Prótesis con materiales biocompatibles

En el Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Celaya (ITC) —perteneciente al Tecnológico Nacional de México (Tecnm)—, un equipo de especialistas diseña y fabrica con polietileno de ultra alto peso molecular prótesis de rodilla, cadera y columna, que al estar recubiertas con materiales biocompatibles —como hidroxiapatita y óxido de calcio— son más durables y resistentes.

“En un principio colaboramos con el Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS), la Universidad de Guanajuato y el doctor Leonel Daza Benítez, quien es especialista en reumatología en el Hospital Ángeles en León. Empezamos a desarrollar una primera prótesis de rodilla que ayudara en padecimientos como la osteoartritis, que es un desgaste de cartílagos, y que las prótesis para atenderla resultan muy caras para los pacientes”, dijo Raúl Lesso Arroyo, jefe del área de Biomecánica del ITC.

El investigador señaló que las prótesis propuestas por el área de Biomecánica del ITC están fabricadas con polietileno de ultra alto peso molecular (UHWM-PE, por sus siglas en inglés), aleaciones de titanio (Ti) y recubrimientos de materiales biocompatibles: hidroxiapatita [Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂] y óxido de calcio (CaO), para evitar su desgaste.

“Normalmente las prótesis para este padecimiento se desgastan, lo que provoca que en cinco o 10 años se tenga que operar nuevamente al paciente, por ello se pensó en estos recubrimientos a base de hidroxiapatita y óxido de calcio, que es parte de una investigación desarrollada en el laboratorio de Materiales, a cargo de la doctora Carolina Hernández Navarro, asesorada por la doctora Karla J. Moreno”, subrayó.

Lesso Arroyo puntualizó que con el apoyo de Fondos Mixtos (Fomix) del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y el gobierno estatal, se contó con los recursos para el diseño y desarrollo de la prótesis de rodilla, además de un desarrollo tecnológico de un banco de pruebas bajo la aplicación de la norma ISO 14243-1, para realizar pruebas de desgaste en prótesis de rodilla.

“Ya con la fabricación de prótesis y el banco en operación, el trabajo de pruebas nos llevó alrededor de un mes por prótesis. Los estudiantes monitorearon el desgaste de la prótesis hasta un millón y medio de ciclos bajo cargas extremas, más o menos, lo que equivale a 15 años de vida de la misma. Los resultados los entregamos al Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Guanajuato (Concyteg). Esta prótesis y la anatomía para su adaptación a los huesos están validadas técnicamente; estamos haciendo los trámites necesarios para obtener el aval de la Comisión Federal para la Protección contra Riesgos Sanitarios (Cofepris), que es la reguladora para la venta y puesta de dispositivos médicos en México”, destacó.

Innovación tecnológica

Otro proyecto que se desarrolla en el área de Biomecánica del Instituto Tecnológico de Celaya se enfoca en el diseño de prótesis de columna, tanto para la parte lumbar como la cervical, lo que representa una innovación tecnológica.

“Hemos desarrollado una prótesis de tres piezas: dos platos que van en las vértebras L3 y L4 además de otro que va en la parte inferior, utilizando un polímero llamado Polieteretercetona (PEEK), que es un material más duro que el polietileno de ultra alto peso molecular; esto lo agregamos porque en esa zona la concentración de fuerzas es más grandes y las piezas muy pequeñas. Nuestra ventaja, respecto a las que se encuentran en el mercado, es el núcleo (elemento flexible por su geometría especifica) que absorbe la deformación de los discos internos intervertebrales”, explicó.

El estudiante de la maestría en ciencia en ingeniería mecánica del Tec de Celaya, Christian Guerrero destacó que trabaja en el diseño de un banco de pruebas para estas prótesis de columna de la zona lumbar.

“El banco de pruebas es una máquina que sirve para validar el diseño de la prótesis, someterla a carga extremas según la norma BS ISO18192-1:2011, a esfuerzos, a fatiga y verificar que es funcional desde el punto de vista mecánico. En el desarrollo de la máquina lo principal fue buscar la forma de aplicar la fuerza para la prótesis, se ha trabajado con otra de cilindros neumáticos, además de que estamos buscando la forma de bajar el costo, contemplando alternativas desde el punto de vista hidráulico, neumático e incluso mecánico para hacer las pruebas de compresión que exigen las normatividades”, puntualizó.

Polímeros y acero

A su vez, en el área de Biomecánica del Instituto Tecnológico de Celaya existe otra línea de investigación para el diseño de prótesis de cadera, a cargo del estudiante de la maestría de ciencias en ingeniería mecánica, Sergio Herrera Paz.

“Este fue mi proyecto de titulación de licenciatura. Extendí el trabajo para no solo diseñar la prótesis sino también fabricarla y hacer las pruebas en las máquinas que ya se han desarrollado en el instituto. Se hizo la investigación respecto a lo que ya existe en el mercado y buscamos hacer eficientes algunos detalles, como las geometrías, y que resultara más amigable en términos de biocompatibilidad. Los materiales que estoy utilizando son polímeros como el PEEK y el polietileno de ultra alto peso molecular. En la parte de los metales es la aleación Ti6Al4V y acero inoxidable 316L grado quirúrgico”, describió.

Al respecto, el jefe del área de Biomecánica, Raúl Lesso Arroyo, detalló que, como en el caso de las otras prótesis, se diseñó también un banco de pruebas que medirá la resistencia a la fatiga y el desgaste de este inserto, en particular esto, bajo el estándar o norma ISO 7206.

“Actualmente estamos en la etapa en que vamos a fabricar la prótesis y probarla en nuestro banco. En el 2016, hicimos pruebas de más de un millón de ciclos a este tipo de prótesis que ya se encuentran en el mercado y que nos servirá para los comparativos entre nuestro diseño y los modelos comerciales”, explicó.

Vía Conacyt

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