Carbón para el corazón

Figura1 – Prótesis valvular cardiaca de carbón pirolítico

El universo que nos contiene es rico en carbono, cuarto elemento más abundante en su masa, tras el hidrógeno, helio y oxígeno. En nuestro planetase encuentra como cuerpo simple -carbón y diamante-, bien como compuesto inorgánico -dióxido de carbono, carbonato de calcio-,o compuesto orgánico -petróleo, gas natural y biomasa-. Desde la antigüedad se conocía el carbón que producían mediante la combustión incompleta de diversos materiales orgánicos. La investigación científica ha logrado sintetizar diversas estructuras basadas en el carbono-grafeno, carbón activado, nanotubos, fullerenos y carbón pirolítico-, no presentes en la Tierra.

En 1704, Isaac Newton vislumbró que el diamante y el carbono eran elementos de la misma familia, estando convencido de que el diamante podría ser un excelente combustible, aunque no se logró calcinar hasta 1772. Antoine Lavoisier, famoso químico francés, comprobó que durante su combustión se producía un gas incoloro -dióxido de carbono-. Años más tarde (1797), Smithson Tennant, químico inglés, demostró experimentalmente que el diamante no era otra cosa que carbón puro; de hecho, cuando se somete el grafito a altísimas presiones se convierte en diamante.

El cuerpo humano está formado por una abundante cantidad de carbono, diversos gases y minerales en pequeñas cantidades. En realidad, los elementos esenciales para el funcionamiento de nuestro organismo formanel denominado grupo CHON: carbono (18 por ciento), hidrógeno (10 por ciento), oxígeno (65 por ciento) y nitrógeno (3 por ciento), que componen el 96 por ciento de su masa total. El 4 por ciento restante está constituido por otros elementos imprescindibles para la supervivencia, como el calcio (2 por ciento), fósforo (1 por ciento) y, en menor proporción, potasio, sodio, azufre, cloro, magnesio, yodo, hierro y zinc. Por tanto, el segundo elemento más abundante de nuestro cuerpo es el carbono, como componente químico de múltiples elementos orgánicos, no apareciendo como cuerpo simple. Estos ladrillos de la vida no son sintetizados por el organismo, por tanto, deben ser incorporados mediante la ingesta para poder crear las biomoléculas esenciales de la vida: ácidos nucleicos, hidratos de carbono, lípidos y proteínas.

De las centrales nucleares al corazón

El carbón pirolítico no se encuentra en la naturaleza, ha sido creado por el ser humano, hace algo más de 50 años. La investigación científica ha logrado su utilización en diversas aplicaciones médicas. El carbón pirolítico se origina mediante un complejo proceso de pirolisis -descomposición térmica de un gas o hidrocarburos gaseosos (metano, propano, propileno oacetileno)-, en ausencia de oxígeno. La fabricación del carbón pirolítico es muy complejo y costoso, ya que requiere de unos hornos tubulares de 2-25 centímetros de diámetro,en cuyo interior se alcanzan temperaturas altísimas, entre 1200°C y 2500 °C, permitiendo únicamente la fabricación de piezas de pequeño tamaño. El horno se activa mediante el calentamiento de un gas inerte -nitrógeno, helio-, al que se añade un hidrocarburoal alcanzarlos 1500°C, momento que se logra su descomposición por pirolisis. En el transcurso de este proceso se va formando una especie de barniz durísimoque se adhiere íntimamente a una matriz de grafito que se emplea como soporte. Este revestimiento de carbón pirolítico (del inglés, pyrolyticcarboncoating) puede tener un grosor variable, dependiendo de las condiciones de depósito (temperatura, tipo de gas inerte, concentración y velocidad del flujo de gas, superficie del área del sustrato subyacente y tiempo de exposición durante la descomposición del hidrocarburo).

Figura 2 - Horno para fabricación del carbón pirolítico

El carbón pirolítico pertenece a la familia de los carbones turbostráticos con estructura similar al grafito. El grafito consta de átomos de carbono unidos en matrices hexagonales que se apilan y mantienen fusionadas por una débil unión entre sus capas. El carbón pirolítico difiere en que las capas están desordenadas, confiriéndole una estructura arrugada y distorsionada, que le proporcionauna extraordinaria dureza. Esta estructura cristalina posee unas propiedades fisicoquímicas especiales, de forma que, en el plano horizontal a su superficiese comporta como un metal muy resistente, de gran dureza, elevad aconductividad térmica e importante resistencia a la tracción; en cambio, en el plano vertical funciona como un material refractario típico, o sea, baja conductividad térmica y escasa resistencia a la tracción. El carbón pirolítico es prácticamente impermeable a los gases, por lo que se utiliza para el recubrimiento del carburo de uranio y otros combustibles atómicos en las centrales nucleares, evitando el escape de los subproductos que resultan de la fisión gaseosa. Este carbón pirolítico, de dureza cercana al diamante, se utiliza para la construcción de los vasos de los reactores nucleares que contienen varillas de combustible del uranio radiactivo a altísimas temperaturas. En la escala de dureza de los materiales de carbono: el grafito tiene dureza 1, el carbón pirolítico 9 yel diamante 10.

En 1966, Jack Bokros, ingeniero especialista en Ciencia de los Materiales del departamento de investigación de la compañía General Atomic Co.® estaba investigando en recubrimientos de carbón pirolítico para partículas de combustible nuclear. Casualmente, leyó un artículo del Dr. Vicent Gott, jefe de cirugía cardiaca del Johns Hopkins Schoolof Medicine de Baltimore, EE.UU., quien estaba interesado en obtener una pintura de carbono para dispositivos artificiales cardiovasculares. Esto les hizo colaborar y lograron modificar el carbón pirolítico,comprobando experimentalmente su biocompatibilidad en el corazón. Meses después, Bokros introdujo este biomaterial para la fabricación de prótesis valvulares cardiacas. Su empresa logró una importante modificación en la fabricación del carbón pirolítico al utilizar una aleación de 5-12 por ciento de silicio. Las finas partículas del carburo de silicio dispersas en la matriz de carbono aumentabanla dureza y resistencia al desgaste. Este material de carbón pirolíticose empleó, por vez primera en 1969, para la fabricación de la prótesis mecánica modelo DeBakey-Surgitool™.

https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2003.09.002

Las propiedades fisicoquímicas y mecánicas del carbono pirolítico con aleación de silicio, conforman un material algo elástico y extremadamente duro. Este biomaterial obtenido mediante aleación de silicio tuvo mucho éxito para el diseño de las prótesis valvulares cardiacas, especialmente en la fabricación de la delicada zona de bisagra (del inglés, hingezone), lugar crítico porla posible formación de flujos de sangre turbulentosy, consecuentemente, la inducción de coágulos. Esta parte de las prótesis cardiacas puede originar lo que se denomina cavitación o implosión de pequeñas burbujas que se producen y causan ondas de alta presión que viajan por la sangre a velocidades próximas a las del sonido, chocando con la superficie de la prótesis, pudiendo erosionar la superficie del carbón pirolítico.

En la fabricación de las prótesis mecánicas valvulares cardiacas se exige que tengan unas determinadas propiedades mecánicas (resistencia al desgaste y fatiga del material, elasticidad, dureza), biocompatibilidad (no provocar ninguna reacción adversa en el corazón) y durabilidad (funcionamiento durante muchos años). Estas prótesis cardiacas deben soportar los continuos movimientos de apertura (100.000/día) y cierre 100.000/día), sin experimentar ninguna deformidad o deterioro, durante toda la vida del paciente.

A principios de la década de 1990, se introdujo un importante cambio en el proceso de fabricación, lográndose la creación del carbón pirolítico puro, sin mezcla de otro mineral, que posee una dureza y resistencia al desgaste muy superior al anterior con una aleación de silicio, mejorándose ostensiblemente sus propiedades mecánicas. Con el carbón pirolítico puro fue posible fabricar diseños más complejos de prótesis valvulares, mejorándose las características hidrodinámicas, al prescindir de los anillos de refuerzo de titanio usados en las primeras prótesis, que limitaban del flujo sanguíneo en los pacientes con válvulas aórticas pequeñas. Además, se redujo significativamente la trombogenicidad -capacidad de formar coágulos-, consiguiendo una prótesis muy duradera y eficiente. Desde el primer implante realizado en Estados Unidos, se ha utilizado el carbón pirolítico puro en más de cuatro millones de componentes valvulares de 25 modelos diferentes de prótesis valvulares cardiacas, hasta acumular una experiencia clínica de más de 18 millones de pacientes-año.

Debido a la complejidad y dificultad en la fabricación del carbón pirolítico, en la década de 1980 existían solamente cuatro empresas que lo producían -dos en EE.UU. y las otras dos en Rusia e Italia-, de aquí su elevado coste. En la actualidad, existen otras nuevas empresas en varios países, lo que ha supuesto un avance impresionante en la industria biomédica.

https://doi.org/10.1115/IMECE2000-2672

En la actualidad, el 95 por ciento de las prótesis valvulares cardiacas tienen, al menos, uno de sus componentes fabricados con carbón pirolítico. Aunque su compatibilidad con la sangre humana no es perfecta –aún precisa del tratamiento anticoagulante permanente para evitar la formación de coágulos– sigue constituyendo el material artificial más exitoso para producir las prótesis que sustituyen las válvulas del corazón, por su probada durabilidad y mínimas complicaciones postoperatorias.

Del corazón a los nudillos

Figura 3 - Prótesis articulación de dedos de carbón pirolítico

La mano humana tiene 25 articulaciones que posibilita la realización de 58 movimientos distintos. Las articulaciones metacarpofalángicas (MCF) están situadas entre los huesos metacarpianos y las falanges proximales de los dedos. Estas articulaciones son denominadas condiloides, ya que las cabezas redondeadas de los huesos metacarpianos son alojadas en unas cavidades poco profundas de los extremos de las falanges proximales. Tienen la importante misión de permitir los movimientos de flexión, extensión, abducción, aducción y circunducción en las articulaciones de los dedos.

Desde hace años, se viene utilizando el carbón pirolítico puro para la fabricación de prótesis articulaciones MCF -nudillos- con todo éxito. Estas articulaciones MCF de reemplazo de PyroCarbon™ son fabricadas por las empresas norteamericanasTornier™ (BioProfile®), Integra LifeSciences™ (anteriorAscensionOrthopaedics®). En los pacientes operados se ha conseguido un incremento importante del arco de movilidad y funcionalidad de la mano.

https://doi.org/10.1016/S1888-4415(08)74811-2

Figura 4 - Radiografía de una mano con prótesis articular de dedos

La biocompatibilidad del carbón pirolítico puro, su dureza, alta resistencia al desgaste,tromborresistencia y durabilidad lo convierten en un biomaterialideal, creado por la inteligencia humana, que se utilizará para la fabricación de múltiples aplicaciones médicas en un futuro cercano.

“Los diamantes no son más que trozos de carbón que se quedaron atrapados en su trabajo”

Malcolm S. Forbes(1919-1990) – Empresario norteamericano y editor de la Revista Forbes

Carbón para el corazón

José Manuel Revuelta Soba

Libro del corazón