Los implantes tradicionales para sustitución ósea son de aleaciones de titanio, acero inoxidable o aleaciones de cobalto. Estos materiales, al no ser biodegradables hacen que, a menudo, sea necesaria una segunda cirugía para retirar los implantes, ya que pueden provocar problemas de infección e inflamación. Estos problemas pueden eliminarse con el uso de metales bioabsorbibles que pueden degradarse o corroerse gradualmente in vivo. Esto permitiría una gran mejora de la calidad de vida de las personas. Según el informe de investigación de mercado publicado por Facts and Factors, el mercado global de implantes ortopédicos se valoró en 50,6 mil millones de dólares en 2019. Además, se espera que este mercado genere ingresos de alrededor de 73,5 mil millones de dólares para finales de 2026, creciendo a una tasa compuesta anual de alrededor de 5,48% entre 2020 y 2026. Se trata de un campo de gran importancia, que busca innovación y las mejores soluciones.

El magnesio (Mg) tiene el mayor potencial para los implantes óseos debido a su biocompatibilidad y propiedades osteopromotoras que pueden estimular la formación de hueso nuevo como, por ejemplo, en caso de rotura grave o resección a causa de un tumor. Por un lado, el módulo elástico del Mg es similar al del hueso humano, lo que evita que sea el implante el que absorba la carga mecánica y limite la regeneración del hueso. Además, los andamios porosos proporcionan una mejor integración con el tejido humano y consiguen acelerar el crecimiento del nuevo tejido. Por otro lado, es necesario controlar la velocidad de degradación cuando el material está en contacto con fluidos corporales ya que el Mg puro tiende a degradarse demasiado rápido, dando lugar a tasas de liberación de hidrógeno demasiado altas que pueden resultar tóxicas en ambientes celulares. En este sentido, la aleación del Mg con elementos de tierras raras mejora tanto la resistencia mecánica como la resistencia a la corrosión. Para lograr conseguir las condiciones óptimas de estos materiales, es necesario emplear técnicas novedosas de procesado que permitan fabricar andamios de Mg con geometría compleja, capaces de soportar cargas mecánicas, tener una porosidad abierta que permita la vascularización y regeneración ósea y ser absorbidos al final del proceso. Con ello se pretende conseguir que no sea necesaria una segunda intervención quirúrgica para su extracción.

Recientemente ha sido posible imprimir en 3D andamios de aleaciones de Mg con tierras raras mediante técnicas de fusión selectiva por láser (SLM, del inglés selective laser melting), como el que se observa en la Figura 1a. La microestructura del material generada por este proceso de fabricación observada con un microscopio óptico se muestra en la Figura 1b. Sin embargo, es necesario determinar sus propiedades mecánicas y los procesos de biodegradación, para dar con aquellas topologías que garanticen que los procesos de regeneración ósea y bioabsorción están perfectamente alineados y acoplados. Este es el objetivo de TOPOMAG3D, que requiere comprender las relaciones microestructura-topología-propiedades mecánicas en estos andamios.

En este proyecto realizaremos una investigación exhaustiva del comportamiento mecánico (Figura 1c) de los andamios porosos de la aleación Mg WE43, obteniendo los valores de resistencia máxima a esfuerzos de compresión y cíclicos, de manera que simulen los esfuerzos a los que va a estar sometido dentro del cuerpo una vez implantado, así como de degradación (Figura 1d), incluidos estudios in situ de su evolución durante la exposición a fluidos corporales simulados mediante técnicas avanzadas de tomografía de rayos X. Este conocimiento proporcionará información sobre los factores críticos, microestructurales y geométricos, que controlan la resistencia y degradación de los andamios y permitirá proponer tratamientos de posprocesado adecuados para mejorar estas propiedades. Además, la información microestructural (Figura 1b) y geométrica se utilizará para desarrollar modelos numéricos de su respuesta mecánica (Figura 2), de cara a su futura integración en modelos de mecanorregulación de crecimiento y regeneración de tejido óseo utilizando andamios porosos de aleación de base Mg.