Cada año se implantan en el mundo más de tres millones de prótesis de cadera y rodilla al año. Y para mejorar y alargar su vid útil, investigadores del grupo de Biomateriales del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) han desarrollado un material compuesto formado por polieteretercetona (PEEK) reforzado con grafeno, con el objetivo de que puede constituir una alternativa al polietileno actual. Este material compuesto puede ser un primer paso para el diseño de una prótesis de material totalmente polimérico, sin la inclusión de metales.

Actualmente, el 80% de las prótesis que se implantan tienen un par de fricción formado por metal o cerámica en la componente femoral y un polietileno especial en la copa o acetábulo. Este polímero es la parte débil del par y su desgaste genera osteolisis o pérdida de hueso periprótesico, lo que provoca el aflojamiento de la prótesis y hace necesario una artoplastia de revisión o reintervención quirúrgica. La investigación en este campo ha mejorado esta debilidad estructural mediante la reticulación por irradiación gamma o haces de electrones, junto a tratamientos térmicos o la incorporación de vitamina E, con un resultado notable, pero no definitivo. 

Sin embargo, el polieteretercetona (PEEK) presenta mejores propiedades mecánicas que el polietileno, pero especialmente mayor estabilidad química, lo que permite ser esterilizado mediante radiación, sin el problema del polietileno asociado a los radicales inducidos por la radiación, que provocan una oxidación y una fragilización del material si no se eliminan por completo.

Asimismo, la comunidad científico-técnica ha intentado mejorar las propiedades mecánicas del polietileno para reducir el espesor de las copas, lo que permite un mayor diámetro de éstas, y una reducción de la probabilidad de dislocación. La incorporación de grafeno como reforzante, con unas propiedades mecánicas intrínsecas muy elevadas y una capacidad de lubricación sólida, puede aportar mejores propiedades tribológicas (de fricción y desgaste) y mecánicas.

La investigación ha conducido a unos resultados "prometedores", ya que con un porcentaje del 5% de grafeno se obtiene una disminución del coeficiente de fricción del 38%, y una reducción del desgaste del 83%. No obstante, el investigador principal del grupo, el profesor José Antonio Puértolas, subraya que se trata de una primera fase de la labor de investigación que desarrolla el grupo de Biomateriales en este campo, aunque ya apunta hacia un avance en la mejora de la calidad y en el rendimiento de las prótesis.

Sin embargo, Puértolas explica que hay que superar nuevas fases de la investigación "como el conocimiento de la bioactividad de las partículas de desgaste, la realización de ensayos tribológicos más próximos al comportamiento biomécanico de las prótesis y ensayos clínicos para cumplir con la normativa de regulación de dispositivos médicos, previa a  una implantación médica”.

Investigación de materiales

El diseño y los materiales que se utilizan en la actualidad permiten que estas protésis tengan una vida útil del 90-95% en periodos entre 15 y 20 años. Sin embargo, el aumento de la expectativa de vida, los accidentes, la práctica deportiva y la obesidad hacen necesario extender su operatividad y retrasar su revisión tras la implantación. Hay que tener en cuenta que estas segundas intervenciones, además de suponer una alta carga emocional al paciente e incluso riesgo personal, constituyen un alto coste económico para la sociedad.

Los investigadores del este grupo trabajan en este campo multidisciplinar de la ingeniería y del área de la salud desde hace una década. Su objetivo es tratar de encontrar materiales con mejores propiedades mecánicas, tribológicas y de estabilidad química para disminuir las causas de revisión asociadas a los materiales de las prótesis,  explica Puértolas.

Este trabajo ha sido publicado recientemente en la prestigiosa revista Carbon, y en él han colaborado también investigadores de otros institutos (Carboquímica, ICMA), ya que la caracterización física y química del material requiere el uso de diversas técnicas. "Estos resultados permiten ser optimistas y abren una nueva vía para mejorar los materiales de las prótesis y retrasar en lo posible las artoplastias de revisión", puntualizan desde el equipo de investigación.