Se crean ligamentos artificiales basados en nanotubos y colágeno

Un grupo de científicos desarrolló un nuevo tipo de ligamentos de articulación artificial. El implante es un tubo de tereftalato de polietileno sin costuras, recubierto con un marco de nanotubos de carbono y colágeno. Los experimentos han demostrado que el tiempo de rehabilitación del paciente se redujo en 7 semanas, y la probabilidad de repetir la cirugía se redujo en 2,5 veces en comparación con los implantes sintéticos tradicionales.

El estudio se llevó a cabo con la participación de representantes de la Universidad de Sechenov y con el apoyo de la Fundación Rusa para la Ciencia. Los resultados se publicaron en el International Journal of Molecular Sciences.

«La ventaja de nuestro desarrollo es que la técnica de implantación de los ligamentos no ha cambiado, lo que es muy importante para llevar el producto al mercado. El coste de los implantes con nanocobertura será dos o tres veces menor que el coste medio de los análogos extranjeros de los ligamentos sin recubrimiento. Utilizamos materiales y equipos domésticos asequibles con un gran recurso: es posible producir alrededor de un millón de unidades más de ligamentos artificiales», – dice el jefe del proyecto de investigación Alexander Gerasimenko, doctor en Física y Matemáticas, jefe del Laboratorio de Nanotecnologías Biomédicas de la Universidad de Sechenov y la Universidad Nacional de Investigación «MIET».

Los esguinces o roturas de ligamentos son una lesión frecuente y muy desagradable para los atletas y las personas que llevan un estilo de vida activo en general. Un movimiento descuidado puede llevar, en el mejor de los casos, a una baja de dos semanas por enfermedad y dolor, y en el peor, a una intervención quirúrgica o a una discapacidad.

El desgarro del ligamento cruzado anterior de la articulación de la rodilla es una de las lesiones más frecuentes y desagradables, y representa más de la mitad de todas las lesiones articulares. Para tratar una lesión de este tipo, es necesario implantar ligamentos donados o sintéticos. Sin embargo, en el primer caso existe la posibilidad de rechazo del tejido extraño, y en el segundo caso – los materiales artificiales pueden tener una baja biocompatibilidad y arraigarse mal. En ambas situaciones, será necesario repetir la operación, lo que aumenta el tiempo de recuperación del paciente.

Los científicos de la «Universidad de Sechenov«, la NIU «MIET«, la «RGAU-MSHA», la «MONIKI» y la NIU «SGU» lograron encontrar una solución a este problema. El implante que han desarrollado es de fibras de polietileno tereftalato termoplástico (PET) con el recubrimiento sobre la base de un marco de nanotubos de carbono de pared simple formado por la radiación infrarroja en la matriz de colágeno. A diferencia de otros polímeros como el poliéster y el polipropileno, el PET es menos probable que cause inflamación de la cavidad articular. Sin embargo, este material tiene propiedades biológicas bajas, por lo que en el área de implantación en el hueso se crea una cicatriz del tejido conectivo, que impide la recuperación del paciente y aumenta el riesgo de repetir la cirugía. Para corregir esto, los científicos buscaban un material con mejor biocompatibilidad, que pueda mejorar las propiedades mecánicas de la conexión entre el implante y el hueso.

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Estudiando diferentes materiales biopolímeros, como las proteínas del cuerpo, y su interacción con las fibras PET, a los científicos se les ocurrió la idea de combinar los nanotubos de carbono con el colágeno. Así, el armazón de nanotubos de colágeno proporcionó al implante una estructura única debido a la fuerte conexión entre los átomos de carbono y también mejoró la recuperación y la germinación del tejido óseo. A su vez, se logró la biestabilidad de los enlaces PET y como resultado de la curación del hueso se redujo el número de tejido conectivo alrededor del implante.

La tecnología desarrollada fue probada en conejos, a los que se les implantó enlaces artificiales de PET con una capa de nanotubos de carbono con colágeno. Las pruebas de seis meses mostraron una excelente aclimatación del implante. Gracias a la estructura del marco de los nanotubos de carbono en la matriz de colágeno, el hueso del fémur creció de manera uniforme y rápida y fijó el ligamento del implante, como lo demuestran las imágenes del tomógrafo. Los estudios histológicos realizados tres y seis meses después del implante no mostraron procesos inflamatorios ni formación de nuevo tejido óseo.

También se reveló que durante la biodegradación aparecen en la estructura del implante poros con un diámetro de 0,5 a 6 micrones. Con el tiempo, el número de poros y su tamaño aumentó hasta 20 micrones. A través de ellos, los vasos sanguíneos y las terminaciones nerviosas germinan dentro del implante, lo que acelera la recuperación del paciente.

Además, las fibras PET con nanotubos y colágeno tienen una mejor hemocompatibilidad. Los científicos han descubierto que el nivel de destrucción de eritrocitos en el implante desarrollado se ha reducido al 0,8%, cuando como en las fibras PET convencionales esta cifra es del 1,45%. Esta característica permite utilizar la nueva tecnología para crear implantes cardiovasculares que están en constante contacto con la sangre.

Los investigadores creen que la tecnología que han desarrollado reducirá el tiempo de rehabilitación de los pacientes en un promedio de siete semanas. Además, los científicos esperan que el rechazo del implante a corto plazo se reduzca en 2,5 veces en comparación con las muestras existentes. Los autores también continuarán trabajando en los nanocapas: es necesario hacer que duren más en la superficie de las fibras. Entonces las células se unirán más eficazmente al implante, y como resultado, el implante echará mejor raíz. De esta forma se pueden realizar investigaciones preclínicas y registrar el desarrollo como un producto médico.

Departamento de Comunicaciones Estratégicas de la Universidad de Sechenov Ilustración: Proyecciones de micro-TC (a, c, e, g, i, k) e imágenes tridimensionales (b, d, f, h, j, l) del canal transversal femoral para el control de las articulaciones de la rodilla izquierda y de la rodilla derecha experimental 1, 3 y 6 meses después de la implantación. Fuente: Gerasimenko et al / Int. J. Mol. Ciencia, 2020
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