El material biodegradable, fabricado mediante impresión 3D, utiliza ultrasonido para activar un efecto antibacteriano y podría abrir nuevas vías para la regeneración ósea.

Un equipo interdisciplinario de la Universidad de Chile desarrolló un biomaterial biodegradable impreso en 3D que, al activarse mediante ultrasonido, disminuye la adhesión de bacterias en su superficie. El estudio, publicado en la revista Composites Communications, combina un polímero biocompatible con óxido de zinc y un derivado del grafeno para potenciar su efecto antibacteriano y favorecer futuras aplicaciones en regeneración ósea.

Las fracturas complejas, los accidentes y algunas cirugías pueden provocar pérdidas de tejido óseo que el organismo no logra reparar por sí solo. Frente a estos casos, la ingeniería biomédica estudia estructuras tridimensionales que puedan ocupar temporalmente el espacio de la lesión y proporcionar un soporte para el crecimiento de nuevas células.

Sin embargo, estos implantes enfrentan un desafío adicional: evitar que las bacterias se adhieran a su superficie y provoquen infecciones. Este problema puede comprometer la recuperación y el éxito de una intervención.

Para abordar esta dificultad, investigadores del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, junto a especialistas del Departamento de Patología y Medicina Oral de la Facultad de Odontología, desarrollaron un andamio biodegradable capaz de activar una respuesta antibacteriana mediante ondas de ultrasonido.

“La idea era desarrollar un material que tuviera una propiedad piezoeléctrica, enfocándonos principalmente en un biomaterial que pudiera usarse para regenerar hueso. Nuestra intención era poder replicar ese fenómeno natural del hueso en un material”, explica Francisco Fernández Gil, doctor en Ciencias de la Ingeniería, mención Ciencia de los Materiales de la Universidad de Chile y autor principal del estudio.

La investigación se titula “Conductive particles enhanced piezocatalytic behavior of ZnO in biocompatible polymer nanocomposites for antibacterial 3D printed scaffolds under ultrasound stimulation” y fue publicada en Composites Communications.

El trabajo fue dirigido por Humberto Palza, profesor titular y director del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales (DIQBM), y contó con la participación de Javiera Briceño-Fuenzalida, Patricia Palma, Felipe Olate-Moya y Juan Pablo Acevedo.

También colaboraron investigadores de la Universidad de La Frontera, la Universidad de los Andes, la Comisión Chilena de Energía Nuclear y el Centro de Medicina Intervencional de Precisión y Terapia Celular Avanzada (IMPACT).

Un biomaterial inspirado en el hueso

El nuevo andamio combina policaprolactona, un polímero biodegradable y biocompatible; microvarillas de óxido de zinc; y nanoplaquetas de óxido de grafeno térmicamente reducido.

La combinación busca aprovechar la piezoelectricidad, una propiedad presente en el tejido óseo. Este fenómeno permite que determinados materiales generen pequeñas cargas eléctricas cuando reciben una presión o deformación mecánica.

Para fabricar el soporte, el equipo utilizó impresión 3D, una tecnología que permitió crear una estructura porosa que favorece el crecimiento celular y, al mismo tiempo, orientar las partículas de óxido de zinc durante el proceso.

El objetivo no fue únicamente obtener un material capaz de generar cargas eléctricas. Los investigadores buscaron aprovecharlas para desencadenar reacciones químicas con efecto antibacteriano, proceso conocido como piezocatálisis.

En este mecanismo, el derivado conductor del grafeno facilita el movimiento de las cargas eléctricas y potencia la respuesta del material.

El ultrasonido activa el efecto antibacteriano

Para activar el biomaterial, los investigadores utilizaron ondas de ultrasonido de baja intensidad. Estas producen pequeñas deformaciones mecánicas en las partículas piezoeléctricas sin necesidad de intervenir directamente sobre el implante.

Esta característica resulta especialmente relevante para futuras aplicaciones, ya que permitiría estimular un material ubicado dentro del organismo desde el exterior.

“La gracia del ultrasonido es que es remoto. Si uno piensa en una prótesis o un implante dentro del hueso, no es posible deformarlo directamente. El ultrasonido permite entregar ese estímulo desde el exterior”, explica Humberto Palza.

Cuando el óxido de zinc recibe el estímulo, genera cargas eléctricas que reaccionan con el agua y el oxígeno presentes en el medio. Como resultado, se forman especies reactivas de oxígeno, moléculas capaces de afectar componentes esenciales de las bacterias.

Los experimentos mostraron que la incorporación del derivado del grafeno potencia este fenómeno.

“Comprobamos que la mezcla de un material piezoeléctrico con un material conductor genera una sinergia. La polarización se potencia y eso aumenta la generación de radicales capaces de inhibir o matar bacterias”, señala Palza.

Resultados y próximos pasos

Los ensayos demostraron que los andamios reducen la adhesión de Staphylococcus aureus, una bacteria frecuentemente asociada a infecciones relacionadas con implantes.

El material compuesto por policaprolactona, óxido de zinc y grafeno presentó el mejor desempeño cuando fue estimulado mediante ultrasonido.

Además, las pruebas realizadas con células madre mesenquimales humanas indicaron que el material es biocompatible y permite el crecimiento celular sin evidencia de toxicidad en las condiciones evaluadas.

Los investigadores advierten, sin embargo, que se trata de un desarrollo experimental que todavía debe avanzar hacia estudios preclínicos. Por ahora, los resultados entregan evidencia para continuar explorando biomateriales que combinen soporte para la regeneración ósea con mecanismos capaces de disminuir el riesgo de infección.

La investigación también representa una línea de trabajo todavía poco desarrollada en Chile y Latinoamérica, donde existen pocos grupos dedicados al estudio de biomateriales piezoeléctricos aplicados a medicina regenerativa.

“Este trabajo nos permitió demostrar fenómenos muy significativos. Ahora queremos trasladar ese conocimiento hacia nuevos modelos que tengan una aplicación cada vez más cercana a la clínica”, concluye Francisco Fernández.