POTENCIAL USO DE NANOMATERIALES
COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO
(PLA) EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS:
UNA REVISIÓN
POTENTIAL USE OF NANOMATERIALS COMBINED WITH
POLYLACTIC ACID (PLA) IN ORTHOPEDIC PROSTHESES:
A REVIEW
Fabricio Campaña G.1, Jorge Uquillas S.1, Estefanía Villamarín B.1,
Gabriela Yánez-Jácome2,David Romero-Estévez2
& Fernanda Pilaquinga F.1,3*
Recibido: 16 de noviembre 2020 / Aceptado: 22 de diciembre 2021
DOI 10.26807/ia.v10i1.204
Palabras clave: ácido poliláctico, biocompatibilidad, nanomateriales,
PLA, prótesis.
Keywords: biocompatibility, nanomaterials, PLA, polylactic acid,
prosthetics.
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NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
Campaña et. al., 15–41
1Universidad Internacional SEK, Nanotecnologías y Materiales Funcionales para Diseño, Maestría en
Diseño Industrial y Procesos, Quito, Ecuador (fgcampana.mdin@uisek.edu.ec; jpuquillas.mdin@uisek
.edu.ec; jevillamarin.mdin@uisek.edu.ec; *correspondencia: maria.pilaquinga@uisek.edu.ec)
2Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Centro de Estudios Aplicados en Química, Quito, Ecuador
(gsyanez@puce.edu.ec; dfromero@puce.edu.ec)
3Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Escuela de
Ciencias Químicas, Quito, Ecuador (mfpilaquingaf@puce.edu.ec)
RESUMEN
Los materiales tradicionales derivados del petróleo como el polietileno y po-
lipropileno son los más empleados en el campo de la protésica, sin embargo,
la tendencia a la protección del medio ambiente amerita el análisis de nuevos
materiales biodegradables y biocompatibles. El ácido poliláctico (PLA) es un
polímero obtenido a partir de fuentes naturales, que se usa entre muchas apli-
caciones en prótesis ortopédicas por su bajo costo. Con el desarrollo de la
nanotecnología, pueden incorporarse nanopartículas de diferente naturaleza
con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del PLA, sin embargo,
existe información limitada. En este compendio se describen las propiedades
físicas y químicas del PLA, así como las condiciones para su impresión en
3D. Se analizan varios nanomateriales tales como nanocelulosa, nanofibras
de quitosano, nanotubos de carbono, grafeno, óxido de titanio, nanopartículas
de óxido de hierro, nanopartículas de plata, nanopartículas de sílice mesopo-
rosa, entre otras. Se describen estudios referentes sus propiedades químicas,
mecánicas y biocompatibilidad. Como resultados se encontró que algunos
nanomateriales han sido combinados con PLA, los estudios realizados para
comparar sus propiedades mecánicas, muestran mejores resultados usando
nanopartículas. Muy pocos estudios in vivo se han realizado, únicamente na-
notubos de carbono, grafeno, óxido de titanio, nanopartículas de plata y na-
nopartículas de sílice mesoporosa. Se concluye que el uso de nanomateriales
puede mejorar potencialmente las propiedades mecánicas del PLA, sin em-
bargo, se requieren los estudios experimentales correspondientes, además que
se deben usar modelos animales para evaluar su efecto a nivel tisular y deter-
minar si son aptos para la combinación o recubrimiento de prótesis.
ABSTRACT
Traditional petroleum-derived materials like polyethylene and polypropylene
are the most commonly utilized in the field of prosthetics, but the movement
toward environmental conservation necessitates the investigation of novel bio-
compatible and biodegradable materials. Due to its low cost, polylactic acid
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InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
(PLA) is a polymer derived from natural sources that is utilized in a variety of
applications, including orthopedic prosthesis. Nanoparticles of various natures
can be added to improve the mechanical characteristics of PLA with the ad-
vancement of nanotechnology, although there is insufficient information. The
physical and chemical characteristics of PLA, as well as the requirements for
3D printing with it, are described in this review. Nanocellulose, chitosan na-
nofibers, carbon nanotubes, graphene, titanium oxide, iron oxide nanoparti-
cles, silver nanoparticles, and mesoporous silica nanoparticles are among the
nanomaterials studied. The chemical, mechanical, and biocompatibility as-
pects of the material have been studied. As a result, some nanomaterials have
been mixed with PLA, and studies comparing their mechanical characteristics
reveal that nanoparticles produce better outcomes. Very few in vivo studies
have been performed, only carbon nanotubes, graphene, titanium oxide, silver
nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles. The introduction of nano-
particles could possibly enhance the mechanical properties of PLA, but further
research is needed, and animal models should be utilized to evaluate their ef-
fect at the tissue level and decide whether they are acceptable for combination
or coating prostheses.
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NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
Campaña et. al., 15–41
INTRODUCCIÓN
Una prótesis es un dispositivo que
sustituye a un miembro del cuerpo y
realiza casi las mismas funciones
originales. Las prótesis son elabora-
das principalmente de polietileno
(PE), polipropileno (PP) y poliure-
tano. Los reemplazos de cadera y ro-
dilla incluyen porciones hechas de
metal como acero inoxidable, tita-
nio o cromo y aleaciones de cobalto
(ArthritisFoundation, 2016). Actual-
mente, por la tendencia a la reduc-
ción de la contaminación ambiental,
el uso prótesis a base de materiales
obtenidos a partir de recursos reno-
vables se ha convertido en una reali-
dad.
Ácido poliláctico (PLA)
El ácido poliláctico o poliácido lác-
tico (PLA) es un polímero clasificado
como un poliéster alifático (Liao et
al., 2019). Su unidad básica es el
ácido láctico o ácido 2-hidroxipro-
panoico (Figura 1).
Figura 1. Estructura química del PLA
Químicamente es un material inerte
y se obtiene a partir de fibras natu-
rales como maíz, trigo y arroz, por
lo que es amigable con el ambiente,
biodegradable, reciclable y com-
postable. La lactida, un monómero
principal del PLA, presenta quirali-
dad (L-lactida o D-lactida), lo que
determina su biodegradabilidad y
propiedades mecánicas finales, así
como, su estructura semicristalina o
amorfa, respectivamente. En gene-
ral, las formas D y L/D se degradan
más rápidamente que la forma L. Su
metabolismo permite que el orga-
nismo lo asimile por su conversión
a dióxido de carbono (Sha et al.,
2016). El PLA es utilizado en pelícu-
las plásticas, botellas, envases para
alimentos (Gregor et al., 2017; Na-
garajan et al., 2016) y en aplicacio-
nes médicas como en exoprótesis,
hilos de sutura, por su alta resisten-
cia, degradabilidad y biocompatibi-
lidad (Casalini et al., 2019; Ghasemi
et al., 2018). El tiempo estimado de
degradación es de 6 a 12 meses (Ku-
charczyk et al., 2016) y su vida
media en estado puro es de 30 se-
manas, sin embargo, esto puede
modificarse en función de las nece-
sidades clínicas, ajustando la com-
posición molecular y la arquitectura
física de la prótesis (da Silva et al.,
2018).
El PLA es un polímero hidrolizable
en agua, además, presenta actividad
antibacterial (Liao et al., 2019;
Parwe et al., 2014). Su semipermia-
bilidad al agua y al oxígeno lo hacen
más suceptible a la degradación (da
Silva et al., 2018). La difusion de
agua en la estructura interpolimérica
del PLA, degrada su microestructura
interna, debido a la formacion de
cavidades (Göpferich, 1996). Su de-
gradacion también depende en
mayor proporción del pH y la tem-
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InfoANALÍTICA 10(1)
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peratura (L. Xu et al., 2011). Otros de
los mecanismos que contribuyen a
su degradación, son los procesos en-
zimáticos asociados con una infec-
cion o procesos de inflamacion (da
Silva et al., 2018).
La relación de la cantidad de PLA en
el material, la presencia de otros ma-
teriales y su arquitectura molecular,
están directamente relacionadas con
sus compatibilidad química y propie-
dades mecánicas (Oksiuta et al.,
2020). En la Tabla 1 se muestran las
propiedades mecánicas del PLA.
Tabla 1. Propiedades mecánicas del PLA
(Vargas Pérez et al., 2015)
Propiedad Unidad
Límite elástico 49 MPa
Elongación 2,5 %
Módulo Elástico 3,2 GPa
Resistencia a la flexión 70 MPa
Módulo de tensión 3-4 GPa
Fuerza de tensión 40-60 MPa
El PLA se contrae con el calor, por lo
que es adecuado como material de
envoltura retráctil. Su punto de fu-
sión es 154 ºC (Hou & Qu, 2019).
Por su baja temperatura de transición
vítrea, no es adecuado para retener
líquidos calientes. Su manu factura
no requiere sistemas complejos, ge-
neralmente se usa mediante moldeo
por inyección, soplado, extrusión,
termoformado, hilado de fibras o for-
mación de película (Auras et al.,
2004). Por su procesabilidad re-
quiere un cuarto de energía, compa-
rado con los polímeros obtenidos a
base de petróleo como el PE o PP
(Casalini et al., 2019).
Moldeo por inyección en 3D
Esta tecnología permite generar for-
mas geométricas personalizadas. El
proceso es relativamente sencillo, se
requiere una impresora de 3D o de
corte láser y el filamento de PLA. Se
parte de un diseño en 3D, existe una
variedad de programas para diseñar
prótesis, sin embargo, el software Tin-
kercad (https://www.tinkercad.com)
permite usar piezas gratuitas previa-
mente diseñadas. El archivo del di-
seño se guarda en un pendrive en
formato .obj, .stl, .glb o .svg y se co-
necta a la impresora 3D. Los pará-
metros de impresión se muestran en
la Tabla 2.
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NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
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Tabla 2. Parámetros de impresión 3D
usando un filamento de PLA
(Liu et al., 2017)
Parámetro Valor
Temperatura del extrusor Te(°C) 220
Temperatura de la placa
e impresión Tb(°C) 60
Velocidad durante extrusión Ve(mm/s) 60
Velocidad sin extrusión Vt (mm/s) 120
Distancia entre la punta de la boquilla
y la capa de construcción d (mm) 0,1
Proporción de llenado F (%) 100
El proceso inicia con la introducción
del PLA mediante una boquilla que
se va calentando gradualmente, el
material semi-fundido se irá deposi-
tando sobre la mesa de trabajo con
una temperatura menor capa por
capa de manera controlada (Ñauta
Ñauta & Vergara Idrovo, 2017). Con
esta técnica, no se generan desechos
asociados a la producción, se consi-
dera sostenible y es un 90 % más rá-
pido en la obtención de piezas, por
lo que esta tecnología ha experimen-
tado un crecimiento exponencial en
los últimos años (Gómez Blázquez,
2019).
Ensayos de propiedades mecánicas
de PLA
Dentro de las principales caracterís-
ticas mecánicas asociadas a la eva-
luación del grado de inalterabilidad
del PLA (o mezcla), para establecer
una durabilidad y biocompatibilidad
del producto final, están la determi-
nación de pérdida de masa, grado
de cristalinidad, energía termogravi-
métrica y de activación, dureza y
tracción, resistencia a fractura, y ten-
sión para deformación, entre otras
(Oksiuta et al., 2020; Qiu et al.,
2016).
Determinación de pérdida de masa
La pérdida de masa de los materiales
se determina mediante una compa-
ración entre la diferencia del peso
inicial y el peso final seco. Las mues-
tras se colocan dentro de una incu-
badora a una temperatura de 37,0 ±
0,5 °C, simulando la temperatura
corporal, durante 180 días (Oksiuta
et al., 2020).
Grado de cristalinidad
La temperatura de cristalización,
grado de cristalinidad, temperatura
de fundición, entalpía de cristaliza-
ción en frío y entalpía de fusión de
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InfoANALÍTICA 10(1)
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los materiales utilizados en prótesis,
se identifican mediante la calorime-
tría diferencial de barrido (CDB). El
grado de cristalinidad se calcula me-
diante fórmulas matemáticas con los
parámetros determinados en las cur-
vas de CDB (Qiu et al., 2016).
Energía termogravimétrica y de ac-
tivación
La termogravimetría se realiza me-
diante analizadores con incrementos
de temperatura, donde los materiales
son sometidos a descomposición tér-
mica (Oksiuta et al., 2020). Por otra
parte, la energía de activación se de-
termina mediante el método Kissin-
ger, en donde se estudia la
calorimetría diferencial de barrido,
análisis térmico diferencial y la ter-
mogravimetría derivativa (Vyazov-
kin, 2020). Este método se basa en
la dependencia de la temperatura
sobre el rango de calentamiento de
los materiales.
Dureza y tracción
Los ensayos de dureza se realizan en
base a la norma estándar ASTM
D2240 (Cakir et al., 2018). El em-
pleo de esta norma permite evaluar
la dureza de varios tipos de duróme-
tros (A, D y M). Para el caso del PLA,
se emplea el durómetro tipo D
(Cakir et al., 2018; Oksiuta et al.,
2020).
El comportamiento mecánico de los
materiales se determina mediante
ensayos de tracción, a través del mó-
dulo de Young, límite elástico y alar-
gamiento a la rotura (Farah et al.,
2016). Estas propiedades específicas
son importantes ya que determinan
las dimensiones necesarias para una
cierta resistencia mecánica o rigi-
dez. Así mismo, la resistencia a la
tracción, el módulo elástico y el
alargamiento porcentual pueden ser
determinados mediante la norma es-
tándar ASTM D638 (Anand Kumar &
Shivraj Narayan, 2019; Cakir et al.,
2018).
Uso de nanomateriales con PLA
como matriz polimérica
El PLA presenta baja resistencia me-
cánica, hidrolizabilidad y mala ad-
herencia celular, por lo que podría
causar no sólo fractura de la prótesis,
sino infecciones en el organismo.
Para su uso en exoprótesis se emplea
un recubrimiento de silicona médica
(Komoto et al., 2018). La nanotecno-
logía permite manipular estructuras
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NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
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a nanoescala, creando materiales
más resistentes utilizados en próte-
sis, implantes, ingeniería de tejidos,
componentes de órganos artificiales,
entre otros (Mediforum, 2016). Los
estudios sobre el uso materiales para
mejorar las propiedades mecánicas
del PLA son limitados (Farah et al.,
2016). En el presente estudio se ana-
lizan varios nanomateriales que se
han empleado para mejorar las pro-
piedades mecánicas de PLA y que
pueden ser potencialmente usadas in
vivo. Estudios de adaptación de la
superficie de materiales han permi-
tido desarrollar metodologías para
anclar nanomateriales solos o en
combinación con otros sobre super-
ficies de prótesis, incorporando fun-
cionalidades específicas adicionales
que permiten superar las carencias
del material en cuanto a la interac-
ción con el medio, pero mante-
niendo las propiedades del material
de partida (Petersen et al., 2014). La
incorporación de los nanomateriales
en estado sólido (polvo) sobre PLA,
puede realizarse en disolución en
cloroformo, éter de petróleo o eta-
nol, se elimina el disolvente y se co-
loca sobre el molde del filamento
para la impresión en 3D (aprox. 1,75
mm). La mezcla también puede re-
alizarse por extrusión o inyección,
con maquinaria usada para la elabo-
ración de plásticos (Ziabkąet al.,
2018). A continuación de describen
los nanomateriales usados en com-
binación con el PLA:
Nanocelulosa
La celulosa es un polímero estructu-
ral presente en la naturaleza, forma
parte de las plantas confiriendo sus
propiedades mecánicas (Dufresne,
2013). Es considerado el polímero
renovable más abundante. La estruc-
tura de la celulosa está compuesta
por unidades de β-1,4-anhydro-D-
glucopiranosa. Los grupos hidroxilos
tienen la habilidad de formar puen-
tes de hidrógeno y esta característica
otorga que la estructura sea fibrilar y
semicristalina, lo que influye direc-
tamente en sus propiedades físicas y
mecánicas (French, 2014). En la ac-
tualidad se han desarrollado nano-
materiales a partir de la celulosa.
Existen tres tipos de nanocelulosa,
nanocristales de celulosa (CNC), na-
nofibrillas de celulosa (CNF) y celu-
losa bacteriana (BC) (Lin & Dufresne,
2014). A nivel industrial, existen va-
rios proyectos con el objetivo de
producir grandes cantidades de ce-
lulosa microfibrilada con caracterís-
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InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
ticas uniformes. En un estudio reali-
zado por Tanpichai (Tanpichai &
Wootthikanokkhan, 2016) usando
una mezcla de fibras de bamboo y
PLA, tanto el módulo de Young
como la resistencia a la tensión me-
joraron en un 42 % y 18 %, de 32,8
MPa a 38,7 MPa y de 2,4 a 3,4 GPa
respectivamente.
Se ha reportado que materiales celu-
lósicos pueden causar respuestas
leves in vivo (Gumrah Dumanli,
2017), pues la celulosa no es degra-
dada por el cuerpo humano ya que
no posee enzimas celulósicas. Exis-
ten pocas investigaciones enfocadas
a estudiar la biocompatibilidad de la
nanocelulosa (Lin & Dufresne,
2014).
A nivel de nanopartículas existe un
gran desafío para encontrar una dis-
persión homogénea en su matriz po-
limérica, debido a que los grupos
hidroxilos de la superficie interac-
túan causando agregación, mientras
menor es el tamaño de la partícula
este fenómeno se magnifica, limi-
tando el potencial del refuerzo me-
cánico (Dufresne, 2013). Pocas
investigaciones se han encontrado
acerca del uso de la nanocelulosa y
PLA en prótesis, Zhou et al. (2013)
fabricaron andamios de bio-nano-
compósitos fibrosos electrohilados
con CNCs utilizando anhídrido ma-
leico injertado en PLA como matriz.
Su biocompatibilidad fue analizada
utilizando células madres mesenqui-
males derivadas de tejido adiposo
humano. El nanomaterial demostró
una estabilidad mejorada durante la
degradación in vitro, no resultó ser
tóxico para las células, las cuales
fueron capaces de soportar la proli-
feración celular. Los autores conclu-
yeron que este nanomaterial posee
propiedades útiles para la ingeniería
de tejidos óseos. Actualmente, se in-
vestiga el uso de materiales a base
de nanoquitina-nanocelulosa, este
material posee un alto rendimiento
debido a su gran área superficial y a
su tamaño pequeño (Kalarikkal et
al., 2016). Se usó la línea celular de
fibroblastos de un roedor para inves-
tigar su biocompatibilidad, mostró
ser más susceptible a la bioadhesión
a este nanomaterial y por tanto, a su
proliferación en comparación a otros
nanomateriales (Ee & Yau Li, 2021).
Quitosano
El quitosano es el polímero natural
más abundante después de la celu-
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NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
Campaña et. al., 15–41
losa (Roberts, 1992). La quitina se
encuentra presente en los exoesque-
letos de los crustáceos. Mediante la
N-desacetilización, la quitina se
puede transformar en quitosano
(Hernández-Cocoletzi et al., 2009).
La principal fuente de obtención es
la industria camaronera, el aprove-
chamiento de este material está ayu-
dando a disminuir millones de
toneladas de desperdicios a nivel
mundial. Químicamente, es un polí-
mero policatiónico compuesto por
unidades de β-1,4-D-glucosamina
(El-Ghaouth et al., 2000). Las propie-
dades fisicoquímicas del quitosano
como la biodegradabilidad, biocom-
patibilidad, ausencia de toxicidad y
naturaleza antimicrobiana, han per-
mitido que se lo emplee en distintas
áreas como medicina, cosmética,
farmacia, agricultura, alimentación,
entre otras (Hernández-Cocoletzi et
al., 2009). Las nanopartículas de
quitosanoson materiales coloidales
con un tamaño entre 1 y 1000 nm,
presentan alta estabilidad y reactivi-
dad, adsorción y facilidad de alcan-
zar los tejidos diana (Carmona et al.,
2018). Durante las últimas décadas,
se ha investigado sobre la biocom-
patibilidad del quitosano, demos-
trando que éste no es tóxico, y
puede soportar una variedad de cé-
lulas para que se adhieran y prolife-
ren (Sangeetha et al., 2019). Entre
éstas se encuentran los osteoblastos,
condrocitos, fibroblastos, células del
núcleo pulposo, células neurales y
endoteliales; además, ha sido com-
probado su potencial para ser utili-
zado en hueso, cartílago, piel, disco
intervertebral, ligamento y tendón, y
en la ingeniería de tejidos nerviosos
y vasculares (Jiang et al., 2014).
Usando nanopartículas de quitosano
con PLA como matriz, se observó un
aumento de elasticidad medida a
través del módulo de Young (Sonseca
et al., 2019). Así mismo, los copolí-
meros a base de PLA/quitosano mos-
traron una mayor resistencia del
material y un tiempo de degradación
prolongado. Los estudios in vivo in-
dicaron una resistencia suficiente
del PLA durante 8-12 semanas des-
pués de la implantación. Estos ha-
llazgos sugieren que el PLA puede
usarse eficazmente para la fijación
interna de huesos (DeStefano et al.,
2020). La mayor parte de mezcla
PLA/quitosano se emplea como
transportadores de fármacos (Dev et
al., 2010).
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InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
Nanotubos de carbono
Son láminas de capas de grafito en-
rolladas de manera concéntrica.
Existen dos tipos de nanotubos de
carbono (CNT por sus siglas en in-
glés), dependiendo de las capas de
grafito que forman, nanotubos de
carbono de pared múltiple
(MWCNT por sus siglas en inglés) y
nanotubos de carbono de pared sen-
cilla (SWCNT por sus siglas en in-
glés) (Figura 2) (Andrade Guel et al.,
2012). Fueron descubiertos por pri-
mera vez en 1991 y los primeros na-
nocompuestos poliméricos usando
nanotubos de carbono se reportaron
en 1994, los cuales poseen baja
densidad, alta flexibilidad, resisten-
cia, conductividad térmica (Moni-
ruzzaman & Winey, 2006).
Los CNTs pueden llegar a ser más
fuertes que el acero, más ligeros que
el aluminio y con mayor conductivi-
dad que el cobre (Enyashin & Iva-
novskii, 2007; Moniruzzaman &
Winey, 2006).
Los híbridos formados entre biomo-
léculas (ADN, proteínas) con CNTs
son utilizados en el campo biomé-
dico (Dresselhaus et al., 2000).
Figura 2. Representación nanotubos de
carbono MWCNT y SWCNT (Andrade
Guel et al., 2012)
La mayor parte de investigaciones
acerca del uso de nanotubos de car-
bono en el área de la protésica, em-
plean hidroxiapatita (HA) como
material de recubrimiento. En un es-
tudio in vivo de CNTs y recubri-
miento de HA en implantes de
titanio incrustados en huesos de roe-
dores, no se observó ningún efecto
fisiológico adverso o citotoxicidad
en tejidos y células óseas (Facca et
al., 2011). La adición de CNTs in-
dujo una mayor osteointegración
como en comparación con HA. El
módulo de elasticidad del hueso
nuevo se comparó con el módulo de
HA-CNTs/hueso para comprender la
integridad mecánica del implante,
siendo el modificado con CNTs más
elástico. Pocos estudios analizan su
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NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
Campaña et. al., 15–41
combinación con PLA, pero no se
reportan estudios in vivo. Flores-Ce-
dillo y colaboradores usaron una
matriz de PLA con CNTs de pared
múltiple para simular un andamio
para la regeneración ósea. No se re-
alizaron ensayos biológicos, única-
mente mecánicos, que mostraron
una diferencia muy significativa en
módulo de Young de 6000 MPa
usando nanotubos y PLA (Ángel-
lópez, 2017).
Los CNTs pueden promover un mi-
croambiente similar a la matriz extra-
celular, por lo que lo hace un poten-
cial candidato para el desarrollo de
andamios artificiales (Kalarikkal et
al., 2016). La biocompatibili dad de
los CNTs mejora cuando se los in-
corpora a una matriz de PLA, esto
puede prometer un buen futuro en
los sistemas biomédicos y en el de-
sarrollo de bio-nanomateriales, ade-
más, se asegura que la preparación
de estos nanocompuestos es apta
para la industria pues son mucho
más baratos y requieren de menos
pasos para su fabricación (Akbari et
al., 2015).
Grafeno
Es una lámina fina plana de carbono
con una estructura de retícula hexa-
gonal en 2D con hibridación sp2.
Entre sus propiedades destaca un
valor de módulo de Young elevado,
gran superficie teórica, buena trans-
parencia óptica y una excelente con-
ductividad térmica (Huang et al.,
2012). En la actualidad, se ha lo-
grado combinar compuestos a base
de grafeno con polímeros, biomate-
riales, nanoestructuras inorgánicas,
cristales orgánicos y CNTs (Huang
et al., 2012). Una base polimérica
de PLA junto con grafeno aumentó
hasta en un 160 % en relación a la
resistencia a la tracción (Kucharczyk
et al., 2016).
El grafeno ha mostrado un potencial
excepcional para usos biológicos,
uno de éstos es la regeneración ósea.
Diferentes tipos de células de osteo-
blastos han sido testeados con el gra-
feno para este tipo de aplicaciones.
Además, se ha comprobado su bio-
compatibilidad, usando capas de
grafeno y lamininas, puede promover
la adhesión celular y la configura-
ción celular pseudopodial (Kalarikkal
et al., 2016). La biocompatibilidad
puede verse afectada por los materia-
les de partida que se usen y los mé-
todos que se apliquen para la
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InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
producción de materiales a base de
grafeno. Cuando estos materiales son
incorporados al PLA por ejemplo, las
propiedades mecánicas del polímero
mejoran, siendo importante en el
área de la protésica e implantes qui-
rúrgicos. Cultivos de fibroblastos de
embriones de roedor fueron testea-
dos para evaluar la biocompatibili-
dad de películas compuestas por dos
materiales de grafeno: óxido de gra-
feno y nanoplaquetas de grafeno in-
corporadas en PLA. Las películas de
PLA/óxido de grafeno mostraron una
mayor adhesión y proliferación celu-
lar. El óxido de grafeno en la superfi-
cie del material incrementó su
hidrofilicidad, formando una morfo-
logía de superficie adecuada para la
adsorción proteica y adhesión celu-
lar (Pinto et al., 2013).
Óxido de titanio
El óxido de titanio (TiO2) se presenta
naturalmente como tres minerales
conocidos como rutilo, anatasa y
brookita. Es uno de los materiales
más blancos que existen, es por esto
que se lo ha utilizado en cosméticos
como protector solar, además se lo
incorpora en pinturas en materiales
de construcción, fibras de tela y
papel (Kasuga et al., 1998; Peters et
al., 2014). La dispersión de la luz al-
canza su máxima eficiencia en par-
tículas de 200 a 300 nm de diámetro
(Yan et al., 2010). Las películas del-
gadas de TiO2con estructuras nano-
porosas tienen gran superficie y alta
reactividad (Gong et al., 2001). Las
TiO2NPs no son tóxicas, por esta
razón tienen grandes usos en recu-
brimientos antibacterianos (Amar-
nath et al., 2013). Varios estudios
indican que un contenido mínimo de
TiO2en una matriz de PLA, incre-
mentan la resistencia del material en
relación a la fractura (Segura Gonzá-
lez, 2016). El TiO2tiene notables pro-
piedades físicas y químicas como la
estabilidad, sensibilidad y selectivi-
dad, y biológicas como la biocompa-
tibilidad, las cuales lo han convertido
en un material adecuado para distin-
tas aplicaciones biológicas (Kumar et
al., 2018). Shebi & Lisa (2019) a par-
tir del extracto de la planta Piper ni-
grum fabricaron TiO2NPs mediante
el método de síntesis sol-gel, para
añadirlas a PLA. Su biocompatibili-
dad fue evaluada usan do las células
de fibroblasto de roedor, demos-
trando que existe una elevada viabi-
lidad celular debido a la presencia
de partículas de TiO2en las películas
de PLA. Se concluyó que, debido al
27
NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
Campaña et. al., 15–41
tamaño de los poros, se puede variar
significativamente los comporta-
mientos celulares como la adhesión,
propagación o proliferación.
Dentro de la cirugía ortopédica y
dental, los implantes a base de Ti son
la primera opción por su alta biocom-
patibilidad. Sin embargo, se requiere
modificar la superficie del implante,
para obtener una fuerte osteointegra-
ción con el hueso. Las nanopartículas
de TiO2son un material de recubri-
miento prometedor para la mejora de
la actividad osteogénica alrededor de
los implantes (Ahn et al., 2019).
Rajapakse y su grupo describieron
una técnica novedosa, simple y de
bajo costo para preparar metal de ti-
tanio recubierto de hidroxiapatita, a
través del crecimiento de capas del-
gadas de nanopartículas de TiO2au-
toformadas sobre superficies metáli-
cas de titanio. Este estudio demostró
ser altamente útil para preparar im-
plantes ortopédicos de bajo costo a
gran escala., sin riesgo citotóxico
(Rajapakse et al., 2016) .
Nanopartículas de óxido de hierro
Las nanopartículas de óxido de hie-
rro (Fe3O4) han captado mucha aten-
ción debido a sus propiedades super-
paramagnéticas, como la orientación
magnética de fármacos, la resonan-
cia magnética y los catalizadores
(Zaitsev et al., 1999). La aplicación
del suministro de fármacos es de par-
ticular interés para estas partículas
por su biocompatibilidad. El uso de
un campo magnético externo podría
permitir el transporte de fármacos di-
rectamente a tejidos específicos
(Cho moucka et al., 2010). Las nano-
partículas de Fe3O4tienen la capaci-
dad de mejorar el contraste de
resonancia magnética y mejorar los
sistemas de administración de fárma-
cos. También se ha informado que
las nanopartículas magnéticas distri-
buidas en una matriz de polímero
biodegradable, se liberan de manera
controlada en relación al tiempo y
ubicación (Wassel et al., 2007).
Pocos estudios sobre el uso de nano-
partículas de hierro con PLA en pró-
tesis ha sido estudiada, su objetivo se
basa en generar memoria reprogra-
mable inducida magnéticamente en
un derivado de PLA, con ácido poli-
D,L-láctico (PDLLA), pudiendo apli-
carse a prótesis no deformables (X.
Zheng et al., 2009), o como agentes
transportadores de fármacos usando
PLA (Xiang et al., 2017). En la inves-
28
InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
tigación de Zhou et al. (2013) se fa-
bricaron y caracterizaron andamios
de cristales de nanocelulosa (CNC) y
anhídrido maleico (MAH) injertados
en PLA, como matriz (MPLA/ CNC).
Esta investigación demostró por pri-
mera vez que la interacción de estos
bio-compuestos puede promover la
formación de microestructuras nano-
fibrosas de matriz extra- celular, así
como una mejora de las propiedades
mecánicas y citocompatibilidad.
Nanopartículas de plata
Las nanopartículas de plata (AgNPs)
poseen propiedades antibacterianas
y baja toxicidad (Chen & Schluese-
ner, 2008). Se han reportado estu-
dios realizados en AgNPs utilizando
diferentes polímeros; éstos incluyen
la síntesis en polivinilpirrolidona
(Zheng et al., 2001), alcohol polivi-
nílico (Khanna et al., 2005), poliure-
tano hiperramificado (Lu et al.,
2003) y poliacrilonitrilo (Zhang,
2001). Existe limitada información
sobre el uso de AgNPs y PLA en pró-
tesis y sus correspondientes ensayos
in vivo. En un estudio de propieda-
des mecánicas entre AgNPs/quito-
sano y PLA, se obtuvo un rendimien-
to superior al usar nanopartículas en
relación al Módulo de Young con un
valor de 88 a 256 MPa. (Sonseca et
al., 2019). Acerca de los ensayos re-
alizados in vivo, usando una pe-
queña copa como implante en el
músculo de un roedor, se ha anali-
zado el efecto de AgNPs con otro
tipo de polímero, acrilonitrilo buta-
dieno estireno (ABS) (Ziabkąet al.,
2018). Los estudios in vivo confirma-
ron la biocompatibilidad de los im-
plantes, tanto el ABS puro como el
modificado con nanopartículas, ex-
hibieron una clara disminución en el
área de granulación, misma que fue
reemplazado por tejido muscular en
regeneración. Se observó un área li-
geramente más pequeña de tejido de
granulación en los alrededores de la
prótesis con AgNPs que con ABS
puro. Sobre las propiedades mecáni-
cas, la fuerza de tensión fue ligera-
mente mayor (54 MPa), en compa-
ración a la prótesis a ABS puro con
52 MPa. En la investigación de Ghe-
rasim et al. (2020), fabricaron com-
pósitos nanoestructurados recubier-
tos de PLA/AgNPs mediante la téc-
nica de vaporación láser pulsada
asistida por matriz. Se demostró que
este material resultó ser biocompati-
ble in vitro con células endoteliales
humanas y que puede ser usado
para aplicaciones biomédicas.
29
NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
Campaña et. al., 15–41
Nanopartículas de sílice mesoporosa
Las nanopartículas de sílice mesopo-
rosa (MSN) son una de las nanopar-
tículas inorgánicas mejor estudiadas
para la administración de fármacos
y agentes de contraste (Xu et al.,
2019) Estas nanopartículas poseen
algunas características únicas, como
una alta capacidad de carga de fár-
maco debido a su gran área de su-
perficie y alto volumen de poros, así
como al tamaño de partículas y
poros sintonizables. Para administrar
agentes de ácido nucleico, la super-
ficie de sílice se convierte para trans-
portar cargas positivas. Las nanopar-
tículas de sílice mesoporosa han
sido empleadas con éxito como re-
cubrimiento de prótesis e implantes
dentales (Sangeetha et al., 2019). Sin
embargo, en combinación con PLA,
evidenció que la adición de nano-
partículas genera una alteración en
su degradación térmica, debido a la
dependencia del tiempo, tempera-
tura y estructura del polímero. La uti-
lización de estas nanopartículas
mejoró sus propiedades mecánicas
presentando, una dependencia di-
recta del contenido de sílice (Botia
Prada & Orjuela Abril, 2016).
Referente a la biocompatibilidad, las
NPs de sílice pueden ocasionar le-
siones intracelulares causadas por la
interacción entre éstas y los sistemas
biológicos, los cuales incluyen pero-
xidación de la membrana, agota-
miento del glutatión, disfunción
mitocondrial y/o daño del ADN. Sin
embargo, todos estos sucesos están
relacionados al tipo de la célula, a
las características de las NPs o en la
forma como ellas interactúan. Las
características son tamaños a na-
noescala, estructuras mesoporosas,
área superficial, volúmenes largos
del poro. Las nanopartículas de sí-
lice no han mostrado citotoxicidad
en muchos sistemas biológicos con
las adecuadas características y co-
rrectas dosis. Existe un amplio rango
por investigar sobre la biocompatibi-
lidad de estas nanopartículas (Asefa
& Tao, 2012).
Otros tipos de nanomateriales
Las nanopartículas de sepiolitas en
una matriz de PLA, lograron dismi-
nuir los efectos de degradación del
polímero al reducir la movilidad de
sus cadenas por miscibilidad (Ve-
lasco Nieto, 2016).
30
InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
Por otro lado, las nanopartículas de
colágeno pueden ser utilizadas en
combinación con componentes ma-
triz como PLA, con el objetivo de
mejorar la proliferación y el creci-
miento vascular proporcionando un
sustrato para la regeneración epidér-
mica. Las mallas poliméricas sintéti-
cas demuestran buena biocompatibi-
lidad, altas propiedades mecánicas
y son de fácil manejo. Sin embargo,
los andamios de polímeros sintéticos
tienen problemas de hidrofobicidad
superficial y pérdida de células sem-
bradas (Colorado et al., 2013).
La biocompatibilidad y la biodegra-
dabilidad del colágeno han aportado
sin duda un gran potencial hacia el
campo de la ingeniería de tejidos.
Geles nanofibrilares de colágeno
fueron preparados para apoyar la
unión de células neuronales y para
la reparación del cerebro; sustitutos
de la piel basados en el cultivo de
células sobre andamios 3D de colá-
geno actualmente, son comercializa-
dos. El colágeno ha resultado ser
biocompatible para la mayoría de te-
jidos como huesos, tendones, vasos
sanguíneos, piel, córnea, entre otros.
Además, éste estimula el creci-
miento celular y modifica la morfo-
logía, migración, adhesión y diferen-
ciación celular (Kalarikkal et al.,
2016).
31
NANOMATERIALES COMBINADOS CON ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)
EN PRÓTESIS ORTOPÉDICAS: UNA REVISIÓN
Campaña et. al., 15–41
CONCLUSIÓN
Aunque el uso de PLA en el área de
la protésica es común, por su baja
resistencia mecánica, es necesario el
estudio para poder mejorarla. En la
revisión bibliográfica realizada se ci-
taron varios tipos de nanomateriales,
de diferente naturaleza, algunos de
ellos se han ensayado con PLA a
nivel macro y muy pocos en escala
nanométrica. En los estudios de las
propiedades mecánicas, los nanotu-
bos de carbono y grafeno se presen-
tan como una alternativa, sin em-
bargo, los estudios de biocompatibi-
lidad son aún deficientes. Acerca de
los estudios in vivo, sobre nanotubos
de carbono, grafeno, óxido de tita-
nio, nanopartículas de plata y nano-
partículas de sílice mesoporosa
existe poca información. Como an-
claje para las nanopartículas se su-
giere el material biocompatible
hidroxiapatita, por el número de es-
tudios que respaldan su uso. Como
potencial biomaterial de recubri-
miento se recomiendan a las nano-
partículas de colágeno, por la com-
patibilidad a nivel tisular.
32
InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
Este estudio fue realizado como pro-
yecto de la asignatura de Nanotec-
nologías y Materiales Funcionales
para Diseño de la Maestría en Di-
seño Industrial y de Procesos de la
Universidad Internacional SEK del
Ecuador en el año 2020. Los autores
agradecen al Dr. Alberto Larrea, di-
rector del Proyecto Jubilous 3D de la
Pontificia Universidad Católica del
Ecuador.
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