La tecnología en pro de la salud: Diseño y fabricación de prótesis

Cuando se habla de prótesis, ¿qué es lo primero que se te viene a la mente? ¿el abuelo que le implantaron una prótesis de rodilla por desgaste óseo?, o ¿un conocido que, por un accidente o enfermedad, hubo que removerle una extremidad para preservar su vida, y posteriormente se le reemplazó por una artificial?

Pues bien, en el mundo de las prótesis encontramos un campo muy amplio, estudiado y evolucionado, que con el pasar de los años, se ha estructurado para cumplir con todas las características funcionales y estéticas que podamos imaginarnos; para poder entender este universo, comenzaremos haciendo un breve recorrido de su historia y posteriormente definiéndolas según sus características.

La historia protésica acompaña al hombre dese la antigüedad (a.c) puesto que él siempre ha tenido la necesidad de mejorar su existencia, y como en todos los campos, cada invención que ha funcionado se ha explorado para mejorarla, siendo las prótesis una invención importante para los amputados; por lo mismo, las antiguas prótesis de pie en posición fija han pasado a la obsolescencia junto con sus materiales de desarrollo tales como el hierro para los ganchos de mano y las patas de palo para reemplazar las piernas, dando paso a una larga evolución hasta llegar al ahora: extremidades computarizadas con fijaciones y diseños altamente personalizables.

Los desarrollos protésicos más importantes que significaron las bases de los desarrollos actuales datan de 1529, cuando el cirujano francés Ambroise Peré desarrolla procedimientos de cirugía de amputación y el diseño de prótesis para extremidades superiores e inferiores; uno de ellos era un dispositivo tipo pata de palo por encima de la rodilla que podía flexionarse, contaba con un pie de posición fija, arnés ajustable, control de bloqueo de rodilla, entre otras características que aun se conservan. Por su parte el cerrajero Lorrain, contribuyo introduciendo nuevos materiales como el cuero, papel y pegamento en lugar de hierro pesado.

Hacia 1800 en Londres se diseñó la “Pierna Anglesey” por James Potts, la cual se fabricó en madera con encaje, articulación de acero en la rodilla y contaba con un pie articulado, este último era controlado por tendones hechos con tripa de gato y se extendían desde la rodilla hasta el tobillo; en 1839 fue exportada a Estados unidos y se conoció como “Pierna de Selpho”, 7 años más tarde, Benjamin Plmer, la mejoró agregando un resorte anterior, escondió los tendones para darle un aspecto mas natural y le dio un aspecto más suave al diseño en general.

Con forme avanzaban los diseños y la tecnología, también hubo progresos en la medicina, uno de ellos data de 1843 cuando Sir James Syme descubre el método de amputación de tobillo, es decir, ya no habría necesidad de amputar desde el muslo, por lo tanto, da paso al diseño de prótesis de pie. En 1868 Gustav Hermann, sugiere el uso de aluminio en vez de acero para hacer extremidades mas livianas y funcionales; la primera prótesis con este material fue diseñada y desarrollada por el aviador Marciel Desoutter y su hermano el ingeniero charles, luego que el primero de ellos perdió una pierna tras un accidente de aviación.

Durante la Primera Guerra Mundial, no hubo avances en el diseño y fabricación de estos dispositivos, pero si se creó la Asociación Estadounidense de Ortoprótesis ( AOPA, siglas en inglés) y al finalizar la guerra, esta junto con las compañías militares cerraron un trato para mejorar la función protésica en lugar de armas, lo cual allanó el camino para modernizarlas con la introducción de nuevos materiales como el plástico y otros componentes, se ajustaron a la medida de cada paciente y más adelante se comienzan a introducir micro procesadores, chips informativos y robótica, cuyo objetivo principal es devolverle su estilo de vida a cada uno de los amputados, hasta el punto de recubrirlos con fundas de silicona para imitar la función y apariencia de una extremidad natural.

Ya terminando con la historia y evolución de las prótesis podemos comenzar a definirlas según sus características y usos, dividiéndolas en 4 categorías:

1. Prótesis de miembro superior: son relativamente raras y más difíciles de trabajar, puesto que requieren un equipo multidisciplinario para el paciente, ya que se requiere recuperar la funcionalidad perdida, para superar la minusvalía física, combatir el choque psicológico y facilitar la integración tanto social como laboral; pues es bien conocido que las manos aparte de ser importantes para el desarrollo, laboral, recreativo y comunicativo, tienen funciones desarrolladas con la sensibilidad térmica y presora, interviniendo en la totalidad de actividades diarias. También están implicadas en la estabilidad de la propiocepción pues mejora el modo de andar, la postura y alivia dolores posturales.

• Las prótesis estéticas o cosméticas se realizaron para reemplazar un miembro o parte de él, donde la estética prima sobre la funcionalidad; aquí encontramos las prótesis cosméticas de silicona a la medida, donde se tienen en cuenta las características físicas de cada paciente por medio de toma de muestras contra laterales, muestreo de color, ajuste de medidas etc, es un complemento a la imagen corporal brindando simetría al cuerpo y una rehabilitación física y psicológica. Por otro lado se encuentran las prótesis estéticas estándar, estas cuentan con un encaje a medida del usuario, una mano interior y su respectivo guante cosmético, que garantizan un peso ligero, estabilidad y comodidad, no es personalizable como la anterior, pero se puede elegir la terminación entre una multitud de tamaños y colores que ofrecen los fabricantes.
• Las prótesis mecánicas son dispositivos de apertura y cierre por medio de cables y cintas de sujeción unidos al cuerpo y sus movimientos son a voluntad por la tracción ejercida por un tensor, sus movimientos son limitados puesto que requieren energía propia y obligan bien sea al muñón o al hombro a moverse para poder funcionar.
• Las prótesis mioeléctricas cuentan con sensores incorporados que leen las corrientes eléctricas que envían las contracciones musculares permitiendo controlar el movimiento de la mano, codo y muñeca; debido a que su peso es mayor debe ponerse atención también en la comodidad del usuario, por lo tanto, el encaje requiere de un revestimiento interno en silicona para obtener un contacto total con el muñón y el encaje rígido externo. Posteriormente, requiere una correcta colocación de los electrodos para optimizar las señales del musculo, un entrenamiento para adaptar al máximo la sensibilidad de los sensores (por parte del equipo técnico) y finalmente rehabilitación para que el paciente realice y desarrolle las habilidades correspondientes.
• Por último, encontramos las prótesis hibridas, siendo una combinación entre sistemas mecánicos y mioeléctricos; son utilizadas en niveles altos de amputación, donde la mano cuenta con un sistema mioeléctrico y el codo es controlado por sistemas mecánicos tales como ErgoArm Plus y ErgoArm Hybrid (diseñados y fabricados por Ottobock).

2. Prótesis de miembro inferior: suple la morfología anatómica, la función y ejecución de la marcha y bipedestación.

• Las prótesis parciales de pie puede limitarse suplir las amputaciones de uno o mas dedos, como la amputación transmetatarsal, mediotarsiana o trasometatarsal, requiriendo cada una solución diferente, pero lo común en estos casos es suplir las deficiencias en carga y marcha, por lo tanto el muñón debe contener un encaje que permita distribuir las cargas sobre las estructuras anatómicas y tolerar las presiones que requieran, y cada caso es estudiado para definir si requiere un relleno en los dedos, plantillas rígidas, almohadillas para protección del muñón, sistemas de estabilización del talón, entre otros, ya que esta pequeña parte del cuerpo, es la que soporta el peso, la presión de todo el cuerpo y se ajusta y equilibra según su movimiento y posición. Ahora hablando de fabricación, se realizan principalmente con silicona médica, con combinación de plantillas de carbono, y rellenos de materiales elásticos.
• La prótesis transtibial suple una de las amputaciones mas frecuentes y va por debajo de la rodilla, es decir, el paciente no pierde esta articulación; tiene un reto muy importante y es que requiere adaptarse de forma confortable por medio del encaje para conseguir una marcha de máxima estabilidad, menos gasto energético y una apariencia lo más normal posible. Se encuentra una gran variedad de anclajes donde se encuentran los de tipo “pin”, succión y encajes blandos, brindando mayor comodidad al muñón y evitando el “pistoneo”; el material de encaje como ya se lo imaginaran es de silicona a medida para evitar la fricción y eliminar otros traumas secundarios como la pseudoartrosis; ya la prótesis como tal, generalmente son fabricados en fibra de carbono, pues absorbe la energía en la monopedestacion y la libera después del despegue del talón; para la relación con el entorno, se encuentran modelos que permiten adaptar el talón a diferentes tipos de zapatos o con microprocesadores que se ajustan al nivel del suelo.
• La prótesis transfemoral es utilizada en pacientes que cuentan con una amputación por encima de la rodilla, esta complementa a la categoría anterior con la integración del sistema de rodilla, donde puede ir como una rodilla mecánica para usuarios de poca actividad, hidráulicas para una marcha más armónica y con mayor seguridad, hasta con rodillas controladas por microprocesadores y sensores que se ajusta automáticamente en todas las fases de la marcha y relación con el entorno.
• La prótesis para desarticulación de cadera se utiliza en situaciones donde es una desarticulación de cadera o amputación transfemoral muy corta, es una de las más complejas, puesto que combina 3 articulaciones de alto esfuerzo, ya no solo juega el papel del desempeño de la marcha si no que se suma también la comodidad al momento de sentarse; su desarrollo viene condicionado a los tejidos que quedan aptos para apoyar el peso y conseguir la suspensión.
• Las prótesis deportivas están expuestas a mayor desgaste que las tradicionales, puesto que la humedad del entorno, suelos cambiantes e irregulares son comunes en el mundo del deporte y ayudan a la oxidación y corrosión de las prótesis, por lo tanto, ya se habla también de prótesis “waterproof” que aumentan la seguridad de los nadadores, o la integración de otros componentes para actividades deportivas tales como correr, esquiar, ciclismo, entre otras.

3. Prótesis estéticas: Ayudan únicamente al componente psicológico del usuario y las soluciones del mercado va desde prótesis sin funcionamiento como las mencionadas anteriormente y con niveles altos de personalización.

• Las prótesis de amputaciones parciales o totales se desarrollan en silicona de manos y pies, se personalizan de acuerdo con el uso de cada paciente, sus niveles de detalle cosmético varia, según necesidades y presupuesto, su desarrollo es más manual que industrial ya que se agregan detalles de textura de la piel, manchas, lunares, arrugas, uñas etc.
• Con los diseños propios, cada usuario define las terminaciones artísticas que desea como tatuajes, gráficos, fotografías, etc, donde se implementan técnicas de pigmentación en la silicona y laminaciones de termoplásticos; hasta se encuentran diseños de prótesis para el uso de tacones.
• Las fundas estéticas, surgen como demanda estética de bajo coste, fabricadas en polímeros de silicona utilizado para cubrir las prótesis que van por debajo de la rodilla, ya vienen con medidas estandarizadas, diferentes tonos de piel, etc.

4. Las prótesis articulares, son un mundo totalmente aparte, están diseñadas para dar solución a quienes han padecido la destrucción de una articulación y requieren recuperarla para continuar con su calidad de vida; las más comunes que oímos generalmente son rodilla, cadera y codo, pero su alcance a todas las articulaciones como muñecas, tobillos, dedos, tórax y hasta existen de disco y de menisco. Se debe resaltar que esta no es la implementación de un miembro artificial nuevo, sino que es un reemplazo interno de la articulación, por lo tanto, los procesos de manufactura y materiales utilizados deben ser sumamente cuidadosos, ya que al ser interno debe considerarse los riesgos que existen en los procedimientos quirúrgicos por bacterias e infecciones y hasta el rechazo del cuerpo por los materiales implantados. Ya entrando en la fabricación de estas prótesis, encontramos entre los mecanismos de sujeción; tornillos, anclajes especiales con doble cúpula que se expande (como los tacos dentro de las paredes) o bien con cemento quirúrgico, y sus materiales varían entre polietileno, haciendo las veces de almohadilla entre los diferentes componentes, cerámica ya que es el material con menos desgaste y de bajo roce y por últimos los metales.

Como bien hemos dicho es un campo bastante estudiado y desarrollado, donde hoy se integran tecnologías como la impresión 3D para la fabricación de prótesis a la medida, una de ellas fue el desarrollo de una prótesis torácica de alta complejidad desarrollada en las Islas Canarias, la cual también esta dotada de flexibilidad por medio de su diseño tiempo – alambre que se elonga y simula el movimiento fisiológico del tórax. El material predilecto es el titanio ya que es fiable y seguro y por medio de la impresión 3D se pueden realizar sin limitaciones geométricas.

Aquí empiezan a integrarse fabricantes de software como Autodesk, quien hace pocos años compró la empresa alemana Netfabb y desarrolló su propio software para la impresión 3D: Autodesk Within Medical, para el diseño generativo de implantes médicos para la industria ortopédica, este software permite a los ingenieros crear estructuras reticulares micro porosas en las prótesis para ser implantadas fácilmente en el hueso vivo y su desarrollo de vasos sanguíneos en el tejido circundante, que finalmente ayuda a la circulación y cicatrización de las heridas. Siendo el diseño generativo un eslabón para la innovación, para la creación de múltiples alternativas de diseño en objetivos específicos, mejorando la calidad, eficiencia y rendimiento. Te invitamos a leer el artículo: ¿Cómo se utiliza el diseño generativo https://blog.acaddemia.com/como-se-utiliza-el-diseno-generativo/

Ya conociendo cual ha sido el pasado y presente de las prótesis, cuéntanos como piensas que será el futuro de las prótesis, es decir que desarrollos traerá la ciencia, tipos de materiales y aplicaciones crees que vendrán.

Autor: Luisa Posada, diseñadora industrial de UPB, con énfasis en diseño de estrategias y experiencias de marca y producto.