Además de las propiedades biomecánicas y la biocompatibilidad de los implantes, la osteointegración exitosa ocupa un lugar central en la cirugía moderna de la columna vertebral. Desde el inicio, las técnicas utilizadas para tratar diversas enfermedades de la columna buscaron siempre lograr la fusión ósea de los cuerpos vertebrales adyacentes. En un principio, estas técnicas requerían una extensa disección muscular, grandes injertos óseos autólogos y largos períodos de reposo en cama.

Con el fin de aumentar la tasa de éxito de la fusión ósea y reducir el tiempo de recuperación, se introdujo la instrumentación a la columna vertebral. Esta permite al cirujano corregir la alineación de la columna. Posteriormente, se desarrolló un concepto de soporte anterior para mejorar los resultados de la instrumentación posterior: mediante un abordaje anterior o posterior se colocaban injertos óseos en el espacio intervertebral, lo que resultaba en una mejor vascularización, una fusión más resistente a la carga y una mejor conservación de la lordosis.

Sin embargo, dependiendo de la indicación y de la calidad ósea, el uso exclusivo de injertos óseos no siempre proporcionaba suficiente estabilidad. La extracción de hueso autólogo, por ejemplo, de la cresta ilíaca, provocaba con frecuencia dolor postoperatorio y complicaciones. Por estas razones, y para prevenir posibles hundimientos óseos y pseudoartrosis que pueden aparecer tras las fusiones óseas, se desarrollaron las “jaulas” o “spacers” intervertebrales. Actualmente, las jaulas de fusión intervertebral se han establecido con éxito para el tratamiento estándar de la espondilodesis intersomática.

Biomecánica, biocompatibilidad y osteointegración

En este contexto, la osteointegración de las jaulas de fusión demostró ser de gran importancia. Diversos materiales fueron evaluados en cuanto a su biocompatibilidad, obteniéndose resultados de aceptables a buenos. Hoy en día, la mayoría de las jaulas están fabricados de titanio o de polímero (PEEK) y poseen una cavidad que puede rellenarse con hueso natural (autólogo o alogénico) o con un sustituto óseo sintético.

El titanio está documentado como material biocompatible con una estructura de poros abiertos que favorece la osteointegración y representa, por tanto, un enfoque prometedor para seguir mejorando los resultados terapéuticos. Debe distinguirse entre una superficie del implante micro o macrorrugosa en la interfaz con el hueso y una estructura similar al hueso trabecular con poros interconectados. Mientras que la micro o macrorrugosidad aumenta la superficie de contacto, una estructura abierta y porosa puede además actuar como andamiaje, permitiendo el crecimiento de vasos sanguíneos y células óseas profundamente en el interior del implante.

Titanio, el material biocompatible: una breve introducción a la ciencia de los materiales

El titanio es un material biológicamente inerte o biocompatible y se utiliza en medicina humana y veterinaria desde 1930. Sus propiedades mecánicas y biocompatibles han demostrado ser óptimas para este propósito.
Esto se debe, por un lado, a que el titanio presenta una alta resistencia, especialmente en contacto con el entorno corporal y bajo carga mecánica. Al entrar en contacto con el oxígeno, el titanio forma una capa protectora de óxido extremadamente adhesiva, insoluble y químicamente estable, lo que le confiere una gran resistencia a la corrosión en un entorno séptico; al mismo tiempo, el titanio se vuelve prácticamente “invisible” para el organismo y no provoca reacciones adversas del sistema inmunitario.

Por otro lado, gracias a su elevada constante dieléctrica, el titanio puede formar una unión física permanente (osteointegración) con el tejido óseo circundante, ya que permite el crecimiento de células óseas en la superficie de contacto. En comparación con otros materiales biocompatibles, como por ejemplo el acero inoxidable, el titanio es mucho más ligero y, aun así, posee una mayor resistencia a la tracción, ofreciendo así una relación óptima entre resistencia y peso en aplicaciones médicas.
Por último, el titanio puede procesarse fácilmente mediante mecanizado, y sus excelentes propiedades pueden mejorarse aún más gracias a nuevas tecnologías de procesamiento y tratamiento de superficies.

La estructura abierta y porosa de los implantes ST aumenta la superficie disponible para la colonización de nuevas células óseas y, por tanto, incrementa la superficie de contacto entre el implante y la placa terminal del cuerpo vertebral adyacente. En combinación con la rugosidad superficial del implante, esto permite alcanzar una alta estabilidad primaria y reducir significativamente el riesgo de migración. Además, este efecto se ve favorecido por la porosidad abierta e interconectada, que posibilita la correcta infiltración y propagación del material celular propio del organismo.

La estructura tridimensional de poros completamente interconectada de los implantes ST se asemeja en conjunto a la del hueso esponjoso natural. Esto favorece una rápida vascularización y la integración ósea. La interconectividad de los poros, junto con un tamaño de poro adecuado, hace además que el hueso crezca a través de toda la estructura del implante, más allá de las superficies externas de contacto directo. De este modo se crea una unión estructural entre el implante y el hueso, lo que puede contribuir a una mayor estabilidad del segmento.

Un requisito importante en la fabricación de implantes de titanio porosos es el cumplimiento de una geometría de poros y una estructura tridimensional previamente definidas y favorables. Métodos de fabricación como la sinterización de polvo, la síntesis por combustión, los métodos con materiales espaciadores o también la fusión por haz de electrones han demostrado ser menos adecuados. En cambio, el proceso de fabricación conocido como “sinterización directa por láser de metal” (DMLS son sus siglas en inglés) permite producir implantes con estructuras internas y externas.

En la aplicación clínica surgen además otros dos requisitos morfológicos para los implantes de fusión. Por un lado, los implantes deben poder colocarse durante la inserción de forma lo menos traumática posible y respetando los tejidos; en los implantes de la línea ST esto se garantiza mediante superficies laterales lisas.

Por otro lado, los implantes deben poder visualizarse de forma fiable mediante los métodos convencionales de diagnóstico por imagen para poder demostrar la fusión. Inicialmente, esto constituyó una ventaja indiscutible de los implantes de PEEK, que contribuyó de manera decisiva a la implantación de este material en la cirugía de columna vertebral. Los implantes de titanio estructurado cumplen este requisito, ya que, gracias a su estructura abierta y al menor volumen total de titanio, pueden visualizarse sin generar alteraciones.

A pesar de su estructura abierta y del menor volumen total de titanio, los implantes ST presentan una elevada resistencia mecánica. Así, la estabilidad dinámica a la compresión del implante MOBIS II ST es 5, 2 veces mayor a la de una jaula de PEEK comercialmente disponible y aprobada por la Food and Drug Administration (FDA). Asimismo, estudios clínicos han demostrado que los implantes de titanio poroso ofrecen una alta eficacia y seguridad.

En ensayos realizados, se observó que los implantes ST no solo proporcionan una elevada estabilidad primaria y una gran resistencia mecánica, sino que también presentan un módulo de elasticidad situado dentro del rango de elasticidad del hueso natural. Además, en los implantes convencionales de titanio denso puede observarse, como consecuencia del denominado efecto de “stress shielding”, una reabsorción del tejido óseo circundante y una inhibición de la fusión debido a la formación de tejido conectivo. Este riesgo se minimiza en los implantes ST gracias a su menor módulo de elasticidad.

Mediante el proceso de fabricación DMLS pueden generarse geometrías de poros predefinidas (tamaño, profundidad e interconectividad) que reproducen la estructura tridimensional y las propiedades mecánicas del hueso natural. En ensayos in vitro, se pudo demostrar que la actividad metabólica de los osteoblastos cultivados sobre muestras de titanio estructurado permanece muy elevada, incluso después de varios días. En los estudios en vivo en animals, mostraron que el titanio poroso tiene un efecto positivo sobre la regeneración de defectos óseos y sobre la colonización de nuevas células óseas. Por ello, puede asumirse que el titanio estructurado favorece el crecimiento de células óseas hacia el interior de la estructura del implante y constituye así la base para una fusión rápida y sólida.

Imagen microscópico-histológica de la sección transversal de un implante de titanio estructurado explantado de un modelo ovino tras 12 semanas. En el volumen poroso de la estructura reticular en forma de diamante, se observa la formación de una extensa estructura ósea esponjosa, localizada desde la región central del corte hasta el borde superior. (Hallazgos histológicos de jaulas de titanio reticular explantados de ovejas y fijados en formalina; Fundación Escuela Superior Veterinaria de Hannover).

Debido a su alta compatibilidad biológica, el titanio y sus aleaciones se utilizan desde hace mucho tiempo en distintos campos de la medicina moderna. El desarrollo de titanio con estructura de poros abiertos ha mejorado aún más la estabilidad y la seguridad, especialmente en los implantes endoprotésicos, ya que este tipo de titanio no solo posee buenas propiedades biológicas, sino que también favorece una integración biomecánica eficaz.

En estudios, la estructura tridimensional del implante, que imita la arquitectura natural del hueso, resultó especialmente favorable para lograr una osteointegración exitosa. La geometría adecuada y la interconectividad de los poros, así como la rugosidad de la superficie, fueron factores fundamentales. La elección de parámetros óptimos permite un suministro suficiente de oxígeno y nutrientes al nuevo tejido óseo formado y, por tanto, una fijación estable del implante.

Por ello, se desarrollaron los implantes ST (línea ST) con una alta porosidad (hasta el 70 %). Gracias a la conexión completa entre los poros, los osteoblastos pueden crecer profundamente dentro de ellos.

En cuanto a la resistencia mecánica, los implantes ST son el equivalentes a los implantes de fusión convencionales. Además, su módulo de elasticidad es más parecido al del hueso natural que el de los implantes tradicionales de titanio, lo que ayuda a prevenir el efecto de “stress shielding”, que dificulta la osteointegración. Los implantes de la línea ST pueden colocarse de manera menos invasiva para los tejidos y se visualizan bien en radiografías y tomografías computarizadas. Los estudios clínicos también demuestran que los implantes de titanio poroso ofrecen una alta eficacia y seguridad.

Conclusión

Con el desarrollo de implantes de titanio estructurado, SIGNUS Medizintechnik aplica los conocimientos actuales sobre la optimización de la osteointegración en implantes endoprotésicos y los implementa en la cirugía de columna vertebral. Los implantes ST poseen poros interconectados con una estructura de rejilla en forma de diamante, lo que permite el crecimiento y la integración del hueso, logrando así una fusión intervertebral estable.