Un dispositivo similar a una pistola de pegamento que puede imprimir injertos óseos biodegradables directamente sobre fracturas podría revolucionar la cirugía ortopédica, ofreciendo implantes personalizados que aceleran la curación y reducen los riesgos de infección.
La innovación que cambiará la medicina reconstructiva
Las fracturas óseas y la resección quirúrgica para eliminar cáncer resultan en defectos más grandes que generalmente requieren el uso de injertos óseos o reconstrucción metálica para reparar. A lo largo de los años, la ciencia ha explorado varios métodos para sanar huesos dañados, desde injertos hechos de cáscaras de huevo hasta andamios piezoeléctricos.
En un nuevo estudio, investigadores coreanos y estadounidenses han desarrollado y probado una pistola de pegamento modificada que imprime injertos óseos en 3D directamente sobre fracturas y defectos óseos durante la cirugía.
«Nuestra tecnología propuesta ofrece un enfoque distintivo al desarrollar un sistema de impresión in situ que permite la fabricación en tiempo real y la aplicación de un andamio directamente en el sitio quirúrgico», explicó Jung Seung Lee, coautor correspondiente del estudio y profesor asociado de ingeniería biomédica en la Universidad Sungkyunkwan (SKKU), Corea del Sur. «Esto permite un emparejamiento anatómico altamente preciso incluso en defectos irregulares o complejos sin la necesidad de preparación preoperatoria como procesos de imagenología, modelado y recorte».
Cómo funciona esta tecnología revolucionaria
Los investigadores crearon un dispositivo modificado de una pistola de pegamento, capaz de impresión a baja temperatura, haciéndolo seguro para usar en tejido vivo. Utiliza barras hechas de un compuesto de policaprolactona (PCL), un polímero biodegradable, e hidroxiapatita (HA), un mineral naturalmente encontrado en el hueso, que puede fundirse y extrudirse en defectos óseos. No se necesitaron solventes tóxicos.
El peso molecular del PCL y la cantidad de HA se variaron para ajustar la fuerza, elasticidad y tasa de degradación. Probaron la resistencia a la compresión, resistencia a la flexión, adhesión al hueso y degradación bajo condiciones corporales simuladas. Los investigadores también encontraron que podían incorporar antibióticos (vancomicina y gentamicina) en el material.
Pruebas exhaustivas demuestran su eficacia
Primero probaron el compuesto de curación ósea en pre-osteoblastos de ratón (que se desarrollan en células formadoras de hueso llamadas osteoblastos) y células madre de médula ósea humana para verificar toxicidad y la capacidad del compuesto para apoyar el crecimiento de células óseas. Luego los investigadores pasaron a un modelo de conejo con un defecto óseo femoral que era demasiado grande para sanar naturalmente. Compararon su compuesto impreso en 3D con el cemento óseo comercial que se usa actualmente durante un período de 12 semanas.
«Debido a que el dispositivo es compacto y operado manualmente, el cirujano puede ajustar la dirección de impresión, ángulo y profundidad durante el procedimiento en tiempo real», dijo Lee. «Además, demostramos que este proceso podría completarse en cuestión de minutos. Esto resalta una ventaja significativa en términos de reducir el tiempo operativo y mejorar la eficiencia del procedimiento bajo condiciones quirúrgicas reales».
Resultados prometedores en todas las pruebas
Los investigadores encontraron que el compuesto era más fuerte y más elástico cuando se agregaba HA, y el HA ralentizó la degradación del material, asegurando que el andamio durara lo suficiente para apoyar el crecimiento de hueso nuevo. La adhesión al hueso mejoró con mayor peso de PCL, pero disminuyó ligeramente cuando se agregaba demasiado HA. Los andamios recubiertos de antibióticos detuvieron efectivamente el crecimiento bacteriano en pruebas de laboratorio, siendo la gentamicina especialmente efectiva. No se detectó toxicidad. El HA mejoró la adhesión, proliferación y diferenciación de células óseas.
«Este enfoque de entrega localizada ofrece ventajas clínicas significativas sobre la administración sistémica de antibióticos al potencialmente reducir efectos secundarios y limitar el desarrollo de resistencia a antibióticos, mientras aún protege efectivamente contra infección postoperatoria», explicó Lee.
Resultados superiores en modelos animales
En los modelos animales, los andamios impresos con pistola de pegamento apoyaron la formación de hueso nuevo mejor que el cemento óseo tradicional. Los escaneos de micro-CT mostraron que, dentro de 12 semanas después de la cirugía, el andamio impreso produjo una estructura ósea más fuerte y natural, sin signos de daño tisular o inflamación anormal. Se nota, sin embargo, que aunque la curación fue significativamente mejor comparada con el cemento óseo, los defectos no se llenaron completamente para ese momento.
«El andamio fue diseñado no solo para integrarse biológicamente con el tejido óseo circundante sino también para degradarse gradualmente con el tiempo y ser reemplazado por hueso recién formado», dijo Lee. «Los resultados mostraron que el grupo de impresión exhibió resultados superiores en parámetros estructurales clave como área de superficie ósea, grosor cortical y momento polar de inercia, sugiriendo curación e integración ósea más efectiva».
El futuro de la cirugía ortopédica personalizada
Este método de injerto óseo de prueba de concepto tiene el potencial de personalizar la ortopedia. Los cirujanos podrían llevar este dispositivo personal al quirófano e imprimir implantes óseos personalizados directamente donde se necesiten, incluso en defectos irregulares. La entrega incorporada de antibióticos podría reducir las infecciones post-cirugía, que es una causa principal de fallas de implantes ortopédicos. Sería más rápido y barato, evitando la costosa y lenta manufactura de implantes. Y el dispositivo podría adaptarse con otros materiales biodegradables o aditivos de drogas para diferentes tipos de lesiones óseas y necesidades del paciente.
