Investigadores holandeses han logrado un avance significativo en la medicina ortopédica al utilizar inteligencia artificial para diseñar materiales sintéticos que imitan las propiedades del hueso humano, con el objetivo de crear implantes de cadera más duraderos y mejorar la curación de fracturas.

Amir Zadpoor, profesor de ortopedia en el Centro Médico de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, enfrentaba un desafío aparentemente imposible: necesitaba un material que se volviera más grueso al estirarse, pero que también fuera rígido como el hueso, según informó BBC. Este comportamiento contradice las leyes físicas convencionales, ya que la mayoría de los materiales se adelgazan cuando se estiran, como ocurre con una banda elástica.

El problema surge de las limitaciones actuales de los reemplazos de cadera, uno de los procedimientos ortopédicos más comunes en el mundo. Las personas con caderas artificiales dan aproximadamente dos millones de pasos al año, lo que somete al implante a fuerzas que gradualmente lo desgastan, según explicó Zadpoor. Después de una década o más de uso, los implantes a menudo necesitan ser reemplazados.

Zadpoor y su equipo buscaban resolver este problema colocando dos materiales diferentes que se comportan de manera opuesta cuando se estiran en cada lado de la base de un implante: uno que se vuelve más grueso cuando se comprime y otro que se engrosaría al estirarse. Esto ayudaría a amortiguar el fémur cuando la articulación está bajo presión y garantizaría que el implante permanezca firmemente fijado contra el hueso.

"Eso reforzaría la conexión entre el hueso y el implante", dijo Zadpoor. Sin embargo, los pocos materiales conocidos que se vuelven más gruesos cuando se estiran, llamados materiales auxéticos, tienden a ser suaves y flexibles. Se utilizan en cascos protectores y rodilleras, por ejemplo.

"Estábamos tratando de encontrar este santo grial de auxeticidad y también una alta rigidez para poder soportar las cargas", dijo Zadpoor. "Eso se convierte en una búsqueda formidable".

El equipo recurrió a la inteligencia artificial para obtener ayuda. Utilizando un sistema de IA entrenado para predecir cómo podrían comportarse diferentes materiales, pudieron introducir las propiedades específicas que deseaban. La máquina respondió con un diseño para algo conocido como "metamaterial", materiales que pueden diseñarse para tener propiedades inusuales al alterar su estructura microscópica.

Los metamateriales pueden diseñarse para tener una variedad de propiedades, dependiendo de su estructura interna. Pueden comportarse como un sólido o un líquido dependiendo de una frecuencia específica de sonido aplicada a ellos, por ejemplo. Pero encontrar qué estructura interna podría dar lugar a las propiedades deseadas sigue siendo un desafío cuando se depende de métodos basados en física o simulaciones.

Puede llevar aproximadamente un año desarrollar y entrenar un modelo de IA para generar nuevos diseños de materiales, según Sid Kumar, profesor asociado de ciencia de materiales en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. Pero una vez que está en su lugar, puede tomar minutos o incluso segundos para que el sistema genere diseños factibles.

"Con el aprendizaje automático, puedes hacer (el proceso) órdenes de magnitud más rápido y eso te permite explorar miles o millones de estructuras más para encontrar lo que necesitas", dijo Zadpoor.

En uno de sus proyectos, Kumar y sus colegas utilizaron IA para crear un metamaterial que podría usarse para crear implantes óseos blandos para reparar fracturas complejas, que son comunes en personas mayores. Actualmente se utilizan placas, tornillos y varillas hechas de titanio o acero, pero el hueso no siempre se cura bien alrededor de ellos. Esto puede significar que estos implantes no se integran adecuadamente, dejándolos débiles.

Los investigadores pensaron que un material más suave que aún pueda proporcionar estructura podría imitar mejor el tejido blando que se forma naturalmente en las primeras etapas de curación en una fractura. Querían un metamaterial que incorpore una microestructura similar a una red pero que también tenga propiedades similares a un líquido como un polímero o hidrogel. Este material blando, que podría diseñarse para parecerse a un vendaje circular delgado que contiene agujeros, se colocaría en una fractura para que las células vivas puedan colonizarlo y permitir que se integre con el hueso.

"La etapa temprana de la curación de fracturas es decisiva para el éxito", dijo Xiao-Hua Qin, profesora asistente de ingeniería de biomateriales en ETH Zurich en Suiza y miembro del equipo de investigación.

Los implantes metálicos utilizados para reparar fracturas también son más resistentes que el hueso, lo que puede ser problemático ya que absorben fuerzas externas. Por lo tanto, el hueso que se forma a su alrededor no experimenta tensión durante el ejercicio y puede comenzar a morir. Kumar y sus colegas también querían un metamaterial que tuviera la misma forma y propiedades que se pueden encontrar en los extremos articulares de los huesos largos, por ejemplo, los de nuestros brazos y piernas. Aquí, el hueso interno tiene una estructura porosa similar a un panal, conocida como hueso trabecular, que proporciona resistencia y la capacidad de absorber impactos.

En trabajos anteriores, Kumar y sus colegas habían introducido una nueva clase de metamateriales, llamados espinodoides, que comparten varias características importantes con el hueso poroso. Ambos tienen estructuras internas similares a redes que son ligeramente irregulares en forma. Dependiendo de cómo estén orientadas, crean niveles variables de resistencia y rigidez.

Al proporcionar a un algoritmo de modelo de aprendizaje automático una lista de las propiedades que buscaban, como la rigidez específica de un hueso fémur, Kumar y sus colegas pudieron generar diseños espinodoides que coincidían estrechamente con el hueso humano. Pudieron imitar su curvatura así como su estructura interna porosa, por ejemplo, así como su comportamiento cuando se le aplica una fuerza.

"Esto es importante porque es posible que desees que una región del implante sea más rígida, otra región sea más porosa y otra región fomente el crecimiento de tejido", dijo Mohammad Mirzaali, profesor asociado de ingeniería biomédica en la Universidad Tecnológica de Delft, quien no participó en el trabajo.

Kumar y su equipo también pudieron demostrar que el diseño podría fabricarse utilizando técnicas de impresión tridimensional. Su próximo paso es realizar pruebas para determinar cómo funcionaría si se implantara en el cuerpo humano.

"Tal vez dentro de unos años, podremos hacer implantes óseos miméticos", dijo Kumar.

Zadpoor y sus colegas también han avanzado con su búsqueda para encontrar un metamaterial improbable para implantes de cadera. Han agregado a su lista de propiedades: lo suficientemente duradero para ser duradero bajo estrés y ajustable para adaptarse al espacio variable de la cadera de un paciente.

Para satisfacer su larga lista de deseos, Zadpoor y su equipo hicieron que tres modelos diferentes de aprendizaje automático unieran fuerzas y buscaran juntos un metamaterial factible. El enfoque resultó en varios diseños de metamateriales auxéticos que serían adecuados para su uso en un implante óseo, que Zadpoor dice que sería imposible de lograr sin IA debido a la complejidad de la tarea.

En el futuro, el aprendizaje automático puede incluso hacer posible adaptar implantes óseos individuales a la anatomía de un paciente, lo que debería hacer que dure más tiempo, según Zadpoor.

La IA también podría ayudar a crear implantes óseos que puedan colocarse a través de una pequeña abertura para reducir la necesidad de cirugía. Podrían diseñarse para ser compactos durante la inserción y luego expandirse dentro del cuerpo para que llene el defecto una vez que esté en su lugar. Kumar y su equipo revelaron recientemente un metamaterial diseñado por IA que puede expandirse en todas las direcciones a la vez e incluso programarse para cambiar de forma de maneras específicas en respuesta a una corriente eléctrica. Si bien este no fue diseñado para imitar el hueso, ha demostrado lo que podría ser posible.

"Creo que los implantes desplegables son muy emocionantes", dijo Mirzaali.

Estos avances representan un cambio significativo en cómo se diseñan los dispositivos médicos ortopédicos. La capacidad de la inteligencia artificial para explorar millones de estructuras posibles en cuestión de minutos o segundos contrasta dramáticamente con los métodos tradicionales que pueden llevar años. Los investigadores enfatizan que sin esta tecnología, encontrar materiales con combinaciones tan específicas y aparentemente contradictorias de propiedades sería prácticamente imposible.

Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá de los implantes de cadera. La misma tecnología podría aplicarse a una amplia gama de dispositivos médicos ortopédicos, desde implantes de rodilla hasta placas para fracturas, potencialmente transformando el campo de la cirugía ortopédica y mejorando significativamente los resultados para millones de pacientes en todo el mundo que requieren estos procedimientos cada año.