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Crédito de la imagen: sebra/.com

El tratamiento eficaz y la reparación del cartílago dañado siguen representando un reto importante para la medicina actual. Investigadores de la Universidad de Duke, en Estados Unidos, han creado recientemente un novedoso material compuesto a base de hidrogeles que iguala la resistencia y la durabilidad del tejido cartilaginoso natural. El nuevo desarrollo promete superar las limitaciones de las actuales técnicas de reparación del cartílago.

El cartílago articular es un tejido altamente especializado que desempeña un papel crucial en el cuerpo humano. Un cartílago sano proporciona un movimiento de baja fricción y garantiza una distribución eficiente de la carga y el peso en las articulaciones del esqueleto.

El cartílago – una maravilla natural

El cartílago natural está formado por células condrocitarias escasamente distribuidas e incrustadas en la matriz extracelular del cartílago. Se compone principalmente de agua (60-85 % en peso), 15-22 % en peso de colágeno de tipo II (uno de los principales tejidos conectivos del cuerpo) y 4-7 % en peso de glicosaminoglicanos (moléculas de polisacáridos lineales largos).

Estos tres componentes entrelazados proporcionan las propiedades únicas del tejido cartilaginoso. Con un grosor medio de 2,2 mm, el cartílago penetra parcialmente en el tejido óseo poroso subyacente, recubriendo la superficie del hueso y asegurando un movimiento de baja fricción en la articulación. Al mismo tiempo, el cartílago es altamente deformable, lo que facilita la distribución eficaz de la carga al aumentar el área de contacto entre las superficies opuestas en toda la articulación.

Los traumatismos óseos y articulares tienen un impacto significativo en la sociedad moderna

El tejido cartilaginoso carece de vasos sanguíneos, lo que da lugar a un escaso suministro de nutrientes y a una lenta extracción de productos de desecho (que dependen de la difusión a través de la matriz del cartílago) y a la reducción de la actividad metabólica de los condrocitos. Esto limita la autorregeneración y la reparación intrínseca.

Además del desgaste normal del cartílago tras décadas de uso constante, las lesiones óseas y articulares relacionadas con las actividades deportivas y los accidentes de tráfico contribuyen significativamente a la demanda de tratamientos y productos de reparación del cartílago en todo el mundo, con más de 600.000 cirugías de reemplazo de la articulación de la rodilla realizadas en los EE. UU. cada año, y un mercado mundial de reparación del cartílago valorado en 4.000 millones de dólares.80 mil millones en 2018.

En la actualidad, los tratamientos más comunes del tejido cartilaginoso dañado solo proporcionan un alivio sintomático a corto plazo (mediante la eliminación de piezas sueltas del cartílago dañado o el trasplante de cartílago de un donante) o requieren la sustitución de la articulación dañada por una artificial. Todos estos métodos suelen tener altas tasas de fracaso (25-50% después de 10 años) y requieren largos tiempos de rehabilitación (12 meses o más).

Las limitaciones de las estrategias actuales para la reparación y regeneración del cartílago han desencadenado intensos esfuerzos de I+D biomédico por parte de grupos de investigación tanto académicos como industriales con el objetivo de desarrollar materiales de sustitución con propiedades biomecánicas similares a las del cartílago natural.

Los materiales inteligentes pueden ayudar a reparar el cartílago dañado

Varios materiales de ingeniería biocompatibles y no degradables, como las aleaciones de cromo-cobalto, la cerámica y el polietileno de peso molecular ultra alto, se utilizan actualmente como sustitutos del cartílago o de toda la articulación. Sin embargo, estos materiales poseen propiedades mecánicas muy diferentes a las del cartílago natural y suelen tener efectos adversos en la estructura ósea circundante.

Desde la década de 1970, los hidrogeles (redes altamente hidratadas de polímeros hidrofílicos reticulados) han atraído la atención de los científicos como materiales sustitutos del cartílago debido a su biocompatibilidad, su alto contenido en agua y su baja permeabilidad, lo que se traduce en una excepcional capacidad de lubricación y una baja adsorción de proteínas.

Los principales inconvenientes de estos materiales son la falta de resistencia a la fractura y el insuficiente módulo elástico que se requiere para soportar la carga prevista en la articulación.

Un grupo de investigación de la Universidad de Duke, dirigido por los profesores Benjamin Wiley y Ken Gall, ha creado un novedoso material compuesto a base de hidrogeles que imita las propiedades físicas y el comportamiento del tejido cartilaginoso natural.

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Suave y fuerte como el cartílago natural

El cartílago natural inspira la estructura del nuevo compuesto. El hidrogel consiste en una red de nanofibras de celulosa bacteriana (BC) incorporada a un hidrogel de doble red fabricado con poli(alcohol vinílico) (PVA) reticulado y poli(sal sódica del ácido 2-acrilamido-2-metil-1-propanosulfónico) (PAMPS).

Las tres redes interpenetradas trabajan juntas para proporcionar las propiedades biomecánicas del material. La red de BC contribuye a la resistencia a la tracción (de forma similar al colágeno en el cartílago), mientras que las redes de PVA y PAMPS garantizan la retención del agua necesaria (59% en peso) y proporcionan la disipación de energía viscoelástica, la fuerza de restauración elástica (análoga a la red de glicosaminoglicanos en el cartílago) y la distribución uniforme de la tensión a través de la red de BC.

Hidrogel compuesto con propiedades biomecánicas superiores

Al describir su investigación en la revista Advanced Functional Materials, el profesor Wiley y sus colaboradores afirman que el nuevo hidrogel biomimético es el primer material de ingeniería que iguala la resistencia y el módulo del cartílago natural tanto en tensión como en compresión.

Las pruebas mecánicas demostraron que, bajo compresión, el nuevo hidrogel compuesto tiene un módulo elástico similar al del cartílago y presenta la misma respuesta mecánica dependiente del tiempo. Bajo una tensión de compresión de 1,43 MPa, el nuevo material mostró una deformación inferior al 5%. Para ponerlo en contexto, la tensión de compresión en la articulación de la rodilla de un ser humano de 90 kilos que camina es de aproximadamente 2,5 MPa.

Alternativa duradera a los materiales tradicionales de sustitución del cartílago

Al mismo tiempo, el coeficiente de fricción del material es un 45% menor que el del cartílago y tiene una resistencia al desgaste 4.4 veces mayor resistencia al desgaste que los hidrogeles sólo de PVA (utilizados actualmente como reemplazo de cartílago), mostrando una resistencia a la fatiga después de 100.000 ciclos de carga equivalente a la del cartílago natural.

Más información sobre el equipo de caracterización de materiales

Se ha demostrado previamente que los tres componentes del compuesto de hidrogel son biocompatibles y las pruebas iniciales de compatibilidad sugieren que el material no es tóxico para las células cultivadas en laboratorio.

Pasos hacia las aplicaciones en el mundo real

Como siguiente paso, el equipo de investigación pretende diseñar un implante adecuado para las pruebas in vivo en animales. Prevén que, en un plazo de tres años, el nuevo material de sustitución del cartílago se utilice en terapias comerciales como una mejor alternativa a los tratamientos tradicionales de reparación del cartílago o a las cirugías de sustitución de la rodilla.

Referencias y lecturas adicionales

F. Yang y otros, (2020) Un compuesto de hidrogel sintético con el comportamiento mecánico y la durabilidad del cartílago. Materiales funcionales avanzados, 2003451. Disponible en: https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

R. A. Smith (2020) Desde el laboratorio, el primer gel que imita al cartílago y que es lo suficientemente fuerte para las rodillas. www.today.duke.edu Disponible en: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Consultado el 14 de julio de 2020).

M. Irving (2020) Un nuevo hidrogel podría funcionar tan bien como el cartílago real en las prótesis de rodilla. www.newatlas.com Disponible en: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Consultado el 14 de julio de 2020).

M. V. La Roca (2020) Un nuevo hidrogel puede sustituir el cartílago de la rodilla. www.thepatent.news Disponible en: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Consultado el 14 de julio de 2020).

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A. R. Martín et al., (2019) Terapias emergentes para la regeneración del cartílago en poblaciones de «rodilla roja» actualmente excluidas. npj Regen Med 4, 12. Disponible en: https://doi.org/10.1038/s41536-019-0074-7

C. M. Beddoes et al., (2016) Hydrogels as a Replacement Material for Damaged Articular Hyaline Cartilage. Materials (Basel), 9, 443. Disponible en: https://doi.org/10.3390/ma9060443

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