Impresiones láser de injertos óseos podrían transformar la curación de huesos

Un equipo de ingenieros de ETH Zurich ha presentado una forma más eficiente y práctica de crear injertos óseos. Su enfoque utiliza nuevos materiales y impresión láser para permitir una recuperación más rápida con menos riesgos. A continuación, se presentan los detalles.

Por qué las fracturas óseas están aumentando

Es probable que conozcas a alguien que ha sufrido una fractura ósea en su vida. Mientras que estas experiencias pueden variar desde accidentes infantiles hasta traumas importantes, todos requieren algún tipo de atención médica para garantizar que el hueso sane adecuadamente.

Desafortunadamente, el número de personas que experimentan fracturas óseas ha aumentado constantemente a nivel global. Este aumento refleja la demografía de los baby boomers que envejecen. Los informes de la Fundación Internacional de Osteoporosis (IOF) muestran que se registraron más de 37 millones de fracturas frágiles el año pasado solo entre los ancianos, y se prevé que esta tendencia continúe junto con la población envejecida.

Cómo los huesos sanan naturalmente

El cuerpo humano es increíble, y puede sanar fracturas y roturas leves por sí solo. Como parte de esta capacidad, desplegará una variedad de células de tejido blando en el área dañada. Estas células temporales actúan como andamios, permitiendo que el nuevo crecimiento óseo tome forma y eventualmente se endurezca.

Parte de este éxito se debe a la mezcla única de pasillos y espacios microscópicos que se encuentran en todo el hueso. Impresionantemente, los informes muestran que un pequeño fragmento de hueso más pequeño que un cuarto de dólar puede tener más de 54 kilómetros de túneles microscópicos que lo recorren.

Cuándo las fracturas óseas requieren intervención quirúrgica

Hay escenarios en los que la fractura es tan severa que el cuerpo humano no puede sanar la herida sin asistencia adicional de profesionales de la salud. Específicamente, las fracturas compuestas severas requieren un entorno que se mantenga en su lugar mediante pinzas y implantes metálicos.

Además, la extracción de tumores puede dejar una parte del hueso faltante. Los médicos deben llenar este segmento de hueso faltante para configurar correctamente el hueso. En algunos casos, se crea un injerto utilizando hueso del paciente.

Autoinjertos

Los autoinjertos son la forma más popular en que los profesionales de la salud lidian con esta situación. Los autoinjertos pueden venir en muchas formas, con la más popular que utiliza hueso del paciente, opciones de cerámica o metal.

Problemas con los autoinjertos

Los autoinjertos pueden mejorar el proceso de curación, pero no están exentos de sus propios problemas. Por un lado, el proceso requiere una cirugía adicional para asegurar el tejido óseo que se utilizará para crear el injerto. Este paso agrega costos y riesgos al escenario, junto con retrasos de tiempo y la necesidad de profesionales adicionales.

Avance de ETH Zurich en injertos óseos impresos con láser

El artículo científico “Un PVA macrotiol soluble en agua permite la microfabricación de dos fotones de estructuras de hidrogel interactivas con células a 400 mm s−1”¹ publicado en Advanced Materials destaca un enfoque completamente nuevo que tiene el potencial de revolucionar la atención médica en el futuro.

Microfabricación 2PP

Para lograr su tarea de crear injertos más estables y mejores, el equipo se dirigió a un método conocido como polimerización de dos fotones (2PP). Originalmente desarrollado como una técnica de escritura láser directa utilizada en la ingeniería de tejidos y el desarrollo de fármacos, depende de pulsos láser de femtosegundos.

Estos láseres de alta intensidad se utilizan para endurecer materiales fotosensibles especiales. La ventaja de este enfoque es que permite a los ingenieros desarrollar arquitecturas 3D de alta resolución a escala de submicrómetros. Es esta última capacidad la que llamó la atención del profesor de Ingeniería de Biomateriales de ETH Zurich, Xiao-Hua Qin, y su equipo.

Nuevo hidrogel fue necesario

Imitar la matriz extracelular (ECM) de un ser humano no es una tarea fácil, ya que requiere un nivel sin precedentes de complejidad que las estrategias 2PP tradicionales carecían. Notaron que el uso de un láser de dos fotones permite que la reacción fotoquímica se centre exactamente en un área, proporcionando mucho más control en comparación con los enfoques de láser único del pasado.

Sin embargo, el gel no era lo suficientemente rígido como para tomar forma o lo suficientemente reactivo como para permanecer en su lugar. Para abordar estos problemas, el equipo se centró en crear un nuevo hidrogel.

Destacó que la forma actual de la fabricación 2PP utiliza un hidrogel que contiene (met)acrilados de proteínas. Los enlaces cruzados de tiol solubles en agua comerciales, como el ditiontreitol, se utilizan comúnmente. Estas proteínas carecen de los mecanismos de enlace cruzado fuertes necesarios para respaldar el crecimiento óseo.

Source – ETH Zurich

Este material no puede respaldar el nivel de complejidad requerido para el hueso humano, y cuando intentaron utilizar este material, registraron un gran número de defectos estructurales. Tradicionalmente, agregar más concentraciones de polímero sería la opción, pero el equipo decidió no hacer este movimiento.

PVA tiol enlazador cruzado (PVASH)

Los ingenieros decidieron que era mejor desarrollar un hidrogel completamente nuevo para lograr sus objetivos. El hidrogel de polivinil alcohol macromolecular tiol enlazador cruzado (PVASH) soluble en agua utiliza moléculas especializadas para permanecer estable y no intrusivo.

Específicamente, el equipo mezcló PVASH con PVA funcionalizado con norborneno (nPVA) como la primera parte del procedimiento. El siguiente paso involucró agregar fotoiniciadores para garantizar que el proceso láser funcionara correctamente.

El principal cambio en este enfoque es que introduce múltiples grupos reactantes. Esta estrategia hace que el gel se endurezca más rápido y más a fondo cuando la radiación láser lo golpea. También permitió a los desarrolladores utilizar una molécula para enlazar la cadena de polímero y otra para garantizar la reacción de luz.

Impresos con láser

El uso de impresión láser es una gran ventaja que permite a los ingenieros lograr estructuras óseas naturales que a menudo tienen detalles tan pequeños como 500 nanómetros de ancho. Específicamente, el equipo integró un láser de 20 mW para la tarea.

Esta capacidad microscópica garantiza que las estructuras óseas tengan cavidades y pasillos naturales. Además, estos diseños se pueden preprogramar y entregar a una impresionante velocidad de 400 milímetros por segundo. Esta tasa representa un nuevo récord mundial, mientras que también muestra la importancia de este avance en términos de acelerar la recuperación del paciente.

Micro-andamios

El material parece ser capaz de replicar las complejidades del hueso humano hasta el punto de que las células comenzarán el proceso de curación tradicional sin demora. Astutamente, las millas de túneles y pasillos microscópicos proporcionan la cantidad perfecta de adhesión para atraer y respaldar el crecimiento de células saludables.

Pruebas de laboratorio de andamios óseos impresos con láser

Los científicos realizaron varias pruebas de laboratorio para ver si su teoría podría sostenerse en condiciones del mundo real. Destacó que los estudios de tubos de ensayo mostraron un crecimiento celular rápido.

Específicamente, el hidrogel se imprimió en la formación personalizada, y dentro de días, el cuerpo comenzó a crear colágeno, que es uno de los pasos más importantes en el crecimiento óseo. Los ingenieros también tomaron este tiempo para registrar cómo el polímero se desintegraba en el cuerpo, observando que es completamente inofensivo.

Pasaron un tiempo evaluando su hidrogel y las moléculas de enlace cruzado de tiol-eno. Notaron que su rendimiento superó las expectativas, creando una reparación fuerte y natural del tejido dañado en un tiempo más corto que otros métodos.

Resultados de las pruebas de injertos óseos impresos con láser

Los resultados de las pruebas resaltan la importancia de este trabajo para el sector de la salud. Los científicos pudieron registrar una mejora masiva en todos los aspectos del proceso. Desde la configuración del injerto, el movimiento de las células y, finalmente, la biodegradación del andamio, el trabajo de los investigadores resultó ser preciso, creando células óseas curadas que son exactamente como las creadas naturalmente.

Ventajas de los injertos óseos impresos con láser

Hay muchos beneficios que este nuevo hidrogel aporta a la mesa. Por un lado, ofrece más flexibilidad en términos de estructura y colocación. Los hidrogeles tradicionales no tienen moldeabilidad. La adición de moléculas de enlace adicionales crea mucha más estabilidad, permitiendo el moldeado directo basado en las necesidades personales del individuo.

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Fidelidad

Otra ventaja importante que no se puede pasar por alto es la fidelidad añadida que este enfoque proporciona. Los hidrogeles de PVASH nuevos proporcionan a los ingenieros más opciones en términos de diseño y complejidad de la estructura a nivel microscópico.

Mejor respuesta del paciente

Aunque los científicos solo han realizado pruebas de laboratorio, observaron que el proceso de curación utilizando la nueva estrategia mostró mucho menos hinchazón. La hinchazón reducida se debe a que el hidrogel es biocompatible, lo que es más fácil para que las células del cuerpo lo acepten en comparación con las opciones de metal o cerámica.

Aplicaciones y cronograma del mundo real:

La aplicación del mundo real para este descubrimiento puede extenderse a través de múltiples industrias. Por un lado, su uso obvio está en la industria de la salud, donde podría ayudar a reducir los costos y el tiempo de recuperación de fracturas óseas para los pacientes.

Prótesis

Esta tecnología podría eventualmente utilizarse para crear prótesis más realistas que se parezcan y se sientan como partes del cuerpo real en lugar de reemplazos. La tecnología podría sentar las bases y permitir que el crecimiento de células haga el resto en un escenario ideal.

Robótica

El mercado de la robótica también podría aprovechar esta tecnología para crear diseños biomecánicos más fuertes. Estas unidades podrían aprovechar una combinación de células vivas y estructura junto con dispositivos mecánicos para crear máquinas más eficientes y capaces en el futuro.

Cronograma

Puede tomar al menos diez años antes de que esta tecnología esté lo suficientemente madura para su uso en humanos. La investigación aún se encuentra en su etapa temprana y, a pesar de mucho éxito hasta ahora, aún hay muchos obstáculos científicos y regulatorios que deben superarse antes de que esta tecnología se vuelva mainstream.

Investigadores de injertos óseos impresos con láser

Investigadores de ETH Zurich lideraron el estudio de injertos óseos impresos con láser. El artículo enumera a Xiao-Hua Qin y Ralph Müller como los autores principales. Recibieron apoyo de Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang y Philipp Fisch.

Futuro

El futuro de los injertos óseos impresos con láser aún está por determinarse. La tecnología tiene sentido y ha mostrado mucho potencial. Sin embargo, todavía hay muchas pruebas que completar, incluidas pruebas en humanos.

El próximo paso será pasar a pruebas en animales. Ya los científicos han anunciado una asociación estratégica con AO Research Institute Davos para facilitar esta próxima etapa de desarrollo. Dependiendo de los resultados de esta prueba, la investigación se moverá hacia pacientes humanos.

Invertir en innovación de HealthTech

Hay varias empresas que siguen impulsando la innovación en el sector de HealthTech. Estas empresas han demostrado una voluntad de pensar fuera de la caja para encontrar soluciones a este problema crítico. A continuación, se presenta una empresa que sigue siendo pionera en el mercado y vale la pena conocer.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical Holdings se originó como Bacterin International en el laboratorio de la Universidad Estatal de Montana a principios de la década de 1990. El objetivo del proyecto era investigar mejores prácticas médicas con un enfoque en implantes de medicina regenerativa.

Xtant Medical Holdings cambió su nombre en 2000, y en 2006, lanzó una línea de implantes quirúrgicos. Estos productos ganaron mucha atención, y en 2013, la empresa organizó una oferta pública inicial de acciones exitosa. Al mismo tiempo, la empresa comenzó a adquirir otras empresas de investigación de hueso regenerativo como X-spine en 2016.

En 2020, Xtant cambió su atención hacia la reconstrucción de la columna vertebral. Como parte de esta estrategia, continuó haciendo adquisiciones y formando asociaciones estratégicas. Desde entonces, la empresa ha expandido nuevamente su enfoque en otras ciencias óseas regenerativas.

Hoy en día, Xtant es reconocida como una de las principales empresas de ortobiología del mundo. La empresa tiene varios productos diseñados para mejorar los resultados de los pacientes y sigue invirtiendo en la creación de opciones más eficientes. Aquellos que buscan una empresa de medtech confiable deben investigar más a fondo las ofertas de Xtant.

Últimas noticias y rendimiento de Xtant Medical Holdings (XTNT)

Conclusión de los injertos óseos impresos con láser

Es fácil entender por qué hay un fuerte impulso para encontrar una mejor solución para los pacientes que sufren de lesiones óseas difíciles, como trauma espinal. La población está envejeciendo, y este tipo de lesiones será más común en el futuro. Como tal, este trabajo podría sentar las bases para estrategias de curación más rápidas y confiables.

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Referencias

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}