Los investigadores de Duke han creado un reemplazo de cartílago a base de gel para las rodillas doloridas. Es más fuerte y duradero que el real.
El equipo espera realizar ensayos clínicos el próximo año (2023).
Algunos pacientes han intentado todo para curar el dolor de rodilla, incluidos analgésicos de venta libre, fisioterapia e inyecciones de esteroides. Sin embargo, su dolor persiste.
La osteoartritis, que afecta a 867 millones de personas en todo el mundo y se estima que afecta a uno de cada seis adultos, suele ser la causa del dolor de rodilla. Aquellos que deseen evitar reemplazar toda la articulación de la rodilla pronto tendrán otra alternativa que les permitirá volver a ponerse de pie rápidamente, sin dolor y permanecer así.
Un equipo dirigido por la Universidad de Duke afirma en un artículo publicado en la revista Materiales Funcionales Avanzados que han desarrollado el primer sustituto de cartílago a base de gel que es aún más fuerte y duradero que el original.
Las pruebas mecánicas demuestran que el hidrogel desarrollado por los investigadores de Duke, que está compuesto de polímeros que absorben agua, es tres veces más duradero que el cartílago natural y se puede presionar y tirar con más fuerza.
Sparta Biomedical actualmente está desarrollando y probando implantes hechos del material en ovejas. Los investigadores se están preparando para comenzar los ensayos clínicos en humanos el próximo año.
“Si todo sale según lo planeado, el ensayo clínico debería comenzar en abril de 2023”, dijo el profesor de química de Duke, Benjamin Wiley, quien dirigió la investigación junto con el profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales de Duke, Ken Gall.
Los científicos de Duke tomaron láminas delgadas de fibras de celulosa y las infundieron con alcohol polivinílico, una sustancia viscosa formada por cadenas fibrosas de moléculas repetitivas, para formar un gel con el fin de crear este material.
Según Wiley, las fibras de celulosa proporcionan la fuerza del gel cuando se estiran, al igual que las fibras de colágeno en el cartílago natural. El alcohol polivinílico ayuda a que vuelva a su forma original. El producto final es una sustancia gelatinosa que tiene un 60 % de agua y es sorprendentemente fuerte.
Antes de romperse, el cartílago natural puede soportar entre 5800 y 8500 libras por pulgada de tirones y aplastamientos, respectivamente. Su versión creada en laboratorio es el primer hidrogel capaz de manejar aún más. Es un 26 % más fuerte en tensión que el cartílago natural, que es comparable a colgar siete pianos de cola de un llavero, y un 66 % más fuerte en compresión, que es similar a estacionar un automóvil en un sello postal.
“Está realmente fuera de serie en términos de fuerza de hidrogel”, dijo Wiley.
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.
“Sabíamos que había espacio para mejorar”, dijo Wiley.
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 llamado 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 golpeen 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, el equipo de Duke ideó 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.
“Otra preocupación sobre los implantes de rodilla es el desgaste con el tiempo, tanto del propio implante como del cartílago opuesto”, dijo Wiley.
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, dijo Wiley.
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, dijo Wiley, “simplemente no hay muy buenas opciones disponibles”.
“Creo que este será un cambio dramático en el tratamiento de las personas en esta etapa”, dijo Wiley.
Referencia: “Un compuesto de hidrogel sintético con una fuerza y resistencia al desgaste mayor que el cartílago” por Jiacheng Zhao, Huayu Tong, Alina Kirillova, William J. Koshut, Andrew Malek, Natasha C. Brigham, Matthew L. Becker, Ken Gall y Benjamin J Wiley, 4 de agosto de 2022, Materiales Funcionales Avanzados.
DOI: 10.1002/adfm.202205662
El estudio fue financiado por Sparta Biomedical y por el Centro de Instrumentación de Materiales Compartidos de la Universidad de Duke. Wiley y Gall son accionistas de Sparta Biomedical.
