Pensamos en los vidrios como materiales inertes nada compatibles con la vida. Sin embargo, el mundo de los materiales está lleno de sorpresas, y a finales de la década de los 1960 se descubrió que ciertas cerámicas de silicatos tenían la especial propiedad de unirse a tejidos blandos y duros del cuerpo humano. Por ello, fueron llamadas vidrios bioactivos. La mayoría están compuestos de SiO2, CaO, Na2O y P2O5, aunque modernamente se les han incorporado otros ingredientes como el B2O3. Una de sus principales aplicaciones es la reparación de huesos.
Se ha estudiado en profundidad cómo un vidrio bioactivo de silicato puede funcionar como material de consolidación de fracturas óseas. Cuando el vidrio se sumerge en un medio fisiológico lo primero que sucede es una lixiviación de cationes Na+ y Ca2+ que, al salir de la superficie del vidrio, son sustituidos por iones hidronio (H3O+) del entorno por intercambio iónico. Los puentes de Si–O–Si son atacados por el agua (hidrólisis, favorecida por los iones H3O+), formándose grupos silanol Si–OH, como se muestra en la reacción A de la figura 4.18.
La hidrólisis supone el desmoronamiento parcial de la red del vidrio. Los grupos silanol que se han formado pueden experimentar reacciones de condensación con pérdida de moléculas de agua (reacción B de la figura 4.18), lo que supone una polimerización cuyo producto es gel se sílice. Este material es una variedad amorfa de la sílice que se caracteriza por poseer grupos silanol. Este hecho y el de que es muy poroso le permiten absorber con mucha facilidad agua (y otros líquidos).
Sobre este gel precipita una capa de hidroxilapatito carbonatado amorfo a partir de los iones de calcio, fosfato, carbonato e hidroxilo del medio. El compuesto es química y estructuralmente similar al hidroxilapatito cristalizado (fórmula ideal Ca5(PO4)3(OH)) que constituye la fase mineral natural de los huesos. Debido a esta semejanza, los factores de crecimiento o factores tróficos se adsorben sobre la capa de hidroxilapatito carbonatado, desencadenándose la formación de células osteoblásticas y hueso nuevo. El mecanismo se ilustra en la imagen 4.19.
El primer vidrio bioactivo fue desarrollado por el ingeniero Larry L. Hench tras recibir la queja de un militar estadounidense sobre la dedicación de los científicos a buscar métodos de destrucción en vez de idear medios para evitar que a miles de soldados se les tuvieran que amputar miembros porque sus cuerpos rechazaban implantes de metal y plástico. Hench, que trabajaba en esos momentos en semiconductores para armas nucleares, decidió dar un giro ético a su investigación y buscar materiales cerámicos capaces de adherirse a tejidos humanos sin efectos secundarios. Pronto descubrió que uno de los materiales que produjo cumplía muy bien esta exigencia.
Lo llamó Bioglass 45S5. Contenía un 45% en peso de SiO2 (de ahí el número 45 del nombre), un 24,5% de CaO, un 24,5% de Na2O y un 6,0% P2O5 (S5 significa que la relación molar de calcio a fósforo es 5:1). Es decir, se trataba de un vidrio menos rico en SiO2 que el de uso corriente y con más calcio y fósforo, que son los más importantes componentes minerales de los huesos. Eso facilitaba la formación de hidroxilapatito similar al del hueso cuando el material se ponía en contacto con fluidos biológicos in vivo, lo que explicaba que el material se adhiriera tan bien a los tejidos, mejor que ninguno conocido hasta entonces[2]. Posteriormente se ha mejorado dopándolo con Cu, Zn o Sr y se han creado muchos otros vidrios bioactivos como el 58S o el S53P4, buscando también que sean buenos inhibidores del crecimiento bacteriano.
La primera aplicación clínica del Bioglass consistió en una prótesis para el oído medio que funcionó muy bien porque la cerámica se unió a la membrana timpánica y a los tejidos blandos. Más tarde se usó para reemplazar partes del cuerpo enfermas, dañadas o faltantes cuando se requería una unión estable de la prótesis tanto a los tejidos blandos como a los huesos. Se han realizado diversos tipos de ensayos con este material. Por ejemplo, se ha inducido el crecimiento de neocartílago in vitro y se ha estudiado la posibilidad de reconstruir el esmalte dental y tratar la hipersensibilidad de la dentina[3].
Pero actualmente la aplicación principal de estos materiales es como andamios en ingeniería de tejido óseo. Cuando se rompe un hueso, este solo puede autorrepararse de manera efectiva si todo el material original está presente y se puede lograr un buen contacto entre los fragmentos. Pero si falta un trozo hay que colocar en su lugar lo que se llama un andamio. Los vidrios bioactivos cumplen muy bien esta función con la ventaja de que el reemplazo no es permanente, ya que el vidrio se va degradando con el tiempo y en su lugar va creciendo hueso natural. Esto es así porque el andamio cerámico se fabrica con poros interconectados en su interior, de manera que las células y los vasos sanguíneos puedan penetrar en la pieza para formar así hueso nuevo. En la figura 4.20-izqda se muestra cómo son estos dispositivos.
En la actualidad se buscan nuevos materiales que hagan que los andamios de ingeniería ósea sean más tenaces frente a la factura (la tenacidad es la capacidad de un material de absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse). Porque, aunque en teoría es fácil pensar en cerámicas más resistentes, no se debe olvidar que su composición química debe ser idónea para que se forme hidroxilapatito y para que en su interior existan poros y canales relativamente grandes para permitir la proliferación celular y el transporte de nutrientes y desechos metabólicos. Hay que tener en cuenta muchos factores. Por ejemplo, hay que evitar que los componentes provoquen un aumento excesivo del pH porque eso haría que el material fuese citotóxico. Además, el andamio no se debe degradar ni muy rápidamente ni muy lentamente, sino al mismo ritmo de crecimiento del hueso nuevo. Se puede escoger el material para conseguir una velocidad de degradación óptima. Así, los vidrios bioactivos a base de borato se degradan antes que los de silicato.
El material también tiene que ser fácil de procesar. En este sentido, actualmente se aplican técnicas de impresión tridimensional 3D (figura 4.20-izqda., color azul), obteniéndose así piezas de la porosidad deseada y con muy buena resistencia a la compresión porque se puede organizar su estructura de forma que queden alineadas las paredes maestras. Pero si la carga es muy alta, además de en la mejora de la estructura hay que pensar en el uso de otros materiales no cerámicos como los polímeros híbridos orgánico-inorgánicos (apartados 7.6 y 7.7).
Aparte de como andamios óseos, estos vidrios se están empleando en aplicaciones que requieren lo contrario: que no se unan a tejidos o a hueso pero sigan siendo biocompatibles. Por ejemplo, el Bioglass 8625 se usa para encapsular dispositivos implantados dentro del organismo, como los microchips o transpondedores para seguir la pista a animales (fig. 4.20-dcha)[6].
[1] Imagen adaptada de J. Vélez. Ceramic Biomaterials. OpenWetWare (2016). https://openwetware.org/wiki/Ceramic_Biomaterials,_by_Jon_Velez.
[2] D. W. Richerson (op. cit.).
[3] L. L. Hench y J. R. Jones. Front. Bioeng. Biotechnol. 3 (2015). https://doi.org/10.3389/fbioe.2015.00194.
[4] Imagen: L. L. Hench y J. R. Jones (op. cit.).
[5] Imagen : T. Carnrike et al. Int. J. Ceram. Eng. Sci. 1 (2019) 227-234. https://doi.org/10.1002/ces2.10027.
[6] T. Carnrike (op. cit.).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
