El Rincón de la Ciencia, Tecnología y el Conocimiento

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Publicado por El Rincón de la Ciencia, Tecnología y el Conocimiento en Jueves, 21 de julio de 2016

FRASES DE CIENCIA

sábado, 24 de septiembre de 2011

Mejores Implantes de Hueso

Usando tecnología espacial, investigadores patrocinados por la NASA están desarrollando huesos artificiales para implantes de cadera, sin dolor.

Bob Hayes, de 79 años de edad ha oído todas las estadísticas.


Cada año se realizan más de 300.000 cirugías de reemplazo de cadera y rodillas en los Estados Unidos. Sesenta y cinco por ciento de los reemplazos en caderas y setenta y dos por ciento de los reemplazos en rodillas son efectuados en personas mayores de 65 años. Debido a que la población de los Estados Unidos está envejeciendo, se espera que el número de fracturas de cadera exceda el medio millón anual para el año 2040. La permanencia promedio en un hospital por una cirugía de rodilla o cadera es de 5 días, seguida de cuatro semanas de terapia usando una caminadora.

Bob, un veterinario retirado de Golden, Colorado, conoce las estadísticas porque él forma parte de ellas. Entre 1978 y 1999, Bob ha sufrido dos reemplazos de cadera y cinco revisiones. "He guardado tres o cuatro de ellos como recuerdos", ríe. "He estado pensando en usarlos para sostener unos libros".

El sentido del humor de Bob se conserva intacto, pero el dolor no es cosa de risa. "Continúas hasta que no puedes soportarlo más", dice, "y entonces te hacen cirugía de nuevo". Y otra vez, y otra más.

"El problema que enfrenta la medicina hoy en día es que los actuales implantes duran apenas unos diez años", explica el Dr. Frank Schowengerdt, un amigo de Bob y director del Centro para

Aplicaciones Comerciales de la Combustión en el Espacio (Center for Commercial Applications of Combustion in Space ó CCACS) en la Escuela de Minería de Colorado (Colorado School of Mines). (CCACS es un Centro de Espacio Comercial (Commercial Space Center) manejado por el programa de Desarrollo de Productos del Espacio (Space Product Development program) de la NASA). "Los cirujanos cortan el viejo ligamento y le pegan uno nuevo", continúa Schowengerdt. "El tiempo, junto con el uso y el desgaste hacen que el pegamento se deteriore".

Bob recuerda sus propias experiencias: "El pegamento se soltaba y el ligamento pinchaba un nervio. El dolor era intenso".

Ponerle fin a ese tipo de sufrimiento es lo que motiva a Schowengerdt y a su colega el Dr. John Moore. Ellos se encuentran trabajando en el CCACS para crear mejores huesos artificiales hechos de cerámica -- implantes tan parecidos a los reales que podrían de hecho confundirse con hueso vivo. Tales implantes no se soltarían ni necesitarían ser reemplazados tan frecuentemente.

La mayoría de los huesos artificiales de hoy están hechos de hidroxipatita, la cual tiene la misma fórmula química que el propio hueso. La hidroxipatita sintética, sin embargo, no es ni porosa ni 
tan resistente como el hueso real.

Los poros son importantes, dice Schowengerdt. Son conductos para el flujo de sangre (la sangre se genera en la médula del hueso) y permiten a los huesos ser resistentes sin ser pesados.

Los poros también proveen de un medio para que el hueso vivo se adhiera de forma permanente a un implante. "Si obtenemos un buen crecimiento óseo dentro de los poros de un implante, entonces hemos tenido éxito", dice Schowengerdt. Ya no importará si el pegamento se suelta 10 años después.

Los investigadores también han intentado usar el coral marino como substituto del hueso. "Es lo suficientemente poroso", dice Schowengerdt, "pero carece de resistencia. El coral marino se usa más que nada para reestructuraciones craneanas".

La solución, de acuerdo con Schowengerdt, son las cerámicas. El y Moore creen que es posible sintetizar materiales cerámicos con la combinación correcta de resistencia y poros interconectados, que dupliquen las caraterísticas del hueso real. De hecho, ellos han desarrollado un proceso en su laboratorio de Colorado que parece prometedor.

"Hacer huesos de cerámica no es como hacer una taza para café de cerámica", dice Schowengerdt. "El proceso es completamente diferente". Las cerámicas ordinarias están hechas de polvos mezclados con un agente aglutinante. Se hornean (a aproximadamente 1000 C), lo cual evapora el aglutinante y deja detrás una matriz granulosa que es más fuerte que los polvos originales. La formula química no cambia. Sin embargo, a diferencia de los productores de tazas de café, "nosotros horneamos nuestras cerámicas a una temperatura mucho más alta, de tal manera que los polvos reaccionen para crear otras substancias".

Por ejemplo, una de las cerámicas mas prometedoras comienza como una mezcla de polvos de calcio y de compuestos de fosfato (CaO y P2O5). Schowengerdt y Moore inician la mezcla, la cual se calienta a 2600 C. El CaO y el P2O5 reaccionan para producir fosfato de tricalcio (Ca3(PO4)2), una sustancia muy similar (químicamente hablando) al hueso real. La reacción también genera calor y productos gaseosos secundarios que forman poros de forma natural.

Es un buen comienzo, dice Schowengerdt, pero aún hay mucho por hacer. Para empezar, los huesos reales son porosos (débiles) por dentro y sólidos (fuertes) por fuera. "Lo que hemos hecho es como la parte débil interior de un hueso; no tiene todavía una capa exterior resistente. Necesitamos aprender a controlar nuestros procesos para duplicar la estratificación de los huesos reales".

Su técnica, llamada síntesis autopropagada de alta temperatura ó "SHS," (por las siglas inglesas de Self-propagated High temperature Synthesis) es en verdad difícil de controlar. "Durante el proceso de horneado, la cerámica se derrite. Los compuestos gaseosos se elevan y los líquidos se asientan. Hay mucho movimiento de convección, lo cual hace impredecible la reacción", dice Schowengerdt. "Para entender este proceso, nosotros realmente necesitamos hacer nuestros experimentos en un ambiente de baja gravedad, donde la convección, que es generada por la gravedad, sea mínima".

Los investigadores del CCACS han volado hornos a bordo del 'cometa del vómito' KC-135 de la NASA -- un aeroplano con trayectoria parabólica de vuelo, que permite generar breves periodos de ausencia de peso. Ellos observaron dramáticas diferencias entre las cerámicas preparadas en gravedad normal (1-g) y las preparadas en vuelo. Como ejemplo, las cerámicas de baja gravedad tenían poros más grandes y mejor conectados.

¿Qué sucedió? Nadie está seguro, porque aquellos breves periodos de ausencia de peso no dieron el tiempo suficiente para probar y pensar. Por eso es que Schowengerdt y Moore se encuentran esperando la llegada de marzo del 2003, cuando una nueva instalación para procesamiento de nuevos materiales llamada "Space-DRUMSTM" (en español "Tambores Espaciales", un aparato que sostiene cerámicas derretidas sin movimiento usando ondas de sonido) se encuentre lista para ser instalada en la Estación Espacial Internacional. Por control remoto desde la Tierra y con la ayuda de los astronautas, ellos podrán conducir sus pruebas en baja gravedad, y por períodos mucho más largos que los que han logrado hasta ahora.

"No estamos intentando producir huesos de cerámica en forma masiva a bordo de la EEI", hace notar Schowengerdt. "Eso sería demasiado caro. Pero si podemos aprender acerca del papel que juega la gravedad en la formación de los poros, seríamos tal vez capaces de duplicar nuestros éxitos en el espacio, aquí en la Tierra".

Millones de personas se beneficiarán al tener menos cirugías y menos dolor, si esta investigación produce reemplazos de cerámica comercializables. Pero existe aún un problema: ¿qué hacer con todos aquellos implantes obsoletos?

Bob Hayes tiene la respuesta: "Sirven muy bien para sostener libros".

Nota del Editor: El Centro para Aplicaciones Comerciales de la Combustión en el Espacio es un Centro para el Comercio Espacial (CSC) en la Escuela de Minería de Colorado.

El Programa para el Desarrollo de Productos Espaciales (SPD), localizado en el Centro para Vuelos Espaciales Marshall (Marshall Space Flight Center), apoya la comercialización del espacio por la industria a través de 15 de éstos CSCs. Los socios comerciales para la investigación que se describe en este artículo, incluyen a Guigne Internacional (Guigne International), Ltd., Tecnologías Espaciales BioServe (BioServe Space Technologies), Biología Ortopédica Sulzer (Sulzer Orthopedics Biologics) y Hewlett-Packard.

Más información (en inglés y español)
HREF="http://spd.nasa.gov/">Desarrollo de Productos Espaciales -- La meta del programa de Desarrollo de Productos Espaciales (SPD) de la NASA es ayudar a las industrias norteamericanas a explorar el potencial -- y obtener los beneficios -- de transacciones comerciales sobre el espacio.

Hacer esto trae los beneficios del espacio a la Tierra, donde pueden y de hecho logran enriquecer las vidas del público norteamericano. "La inversión de la Industria en el espacio es grande", dice Mark Nall, gerente del programa SPD en el Centro para vuelos Espaciales Marshall. "Orientamos a las compañías en el desarrollo de experimentos y los ayudamos a explorar las maneras en que la investigación espacial puede contribuir al crecimiento de sus negocios".

Centro para las Aplicaciones Comerciales de la Combustión en el Espacio -- un Centro de Comercio Espacial (CSC) patrocinado por la NASA en la Escuela de Minería de Colorado.

NASA: Comercialización del Espacio -- aprenda más sobre los esfuerzos de la NASA para incrementar la utilización del espacio para la investigación de productos comerciales.

Las estadísticas citadas en este artículo fueron compiladas por la Asociación Americana de Cirujanos Ortopédicos (American Association of Orthopedic Surgeons).
Aprenda más acerca de materiales porosos para reemplazo de los huesos (CCACS) y cerámica de vidrios (CCACS)

Ojos Biónicos -- (Ciencia@NASA) Usando tecnología espacial, los científicos han desarrollado extraordinarias celdas fotoeléctricas de cerámica que podrían reparar ojos humanos en mal estado.




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