Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

El esqueleto humano es una maravilla de la ingeniería, que equilibra la necesidad de ser lo suficientemente fuerte como para soportar nuestro peso con la necesidad de ser lo suficientemente ligero para movernos. Cuando el hueso se pierde debido a lesiones o enfermedades, los médicos suelen recurrir a implantes para reemplazarlo. Durante décadas, los mejores materiales para estos reemplazos han sido metales como el titanio o cerámicas como la zirconia, elegidos por su increíble resistencia y su capacidad para sobrevivir dentro del cuerpo sin corroerse. Sin embargo, estos materiales tienen un inconveniente significativo: son mucho más densos y rígidos que el hueso natural. Esta disparidad puede provocar que el hueso circundante se debilite con el tiempo, de forma muy parecida a como una bota pesada aplasta el suelo blando debajo de ella. Por otro lado, los materiales que imitan la composición química del hueso, como el fosfato de calcio, son excelentes para fomentar el crecimiento de nuevo tejido, pero a menudo son demasiado quebradizos para soportar cargas pesadas. El desafío para los científicos ha sido crear un material que sea tanto lo suficientemente fuerte como para soportar peso y lo suficientemente ligero como para igualar al hueso que reemplaza, todo ello siendo capaz de ser moldeado en estructuras complejas que se ajusten a la anatomía única de un paciente.

Un equipo de investigadores de la Universidad NOVA de Lisboa y de la Universidad de Lisboa ha dado un paso hacia la resolución de este problema mediante el desarrollo de un nuevo tipo de compuesto cerámico utilizando una técnica llamada impresión 3D basada en extrusión. En lugar de intentar imprimir un solo material, mezclaron dos componentes distintos en una tinta espesa, similar a una pasta. El primer componente era 3YSZ, una forma de zirconia endurecida por calor y altamente resistente, conocida por su durabilidad en aplicaciones dentales y médicas. El segundo era fosfato de calcio, una sustancia químicamente similar al mineral que se encuentra en los dientes y huesos humanos, la cual es conocida por ayudar al cuerpo a integrarse con un implante. Al imprimir estas pastas capa por capa y luego cocerlas en un horno de alta temperatura, el equipo creó estructuras cilíndricas que combinaban la resistencia de la zirconia con la naturaleza bioactiva del fosfato de calcio.

Los investigadores descubrieron que el simple hecho de añadir el fosfato de calcio a la pasta de zirconia tuvo un efecto profundo en el producto final. Las cerámicas de zirconia pura son extremadamente densas, con un peso superior a los 3,5 gramos por centímetro cúbico, lo cual es mucho más pesado que el hueso natural. Sin embargo, al incorporar entre un 30 y un 45 por ciento de fosfato de calcio en la mezcla, el equipo logró reducir la densidad de los objetos impresos a un rango de 2,2 a 2,5 gramos por centímetro cúbico. Esta nueva densidad es notablemente cercana a la del hueso cortical natural, resolviendo eficazmente el problema del peso sin sacrificar la integridad estructural del material. Para asegurar que el material pudiera imprimirse suavemente, el equipo también probó añadiendo grafito a la mezcla, el cual actuó como un marcador temporal que se quemaba durante el proceso de calentamiento, dejando tras de sí poros diminutos que redujeron aún más el peso.

Más allá de simplemente cambiar el peso, el equipo examinó cuidadosamente qué sucedía con los materiales a nivel microscópico cuando se sometían al calor. Descubrieron que la zirconia conservaba su estructura cristalina más fuerte y estable incluso después de ser sometida a temperaturas de hasta 1450 grados Celsius. Al mismo tiempo, el fosfato de calcio se transformaba en fases específicas conocidas como hidroxiapatita y beta-fosfato tricálcico, que son los minerales exactos que el cuerpo utiliza para construir hueso nuevo. Esta estructura de doble fase significaba que el objeto final no era solo una mezcla de dos polvos, sino un material cohesivo donde la resistente zirconia proporcionaba un esqueleto para que el fosfato de calcio bioactivo se adhiriera. Los investigadores confirmaron estos cambios utilizando técnicas avanzadas de imagen y de dispersión de luz, verificando que el material permanecía estable y no se degradaba en formas más débiles durante el proceso de fabricación.

La verdadera prueba de cualquier material de reemplazo óseo es si puede soportar las fuerzas físicas del cuerpo y si las células vivas lo aceptarán. Cuando los investigadores probaron la resistencia de sus mejores muestras, que contenían un 35 por ciento de fosfato de calcio, encontraron que podían soportar una fuerza de compresión de 180 megapascales. Este nivel de resistencia se sitúa plenamente dentro del rango del hueso humano natural, demostrando que el material es lo suficientemente robusto para aplicaciones de carga. Además, cuando colocaron células de fibroblastos humanos, un tipo de célula de tejido blando, sobre los discos impresos, las células crecieron y prosperaron tan bien en el nuevo material como lo hacían en los platos de plástico estándar de laboratorio. Esto sugiere que el material no es tóxico para el tejido vivo y proporciona una superficie amigable para que las células se adhieran, un primer paso crucial para cualquier implante que aspire a integrarse con el cuerpo.

Aunque los resultados son prometedores, los investigadores señalan que esto es un paso preliminar. Las muestras que crearon eran cilindros sólidos, y los andamios óseos reales a menudo necesitan ser huecos o estar llenos de una red de agujeros para permitir que los vasos sanguíneos crezcan a través de ellos. También observaron que las muestras con cantidades muy elevadas de fosfato de calcio se volvieron demasiado frágiles para su manipulación, lo que indica que existe un límite para la cantidad de material similar al hueso que se puede añadir antes de que la estructura pierda su resistencia. El equipo concluyó que su método creó con éxito un compuesto cerámico ligero, fuerte y biológicamente amigable, pero que el trabajo futuro deberá centrarse en refinar la arquitectura interna de estas estructuras y probarlas con células formadoras de hueso y en animales vivos para ver si realmente pueden regenerar hueso en un entorno clínico.