Deportistas biónicos: prótesis de vanguardia que empoderan la igualdad atlética

Tanto por estética como funcionalidad, la sustitución de una parte del cuerpo faltante con una prótesis (griego para adición) siempre ha sido una necesidad. La tecnología actual fue más allá del mero reemplazo mecánico del miembro, elevándolo a lo biomecánico, gracias a la introducción de sensores mioeléctricos para activar la prótesis mediante actividad muscular. Aquí nos centraremos en los materiales que constituyen la prótesis, particularmente los diseñados para deporte, más que en la electrónica.

Evolución de la prótesis

Antaño, la amputación era el único tratamiento para cualquier herida grave en un miembro. Sin embargo, el reemplazo del miembro faltante era raro y reservado para nobles. La primera prótesis documentada se descubrió en Egipto. Allí, una momia de hacia 950 a.C. de una noble tenía un dedo prostético de madera y cuero con uña tallada como réplica de la parte faltante (Figura 1) [1].

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

En la Edad Media, las prótesis empezaron a ser más funcionales (Figura 2). Hombres que perdieron brazos en batallas tenían su miembro reemplazado con dispositivo de hierro con elementos para colocar un escudo en combate. En barcos, marineros reemplazaban antebrazos con el famoso gancho y piernas con palos de madera, materiales de fácil disponibilidad a bordo.

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

La primera prótesis funcional fue ideada por el cirujano francés Ambroise Paré en el siglo XVI. Incluía rodilla articulable, bloqueable al estar de pie, y manos que permitían a capitanes franceses a caballo agarrar y soltar riendas [3]. En el XVII, el cirujano neerlandés Pieter Verduyn incluyó articulaciones y mejor fijación a la pierna. Luego, las prótesis incluyeron resortes para simular músculos y tendones. En los 90, microprocesadores se introdujeron para controlar el movimiento de rodilla de la prótesis, y sensores registraban el estímulo electromiográfico que movía la prótesis (Figura 3) [3].

Figura 3. Evolución de prótesis transfemoral en los años [3].

Tres componentes principales

La prótesis puede reemplazar cuatro partes corporales nombradas según su ubicación: transhumeral, transradial, transtibial y transfemoral. Independientemente de su aplicación y ubicación, las prótesis deben ser ligeras para facilitar su uso (no ayudaría tener un miembro artificial que pese como el original, es decir, 10 % y 30-40 % del peso corporal para los dos brazos y dos piernas, respectivamente).

La prótesis se compone de tres componentes principales (socket, pylon y socket) que generalmente permanecen iguales entre tipos de prótesis (estéticas o funcionales) y ubicación [4].

El socket (encaixe) es la parte que se une al muñón. Para garantizar comodidad y eficiencia total, es esencial que el socket no irrite la piel del muñón y pueda transferir impacto o fuerza. El socket suele hacerse de polipropileno, reemplazando la lana usada antes.

La suspensión es la unión entre el pylon y el socket. Es vital para mantener el pylon unido al muñón, y suele usarse un método de succión para crear vacío y mantener ambas partes unidas.

El pylon es el núcleo de la prótesis. Típicamente se crea de titanio o fibras de carbono (más resistentes, ligeras y fuertes que el acero), reemplazando la madera de antaño. El pylon a menudo se cubre con material blando que imita el color de la piel natural.

Prótesis en el deporte

Tras la II Guerra Mundial, la participación de amputados en deportes se convirtió en oportunidad para volver a la normalidad, aumentando su bienestar e inclusión social. Por ello, tras reemplazar el miembro faltante, se dio un paso más hacia la optimización de la prótesis para uso deportivo.

Este desarrollo es famoso principalmente en carrera. En los 80, una de las primeras prótesis para actividad física más intensa fue el Seattle Foot (Figura 4). Una quilla interna flexible de Delrin (plástico cristalino con características entre metales y plásticos) rodeada de carcasa de poliuretano actuaba como muelle, devolviendo parte de la energía [5].

Figura 4. Sección del pie Seattle [6].

Usando Flex-Foot (Figura 5) y Re-Flex VSP, amputados de miembros inferiores lograron carrera más eficiente energéticamente. La introducción de fibras de carbono permitió, de hecho, correr más sobre los dedos, característica de corredores normales [7]. En particular, el Flex-Foot mostró la mayor ratio de retorno de energía comparado con otras prótesis de poliuretano o poliacetal [5].

Figura 5. Prótesis Flex-Foot [8].

Recientemente, el nombre del sudafricano Oscar Pistorius saltó a titulares como primer atleta doble amputado en competir en Juegos Olímpicos, iniciando debate sobre dopaje tecnológico (Figura 6). El velocista usaba los Cheetahs, inventados por el ingeniero médico Van Phillips. Su forma está diseñada para avanzar, sin talón.

Según Josh McHugh [9], «Los Cheetahs parecen rebotar por sí solos. Es imposible estar quieto sobre ellos, y difícil moverse despacio. Una vez arrancan, son extremadamente difíciles de controlar». La razón es que los Cheetahs están hechos de polímero reforzado con fibra de carbono (poliéster, epoxi o nailon que une la fibra). Según dirección y densidad de fibras, pueden darse diferentes niveles de rigidez.

La fibra de carbono actúa como muelle, almacenando y liberando la energía cinética del atleta en cada zancada. En particular, la ratio del trabajo mecánico en la articulación del tobillo entre fase negativa y positiva es 0,907 para los Cheetahs frente a 0,401 para atletas sanos [7].

El trabajo mecánico en la rodilla fue 11 y 8 veces mayor en fase negativa y positiva, respectivamente, en los Cheetahs que en atletas capaces [7]. Debido a las propiedades elásticas mejoradas del miembro artificial, los saltadores de longitud paralímpicos usan la pierna prostética para impulsarse en el salto.

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

Al correr, los atletas amputados transfemorales tienen más desventajas que los transtibiales. La razón principal es que la articulación de rodilla es difícil de reproducir mecánicamente por su alta complejidad. La carrera del atleta transfemoral se caracteriza por asimetría hasta 36 % en fase de balanceo entre lado capaz e incapaz [11]. Por ello, se han propuesto distintas soluciones para remediar el problema de inercia influyendo en la aceleración de la prótesis durante la fase de recuperación.

No solo correr

La evolución de prótesis para deporte no se limita a la carrera. Normalmente, prótesis de miembros inferiores se usan en deportes que requieren posición erguida como esquí, mientras que prótesis de miembros superiores se usan para remo o ciclismo. En este último, la propulsión y estabilidad dadas por los brazos son esenciales. Para muchos deportes, una adaptación de la prótesis no es necesaria, pero en la mayoría de casos sí lo es [11].

En ciclismo, la prótesis del miembro superior debe poder frenar y cambiar marchas. Un mecanismo estándar de apertura/cierre debería bastar. Sin embargo, para ciclismo competitivo, la prótesis debe garantizar la capacidad del atleta de cambiar su posición en el manillar [11]. Para mountain bike, un amortiguador puede reducir vibraciones transmitidas al manillar (Figura 7).

Para el miembro inferior, los pies almacenadores de energía útiles para caminar y correr son desventaja en ciclismo, al no permitir propulsión adecuada por su elasticidad [11]. Generalmente, una prótesis normal de miembro inferior basta para garantizar el empuje. Aun así, algunas adaptaciones deben considerarse, como pedal más ancho y curvaturas para fijar la prótesis al pedal.

Figura 7. Adaptación de pistón de prótesis superior para mountain bike [12].

Amputados unilaterales de miembros superior e inferior suelen nadar sin problemas, si las prótesis son impermeables. Pero para mejorar eficiencia, una aleta se suelda a menudo directamente al socket del miembro sano (Figura 8) y a la misma longitud de este [11].

Figura 8. Adaptación de aleta para natación [12].

Además, la rodilla universal Bartlett Tendon y la XT9 son prótesis usadas en deportes extremos, desde esquí a snowboard y motociclismo. Ambas fueron inventadas por deportistas que perdieron miembros en accidentes.

El futuro

Nike, Adidas y empresas similares han desarrollado sus prótesis para deporte. Adidas creó la línea Symbiosis usando materiales como fibra de carbono, sorbothane (poliuretano) y aluminio [13]. Nike se movió hacia prótesis que interfieren con la pala de fibra de carbono de Össur, dando beneficios como estabilidad, retorno de energía y recuperación (Figura 9).

Figura 9. Prótesis Nike [13].

Para reducir el coste de prótesis deportivas y de uso normal, se ha empleado impresión 3D en su producción. Al igual que prótesis normales, las impresas en 3D son de plásticos como polipropileno, polietileno, acrílicos y poliuretano, con pylon interno de titanio, aluminio o fibra de carbono.

El futuro de prótesis deportivas y normales parece estar en la osteointegración, es decir, fijación directa de la prótesis en el hueso del amputado usando titanio. Sin embargo, la osteointegración tiene pros y contras. La ausencia de socket permitirá reducir molestias y presión en la piel. Por otro lado, el riesgo de infección es alto y el paciente debe cuidar la zona de piel del pilar diariamente, con posibilidad de no poder hacer actividades como saltar o correr.