CELEBRANDO 100 AÑOS DE LA CIENCIA DE LOS POLÍMEROS Y SU IMPACTO EN LOS BIOMATERIALES

Dr. Juan Valerio Cauich Rodríguez*
Unidad de Materiales, CICY

En el año 2020, el mundo celebró los 100 años de la investigación en polímeros. Varios países se unieron a esta iniciativa y México no puede quedarse atrás. Por esta razón, quiero dedicar este artículo para presentar la contribución de los polímeros en el desarrollo de biomateriales y su impacto en la salud. En la segunda sección de este artículo, presentaré la contribución de los materiales poliméricos desarrollados en México con uso novedosos como biomateriales y dispositivos de uso médico.

 

Los polímeros y los biomateriales

Para comenzar por el principio, debemos recordar que fue en 1920 que Hermann Staudinger propuso el término macromolécula, sugiriendo la existencia de un compuesto químico formado por la unión covalente de pequeñas moléculas llamadas monómeros o unidades. Son estas unidades repetitivas las que le dan origen hoy en día a los polímeros que van desde materiales comunes de uso cotidiano como el polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), policloruro de vinilo (PVC) o el polietilen tereftalato (PET) hasta polímeros de ingeniería como el policarbonato (PC). La figura 1 muestra diversos productos manufacturados con materiales poliméricos.

 

 

Staudinger nunca se imaginó el impacto de esta propuesta inicial en el desarrollo de materiales poliméricos para su uso en la medicina. Si bien fue reconocido en 1953 con el premio Nobel de Química, creo que la humanidad le debe más que esto ya que gracias a este simple concepto hoy en día se pueden sintetizar macromoléculas con composición, estructura y propiedades diseñadas a la medida y que puedan tener un impacto ya sea en el desarrollo de biomateriales así como en soportes de ingeniería tisular. Las bases teóricas las policondensaciones (crecimiento en etapas) y de las propiedades en solución de muchos sistemas poliméricos actuales y su miscibilidad serían desconocidas sin las contribuciones adicionales de W. Carothers, P.J. Flory , W.H. Stockmayer y P.G. de Gennes, muchos de ellos trabajando en la industria y no necesariamente en la academia.

Esta visualización clásica de un polímero como un collar de perlas, donde cada perla es una unidad monómerica o aquellas que se refieren a las cadenas poliméricas como espaguetis en un tazón, ayudaron a desarrollar conceptos más profundos como la biocompatibilidad donde propiedades como la composición (grupos funcionales), estructura (cristalina o amorfa), rugosidad (topografía superficial) o grado de humectabilidad (ángulo de contacto o energía superficial) entre otras tienen un efecto en su interacción con elementos biológicos para que puedan usarse dentro del cuerpo humano.

Esta primera parte está relacionada con la aportación de los polímeros y por lo tanto sería injusto dejar afuera las contribuciones de números investigadores que también fueron reconocidos a nivel mundial con el Nobel de Química. Por ejemplo, Herman F. Mark, estudió originalmente la estructura de la celulosa y cuyo impacto hoy en día es evidente en el desarrollo de la celulosa nanocristalina. Por su parte, K. Ziegler y G. Natta desarrollaron síntesis esteroespecíficas que permitieron desarrollar olefinas como el polietileno lineal y el polipropileno isotáctico que pueden usarse solos o con multitud de rellenos/refuerzos (HA, TCP, vidrios bioactivos, etc.) para mejorar su biocompatibilidad. Los polímeros intrínsecamente conductores desarrollados por A.J. Heeger, A. McDiarmid y H. Shirakawa han servido de inspiración para la generación de materiales para la regeneración ósea y la regeneración de nervios periféricos. Finalmente, los trabajos de Y. Chauvin, R.H. Grubss, R.R. Schrock en relación con la metátesis olefinica y la metátesis con apertura de anillo se han aprovechado para la síntesis de soforolípidos via apertura de anillo para producir biomateriales absorbibles. 

Esta revisión no estaría completa sin mencionar los trabajos de otros investigadores poliméricos que, aunque no recibieron algún reconocimiento mundial no por ellos son menores sus aportaciones. Por ejemplo, Otto Wichterle desarrolló hidrogeles o polímeros absorbentes de agua a base de PHEMA que hoy encuentra aplicaciones en lentes de contacto blandos. Desarrollos posteriores hicieron que la liberación de un principio activo fuera en respuesta a distintos estímulos químicos (pH) o físicos (temperatura, luz, etc.) sentando las bases para la liberación controlada de los mismos. Actualmente, los polímeros portadores de fármacos o conjugados polímero-fármaco propuestos por H. Ringsdorf siguen siendo alternativas atractivas para la dosificación controlada de numerosos compuestos contra el cáncer.

En 1938, Otto Bayer desarrolla los poliuretanos, que, en mi opinión, son de los materiales poliméricos más versátiles que pueden usar en distintos campos incluyendo la medicina. La combinación de isocianatos alifáticos o aromáticos con polioles sintéticos o de origen vegetal y extensores de cadena diversos permite el desarrollo de poliuretanos segmentados con aplicaciones que van desde hidrogeles hasta sustitutos de tejidos blando como injertos vasculares o incluso sustitutos de tejido duro como el hueso.
Por su parte la polimerización aniónica viva, atribuidas a Szwarc en 1956 o las polimerizaciones radicalarias controladas (NMP, ATRP, RAFT) han permitido el desarrollo de estructuras con bloques bien definidos, con pesos moleculares controlados y polidispersidades bajas que son muy útiles en la ingeniería macromolecular donde se controla igualmente la composición, la funcionalidad y topología de distintos copolímeros.

 

Desarrollo de biomateriales de origen polimérico en México

Los polímeros pueden clasificarse muchas maneras y es así como con base a su desempeño mecánico pueden clasificarse como fibras, plásticos y elastómeros. Sin embargo, son los plásticos que asociamos con numerosos problemas de contaminación hoy en día sin reconocer su importante aporte al desarrollo de materiales para uso médico. Es oportuno mencionar que plásticos como el polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE por siglas en inglés) es usado como copa acetabular durante una artoplastia total de cadera o como base de la prótesis metálica en una artroplastia de rodilla. El polipropileno puede usarse en suturas mientras que el PET es altamente codiciado en injertos vasculares. La figura 2 muestra algunos biomateriales de origen polimérico que pueden usar para sustituir distintas partes del cuerpo humano.

 

Los polímeros también se pueden clasificar con base en su estabilidad o biodegradabilidad. Este concepto, usado de la manera correcta nos permite elegir un polímero para distintas aplicaciones y con distintos impactos en el medio ambiente o la salud. Si bien es cierto, que por cuestiones ambientales nos gustaría que los polímeros desaparecieran en un tiempo corto y no fueran a parar en los océanos contaminando toda la cadena alimenticia en forma de microplásticos, es precisamente esta estabilidad la que los hace también útiles en medicina. Por ejemplo, sería inconcebible un cemento óseo para fijar una prótesis de rodilla, cadera u hombro que se desgradara en el cuerpo humano después de 4 semanas. Estos acrílicos, específicamente PMMA, están diseñados para durar más de 10 años en contacto con hueso y una prótesis metálica. Un injerto vascular de alto calibre a base de Dacron (PET tejido) o Teflon expandido (ePTFE) debe durar igualmente varios años tras un procedimiento altamente invasivo y cuyo fallo puede tener consecuencias fatales en una persona. Sin embargo, para ciertas áreas de la medicina, la degradación a corto plazo es altamente deseable, por ejemplo, en el desarrollo de membranas de regeneración guiada (ósea) materiales poliméricos a base de poli(ácido láctico) o poli(ácido glicólico) se requiere una degradación en  4 o 8 semanas con la generación de productos no tóxicos para el organismo y que no requieran de un segundo acto quirúrgico. Cuando hablamos de polímeros en medicina no solo debemos pensar en aquellos que son implantados y que tendrán una duración corta o prolongada con el cuerpo humano sino también en aquellos polímeros que tendrán un contacto externo (lentes de contacto o sustitutos de piel) con tejidos y fluido corporales. Numerosos dispositivos médicos que están en contacto con sangre tales como catéteres, oxigenadores, etc. no solo deben considerar el daño mecánicos a los distintos elementos de este tejido sino también prevenir su coagulación sin comprometer la salud del paciente. No está demás decir que deben ser fácilmente esterilizables en repetidas ocasiones sin deterioro de sus propiedades y desempeño.

Sin embargo, la verdadera pregunta que tratare de responder es cuál es la contribución de los polímeros al desarrollo de biomateriales en México. Hoy en día sería fácil decir que cada grupo que trabaja con polímeros es potencialmente un sitio de promoción de los biomateriales para uso médico. Una búsqueda reciente en Scifinder arrojó los siguientes resultados: usando las palabras “biomaterials” y “México” solamente aparecieron 17 publicaciones siendo la más antigua del 2001 y relacionada con la síntesis de varias hidroxipatitas coralinas para aplicaciones óseas. Por otro lado, una búsqueda en pubmed (www.pubmed.gov) con las palabras “biomaterials” y Mexico muestra un total de 1054 publicaciones con crecimiento constante desde 1985 hasta enero de 2021 y donde se publicaron 132 artículos solo en 2019. Cuando las palabras claves fueron “polymeric biomaterials” aparecieron 420 publicaciones en total, es decir, casi la mitad de los artículos relacionados con biomateriales tienen que ver con polímeros. Usando las palabras claves “polyurethane biomaterials” y “México” aparecen solamente 26 entradas cobrando especial importancia a partir de 2013. Usando las palabras claves “dental biomaterials” y “México” aparecen 75 registros ocurriendo este repunte a partir de 2014. Usando las palabras claves “hydrogels” y “México” aparecen 189 entradas cobrando especial importancia a partir de 2013. Finalmente, usando las palabras claves “bone cements” y “México” aparecen 89 entradas cobrando especial importancia a partir de 2000 pero con una reducción notable a través de los últimos años.

La figura 3 muestra el crecimiento constante de las publicaciones relacionadas con biomateriales en México a partir de 1985.

 

 

Conclusiones

Alguna vez alguien se preguntó ¿Usar o no usar los plásticos? Como miembro de la comunidad polimérica de México y como ferviente promotor de su uso en Medicina, creo que no hay tal dilema. Sabemos que existen los plásticos biodegradables sintéticos o a partir de biomasa, y que se pueden usar para minimizar el impacto ambiental pero que esto tiene un alto costo económico. Sabemos que la reutilización de los mismos materiales poliméricos puede incrementar su vida útil, que se puede evitar el uso de colorantes en ellos para su mejor reciclo y que a través de la investigación podemos desarrollar nuevas técnicas de despolimerización, nuevas formas de recuperación de aditivos o de separación y clasificación a través de marcadores químicos o infrarrojo y finalmente nuevo adhesivos que sean reversibles. 
Sin embargo, el uso de materiales poliméricos en medicina es más complicado ya que no existe un polímero universalmente biocompatible ya que cada microambiente biológico es muy particular y con demandas muy específicas. Esto es, un polímero biocompatible con el tejido duro y que promueva la biomineralización no necesariamente tendrá un buen desempeño como sustituto de tejido blando donde las prestaciones mecánicas son también diferentes. Cada aplicación en el cuerpo humano requiere evaluar no solo los aspectos de citotoxicidad sino también la respuesta inmune inmediata previa a la reparación. 
Tal vez es momento de voltear a ver a la materiobología o de mirar a los biomateriales de origen natural como aquellos similares a la elastina, los polisacáridos sulfatados de origen marino, los péptidos antimicrobianos, el papel de los elementos traza en la mecanobiología y la angiogénesis, y considerar el verdadero impacto de la biotecnología y la nanotecnología en la efectividad en el diseño de sustitutos biológicos. También se debe valorar el uso de nanopartículas para la liberación controlada de fármacos (isoniacida) en pulmones o incluso en el desarrollo de vacunas a través de la terapia génica para combatir la COVID-19.
Solamente continuando con este legado iniciado por Hermann Staudinger en 1920 podremos decir que sus enseñanzas no han caído en saco roto.

 

*Sobre el autor 
El Dr. Cauich Rodríguez es Químico Industrial por la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Autónoma de Yucatán (1984-1988). Posteriormente realizó estudios de Maestría en la Universidad de Manchester (UMIST), Inglaterra en Ciencia y Tecnología de Polímeros (1992-1994). El Dr. Cauich Rodríguez obtuvo el Doctorado en Queen Mary and Westfield College de la Universidad de Londres, Inglaterra (1994-1997). Desde 1998 es Profesor/Investigador del Centro de Investigación Científica de Yucatán A.C. en la Unidad de Materiales donde actualmente tiene la categoría de Investigador Titular D realizando investigación en polímeros con aplicaciones médicas incluyendo acrí