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Gel de cartílago fabricado en laboratorio supera al producto real

Los ensayos clínicos en humanos pueden comenzar tan pronto como el próximo año

Analgésicos de venta libre, fisioterapia, inyecciones de esteroides… algunas personas lo han probado todo y todavía tienen dolor de rodilla.

A menudo, el dolor de rodilla proviene del desgaste progresivo del cartílago conocido como osteoartritis, que afecta a casi uno de cada seis adultos (867 millones de personas) en todo el mundo. Para aquellos que desean evitar reemplazar toda la articulación de la rodilla, pronto puede haber otra opción que podría ayudar a los pacientes a recuperarse rápidamente, sin dolor y mantenerse así.

Escribiendo en la revista Advanced Functional Materials, un equipo dirigido por la Universidad de Duke dice que han creado el primer sustituto de cartílago a base de gel que es aún más fuerte y duradero que el real.

Las pruebas mecánicas revelan que el hidrogel del equipo de Duke, un material hecho de polímeros que absorben agua, se puede presionar y tirar con más fuerza que el cartílago natural, y es tres veces más resistente al desgaste.

Sparta Biomedical está desarrollando actualmente implantes hechos con este material y los está probando en ovejas. Los investigadores se están preparando para comenzar los ensayos clínicos en humanos el próximo año.

Para hacer este material, el equipo de Duke tomó láminas delgadas de fibras de celulosa y las infundió con un polímero llamado alcohol polivinílico, una sustancia pegajosa viscosa que consiste en cadenas fibrosas de moléculas repetitivas, para formar un gel.

Las fibras de celulosa actúan como las fibras de colágeno en el cartílago natural, dandole fuerza al gel cuando se estira. El alcohol polivinílico ayuda a que vuelva a su forma original. El resultado es un material similar a la gelatina, 60% agua, que es flexible pero sorprendentemente fuerte.

El cartílago natural puede soportar la friolera de 5,800 a 8,500 libras por pulgada de tirones y aplastamientos, respectivamente, antes de llegar a su punto de ruptura. Su versión hecha en laboratorio es el primer hidrogel que puede manejar aún más. Es un 26 % más fuerte que el cartílago natural en tensión, algo así como colgar siete pianos de cola de un llavero, y un 66 % más fuerte en compresión, lo que sería como estacionar un automóvil en un sello postal.

El equipo ya ha fabricado hidrogeles con propiedades notables. En 2020, informaron que habían creado el primer hidrogel lo suficientemente fuerte para las rodillas, que sienten la fuerza de dos o tres veces el peso corporal con cada paso.

Sin embargo, poner el gel en uso práctico como reemplazo del cartílago presentó desafíos de diseño adicionales. Uno estaba alcanzando los límites superiores de la fuerza del cartílago. Actividades como saltar, lanzarse o subir escaleras ejercen una presión de unos 10 megapascales sobre el cartílago de la rodilla, o alrededor de 1400 libras por pulgada cuadrada. Pero el tejido puede resistir hasta cuatro veces antes de romperse.

Un implante a base de hidrogel podría reemplazar el cartílago desgastado y aliviar el dolor de rodilla sin reemplazar toda la articulación. Foto cortesía de Benjamin Wiley, Universidad de Duke

En el pasado, los investigadores que intentaron crear hidrogeles más fuertes utilizaron un proceso de congelación y descongelación para producir cristales dentro del gel, que expulsan el agua y ayudan a mantener unidas las cadenas de polímero. En el nuevo estudio, en lugar de congelar y descongelar el hidrogel, los investigadores utilizaron un tratamiento térmico recocido para persuadir a que se formaran aún más cristales dentro de la red de polímeros.

Al aumentar el contenido de cristal, los investigadores pudieron producir un gel que puede soportar cinco veces más estrés al tirar y casi el doble de presión en relación con los métodos de congelación y descongelación.

La resistencia mejorada del gel recocido también ayudó a resolver un segundo desafío de diseño: asegurarlo a la junta y lograr que permanezca en su lugar.

El cartílago forma una capa delgada que cubre los extremos de los huesos para que no se rocen entre sí. Estudios anteriores no han podido unir hidrogeles directamente al hueso o cartílago con la fuerza suficiente para evitar que se suelten o se deslicen. Entonces, al equipo de Duke se le ocurrió un enfoque diferente.

Su método de fijación consiste en cementar y sujetar el hidrogel a una base de titanio. Luego se presiona y se ancla en un orificio donde solía estar el cartílago dañado. Las pruebas muestran que el diseño permanece sujeto un 68 % más firmemente que el cartílago natural sobre el hueso.

Otros investigadores han intentado reemplazar el cartílago dañado con implantes de rodilla hechos de metal o polietileno, pero debido a que estos materiales son más rígidos que el cartílago, pueden rozar otras partes de la rodilla.

En las pruebas de desgaste, los investigadores tomaron cartílago artificial y cartílago natural y los hicieron girar uno contra el otro un millón de veces, con una presión similar a la que experimenta la rodilla al caminar. Usando una técnica de escaneo de rayos X de alta resolución llamada tomografía micro computarizada (micro-CT), los científicos encontraron que la superficie de su versión hecha en laboratorio se mantuvo tres veces mejor que la real. Sin embargo, debido a que el hidrogel imita la naturaleza suave, resbaladiza y acolchada del cartílago real, protege otras superficies articulares de la fricción cuando se deslizan contra el implante.

El cartílago natural es un material notablemente duradero. Pero una vez dañado, tiene una capacidad limitada para sanar porque no tiene vasos sanguíneos. En los Estados Unidos, la osteoartritis es dos veces más común hoy que hace un siglo. La cirugía es una opción cuando fallan los tratamientos conservadores. A lo largo de las décadas, los cirujanos han desarrollado una serie de enfoques mínimamente invasivos, como la extracción de cartílago suelto, la realización de orificios para estimular un nuevo crecimiento o el trasplante de cartílago sano de un donante. Pero todos estos métodos requieren meses de rehabilitación y un porcentaje de ellos fallan con el tiempo.

Generalmente considerado como último recurso, el reemplazo total de rodilla es una forma comprobada de aliviar el dolor. Pero las articulaciones artificiales tampoco duran para siempre. Particularmente para los pacientes más jóvenes que desean evitar una cirugía mayor por un dispositivo que solo necesitará ser reemplazado nuevamente en el futuro.

El profesor de química de Duke, Benjamin Wiley, dirigió la investigación junto con el profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales de Duke, Ken Gall.

Más información: Universidad de Duke

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