‘Biomateriales’

Todos los materiales son pegajosos

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Unas décadas antes de que llegara el agitado siglo XX, el físico holandés van der Waals se dio cuenta de que las moléculas de los gases y líquidos son pegajosas. Se atraen unas a otras. Esta atracción es en realidad electrostática y se produce a pesar de que las moléculas no estén cargadas eléctricamente, es decir, de que tengan un número igual de electrones y de protones. Ocurre por la distribución no homogénea de la carga, esto es, por ser distintos los centros de masa de los electrones y de los protones (éstos últimos en el núcleo de los átomos). La distribución no homogénea de la carga fluctúa a lo largo del tiempo por agitación térmica. El resultado es la fuerza atractiva que se conoce como fuerza de van der Waals.

Las fuerzas de van der Waals permiten que todos los materiales se atraigan, si bien son fuerzas de corto alcance. Sólo son importantes si las distancias son suficientemente pequeñas. Estas fuerzas son uno de los mecanismos de adhesión de los pegamentos, a los cuales pueden contribuir también la formación de enlaces covalentes y la unión mecánica al rellenar poros.

Los guecos (tradicionalmente conocidos en España como salamanquesas) pueden trepar por todo tipo de superficies.

Cuando acercamos la palma de nuestra mano a una pared, las rugosidades impiden que haya una superficie de contacto, a distancia atómica, suficientemente grande. Por ello, no sentimos una gran fuerza debida a las fuerzas de van der Waals. Sin embargo, encontramos en el mundo animal el célebre ejemplo de las salamanquesas (o guecos), que han conseguido aprovechar con éxito las fuerzas de van der Waals para adherirse a cuelquier tipo de superficie. Para ello, la cara inferior de sus dedos está cubierta de pelillos de pequeñísimo tamaño, suficientemente flexibles como para que muchos de ellos estén en contacto con el material de apoyo, de modo que una gran superficie de contacto a distancias atómicas garantiza que la fuerza total de van der Waals sea tan grande como para soportar el peso del animal. Si se tiene la suerte de encontrar uno de estos animales (posible incluso en las zonas verdes de una ciudad como Madrid) se puede aprovechar para observar estas sorprendentes características, además de disfrutar de su belleza.

Imagen inferior de los dedos de un gueco (o salamanquesa).

Los guantes que utiliza Tom Cruise cuando trepa por la fachada del edificio más alto del planeta en “Misión imposible IV”, estrenada hace unas semanas, se inspiran en esta idea, y pretenden ser unos “guantes de gueco” (“gecko gloves”). En realidad, aún se sigue trabajando en el desarrollo de tales guantes.

 

Para saber más sobre interacciones moleculares (ampliando esta descripción simplista), una posible referencia es “Química física”, Atkins, de Paula. Ed. Panamericana. Una rápida introducción en inglés puede entontrarse en este enlace. Además, este artículo en Nanotoday describe las ideas de base para los “guantes de gueco”.

Notas. En algunos casos no hay atracción sino repulsión entre dos materiales, en particular cuando ambos tienen carga eléctrica de igual signo o cuando se enfrentan dos materiales imanados en sentidos opuestos, es decir cuando se enfrentan los polos iguales de dos imanes. También estas interacciones son electromagnéticas.

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La Ingeniería de Materiales y las válvulas cardiacas (I)

Por José Miguel Atienza , Dr. Ing. de Caminos, Canales y Puertos, e Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

La válvula aórtica, con su cierre y apertura cíclicos, permite que el corazón bombee el flujo sanguíneo suficiente para garantizar la respiración celular y las diversas funciones del metabolismo. Para hacerse una idea de la importancia de su comportamiento mecánico, es fácil calcular aproximadamente cuántas veces se ha abierto y cerrado una válvula aórtica durante la vida de una persona de ochenta años: cerca de 3.000 millones de ciclos. Se trata, por tanto, de un diseño mecánico con un extraordinario comportamiento en fatiga.

Figura 1. Esquema de la válvula aórtica. ©2009. Nucleus Medical Media, Inc.

Las prótesis valvulares cardiacas sustituyen a las válvulas nativas que han sufrido un daño irreparable en su función o que genéticamente son defectuosas. Existen dos tipos de válvulas: artificiales (o mecánicas) y biológicas.

Las prótesis mecánicas están formadas por oclusores rígidos en cuya fabricación no se incluye el uso de material biológico. Son seguras y resistentes, pero precisan tratamientos anticoagulantes de por vida, con su correspondiente medicación y control periódico, por lo que sólo pueden usarse en países con un gran desarrollo sanitario. En este post nos centraremos en los diseños y materiales que se utilizan para fabricar dichas válvulas, dejaremos para otro las válvulas biológicas.

Válvulas Mecánicas

El misterio que ha rodeado al corazón ha condicionado que hasta finales del siglo XIX no se realizaran sobre él las primeras suturas. La primera prótesis valvular documentada fue la válvula de bola desarrollada por Charles Hufnagel que se colocó en la aorta torácica descendente de un paciente en 1952, antes incluso del desarrollo de la circulación extracorpórea. Desde ese momento, la evolución de las válvulas cardiacas se convirtió en un apasionante recorrido de más de cincuenta años en el que medicina e ingeniería de materiales han trabajado de la mano.

Desde el punto de vista de los materiales, como sucede en otras aplicaciones dentro del cuerpo humano, además de una exigencia importante en propiedades mecánicas, durabilidad y ligereza, existe un condicionante clave: los aspectos relacionados con la biocompatibilidad. En este caso, resulta fundamental que el material utilizado sea lo menos proclive posible a la formación de trombos y coagulación de la sangre.

A finales de los años 50 había pocos materiales disponibles para su utilización en seres humanos: Dacron y Teflon (derivados del polietileno) en injertos vasculares; Silastic (caucho de silicona) para derivaciones en la hidrocefalia; Lucite (material acrílico) en la prótesis de aorta descendente; y acero inoxidable y Stellite (aleación cobalto-cromo) en ortopedia. La gran revolución llegó con el carbón pirolítico (Pyrolyte o Pyrocarbon), descubierto en 1966 por J. Bokros, cuando investigaba un material para recubrimientos de combustible nuclear. El carbón pirolítico es grafito bombardeado con átomos de carbón a muy altas temperaturas, un material casi tan duro como el diamante y con muy poco desgaste. Tiene una estructura similar al grafito, pero ciertas imperfecciones le permiten desarrollar enlaces fuertes entre las diferentes láminas de grafeno. Pero su gran ventaja en este caso consiste en ser el material resistente menos trombogénico (poco proclive a producir trombos o embolias) que se conoce, lo cual resulta clave para estas válvulas artificiales.

Tipos de válvulas mecánicas

Actualmente se distinguen tres tipos de prótesis mecánicas según su diseño, que determina el flujo de la sangre. A continuación describimos los materiales más frecuentemente utilizados para cada una:

- De bola: La más conocida es la válvula de Starr-Edwards (Fig. 2), la primera válvula mecánica en implantarse de forma masiva. Originalmente estaba constituida por una jaula de Lucite, una bola de Silastic y un anillo de Teflon sobre soportes de acero. Más tarde, la bola pasó a ser de Stellite. La idea original para el diseño de esta prótesis está basada en una patente de tapón de botella de vino y, a pesar de las críticas iniciales debidas a sus diferencias físicas con la válvula aórtica nativa, ha demostrado una durabilidad superior a los 40 años sin daño estructural, por lo que aún sigue siendo utilizada.

Figura 2. Válvula mecánica de bola (Starr-Edwards)

 

- De disco basculante: Las prótesis de disco basculante mejoran el flujo, si bien se convierte en un flujo excéntrico. En 1970 se construyó la prótesis de Björk-Shiley (Fig. 3) en Stellite; inicialmente el disco se fabricó con un polímero (Delrin), pero pronto se sustituyó por grafito recubierto con carbón pirolítico. Otras prótesis de similares características son: Lillehei-Kaster (titanio y el disco basculante en carbón pirolítico, 1970), pronto sustituida por Lillehei-Medical (íntegramente en carbón pirolítico), Omniscience (1978), Omnicarbon (1984) o Medtronic-Hall (1977).

Figura 3. Válvula mecánica de disco vasculante (Björk-Shiley)

 

- Bivalvas: La idea de las prótesis bivalvas es lograr un flujo central, que genera una hemodinámica similar a la fisiológica. Para conseguirlo se utilizan dos valvas semicirculares conectadas al anillo por una bisagra de mariposa: en la apertura pivotan creando tres áreas de flujo, una central y dos periféricas, consiguiendo que las turbulencias sean mínimas y que el área valvular efectiva sea prácticamente la del anillo. En 1977 se implantó la primera prótesis de St Jude, construida en carbón pirolítico, diseño que no se modificó en 30 años. En 2002 St Jude Medical cubría más del 50% del mercado de las prótesis valvulares y en 2007 se habían implantado más de 2 millones de estas prótesis. En 1994 Bokros fundó el Medical Carbon Research Institute (MCRI) para utilizar una forma de carbono isotrópico puro con el que desarrolló una nueva prótesis bivalva, la On-X, cuya trombogenicidad podría ser menor que la del carbón pirolítico (http://www.onxlti.com/contract-manufacturing/on-x-pyrolytic-carbon/).

Figura 4. Válvula mecánica bivalva (St. Jude Medical)

 

La evolución de los diseños de las prótesis mecánicas y la utilización de nuevos materiales en su construcción han ido mejorando el funcionamiento hemodinámico y la durabilidad. La trombogenicidad también se ha ido reduciendo, especialmente desde la introducción del carbón pirolítico. El encuentro médico-ingeniero se ha hecho imprescindible, acrecentando el diálogo entre ambas disciplinas. Hoy por hoy, en el producto final de una válvula cardiaca concurren profesionales de diversas áreas: cardiólogos, cardiocirujanos, ingenieros mecánicos, ingenieros electrónicos, ingenieros de materiales, entre otros; aportando cada uno su campo del saber, pero confluyendo hacia un mismo objetivo.

En el año 2008, según Registro de la Sociedad Española de Cirugía Torácica y Cardiovascular (http://www.sectcv.es/), se implantaron en España un total de 11167 prótesis, de las cuales 5235 fueron mecánicas. Ninguna es de patente española. El gasto estimado supera los 15 millones de euros anuales.

Fuente:

- Selección de materiales de base colágeno para bioválvulas cardiacas. J.M. Atienza, J.M. García Páez, L. Álvarez, R. Claramunt, F.J. Rojo, A. Ros, G.V. Guinea. Libro: INSUFICIENCIA CARDIACA SEVERA, editor: E. Cabrera Fischer y R. Armentano, Universidad Favaloro, 2012
- Lefrak EA, Starr A. Cardiac valve prostheses. Appleton-Century-Crofts. New York. 1979
- DeWall RA, Qasim N, Carr L. Evolution of mechanical heart valves. Ann Thorac Surg;69:1612-1621; 2000
- www.onxlti.com
- www.pyrocarbon.com

 

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Nanobiomateriales: la Nanotecnología al servicio de la Salud

Por Rafael Daza García , Licenciado en Ciencias Físicas (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala.

A pesar de que la idea conceptual de nanotecnología surgió hace más de medio siglo (Richard P. Feynman en su ponencia There’s plenty of room at the bottom ante la Sociedad Americana de Física), es en los últimos años cuando ha experimentado un crecimiento vertiginoso que ha transformado el concepto en una realidad para la que constantemente se hallan nuevas aplicaciones y mercados. Como no podía ser de otra manera, ciencias tan relevantes para el ser humano como la biología y la medicina no han quedado al margen del proceso expansivo de la nanotecnología, de manera que, en la actualidad, son numerosas las aplicaciones nano que se estudian en varios de los mejores laboratorios bio del mundo.

Cuando las dimensiones de la materia se reducen a la escala nanométrica, esto es, abandonamos el mundo macroscópico cotidiano, las leyes de la física tal y como las conocemos en este dejan de ser válidas. Abandonamos la física de Newton o Einstein y nos adentramos en el universo de la mecánica cuántica y las propiedades “mágicas” que esta impone. Veamos un ejemplo: el oro es un material diamagnético inerte ante la presencia de un campo magnético; sin embargo, cuando tomamos una fracción nanométrica de ese mismo elemento, el nanomaterial resultante presenta actividad magnética (y esto “únicamente” por el hecho de haber reducido sus dimensiones). Junto con la aparición de estas nuevas propiedades, los nanomateriales presentan otra característica que les hace idóneos para su uso en el ámbito biosanitario. Los nanomateriales son materiales con tamaños en el rango de 1 a 100 nm. Dado que la mayoría de macromoléculas y agentes biológicamente activos, tales como virus, complejos proteínicos o membranas, son nanoestructuras naturales, se asume que los materiales nanoestructurados serán capaces de establecer una mejor interacción con los principales ladrillos de la vida.

En la actualidad son muchas y diferentes las aplicaciones que los nanomateriales tienen en el ámbito de la salud, tanto a nivel de diagnosis como de terapéutica. Entre las que son ya una realidad, podemos destacar:

  • Nanosensores que circulan dentro del cuerpo para monitorizar los niveles de glucosa, colesterol u hormonas.
  • Nanopartículas inteligentes que buscan una localización específica dentro del cuerpo humano para suministrar con precisión una dosis programada de medicamento en dicha localización.
  • Nanopartículas que destruyen microbios resistentes a los antibióticos.
  • Armazones tridimensionales (scaffolds) nanoestructurados para crecimiento de nuevo tejido y órganos humanos.
  • Nanopartículas para destrucción de células tumorales vía calentamiento (Hipertermia).
  • Nanomateriales para la separación y purificación de moléculas biológicas y células.
  • Nanomateriales para la mejora del contraste en pruebas de Resonancia Magnética Nuclear.

Si bien todas las líneas anteriores están en pleno auge, las mayores esperanzas están depositadas en las vinculadas al suministro local de medicamentos y a la hipertermia. Los materiales nanoestructurados se han convertido en un mecanismo para el suministro local de macromoléculas en tejidos u órganos de interés. Los nuevos desarrollos en ciencia de materiales y en nanoingeniería están permitiendo la producción de nanocomposites (materiales compuestos de dimensiones nano) biocompatibles que albergan, bien en su interior, bien sobre su superficie, agentes terapéuticos. Para esta aplicación suelen emplearse nanopartículas de origen polimérico cuya superficie es funcionalizada con diversas sustancias: se emplea una capa de origen biológico que asegura la biocompatibilidad de la nanopartícula (por ejemplo, las capas biológicas pueden incluir anticuerpos, biopolímeros como el colágeno, …), si la nanopartícula tiene que unirse a una estructura para realizar su función, se pueden disponer lugares de anclaje de alta especificidad; además, se pueden emplear agentes de contraste que permitan localizar la ubicación de la nanopartícula una vez esta ha sido introducida en el organismo. La figura muestra el esquema de una nanopartícula con algunas de las funcionalizaciones posibles. Actualmente, existen numerosas técnicas para sintetizar diferentes sets de nanopartículas según el tipo de agente terapéutico a usar, y el órgano objeto y el mecanismo de liberación de aquel que se desee emplear.

La quimioterapia es una de las terapias más extendidas en la lucha contra determinados tipos de cánceres. Básicamente, consiste en el empleo de una combinación de medicamentos que destruye las células tumorales o inhibe su proliferación. Sin embargo, este tipo de terapia presenta unos importantes efectos secundarios debidos a que los medicamentos no reconocen el punto exacto en el que deben actuar, esto es, la quimioterapia afecta a todas las células del cuerpo, no sólo a las tumorales. Estas células presentan una serie de receptores específicos en su membrana. El empleo de nanopartículas en cuya superficie se han depositado los ligandos complementarios a aquellos receptores (equivalente a un sistema llave-cerradura) permite la unión de estas a las células tumorales de manera que el suministro del medicamento o agente terapéutico se puede realizar sobre el lugar exacto en el que es requerido, esto es, la célula tumoral.

Esquema de una nanopartícula. Adaptada de (2)

Las células son entidades muy sensibles a las condiciones físico-químicas del ambiente en el que se encuentran de manera que agentes como la temperatura, el pH, etc. pueden modificar drásticamente el desarrollo de sus funciones e incluso producirles la muerte. Esta es la idea que subyace en el empleo de la hipertermia como terapia en la lucha contra el cáncer. En este caso se suelen emplear nanopartículas magnéticas para producir calor bajo un campo magnético alterno vía las pérdidas irreversibles durante el proceso de imanación.

No debe escapar al lector el hecho de que aún hay muchos problemas por resolver e interrogantes que desvelar antes de lograr una implantación completa de estas nuevas terapias en el ámbito sanitario. Cuestiones como la eliminación de las nanopartículas o el deterioro de las propiedades mecánicas de los scaffolds (por ejemplo, en la regeneración del tejido óseo) están por resolver. En este sentido, es fundamental que muchas disciplinas como la física, la química, la microbiología, la biología celular, la ciencia de materiales o la ingeniería, entre otras, trabajen de la mano y contribuyan al diseño, síntesis y fabricación de dispositivos funcionales y biocompatibles a escala nano cada vez mejores.

Referencias

(1) Nanotecnología y biomedicina. A. Ortiz. 2009.
(2) Biodegradable nanoparticles are excellent vehicle for site directed in-vivo delivery of drugs and vaccines. A. Mahapatro. 2011.

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