Generación de deportistas biónicos:extremidades artificiales por la igualdad

Tanto para la estética como para la funcionalidad, el reemplazo de una parte del cuerpo que falta con una prótesis (en griego, archivo adjunto ) siempre ha sido una necesidad. La tecnología actual fue más allá de la mera sustitución mecánica de la extremidad, elevándola a la biomecánica, gracias a la introducción de sensores mioeléctricos para activar la prótesis a través de la actividad muscular. Aquí, nos centraremos en los materiales que constituyen la prótesis, en particular los diseñados para deportes, en lugar de la electrónica.

Evolución de la prótesis

En el pasado, la amputación era el único tratamiento para cualquier herida grave en una extremidad. Sin embargo, el reemplazo de la extremidad faltante era raro y estaba reservado para los nobles. La primera prótesis documentada fue descubierta en Egipto. Allí, una momia fechada alrededor del 950 a.C. de una mujer noble con un dedo del pie protésico de madera y cuero y una uña tallada como réplica de la parte faltante (Figura 1) [1].

Figura 1. Dedo estético fechado en el 959 a.C. descubierto en Egipto [2].

Durante la Edad Media, las prótesis comenzaron a ser más funcionales (Figura 2). A los hombres que perdían sus brazos durante las batallas se les reemplazaba la extremidad por un dispositivo de hierro con elementos que les permitían colocar un escudo durante los combates. Mientras tanto, en los barcos, a los marineros se les reemplazaban los antebrazos por el famoso anzuelo y las piernas por palos de madera, ambos materiales de fácil disponibilidad a bordo.

Figura 2. Brazo protésico de hierro de la Edad Media [1].

La primera prótesis funcional fue ideada por el cirujano francés Ambroise Paré en el siglo XVI. La prótesis incluía una rodilla doblada, capaz de bloquearse mientras estaba de pie, y manos que permitían a los capitanes franceses a caballo agarrar y soltar las riendas [3]. En el siglo XVII, un cirujano holandés, Pieter Verduyn, incluyó articulaciones en su prótesis, así como una mejor sujeción a la pierna. Más tarde, la prótesis incluyó resortes para simular músculos y tendones. En la década de 1990, los microprocesadores se introdujeron para controlar el movimiento de la rodilla de la prótesis , y los sensores registraron el estímulo electromiográfico que movió la prótesis (Figura 3) [3].

Figura 3. Evolución de las prótesis transfemorales en los años [3].

Tres componentes principales

La prótesis puede reemplazar cuatro partes diferentes del cuerpo nombrados como consecuencia de sus ubicaciones:trans-humeral, trans-radial, trans-tibial y trans-femoral. Independientemente de su aplicación y colocación, las prótesis deben ser ligeras para facilitar su uso (no sería útil tener un miembro artificial con un peso como el original, es decir, el 10% y el 30-40% del peso corporal para los dos brazos y las dos piernas, respectivamente).

La prótesis se compone de tres componentes principales (suspensión, pilón y encaje) que generalmente se mantienen iguales entre los tipos de prótesis (estética o funcional) y ubicación [4].

El enchufe es la parte de la prótesis que se adhiere al muñón. Para garantizar la comodidad del usuario y la total eficacia de la prótesis, es fundamental que el encaje no irrite la piel del muñón y pueda transmitir el impacto o la fuerza. El encaje suele estar hecho de polipropileno, en sustitución de la lana utilizada anteriormente.

La suspensión es la unión entre el pilón y el zócalo. Es vital para mantener el pilón unido al muñón y, por lo general, se usa un método de succión para crear un vacío y mantener las dos partes unidas.

El pilón es el núcleo de la prótesis. Por lo general, se crea a partir de titanio o fibras de carbono (más resistentes, livianas y más fuertes que el acero), reemplazando la madera que se usaba en el tiempo. El pilón a menudo se cubre con un material suave que combina con el color de la piel natural.

Prótesis en el deporte

Después de la Segunda Guerra Mundial, la participación de los amputados en actividades deportivas se convirtió para ellos en una oportunidad para volver a la normalidad, aumentando su sentimiento de bienestar e inclusión social. Por tanto, tras la sustitución del miembro perdido, se dio un paso más en la dirección de la optimización de la prótesis para el uso deportivo.

Este desarrollo es principalmente famoso por correr. En la década de 1980, una de las primeras prótesis creadas para la actividad física más extenuante fue el Pie de Seattle (Figura 4). Una quilla interna flexible de Delrin (un plástico cristalino con características entre metales y plásticos) rodeada por una cubierta de poliuretano actuaba como un resorte, devolviendo parte de la energía [5].

Figura 4. Sección del pie de Seattle [6].

Utilizando Flex-Foot (Figura 5) y Re-Flex VSP, los amputados de extremidades inferiores lograron correr con mayor eficiencia energética. La introducción de las fibras de carbono permitió, de hecho, correr más sobre los dedos de los pies, una característica de los corredores normales [7]. En particular, el Flex-Foot mostró la relación de retorno de energía más alta en comparación con las otras prótesis hechas con poliuretano o poliacetal [5].

Figura 5. Prótesis Flex-Foot [8].

Últimamente, el nombre del sudafricano Oscar Pistorius acaparó los titulares siendo el primer atleta doble amputado en competir en unos Juegos Olímpicos y dando inicio al debate sobre el dopaje tecnológico (Figura 6). El corredor de velocidad utilizó los Guepardos , inventado por el ingeniero médico Van Phillips. Su horma está pensada para ir delante, por lo que no incluye tacón.

Según Josh McHugh [9], “Los guepardos parecen rebotar por sí mismos. Es imposible quedarse quieto sobre ellos y difícil moverse lentamente. Una vez que se ponen en marcha, los guepardos son extremadamente difíciles de controlar”. La razón radica en el hecho de que los Cheetahs están fabricados en polímero reforzado con fibra de carbono (como poliéster, epoxi o nailon que une la fibra de carbono). Dependiendo de la dirección y densidad de las fibras, se pueden dar diferentes niveles de rigidez.

La fibra de carbono funciona como un resorte, almacenando y liberando la energía cinética del atleta en cada paso. En particular, la relación del trabajo mecánico en la articulación del tobillo entre la fase negativa y la positiva es de 0,907 para los guepardos en comparación con 0,401 para los atletas sanos [7].

El trabajo mecánico en la rodilla fue 11 y ocho veces mayor en la fase negativa y positiva, respectivamente, en los guepardos que en los atletas capaces [7]. Debido a las propiedades elásticas mejoradas de la extremidad artificial, los saltadores de longitud paralímpicos utilizan la pierna protésica para despegar durante el salto.

Figura 6. Oscar Pistorius en la salida con prótesis Cheetah [10].

Mientras corren, los atletas amputados transfemorales tienen más desventajas que los transtibiales. La razón principal radica en el hecho de que la articulación de la rodilla es difícil de reproducir mecánicamente debido a su alta complejidad. La carrera del atleta transfemoral se caracteriza por una asimetría de hasta un 36% en la fase de balanceo entre el lado capaz y el incapaz [11]. Por ello, se han propuesto diferentes soluciones para remediar el problema de la inercia que influye en la aceleración de la prótesis durante la fase de recuperación.

No solo correr

La evolución de las prótesis para el deporte no se restringe al mundo del running. Normalmente, las prótesis de miembros inferiores se utilizan en deportes que necesitan una posición erguida como el esquí, mientras que las prótesis de miembros superiores se utilizan para deportes como remo o ciclismo. En este último, la propulsión y la estabilidad que dan los brazos son fundamentales. Para muchos deportes no es necesaria una adaptación de las prótesis para practicarlo, pero en la mayoría de los casos sí lo es [11].

En ciclismo , hay que dejar que se rompa la prótesis del miembro superior y cambiar los engranajes. Un mecanismo estándar de apertura/cierre debería ser suficiente. Sin embargo, para el ciclismo competitivo, la prótesis también debe garantizar la capacidad del atleta para cambiar su posición en el mango [11]. Para el ciclismo de montaña, un amortiguador puede reducir las vibraciones del paseo que se transmiten al mango (Figura 7).

Para las extremidades inferiores, los pies que almacenan energía y son útiles para caminar y correr constituyen una desventaja en el ciclismo, al no permitir una adecuada propulsión debido a su elasticidad [11]. Generalmente, una prótesis normal de tren inferior es suficiente para garantizar el empuje. Aún así, se deben considerar algunas adaptaciones, como un pedal más ancho y curvas para fijar la prótesis al pedal.

Figura 7. Adaptación a pistón de una prótesis de tren superior para ciclismo de montaña [12].

Los amputados unilaterales de miembros superiores e inferiores normalmente pueden nadar sin problemas, siempre que sean prótesis impermeables. Sin embargo, con el fin de mejorar su eficiencia, con frecuencia se conecta una aleta directamente a la cavidad de la extremidad sana (Figura 8) y a la misma longitud de la extremidad sana [11].

Figura 8. Adaptación de la aleta para nadar [12].

Además, la rodilla universal de tendón de Bartlett y la XT9 son prótesis utilizadas en deportes extremos, desde esquí hasta snowboard. y motociclismo . Ambas prótesis han sido inventadas por deportistas que perdieron sus extremidades en accidentes.

El futuro

Nike, Adidas y otras empresas por igual han estado desarrollando sus prótesis para deportes. Adidas creó la línea protésica Symbiosis utilizando materiales como fibra de carbono, sorbotano (un poliuretano) y aluminio [13]. En cambio, Nike avanzó en la creación de prótesis que pudieran interactuar con la hoja de fibra de carbono de Ossur, brindando beneficios tales como estabilidad, retorno de energía y recuperación (Figura 9).

Figura 9. Prótesis de Nike [13].

Con el fin de reducir el precio de las prótesis deportivas y de uso normal, se ha empleado la impresión 3D en su producción. Al igual que las prótesis normales, las prótesis impresas en 3D están hechas de plásticos como polipropileno, polietileno, acrílicos y poliuretano, con un soporte interior de titanio, aluminio o fibra de carbono.

El futuro de las prótesis deportivas y de uso normal parece estar en la osteointegración, es decir, la fijación de la prótesis directamente en el hueso del amputado mediante titanio. Sin embargo, la osteointegración presenta pros y contras. La ausencia del alvéolo permitirá reducir las molestias y la presión sobre la piel. Por otro lado, el riesgo de infección es alto y el paciente debe cuidar diariamente la zona de la piel del pilar, con la posibilidad de no poder realizar actividades como saltar o correr.