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Polímeros y personas

En abril de 1997, el doctor Frank Baker, un especialista en medicina de urgencias del área de Chicago, participó en un ensayo clínico para probar un tipo de piel artificial para el tratamiento de diabéticos insulino-dependientes cuyos tejidos hubieran resultado dañados a causa de los efectos secundarios de un alto nivel de azúcar en sangre crónico. Baker, que ha padecido diabetes durante más de cuatro décadas, corría el riesgo de perder un pie debido a las úlceras de su piel que no conseguía curar. Para él, los resultados del experimento resultaron casi un milagro: el tejido artificial cultivado en el laboratorio no sólo cubría y protegía las heridas, sino que también segregaba sustancias químicas que favorecían una regeneración más rápida de su propio tejido. En palabras de Baker, la piel artificial “me salvó el pie”.

 

La piel artificial desarrollada en el laboratorio en estructuras formadas por largas cadenas de moléculas denominadas polímeros puede curar las heridas de pacientes con úlceras provocadas por la falta de riego sanguíneo. (Fotografía cedida por Organogenesis Inc.)

El material que hace posible este extraordinaria maravilla médica se sintetizó a partir de polímeros, cadenas de moléculas de gran longitud formadas por enlaces químicos de muchas pequeñas moléculas de uno o varios tipos. Probablemente, la mayoría de la gente se encuentre más familiarizada con los polímeros en forma de plástico que forman productos cotidianos tales como envases plásticos de alimentos, plástico de burbujas para embalaje y cintas de vídeo. Pero, los polímeros se encuentran en todos los componentes de la naturaleza. La madera, tejidos vegetales y animales, huesos y cuernos, por ejemplo, son polímeros, al igual que el ADN que se encuentra en el interior del núcleo celular y la membrana que separa las células. De hecho, cuando comenzó la industria de los polímeros en el siglo XIX, fabricaba materiales derivados de polímeros naturales como, por ejemplo, celuloide artificial procedente de celulosa de las plantas. Finalmente, la industria comenzó a sintetizar nuevos materiales, como el nailon, que sustituyeron a los materiales naturales y se fabricaban sin necesidad de precursores naturales. Los productos de hoy en día, que traspasan las fronteras entre la materia viva y muerta, como la piel artificial de Frank Baker, marcan el inicio de una gran variedad de posibilidades para mejorar la salud humana.

Detrás de estos avances hay más de 150 años de progreso en la investigación de los polímeros, llevada a cabo por cientos de científicos, así como por más de un siglo de investigación en transplantes de órganos y biología celular. Tal y como se describe en el siguiente artículo, que solamente destaca el trabajo realizado por unos pocos investigadores, el camino que condujo a los recientes progresos conseguidos en los tratamientos médicos modernos comenzó con las investigaciones realizadas por científicos cuyo interés consistía en tener un mejor conocimiento básico de la química y la biología.

A lo largo de la historia, la humanidad ha intentado comprender la esencia y estructura del mundo físico que nos rodea, bien mediante la simple observación o la manipulación experimental. En la antigua Grecia, por ejemplo, Aristóteles llegó a la conclusión de que todos los materiales estaban compuestos por la combinación de cuatro únicos elementos: aire, tierra, fuego y agua. Durante la Edad Media, los alquimistas intentaron en vano convertir metales comunes en oro. A finales del siglo XVIII, los químicos comenzaron a sintetizar y descomponer sustancias químicas en un intento de determinar sus componentes fundamentales. A principios del siglo XIX, el químico inglés John Dalton, tras observar que las sustancias químicas sólo se combinaban en proporciones específicas, llegó a la conclusión de que la materia estaba compuesta por "átomos" indivisibles (un concepto fue propuesto por primera vez por el filósofo griego Demócrito en el año 400 a. C. aproximadamente). Al proponer su teoría atómica de la materia, Dalton también proporcionó un método para averiguar el peso de los átomos y afirmó que mediante el peso era posible distinguir un tipo de átomo de otro. Los químicos del siglo XIX también determinaron que era posible sintetizar los denominados compuestos orgánicos, que anteriormente se creía que sólo existían en los organismos vivos, a partir de sustancias químicas inorgánicas.

Mientras los químicos buscaban con sus investigaciones conocer la naturaleza de la naturaleza, los inventores creaban nuevos materiales mediante el tratamiento de sustancias naturales con varias sustancias químicas sometidas a temperaturas y presiones elevadas. En 1839, el inventor americano Charles Goodyear descubrió una técnica, a la que denominó vulcanización, que permitía manipular las propiedades de la savia procedente de los árboles del caucho mediante un tratamiento con calor y azufre. El proceso permitía convertir un material pegajoso y elástico, que se usaba principalmente para "borrar", en un material seco, resistente y elástico que permitió fabricar neumáticos para automóviles y finalmente revolucionó el mundo del transporte. Transcurridos apenas 20 años, en 1856, el químico inglés William Henry Perkin obtuvo de forma accidental un tinte púrpura mientras intentaba sintetizar la quinina del fármaco de la malaria a partir de la anilina, un derivado del alquitrán, descubrimiento que originó una investigación que dio como resultado una gran variedad de fármacos y tintes sintéticos.

 

Un descubrimiento clave a finales del siglo XIX fue que los átomos de carbono pueden formar enlaces con hasta otros cuatro átomos, organizándose de tal modo que forman las esquinas de un tetraedro o pirámide. Muchos átomos de carbono pueden unirse, formando cadenas moleculares de gran longitud o polímeros, en miles de millones de posibles combinaciones diferentes.

Los investigadores dedicados al trabajo teórico fueron igual de productivos y llegaron a una serie de conclusiones independientes que finalmente establecerían las bases de la industria de los polímeros. En 1858, el químico alemán Friedrich Kekulé desarrolló el esquema necesario para comprender la estructura de las moléculas orgánicas, al demostrar que un átomo de carbono podía establecer enlaces químicos con hasta otros cuatro átomos y que a su vez estos átomos de carbono múltiples podían unirse para crear cadenas de gran longitud, un descubrimiento casi simultáneo del químico escocés Archibald S. Couper. Posteriormente, en 1874, el holandés Jacobus van't Hoff y el francés Joseph Le Bel sugirieron por separado que los cuatro enlaces del átomo de carbono se organizan de tal modo que forman las esquinas de un tetraedro o pirámide. Dado que los átomos de carbono forman la estructura base de los polímeros naturales y artificiales, ambos descubrimientos proporcionaban finalmente la imagen tridimensional de la estructura molecular de los polímeros.

En 1870, cuatro años antes del descubrimiento de la estructura del átomo de carbono, el inventor americano John Wesley Hyatt ganó un concurso para encontrar un material que sustituyera al marfil para la fabricación de bolas de billar, ya que, como en la actualidad, escaseaba. La galardonada contribución de Hyatt fue el celuloide, un polímero basado en la celulosa que constituye el material estructural básico de las paredes celulares de las plantas. Este hecho marcó el inicio de la industria de polímeros. Hyatt trató el nitrato de celulosa, o algodón pólvora (un material explosivo que se consigue al exponer los tejidos de la planta del algodón a los efectos del ácido nítrico y ácidos sulfúricos), con alcohol y alcanfor. Obtuvo un material duro y brillante que podía moldease al calentarlo. Este nuevo material, barato y consistente, sustituyó al marfil en la fabricación de bolas de billar. Aunque, en determinadas ocasiones, cuando las bolas de billar hechas de celuloide colisionaban, se producía una pequeña explosión similar a la de un petardo, debido a la naturaleza explosiva del nitrato de celulosa, que presenta una composición similar a la del trinitrotolueno (TNT). El celuloide también se empleó para fabricar peines y una gran variedad de utensilios de cocina y se convirtió en la primera película fotográfica flexible. En 1887, el conde Hilaire de Chardonnet creó un producto similar al hilar nitrato de celulosa en seda de Chardonnet, la primera fibra sintética que se fabricó y un predecesor del rayón, el nailon y el Dacron.

Tanto el celuloide como la seda Chardonnet eran polímeros creados mediante la alteración de polímeros naturales. El primer polímero verdaderamente sintético no llegó hasta 1909, año en el que el inventor americano Leo Baekeland trató el fenol o ácido fénico, otro derivado del alquitrán, con el conservante formaldehído sometido a calor y presión. El producto obtenido, la baquelita, era duro, inmune a las sustancias químicas fuertes, aislante eléctrico y resistente al calor, características de gran utilidad en la fabricación de innumerables productos para el hogar y piezas eléctricas. En poco tiempo, la baquelita se utilizaba en la fabricación de utensilios de cocina, máquinas y herramientas.

El rápido éxito de la baquelita desencadenó una oleada de innovaciones e investigaciones sobre la síntesis en Europa y América. Al aumentar los intereses financieros, el planteamiento de dejar las cosas al azar del inventor de garaje que había dominado la industria cedió el paso a un método más sistemático. No satisfechos con tratar simplemente materias primas y diversos métodos de procesamiento, los científicos comenzaron una investigación básica diseñada para comprender la estructura molecular de los polímeros.

En 1920, el químico orgánico alemán Hermann Staudinger, fascinado por las propiedades aparentemente únicas de los polímeros, comenzó a investigar su comportamiento y características químicas. La investigación realizada por Staudinger indicaba que los polímeros están compuestos por largas cadenas de moléculas de varias unidades químicas idénticas o muy similares. Además, sugirió que la inusual elasticidad y resistencia a la tensión que los caracteriza se debe a su gran longitud o, en términos químicos, a su elevado peso molecular. Por la misma razón, las soluciones de polímeros presentan altos niveles de viscosidad (resistencia de un líquido a fluir). Es posible que las ideas de Staudinger no suenen especialmente innovadoras hoy en día, pero en aquella época fueron el centro de las burlas de sus colegas dedicados a la química orgánica y sus teorías apenas hicieron mella en la comunidad científica. De hecho, la existencia de moléculas de cadenas de polímeros no se aceptó hasta 1928, cuando Kurt Meyer y Herman Mark, que trabajaban para la institución química I. G. Farben industrie en Ludwigshafen, demostraron su existencia mediante la observación por rayos X de la estructura cristalina de los polímeros. Muchos años después, en 1953, Staudinger se convirtió en el primer especialista en química de polímeros en recibir un premio Nobel, otorgado en reconocimiento a sus esfuerzos y persistencia.

En 1920, el químico orgánico alemán Hermann Staudinger propuso que la elasticidad y resistencia inusual de los polímeros (como el polietileno, DIRTK) se debía a su gran longitud y a su elevado peso molecular. (Fotografía de Hermann Staudinger cedida por el instituto de biología macromolecular de Friburgo, Alemania. Diagrama de los filamentos de polietileno cedidos por Biografx)

Los importantes descubrimientos realizados por Staudinger (el hecho de que los polímeros sean largas cadenas compuestas por muchas pequeñas unidades químicas, y que la longitud de la cadena desempeñase un papel vital en la determinación del comportamiento y las propiedades físicas) pusieron de relieve la necesidad de crear herramientas para determinar el peso molecular y, en consecuencia, la longitud de la cadena. Una de las primeras herramientas desarrolladas fue la ultracentrifugadora, inventada por el químico sueco Theodor Svedberg. La ultracentrifugadora permitía hacer girar muestras a altas velocidades y separar las moléculas según su tamaño. Se puede emplear para calcular el tamaño de las moléculas y la distribución de los tamaños en una muestra de polímero determinada.

Al finales de la década de 1920, ya equipados con mejores herramientas y teorías, los científicos especializados en polímeros consiguieron adelantos espectaculares. En 1928, la compañía DuPont contrató al químico Wallace Hume Carothers para crear nuevos tipos de polímeros en un nuevo laboratorio dedicado a la investigación básica. Para probar la teoría de Staudinger, que aún resultaba polémica, Carothers unió con extrema precaución compuestos orgánicos muy pequeños formando cadenas de gran longitud y examinó las propiedades de los productos obtenidos. Descubrió que la unión de moléculas en cadenas largas daba lugar a materiales más densos, resistentes y rígidos. En 1930, el planteamiento sintético sistemático de Carothers comenzó a dar sus frutos cuando descubrió un nuevo tipo de polímeros denominado poliamidas o "nailons". Estos polímeros podían fundirse y convertirse en una fibra de gran resistencia.

El nailon se introdujo en el mercado como sustituto de la seda en medias en el año 1937; este material, resistente, barato y fácil de tratar, se convirtió en un rotundo éxito comercial. El éxito instantáneo de las fibras de nailon y el neopreno, la primera goma sintética, enseñaron a la industria de los polímeros una importante lección: la investigación básica puede conducir a la creación de productos que sustituyan a los materiales naturales. Y también puede proporcionar la concesión de un premio Nobel. Paul Flory recibió uno por las contribuciones de su carrera profesional a la ciencia de los polímeros, que comenzó con su trabajo para DuPont. Flory desempeñó un papel decisivo en el desarrollo de la teoría del comportamiento de las moléculas de polímeros, especialmente mediante análisis estadísticos y matemáticos de la forma y las propiedades de las cadenas de polímeros.

La década de 1930 fueron los años de esplendor en el desarrollo de nuevos polímeros sintéticos, con la elaboración del policloruro de vinilo (PVC), el poliuretano, el politetrafluoroetileno (Teflon) y el poliestireno, que revolucionaron las industrias de aislamientos, embalajes, productos del hogar, revestimientos y textiles. Estos materiales nuevos no guardan ninguna similitud con sus materias primas (normalmente, petróleo o gas natural) y se hicieron famosos por su elevado grado de artificialidad. Debido a que la gran mayoría de estos polímeros resultaban maleables al calentarse, se les denominó "plásticos", palabra derivada del término griego que significa "que se puede modelar".

Otro desarrollo importante, que comenzó a finales de la década de 1930 y principios de los 40, fue la producción de caucho artificial a gran escala, motivada por el auge de la industria automovilística y las demandas militares de la Segunda Guerra Mundial. En 1930 ya se habían desarrollado en Alemania dos nuevas formas de caucho artificial y ambas se basaban en el butadieno, un subproducto del petróleo. A medida que aumentó la tensión en Europa, el gobierno de los Estados Unidos se dio cuenta de la vulnerabilidad del suministro de caucho del país y en 1941 estableció la Rubber Reserve Company (compañía para la reserva del caucho), que produciría 10.000 toneladas de caucho al año. A mediados de 1942 el objetivo de producción había alcanzado las 850.000 toneladas anuales, en respuesta a la ocupación por parte de Japón de las Indias Orientales, cuyas vastas plantaciones de árboles de caucho habían servido como suministro mundial de la materia prima necesaria para fabricar el caucho. Ingenieros y científicos especializados en polímeros colaboraron para desarrollar un variedad de nuevos procesos para satisfacer las demandas durante el tiempo de guerra. Uno de los más importantes fue una técnica de dispersión de luz desarrollada por Peter Debye, de la Universidad de Cornell, que permitía determinar el tamaño y el peso molecular de polímeros de gran longitud. Los científicos especializados en polímeros utilizaron esta técnica para analizar el caucho artificial. Las versiones modernas de esta técnica tienen un valor incalculable para los investigadores encargados de caracterizar moléculas complejas.

A medida que los científicos descubrían nuevas variedades de polímeros, los diseñadores soñaban con coches y casas construidos por completo a base de distintos tipos de plásticos. A pesar de que algunas de estas ideas resultaron poco prácticas, los plásticos consiguieron sustituir al acero, cristal, aluminio y madera, transformando así los materiales de construcción, automóviles e innumerables productos de consumo durante las décadas de 1950 y 1960. Debido a su flexibilidad, bajo coste y facilidad de esterilización, se utilizaron posteriormente en innumerables aplicaciones médicas como, por ejemplo, embalajes, jeringas desechables, recipientes, tubos y varios tipos de membranas y barreras. De hecho, en el año 2000, la medicina de Estados Unidos empleó aproximadamente 3.000 millones de libras (1.400 millones de kilogramos) de polímeros al año.

A pesar de que la ciencia y tecnología de los polímeros había conseguido importantes progresos al principio de la década de 1950, aún quedaban grandes obstáculos por superar. Debido a la abundancia y al bajo coste de los componentes derivados del petróleo o "monómeros", los polímeros de hidrocarburos que sólo contienen átomos de carbono (C) e hidrógeno (H) representaban una clase de sustancias que podían resultar de gran utilidad. Los objetivos especialmente atractivos eran los polímeros compuestos por los monómeros más pequeños y abundantes, etileno y propileno (que contienen dos y tres átomos de carbono respectivamente). La capacidad general de estos tipos de moléculas, que contienen parejas de átomos de carbono conectados mediante "enlaces dobles", para unirse y formas largas cadenas (véase la figura que aparece a continuación) ya era de sobra conocida (un ejemplo conocido es el poliestireno). Sin embargo, el caso del etileno y el propileno constituía un importante reto. La "polimerización" del etileno se había llevado a cabo, pero únicamente a niveles de temperatura y presión excesivamente elevados, obteniendo polímeros cuyas propiedades dejaban mucho que desear. La polimerización del propileno seguía siendo un reto pendiente.

Polimerización del etileno y el propileno para obtener polietileno y polipropileno.

En 1953, mientras realizaba una investigación básica sobre las reacciones de compuestos que contienen enlaces de carbono y aluminio, el químico alemán Karl Ziegler, que trabajaba en el instituto Max Planck para la investigación del carbón en Mulheim, descubrió que al añadir sales de determinados tipos de metales como el titanio o el circonio a estos compuestos, se convertían en "catalizadores" (sustancias que aceleran las reacciones químicas) de gran actividad para la polimerización del etileno en condiciones relativamente suaves. Además, los polímeros formados mediante este método presentaban cadenas más largas y lineales, por lo que sus propiedades, tales como la resistencia, dureza e inercia química, eran significativamente superiores, y resultaban de gran utilidad para numerosas aplicaciones.

Basándose en el descubrimiento de Ziegler, el químico italiano Giulio Natta, del Instituto politécnico de Milán, demostró que catalizadores similares resultaban eficaces en la polimerización del propileno. Además, dichos "catalizadores de Ziegler-Natta" permitían conseguir un exhaustivo control de las estructuras y la longitud de la cadena de los polímeros de propileno resultantes y, en consecuencia, de sus propiedades. Entre otros logros notorios relacionados con este tipo de catalizadores se incluyen la síntesis de un polímero idéntico al caucho natural.

Casi inmediatamente se desarrollaron aplicaciones industriales de los "catalizadores de Ziegler-Natta", que continuaron ampliándose mediante varios perfeccionamientos posteriores. Hoy en día, el polietileno producido con la ayuda de estos catalizadores constituye el material plástico de mayor volumen junto con el polipropileno y representa alrededor de la mitad de la producción actual anual de 80.000 millones de libras (4.000 millones de kilogramos) de plásticos y resinas de Estados Unidos. El uso del polietileno y el polipropileno abarca prácticamente todos los sectores de la industria y la vida cotidiana, entre los que se incluyen materiales de construcción, envases, juguetes, productos deportivos, aparatos electrónicos, textiles, alfombras y productos médicos. En muchas de estas aplicaciones, los polímeros sustituyen a otras sustancias, como el cristal y los metales, pero sus propiedades características también han dado origen a aplicaciones totalmente nuevas, como su uso en medicina.

En 1963, Ziegler y Natta recibieron el premio Nobel de química "por sus descubrimientos en el campo de la química y la tecnología de altos polímeros". En su discurso de aceptación, tras recordar las circunstancias de su innovador descubrimiento y los obstáculos científicos que debieron superarse, Ziegler declaró:

"Pero podría haber surgido un impedimento mucho más formidable. Para ilustrarlo, debo remitirme a la paradoja de que las etapas de conclusión más importantes de las investigaciones que he referido tuvieron lugar en un instituto para la 'investigación del carbón'. Cuando fui llamado por el Instituto para la investigación del carbón en 1943, me confundieron los objetivos implícitos en su nombre. Temí que tendría que cambiar a la consideración de los problemas asignados en química aplicada. Dado que el etileno se encontraba disponible en la región del Rhur para la fabricación de coque, la búsqueda de, por ejemplo, un nuevo proceso para el polietileno, podría representar un problema de este tipo. Sin embargo, ahora estoy seguro, cosa que sospeché en un principio, de que cualquier esfuerzo realizado para conseguir un objetivo concreto al principio habría agotado las fuentes de mi creatividad".

A medida que se descubrieron nuevas aplicaciones para los polímeros en medicina, algunos investigadores se plantearon si éstos podrían utilizarse en el cuerpo humano, quizás para reparar o sustituir cartílagos y tejidos del organismo. La idea no era completamente nueva. El polímero natural colágeno, presente en el tejido conectivo animal, se ha utilizado como hilo quirúrgico durante más de 2.500 años. Y ya en 1860, un polímero artificial denominado colodión, inventado una década antes por el químico francés Louis Ménard, se utilizó como apósito líquido para heridas leves. El colodión, elaborado mediante la disolución de celulosa nítrica en alcohol y éter, formaba una película sólida que se podía retirar cuando la herida sanaba. Las excelentes propiedades de barrera de los polímeros fueron el centro de investigación de un experimento realizado en 1933 por el biólogo italiano Vicenzo Bisceglie, que implantó en un cobaya células tumorales envueltas en una membrana de nitrocelulosa. Las células consiguieron sobrevivir, protegidas por la membrana, frente al ataque de las células inmunológicas del animal.

Mientras tanto, la cuestión de la lucha con el sistema inmunológico del organismo se convertía en un objetivo esencial de la medicina. Los científicos empezaron a darse cuenta de que muchas de las enfermedades del corazón, hígado y riñones estaban relacionadas con deficiencias de los mismos, y comenzaron a dirigir sus esfuerzos a sustituir los órganos dañados por órganos sanos. Sin embargo, las células inmunológicas del organismo (diseñadas para buscar y destruir cualquier tipo de tejido extraño) no son capaces de distinguir, por ejemplo, entre una maligna infección bacteriana y un riñón transplantado. A pesar de que algunos de los primeros fármacos, como los corticoesteroides, la azatioprina o la 6-mercaptopurina, ayudaban a combatir el rechazo, el problema no desapareció hasta después de 1969, cuando el microbiólogo Jean Borel descubrió un hongo del suelo con propiedades medicinales. 40 años antes se habían obtenido la penicilina y muchos otros antibióticos a partir de hongos, y ahora se había descubierto que la ciclosporina A interfería de forma selectiva con las células inmunológicas específicas que producían la reacción de rechazo. En 1983, la Food and Drug Administration (FDA) de EE.UU. aprobó la ciclosporina A y proporcionó a los cirujanos especialistas en transplantes una herramienta que desde entonces ha salvado la vida a cientos de pacientes con problemas de funcionamiento del corazón, hígado o riñones.

La ciclosporina A provocó una oleada de transplantes y sentó las bases para los grandes avances actuales en "ingeniería de tejidos", tal y como denominan los científicos a la construcción de órganos artificiales completos. Los cirujanos especialistas en transplantes, que dejaron de perder pacientes por rechazo a los transplantes, se enfrentaban a una nueva frustración: la pérdida de pacientes ocasionada por la falta de donantes de órganos. Uno de estos médicos frustrados era Joseph Vacanti, del Hospital infantil de Boston, lugar en el que se realizó el primer transplante de órganos humano con éxito. En 1983, Vacanti comentó con su amigo Robert Langer, un ingeniero químico del Instituto tecnológico de Massachusetts, la posibilidad de realizar un hígado artificial y posiblemente otros tejidos artificiales para salvar las vidas de sus jóvenes pacientes.

El físico Joseph Vacanti (izquierdo) y el ingeniero químico Robert Langer unieron sus fuerzas a principios de la década de 1980 para crear tejidos artificiales. En pocos años consiguieron desarrollar células hepáticas en un armazón de polímeros, dando origen al campo de la ingeniería de tejidos. (Fotografía de Vacanti cedida por Charles Vacanti, fotografía de Langer cedida por Robert Langer).

Era mucho pedir. Nadie había creado ningún tipo de órgano que funcionase, y mucho menos uno tan complejo como el hígado. Sin embargo, Langer aportó una gran experiencia para abordar el problema de forma racional. A mediados de la década de 1970, desarrolló algunos sistemas de polímeros para M. Judah Folkman, de la universidad de Harvard, que en aquel momento investigaba el papel de la formación de nuevos vasos sanguíneos en el crecimiento de los tumores cancerosos. Folkman pidió a Langer que encontrara un mecanismo de liberación lenta para liberar los compuestos que bloquean a los mensajeros químicos que controlan la angiogénesis, la formación de vasos sanguíneos nuevos. Langer descubrió que polímeros como el etileno vinil acetato, que absorben muy poca agua, podían liberar estos mensajes químicos muy lentamente.

Langer acabó centrándose en un polímero, el ácido poliglicólico o PGA, que también se utilizó en suturas degradables sintéticas que se comercializaron en 1970. El PGA se conocía al menos desde 1950, cuando Norton Higgins, de DuPont, patentó un proceso de tres pasos para producirlo a partir del ácido glicólico mediante la manipulación cuidadosa de la presión y la temperatura. La patente registrada por Higgins no mencionaba ninguna aplicación médica, pero en 1963 Edward Schmitt y Rocco Polistina, de la compañía American Cyanamid Company, registraron una patente para la formación de suturas derivadas del PGA. Cuando estas suturas fueron introducidas en el mercado siete años después, se eligieron rápidamente como sustitutos resistentes, consistentes y factibles de las suturas absorbibles tradicionales a base de colágeno que hasta entonces habían usado los cirujanos.

Utilizando PGA y polímeros similares, Langer consiguió transformar pequeñas bolas de polímeros degradables y no degradables en una complicada estructura porosa que permitía difundir con lentitud moléculas grandes. (Este descubrimiento constituye la base de gran parte de la tecnología de administración controlada de fármacos actual.) Estas pequeñas bolas, cargadas con mensajeros químicos, desempeñaron un papel esencial en el descubrimiento realizado por Langer y Folkman en 1957 del primer compuesto que bloquea la formación de vasos sanguíneos nuevos, deteniendo así el crecimiento del tumor.

En 1984, casi al mismo tiempo que recibió la propuesta de Joseph Vacanti, Langer se asoció con Henry Brem, un cirujano especialista en neuroncología de la institución médica Johns Hopkins para probar sus nuevas técnicas para combatir el tumor cerebral mediante el uso de polímeros. Aunque se disponía de nuevas herramientas para la localización de tumores, entre las que se incluían los escáneres de imágenes de resonancia magnética y tomografía computerizada, seguían sin poderse tratar la gran mayoría de los tumores cerebrales malignos. Las células cancerosas que quedaban tras la extracción del tumor estaban protegidas frente a los fármacos de quimioterapia por la denominada barrera hematoencefálica, que evita que una gran variedad de sustancias químicas procedentes de la sangre penetren en el cerebro. Brem se preguntaba si los polímeros podrían liberar lentamente fármacos para combatir el cáncer donde realmente se necesitaba: en el cerebro.

Langer respondió su pregunta al diseñar polímeros degradantes de la superficie que liberaban los medicamentos a una velocidad controlada. En 1992, Brem y Michael Colvin, actual director del Duke Cancer Center (Centro para el cáncer Duke), implantaron láminas de polímeros en forma de disco para tratar el cáncer tras realizar intervenciones quirúrgicas en el cerebro. Las láminas prolongaron las vidas de los animales de laboratorio y de los pacientes humanos. Dado que las sustancias químicas se administraban localmente, no ocasionaban la toxicidad sistemática típica de los fármacos para combatir el cáncer. Tras la aprobación de la FDA en 1996, estas láminas representan el primer tratamiento nuevo para el cáncer cerebral en 25 años. En la actualidad se utilizan sistemas de administración lenta muy similares para tratar el cáncer de próstata, la endometriosis e infecciones óseas agudas.

Con el tamaño de una moneda de diez centavos, las láminas de polímeros biodegradables pueden implantarse tras la intervención quirúrgica del cerebro para administrar fármacos contra el cáncer a una velocidad controlada. (Fotografía cedida por Guilford Pharmaceuticals)

Todos estos esfuerzos establecieron las bases preliminares para que Langer y Vacanti continuaran la búsqueda de un sistema para desarrollar órganos y partes del cuerpo de repuesto, como hígados. Hasta el momento los científicos sabían que las células humanas desarrolladas en placas planas no producían la formación normal de proteínas, mientras que las células desarrolladas en estructuras tridimensionales presentaban unas características bioquímicas relativamente normales. Al principio Langer y Vacanti obtuvieron los mejores resultados con el PGA, pero dado que la mejor fuente de PGA fibroso en 1984 eran las suturas degradables, dedicaron horas a desenrollar suturas para transformar las fibras en estructuras de plástico parecidas que pudieran contener células hepáticas. Aún en 1986, las células hepáticas contenidas en armazones de plástico sobrevivían y funcionaban tras su transplante en animales, estableciendo las bases del uso estructuras de polímeros para crear una variedad de tejidos, desde huesos y cartílagos hasta piel.

 

Un microscopio electrónico de barrido revela el crecimiento de células en fibras de polímeros largas, el primer paso en la creación de tejidos artificiales. (Fotografía cedida por Robert Langer)

Las estructuras de polímeros, realizadas con técnicas de fibras sin tejer tomadas de la industria textil, se han utilizado para desarrollar al menos 25 tipos de células en animales y humanos y, por lo tanto, se han convertido en una especie de armazón genérico para órganos artificiales. Las empresas de biotecnología utilizan estas estructuras para crear piel artificial con el fin de tratar las quemaduras graves y las úlceras producidas por la diabetes. Multiplican células vivas en cultivos (normalmente procedentes de tejidos que se desechan durante las operaciones quirúrgicas) y, a continuación, "siembran" las células en la estructura de polímeros. Si se aplica en la herida del paciente, el material la protege contra infecciones mortales y pérdida de fluidos. Además, las células que contiene liberan factores de crecimiento químico, señales que estimulan el crecimiento celular normal en la zona de la herida. Estas sustancias químicas representan aproximadamente el 60 por ciento de la mejora en la recuperación que experimentan los diabéticos como Frank Baker con piel artificial. Al pensar en el futuro, los ingenieros de tejidos hablan sobre el uso de estructuras de polímeros para desarrollar células nerviosas destinadas a reparar la médula espinal, células óseas o de cartílagos para reparar las articulaciones, células pancreáticas para producir insulina para los diabéticos y células hepáticas para crear hígados para su transplante.

Gracias a todos estos esfuerzos realizados por muchos tipos de científicos, podemos destacar algunos hechos. El camino desde la necesidad al beneficio final recorre varias áreas de la ciencia y la tecnología y depende principalmente de los conocimientos obtenidos mediante investigaciones básicas. Los primeros descubridores de los polímeros consiguieron transformar los materiales naturales casi al azar, pero su trabajo se aceleró enormemente cuando los investigadores básicos aclararon las características fundamentales, como la relación entre el tamaño o el peso molecular y las propiedades físicas, que rigen el comportamiento de los polímeros. De forma similar, los progresos realizados en medicina y biología que dieron lugar al transplante de órganos aún se basan en investigaciones básicas acerca del papel de los mensajeros químicos, los códigos genéticos y la función celular. Cuando la ingeniería de materiales y la ciencia especializada en polímeros unen sus fuerzas con la biología y la medicina para producir estos milagros modernos, volvemos a ver cómo la colaboración interdisciplinaria y la investigación aplicada y básica esenciales siguen siendo la verdadera fuente de beneficios, tan simples y profundos como un tejido vivo que se puede crear en el laboratorio.

Esta cronología muestra la cadena de investigaciones básicas que condujeron al conocimiento de los polímeros y al desarrollo de algunas de sus aplicaciones médicas.

1839
Charles Goodyear inventa el proceso de vulcanización, que convierte la goma en un material seco, resistente y elástico.

1858
Los químicos Friedrich Kekulé y Archibald Couper demuestran que las moléculas orgánicas están compuestas por átomos de carbono combinados químicamente en distintas formas.

1870
John Wesley Hyatt comercializa el celuloide, un plástico hecho de celulosa modificada químicamente, también denominado nitrato de celulosa.

1887
El conde Hilaire de Chardonnet presenta un método par hilar soluciones de nitrato de celulosa en seda de Chardonnet, la primera fibra sintética.

1909
Leo Baekeland crea la baquelita, el primer plástico completamente sintético.

1920
Hermann Staudinger propone que los polímeros son largas cadenas de unidades más pequeñas que se repiten cientos o miles de veces. Posteriormente recibe el premio Nobel por su investigación de la síntesis y las propiedades de los polímeros.

Década de 1920
Kurt Meyer y Herman Mark utilizan rayos X para examinar la estructura interna de la celulosa y otros polímeros, demostrando así la estructura multiunitaria de determinadas moléculas.

Finales de la década de 1920
Wallace Hume Carothers y su grupo de investigación de DuPont sintetizan y desarrollan aplicaciones para los nailons, neoprenos y poliésteres sintéticos.

1930
Los alemanes desarrollan dos tipos de caucho sintético (Buna-S y Buna-N) a partir del butadieno, un subproducto del petróleo.

Década de 1930
Paul Flory desarrolla una teoría matemática para explicar la creación de redes de polímeros “en la que los fluidos de polímeros forman enlaces transversales y se convierten, como el caucho, en elásticos.” Flory recibiría en 1974 el premio Nobel por las contribuciones de su carrera profesional a la química de polímeros.

Década de 1940
Peter Debye desarrolla una técnica de dispersión de luz para medir el peso molecular de los polímeros de gran tamaño.

1950
Norton Higgins patenta un proceso para producir ácido poliglicólico, un plástico que puede degradarse lentamente de forma controlada en el cuerpo humano.

1963
Edward Schmitt y Rocco Polistina patentan la primera sutura sintética absorbible, compuesta de ácido poliglicólico, un plástico clave en la ingeniería de tejidos.

1975
Robert Langer y M. Judah Folkman utilizan polímeros para aislar las sustancias químicas que detienen la formación de vasos sanguíneos, sugiriendo así un nuevo método para combatir el cáncer. Dichos estudios establecieron también la viabilidad de una liberación controlada de macromoléculas.

1986
Langer y Joseph Vacanti demuestran que las células hepáticas desarrolladas en una estructura plástica pueden funcionar correctamente tras su transplante en animales, lo que abre las puertas al nuevo campo de la ingeniería de tejidos.

1996
La Food and Drug Administration aprueba los implantes de láminas de polímeros para tratar el cáncer cerebral, promovidos por Langer y Henry Brem

1997
Ensayos clínicos muestran que la piel artificial puede curar las úlceras de piel de los diabéticos, estableciendo así la viabilidad clínica potencial de la ingeniería de tejidos.

Este artículo ha sido elaborado por la escritora científica David J. Tenenbaum, con la colaboración de los Drs. Frank DiSesa, Robert L. Kruse, Robert S. Langer, Robert W. Lenz, William J. MacKnight, Jeffery L. Platt, Bruce Rosen, Richard Stein, Walter H. Stockmayer, Edwin L. Thomas, Valerie A. Wilcox, Charles A. Vacanti y William Vining, para Beyond Discoveryâ: The Path from Research to Human Benefit [Más allá del descubrimiento: el camino desde la investigación hasta el beneficio humano], un proyecto de la National Academy of Sciences (Academia Nacional de las Ciencias) de Estados Unidos.

La academia, con sede en Washington, es una sociedad de distinguidos eruditos comprometidos con la investigación científica y de ingeniería, dedicada al uso de la ciencia y la tecnología para el bienestar común. Durante más de un siglo, la Academia ha proporcionado asesoramiento científico objetivo e independiente a la nación.

El artículo ha sido financiado con fondos de la institución Camille Henry Dreyfus Foundation, Inc. y la Academia Nacional de Ciencias.

© 1999, U.S. National Academy of Sciences, septiembre de 1999

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