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Añadir óxido de grafeno altamente reducido ayuda a evitar la necrosis durante la operación y mejora las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales

Grafeno para mejorar los cementos óseos de las prótesis

SINC, agencia de noticias científicas de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología

17/01/2022

Las propiedades mecánicas y térmicas de los cementos con los que se fabrican las prótesis de hueso mejoran con la adición de óxido de grafeno, un material que también ayuda a reducir el calor generado al fusionar sus componentes. Así lo muestra una investigación realizada en la Universidad Politécnica de Madrid.

Los cementos óseos son materiales utilizados como adhesivos para fijar prótesis óseas (cadera, rodilla, hombro…) cuando la calidad del hueso del paciente es insuficiente. Sin embargo, durante su proceso de ensamblaje de componentes y colocación se generan temperaturas elevadas, lo que puede producir necrosis en los tejidos circundantes de los pacientes.

Añadir óxido de grafeno altamente reducido ayuda a evitar este problema y, además, mejora las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales, según un estudio realizado por investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Los resultados, publicados en las revistas Polymers y Biomedical Journal of Scientific & Technical Research, son de interés en las cirugías de inserción de prótesis fijadas con cementos óseos, más habituales en personas mayores.

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Añadir óxido de grafeno altamente reducido a los cementos óseos mejora sus propiedades mecánicas y térmicas.

La implantación de prótesis es una práctica cada vez más común en todo el mundo, por causas como el aumento y envejecimiento de la población, y por una mayor incidencia de patologías como la obesidad o la artrosis. Los cementos óseos sirven para adherir y fijar las prótesis al hueso dañado cuando el hueso no tiene suficiente resistencia mecánica y es incapaz de crecer sobre la prótesis y estabilizarla, además de distribuir las cargas y ayudar a amortiguar las tensiones en la unión prótesis-hueso.

Sin embargo, este material tiene algunas limitaciones. La vida máxima de ese cemento óseo es de 20 años, y estadísticamente es demasiado arriesgado operar a personas mayores de 85 años, por lo que a partir de esa edad ya no convendría reparar una prótesis cuyos materiales se han deteriorado. Por tanto, un paciente de 65 años a quien se implante una prótesis de cadera fijada al hueso con un cemento óseo estará expuesto a que el cemento óseo se degrade o rompa, debido a grietas que van creciendo lentamente a lo largo del tiempo, lo que generaría molestias durante el resto de su vida por no ser viable una nueva cirugía.

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Imagen SEM de la superficie de fractura por tracción de G120-0.1. Se puede ver una burbuja de aire gigante atrapada dentro del cemento óseo.

Mejorar la calidad de vida de las personas mayores

“Mejorar la durabilidad de estos cementos óseos es esencial para mejorar la calidad de vida de nuestros mayores. Dicho de otro modo, evitar que tengan que soportar una existencia con dolor crónico debido a la prótesis rota”, señala José Ygnacio Pastor, investigador de la UPM que ha participado en el estudio.

En la investigación realizada por miembros del Centro de Investigación en Materiales Estructurales (CIME) de esta universidad, se han desarrollado diversos materiales con resultados potencialmente interesantes, como reducir la temperatura máxima de curado que daña los tejidos adyacentes.

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En la imagen, las flechas indican vacíos y defectos entre el cemento óseo y la HRGO debido a la escasa adherencia entre ambos: (a) mayor aumento, y (b) menor aumento.

Respecto a las propiedades mecánicas, los investigadores han comprobado que añadir un exceso de grafeno es perjudicial y las empeora, pero pequeñas cantidades (entre el 0,01 y el 0,1% en peso) podrían producir mejoras también en las propiedades mecánicas manteniendo el beneficio térmico. “Hasta ahora hemos hablado principalmente de la resistencia mecánica y la durabilidad del cemento óseo; no obstante, hay más problemas asociados a la utilización de estos cementos en el cuerpo humano”, apunta el coautor Jaime Orellana.

Los cementos habituales están formados por dos componentes, que una vez que se juntan empiezan a reaccionar y se endurecen. Durante esta reacción el material solidifica rápidamente, y hay pocos minutos para colocarlo entre el hueso y la prótesis. Además, durante esta reacción se libera mucha energía que alcanza a los tejidos circundantes.

Dado que a partir de 42 °C las proteínas se desnaturalizan, si el hueso se calienta demasiado las células mueren y se produce una necrosis del tejido que rodea la prótesis. Así, “es esencial evitar que el hueso se caliente, resultado que hemos conseguido mediante la ralentización de la reacción gracias a la adición de grafeno altamente reducido”, continúa Orellana.

Según los investigadores, las expectativas de estos nuevos materiales son muy halagüeñas, pues también hay indicios de que el grafeno tiene propiedades antibactericidas, algo ideal para reducir los problemas de infecciones tras las cirugías. “No obstante, queda mucho trabajo por delante, pues no solo se debe optimizar la cantidad de grafeno que debe introducirse, sino también estudiar los tratamientos químicos que permitan al grafeno una mejor adhesión y dispersión en el cemento óseo”, concluyen.

Referencias:

Jaime Orellana et al. ‘Influence of HRGO Nanoplatelets on Behaviour and Processing of PMMA Bone Cement for Surgery’. Polymers, 2021

Ynés Yohana Pastor et al. ‘Physical-Mechanical Behaviour and Processing Evolution of PMMA Bone Cement due to Graphene Addition’. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research, 2021

Hay pocos minutos para colocar el cemento entre el hueso y la prótesis, y durante esta reacción se libera mucha energía que alcanza y calienta a los tejidos circundantes. La adición del grafeno ralentiza y baja la temperatura de la reacción

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