Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

Cuando un hueso se rompe de forma grave, los médicos a menudo necesitan reemplazar la pieza faltante con un andamio, una estructura tridimensional temporal que guía el crecimiento del nuevo hueso. Para que esto funcione, el andamio debe ser más que una simple jaula hueca; debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar peso, lo suficientemente poroso como para permitir que fluyan los vasos sanguíneos y los nutrientes, y lo suficientemente activo químicamente como para estimular a las células a construir nuevo tejido. La naturaleza ya ha resuelto este problema en los caparazones de los crustáceos y las escamas de los peces, donde capas de material se retuercen en un patrón espiral para crear estructuras que son tanto resistentes como flexibles. Los científicos llaman a esto la estructura de Bouligand. El desafío para los ingenieros es recrear este diseño natural de una manera que imite el hueso humano sin ser demasiado rígido, lo que puede debilitar y disolver el hueso circundante, o demasiado débil para soportar el cuerpo.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Vellore en la India se propuso diseñar y construir un nuevo tipo de andamio óseo que combine esta arquitectura espiral con una mezcla especial de materiales. Querían crear una estructura que no solo soporte el peso, sino que también genere diminutas señales eléctricas cuando se comprime, una propiedad conocida como piezoelectricidad. En el cuerpo humano, el hueso natural produce estas señales eléctricas cuando soporta peso, y estas señales ayudan a indicar a las células óseas que crezcan y se reparen a sí mismas. Para lograr esto, los investigadores mezclaron una cerámica similar al hueso llamada hidroxiapatita con una cerámica piezoeléctrica llamada titanato de bario y una pequeña cantidad de un material de carbono conductor conocido como grafeno. Utilizaron simulaciones por computadora para probar miles de combinaciones diferentes de estos materiales y diferentes niveles de porosidad, buscando el equilibrio perfecto donde el andamio sea fuerte, permita el flujo de fluidos y genere la cantidad justa de electricidad para ayudar a sanar el hueso.

Los investigadores comenzaron modelando diminutos cubos de su mezcla de materiales para predecir cómo se comportarían sus diferentes ingredientes juntos. Descubrieron que añadir titanato de bario hacía que el material fuera más rígido y eléctricamente activo, mientras que el grafeno ayudaba a conducir la carga eléctrica de manera más eficiente. Sin embargo, también descubrieron que demasiado material piezoeléctrico podría ser perjudicial para las células, por lo que encontrar la cantidad adecuada era crítico. Luego, escalaron estos hallazgos para diseñar andamios de tamaño completo con una estructura de capas en espiral. Utilizando modelos computacionales avanzados, simularon cómo estos andamios manejarían la presión y cómo fluiría el agua a través de sus poros. Las simulaciones mostraron que un andamio con un 70 por ciento de material sólido y un 30 por ciento de espacio vacío ofrecía el mejor equilibrio. Este diseño específico, hecho de una mezcla de 90 por ciento de hidroxiapatita, 9.9 por ciento de titanato de bario y 0.1 por ciento de grafeno, coincidió con la rigidez del hueso esponjoso denso del ser humano y generó una señal eléctrica dentro del rango seguro y beneficioso para el crecimiento óseo.

Una vez finalizado el diseño por computadora, el equipo pasó al laboratorio para construirlo. Mezclaron los polvos cerámicos con un aglutinante líquido para crear una pasta espesa, similar a una arcilla pesada, la cual cargaron en una impresora 3D. La impresora funcionaba como una pistola de pegamento de alta precisión, extrayendo finas hebras de la pasta capa por capa. Los investigadores tuvieron que ajustar cuidadosamente la velocidad de impresión y la presión utilizada para empujar la pasta, asegurándose de que las hebras mantuvieran su forma sin colapsar o expandirse demasiado. Probaron diferentes concentraciones del aglutinante para encontrar la que permitiera que las hebras se mantuvieran firmes inmediatamente después de ser impresas. Con los ajustes adecuados, imprimieron con éxito la compleja estructura en espiral, creando un objeto sólido con una red de diminutos agujeros conectados que lo atraviesan.

El producto final fue un pequeño cilindro blanco y poroso que parecía un panal de abejas en miniatura, pero con un patrón interno de capas retorcidas. Cuando los investigadores examinaron el objeto impreso bajo un microscopio, confirmaron que los diferentes materiales estaban mezclados uniformemente y que las hebras eran fuertes y uniformes. Los modelos computacionales habían predicho que este diseño específico permitiría que el fluido fluyera a través de él a una tasa similar a la del hueso humano natural, y la estructura física confirmó este potencial. El estudio demuestra que, al copiar el diseño espiral de la naturaleza y mezclar cuidadosamente materiales específicos, es posible crear un andamio que sea mecánicamente compatible con el cuerpo humano y capaz de estimular el crecimiento óseo mediante señales eléctricas. Aunque los investigadores señalan que se necesitan más pruebas en sistemas vivos para confirmar qué tan bien funcionan estos andamios dentro de un cuerpo, el diseño y la fabricación exitosos de esta estructura marcan un paso significativo hacia tratamientos mejores y más efectivos para lesiones óseas graves.