.

El principal cambio de este enfoque es la introducción de múltiples grupos reactivos. Esta estrategia hace que el gel se endurezca más rápida y completamente cuando recibe la radiación láser. También permitió utilizar una molécula para enlazar la cadena polimérica y otra para asegurar la reacción fotoquímica.

Impreso con láser

El uso de la impresión láser ofrece una ventaja importante: permite lograr estructuras óseas naturales con detalles que a menudo miden apenas 500 nanómetros de ancho. En concreto, el equipo utilizó un láser de 20 mW.

Esta capacidad microscópica garantiza que las estructuras óseas tengan cavidades y conductos naturales. Además, estos diseños pueden programarse de antemano y producirse a una impresionante velocidad de 400 milímetros por segundo. Esta cifra representa un nuevo récord mundial y demuestra la importancia del avance para acelerar la recuperación de los pacientes.

Microandamios

El material parece capaz de reproducir la complejidad del hueso humano hasta el punto de que las células inician sin demora el proceso normal de curación. Los kilómetros de túneles y conductos microscópicos proporcionan la adhesión ideal para atraer y favorecer el crecimiento de células sanas.

Pruebas de laboratorio de andamios óseos impresos con láser

Los científicos realizaron varias pruebas de laboratorio para comprobar si su teoría se sostenía en condiciones reales. Los ingenieros se mostraron encantados al observar un rápido crecimiento celular en los ensayos de laboratorio.

En concreto, el hidrogel se imprimió con la forma personalizada y, en cuestión de días, el organismo comenzó a producir colágeno, uno de los pasos más importantes del crecimiento óseo. Los ingenieros también aprovecharon para observar cómo el polímero se descomponía en el organismo y comprobaron que es totalmente inocuo.

Después dedicaron tiempo a evaluar el hidrogel y las moléculas de reticulación tiol-eno. Observaron que su rendimiento superaba las expectativas y generaba una reparación fuerte y natural del tejido dañado en menos tiempo que otros métodos.

Resultados de pruebas de injertos óseos impresos con láser

Los resultados de las pruebas ponen de relieve la importancia de este trabajo para el sector sanitario. Los científicos registraron una enorme mejora en todos los aspectos del proceso: desde el moldeado del injerto y la incorporación de las células hasta la biodegradación final del andamiaje. El trabajo de los investigadores demostró ser preciso y produjo células óseas reparadas idénticas a las que se generan de forma natural.

Ventajas de los injertos óseos impresos con láser

Este nuevo hidrogel aporta numerosas ventajas. Por un lado, ofrece mayor flexibilidad en cuanto a estructura y colocación. Los hidrogeles tradicionales no se pueden moldear. La incorporación de moléculas de enlace adicionales proporciona mucha más estabilidad y permite moldearlo directamente según las necesidades particulares de cada persona.

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Fidelidad

Otra ventaja importante que no debe pasarse por alto es la mayor fidelidad que ofrece este enfoque. Los nuevos hidrogeles basados en PVASH brindan a los ingenieros más opciones de diseño y de complejidad global de la estructura a escala microscópica.

Mejor respuesta del paciente

Aunque los científicos solo han realizado pruebas de laboratorio, observaron que el proceso de curación con la nueva estrategia producía mucha menos inflamación. Esto se debe a que el hidrogel es biocompatible, por lo que las células del organismo lo aceptan con mayor facilidad que las opciones de metal o cerámica.

Aplicaciones del mundo real y cronograma:

Las aplicaciones prácticas de este descubrimiento pueden abarcar múltiples sectores. Su uso más evidente se encuentra en la atención sanitaria, donde podría ayudar a reducir los costes y el tiempo de recuperación de los pacientes con fracturas.

Prótesis

Esta tecnología podría utilizarse algún día para crear prótesis más realistas, cuyo aspecto y tacto se asemejen a los de partes reales del cuerpo en vez de a sustitutos. En un escenario ideal, la tecnología podría sentar las bases y dejar que el crecimiento celular hiciera el resto.

Robótica

El mercado de la robótica también podría aprovechar esta tecnología para crear diseños biomecánicos más resistentes. Estos sistemas podrían combinar células y estructuras vivas con dispositivos mecánicos para crear máquinas más eficientes y capaces en el futuro.

Cronograma

Podrían pasar al menos diez años antes de que esta tecnología esté lo bastante madura para utilizarse en seres humanos. La investigación aún se encuentra en una etapa temprana y, pese a los numerosos logros obtenidos hasta ahora, todavía quedan muchos obstáculos científicos y normativos por superar antes de que se generalice.

Investigadores de injertos óseos impresos con láser

Investigadores de ETH Zurich dirigieron el estudio sobre injertos óseos impresos con láser. El artículo identifica a Xiao-Hua Qin y Ralph Müller como autores principales. Contaron con el apoyo de Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang y Philipp Fisch.

Futuro

El futuro de los injertos óseos impresos con láser aún está por determinar. La tecnología tiene sentido y se ha mostrado muy prometedora. Sin embargo, todavía quedan muchas pruebas por realizar, incluidos ensayos en seres humanos.

El siguiente paso será pasar a las pruebas con animales. Los científicos ya han anunciado una alianza estratégica con el AO Research Institute Davos para facilitar esta próxima etapa de desarrollo. Según los resultados de la prueba, la investigación pasará a pacientes humanos.

Invertir en innovación HealthTech

Varias empresas siguen impulsando la innovación en el sector HealthTech. Estas compañías han demostrado su disposición a buscar soluciones creativas para este problema crucial. La siguiente empresa continúa siendo una pionera del mercado que merece la pena conocer.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings nació como Bacterin International en un laboratorio de Montana State University a principios de la década de 1990. El objetivo del proyecto era investigar mejores prácticas médicas, con especial atención a los implantes de medicina regenerativa.

Xtant Medical Holdings cambió de nombre en 2000 y, en 2006, lanzó una línea de implantes quirúrgicos. Estos productos atrajeron mucha atención y, en 2013, la empresa realizó con éxito una oferta pública inicial. Al mismo tiempo, comenzó a adquirir otras empresas de investigación ósea regenerativa, como X-spine en 2016.

En 2020, Xtant centró su atención en la reconstrucción de la columna vertebral.  Como parte de esta estrategia, siguió realizando adquisiciones y estableciendo alianzas estratégicas. Desde entonces, la empresa ha vuelto a expandirse hacia otros campos de la medicina ósea regenerativa.

En la actualidad, Xtant está reconocida como una de las principales empresas ortobiológicas del mundo. La compañía cuenta con varios productos diseñados para mejorar los resultados de los pacientes y continúa invirtiendo en opciones más eficaces. Quienes busquen una empresa de tecnología médica de prestigio deberían investigar más a fondo la oferta de Xtant.

Últimas noticias y desempeño de Xtant Medical Holdings (XTNT)

Conclusión de los injertos óseos impresos con láser

Resulta fácil entender por qué existe un fuerte impulso para encontrar mejores soluciones para pacientes que sufren lesiones óseas complejas, como traumatismos de la columna vertebral. La población envejece y este tipo de lesiones será cada vez más frecuente. Por ello, este trabajo podría sentar las bases de estrategias de curación más rápidas y fiables.

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Referencias

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}