Exploración de las propiedades del material, resistencia frente a la esterilización y aplicaciones médicas del poliéteretercetona (PEEK)

Publicación escrita por: Sisi Leung

1. Introducción

Los polímeros poliariletercetona (PAEK) comprenden un grupo versátil de materiales, siendo el politetheretercetona (PEEK) uno de los polímeros más destacados y utilizados en diversos campos médicos, como ortopedia, atención de traumatismos y implantes espinales (Kurtz, 2012). Este artículo analiza las propiedades térmicas del PEEK, su biocompatibilidad, resistencia a la esterilización por vapor y gamma, así como sus aplicaciones en medicina.

Figura 1: imagen del filamento de PEEK.

Propiedades térmicas

Con una estructura molecular de (C19H12O3)n y la estructura química que se muestra en la Figura 2a, el PEEK presenta una serie de propiedades deseables, destacando su resistencia excepcional al calor. A pesar de su rigidez, que proviene de su espina dorsal aromática de benceno, las cadenas moleculares de PEEK pueden mostrar flexibilidad y rotación alrededor de los enlaces éter y cetona. Al enfriarse gradualmente desde un estado fundido, el PEEK forma microestructuras amorfas desordenadas junto con formaciones cristalinas ordenadas, las cuales son fundamentales para la integridad del material, como se observa en la Figura 2b (Kurtz, 2012).

Figura 2a (izquierda): estructura química del PEEK (Carbon, 2024).

Figura 2b (derecha): Representación esquemática de las estructuras amorfas y cristalinas del PEEK (Kurtz, 2012).

Kurtz (2012) destaca cuatro transiciones térmicas fundamentales en los procesos de calentamiento de los polímeros: la temperatura de transición vítrea (143 °C), la temperatura de fusión (343 °C), la temperatura de flujo (400 °C) y la temperatura de recristalización (280 °C – 320 °C) (Tardif et al., 2014; Victrex, 2016). Estas transiciones, que ocurren muy por encima del punto de ebullición del agua y de las temperaturas médicas prácticas, resaltan la sólida resistencia térmica del PEEK. La espina dorsal aromática del polímero, un componente central de su monómero, garantiza su estabilidad durante diversos tratamientos térmicos. Sin embargo, un enfriamiento rápido puede inducir una cristalización o recristalización no deseada, provocando pérdida de volumen, aumento de densidad y contracción de los componentes, lo que hace que el material sea inadecuado para su uso. Por esto, un control preciso de la temperatura durante el procesamiento del PEEK es crucial para asegurar un rendimiento óptimo del producto.

Biocompatibilidad

Dado que las aplicaciones clínicas del PEEK requieren garantizar su biocompatibilidad, esta se convierte en una consideración fundamental. La biocompatibilidad evalúa las propiedades de un biomaterial, como ser no tóxico, no mutagénico, no carcinogénico y no inmunogénico (Toth, 2019). Se han realizado numerosos estudios en modelos animales para demostrar la biocompatibilidad del PEEK.

Las evaluaciones de toxicidad, mediante implantes submusculares y subcutáneos en ratas y conejos, mostraron reacciones mínimas, sin lisis celular ni efectos adversos en comparación con los controles sin PEEK (Williams et al., 1987; Wenz et al., 1990). Otras investigaciones sobre la proliferación y adhesión de fibroblastos indicaron que el PEEK puede potenciar los procesos de tratamiento sin inducir citotoxicidad ni daño en los tejidos (Hunter et al., 1995).

Los estudios sobre la potencial mutagénesis en mutantes de Salmonella typhimurium mostraron que el PEEK no producía respuestas mutagénicas, ya que no causó variantes del genotipo de Salmonella typhimurium con mutación en el operón de histidina para crecer en medios sin histidina (Katzer et al., 2002).

Asimismo, los estudios de inmunogenicidad resaltaron que el PEEK no induce inflamación, y los casos reportados de respuestas inmunes relacionadas con implantes de PEEK se atribuyen a reacciones alérgicas, más que a una inmunogenicidad inherente (Maldonado-Naranjo et al., 2015; Kofler et al., 2016). Junto con la evidencia de la ausencia de necrosis o hinchazón tras inyecciones de PEEK en la médula espinal y raíces nerviosas en conejos, la actividad limitada de células inflamatorias locales en el sitio de inyección y la apariencia normal de las células nerviosas (Rivard et al., 2002), como se observa en las Figuras 4 y 5, estos hallazgos sugieren que individuos inmunocompetentes no deberían experimentar alergia ni respuestas inmunogénicas graves ante el PEEK. Esto reafirma las propiedades no inmunogénicas del PEEK.

Figura 3 (izquierda): aumento de la raíz nerviosa de un conejo de prueba, mostrando acumulación de algunas células inflamatorias alrededor de las partículas de PEEK dentro del tejido conectivo a las cuatro semanas postquirúrgicas.

Figura 4 (derecha): aumento de la raíz nerviosa de un conejo control, mostrando una apariencia normal a las cuatro semanas postquirúrgicas (tejido de la médula espinal, ST).

2. Impresión 3D utilizando PEEK

En el estudio que analiza el impacto de la velocidad de extrusión y la velocidad de impresión en la fabricación de componentes de PEEK mediante impresión 3D, se descubrió que la relación entre la velocidad de extrusión y el diámetro del filamento influye significativamente en la estabilidad del producto. Según la investigación de Wu et al. (2015), una velocidad de extrusión elevada provoca fluctuaciones en el diámetro del filamento extruido, lo que compromete la precisión dimensional y la calidad superficial. Por otro lado, un aumento en la presión de fusión durante la impresión reduce los defectos superficiales en el filamento extruido al garantizar la consistencia en las dimensiones del filamento, elevando así la calidad general de la impresión (Geng et al., 2019). Aunque las fluctuaciones en la fuerza de extrusión pueden afectar la estabilidad del proceso, la integración de algoritmos de control optimizados puede reducir estos problemas al mejorar la estabilidad, la precisión dimensional y la calidad superficial de los componentes de PEEK impresos. Mediante un ajuste preciso de la velocidad de extrusión en función del diámetro del filamento y la regulación de la presión de fusión, estos algoritmos mitigan eficazmente las fluctuaciones del proceso de extrusión, logrando una mayor precisión, superficies más suaves y una estabilidad general mejorada en las piezas impresas (Geng et al., 2019). Este enfoque integral resalta la importancia de ajustar finamente los parámetros de extrusión y su control detallado para alcanzar resultados óptimos en la impresión de PEEK.

Resistencia al vapor y a la radiación gamma

La esterilización es un paso crítico previo a la implantación médica, siendo comúnmente realizada mediante métodos de vapor y radiación gamma. La esterilización por vapor puede introducir humedad en los polímeros a través de la acción capilar, modificando sus propiedades físicas y mecánicas mediante expansión dilatacional y generando tensiones internas (Ray, 2006). Por otro lado, la radiación gamma induce la escisión de cadenas, favoreciendo la cristalización del polímero a través del entrecruzamiento. Sin embargo, si el polímero irradiado se funde y sufre recristalización, la presencia de entrecruzamientos inducidos por la radiación puede inhibir el proceso de cristalización normal. Esta interferencia altera la formación de regiones cristalinas bien definidas, causando modificaciones en las propiedades mecánicas del material (Premnath et al., 1999).

A pesar de estos efectos, estudios han demostrado que el PEEK esterilizado mantiene valores coherentes del módulo de elasticidad y dureza, lo que indica su resistencia a los procesos de esterilización y su idoneidad para aplicaciones médicas (Godara et al., 2007).

3. Aplicaciones en Medicina

El poliariletercetona (PEEK) destaca en aplicaciones médicas debido a sus propiedades únicas, que permiten su diseño y fabricación con alta precisión y complejidad, en comparación con mallas de titanio y injertos óseos. Esto posibilita diseños precisos y complejos para la reconstrucción en defectos maxilofaciales, craneales y fronto-orbitarios (Hanasono et al., 2009).

Kim et al. (2009) lograron reconstruir con éxito defectos en cuatro pacientes utilizando implantes personalizados de PEEK, obteniendo resultados estéticos y funcionales excelentes, sin complicaciones postoperatorias como infecciones, extrusion o desplazamiento. De manera similar, Jalbert et al. (2009) demostraron la eficacia del PEEK en la reconstrucción primaria óptima durante resecciones de lesiones extensas en la región fronto-orbitaria en 2014, logrando resultados superiores y reduciendo el tiempo operatorio y la morbilidad en el sitio donante.

Figura 5: Implante de PEEK utilizado en la reconstrucción de la órbitoro- cigomática y maxilar tras trauma maxilofacial; A) implante de PEEK LT1 para órbitor- cigomática y maxilar; B) implante de PEEK tras la colocación.

En el campo de la odontología, el PEEK está ganando popularidad debido a su resistencia frente a las cargas mecánicas en la cavidad oral. Lee et al. (2012) investigaron los límites de fatiga y el blindaje contra esfuerzos en implantes dentales de PEEK, revelando límites de fatiga impresionantes que superan las normas ISO para restauraciones en dientes posteriores. Esto demuestra el potencial futuro del PEEK como material para implantes dentales.

En ortopedia, estudios de Steinberg et al. (2013) destacaron que los implantes CF-PEEK Optima combinados con cabezas de zirconia, alumina o Co/Cr/Mo presentan propiedades biomecánicas comparables a las de los dispositivos de titanio, lo que sugiere que el PEEK puede reducir la necesidad de reemplazo de implantes en el tiempo. Además, Li et al. (2015) valoraron el CFR-PEEK como material ortopédico debido a su biocompatibilidad, durabilidad mecánica y perfil de seguridad, respaldando su uso en aplicaciones ortopédicas.

Asimismo, el uso del PEEK en cirugías por enfermedad discal cervical ha revolucionado los tratamientos, ya que ayuda a reducir problemas como el hundimiento (subsidence) y la reabsorción ósea asociados con injertos autólogos. Los cages de PEEK ofrecen resistencia a la corrosión, una elasticidad similar a la del hueso natural (Hee & Kundnani, 2010) y capacidad para almacenar tejidos como hueso bancado y alogénicos, facilitando la estabilización de la columna lumbar o cervical (Klimo & Peelle, 2009). Estudios comparativos entre cages de PEEK, titanio y fibra de carbono, como el realizado por Cabraja et al. (2012) entre 2002 y 2007, demostraron resultados similares en el tratamiento de discectomías cervicales anteriores y artrodesis. Además, un estudio mostró que la cirugía de discectomía anterior con cage de PEEK mejoró significativamente a un paciente con deformidad espinal (Zhou et al., 2010), como se observa en la Fig. 7, reforzando la viabilidad del PEEK como material para dispositivos médicos.

Figura 6: Cage de PEEK que restituyó y mantuvo con éxito la curvatura de la columna vertebral durante todo el proceso de recuperación, ya que existe una diferencia significativa en el grado de curvatura espinal entre antes de la cirugía (a) (3.86 ± 0.87 mm) y justo después de la cirugía (b) (8.91 ± 0.93 mm). Sin embargo, las diferencias en el grado de curvatura espinal entre justo después de la cirugía (b), 6 meses después (c) (8.78 ± 1.01 mm) y la última revisión (d) (8.82 ± 0.97 mm) no fueron estadísticamente significativas.

Los avances recientes han ampliado las aplicaciones del PEEK en el tratamiento de enfermedades cardíacas. Por ejemplo, en la investigación de Leat y Fisher (1994), se exploró una geometría innovadora para válvulas cardíacas de poliuretano. Utilizando un marco de PEEK con un diseño especializado de las coaptas, se logró una mayor eficiencia hidrodinámica, menores caídas de presión necesarias para abrir las coaptas y un funcionamiento más suave de las mismas. Estos resultados sugieren un potencial significativo para mejorar las tecnologías de válvulas cardíacas mediante el uso de PEEK.

4. Conclusión

En conclusión, el PEEK ha consolidado su reputación como un recurso invaluable en el campo médico. Gracias a sus propiedades térmicas excepcionales, su biocompatibilidad comprobada y su resistencia sólida a los procesos de esterilización, el PEEK destaca como un material versátil con múltiples atributos deseables en las materias primas utilizadas para fabricar dispositivos médicos. Su adaptabilidad se evidencia en su uso en ortopedia, atención a traumatismos, implantes espinales e incluso en avances en aplicaciones cardíacas, todo lo cual subraya su importancia para mejorar los resultados en pacientes y promover la innovación médica. A medida que la investigación y el desarrollo en el ámbito sanitario continúan, el PEEK seguramente seguirá siendo un contendiente clave en la producción de dispositivos y tratamientos médicos, ofreciendo una combinación excelente de resistencia, biocompatibilidad y fiabilidad que lo convierten en la elección preferida por los profesionales de la salud.

5. Referencia

Cabraja, Mario, et al. “Anterior Cervical Discectomy and Fusion: Comparison of Titanium and Polyetheretherketone Cages.” BMC Musculoskeletal Disorders, vol. 13, no. 1, 14 Sept. 2012, https://doi.org/10.1186/1471-2474-13-172. Accessed 22 May 2022.

Carbon, ROC. “What Is PEEK? - ROC Carbon.” Www.roccarbon.com, 12 July 2024, www.roccarbon.com/what-is-peek/. Accessed 1 Aug. 2024.

Geng, Peng, et al. “Effects of Extrusion Speed and Printing Speed on the 3D Printing Stability of Extruded PEEK Filament.” Journal of Manufacturing Processes, vol. 37, Jan. 2019, pp. 266–273, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.11.023.

Godara, A., et al. “The Influence of Sterilization Processes on the Micromechanical Properties of Carbon Fiber-Reinforced PEEK Composites for Bone Implant Applications.” Acta Biomaterialia, vol. 3, no. 2, Mar. 2007, pp. 209–220, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2006.11.005. Accessed 8 Feb. 2020.

Hanasono, Matthew M., et al. “Calvarial Reconstruction with Polyetheretherketone Implants.” Annals of Plastic Surgery, vol. 62, no. 6, June 2009, pp. 653–655, https://doi.org/10.1097/sap.0b013e318184abc7. Accessed 30 June 2021.

Hee, Hwan T., and Vishal Kundnani. “Rationale for Use of Polyetheretherketone Polymer Interbody Cage Device in Cervical Spine Surgery.” The Spine Journal, vol. 10, no. 1, Jan. 2010, pp. 66–69, https://doi.org/10.1016/j.spinee.2009.10.014. Accessed 31 Oct. 2021.

Hunter, A., et al. “Attachment and Proliferation of Osteoblasts and Fibroblasts on Biomaterials for Orthopaedic Use.” Biomaterials, vol. 16, no. 4, 1 Mar. 1995, pp. 287–295, www.sciencedirect.com/science/article/pii/014296129593256D?via%3Dihub, https://doi.org/10.1016/0142-9612(95)93256-D.

Jalbert, F., et al. “One-Step Primary Reconstruction for Complex Craniofacial Resection with PEEK Custom-Made Implants.” Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery, vol. 42, no. 2, Mar. 2014, pp. 141–148, https://doi.org/10.1016/j.jcms.2013.04.001. Accessed 14 July 2021.

Katzer, A, et al. “Polyetheretherketone—Cytotoxicity and Mutagenicity in Vitro.” Biomaterials, vol. 23, no. 8, Apr. 2002, pp. 1749–1759, https://doi.org/10.1016/s0142-9612(01)00300-3.

Kim, Michael M., et al. “Use of Customized Polyetheretherketone (PEEK) Implants in the Reconstruction of Complex Maxillofacial Defects.” Archives of Facial Plastic Surgery, vol. 11, no. 1, 1 Jan. 2009, https://doi.org/10.1001/archfaci.11.1.53.

Klimo, Paul, and Michael W. Peelle. “Use of Polyetheretherketone Spacer and Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2 in the Cervical Spine: A Radiographic Analysis.” The Spine Journal, vol. 9, no. 12, Dec. 2009, pp. 959–966, https://doi.org/10.1016/j.spinee.2009.05.008. Accessed 22 Mar. 2019.

Kofler, Lukas, et al. “Allergic Reaction to Polyether Ether Ketone Following Cross-Reactivity to Epoxy Resin.” Journal of Cutaneous Medicine and Surgery, vol. 21, no. 1, 20 Aug. 2016, pp. 78–79, https://doi.org/10.1177/1203475416665606.

Kurtz, Steven M. “An Overview of PEEK Biomaterials.” PEEK Biomaterials Handbook, 2012, pp. 1–7, https://doi.org/10.1016/b978-1-4377-4463-7.10001-6.

Leat, M. E., and J. Fisher. “A Synthetic Leaflet Heart Valve with Improved Opening Characteristics.” Medical Engineering & Physics, vol. 16, no. 6, 1 Nov. 1994, pp. 470–476, www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/135045339490071X, https://doi.org/10.1016/1350-4533(94)90071-X. Accessed 20 May 2023.

Lee, Woo-Taek, et al. “Stress Shielding and Fatigue Limits of Poly-Ether-Ether-Ketone Dental Implants.” Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, vol. 100B, no. 4, 14 Feb. 2012, pp. 1044–1052, onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jbm.b.32669, https://doi.org/10.1002/jbm.b.32669.

Li, Chuan Silvia, et al. “The Use of Carbon-Fiber-Reinforced (CFR) PEEK Material in Orthopedic Implants: A Systematic Review.” Clinical Medicine Insights: Arthritis and Musculoskeletal Disorders, vol. 8, Jan. 2015, p. CMAMD.S20354, www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4344123/, https://doi.org/10.4137/cmamd.s20354.

Maldonado-Naranjo, Andres L., et al. “Polyetheretherketone (PEEK) Intervertebral Cage as a Cause of Chronic Systemic Allergy: A Case Report.” The Spine Journal, vol. 15, no. 7, July 2015, pp. e1–e3, https://doi.org/10.1016/j.spinee.2015.04.011.

Premnath, V, et al. “Molecular Rearrangements in Ultra High Molecular Weight Polyethylene after Irradiation and Long-Term Storage in Air.” Polymer, vol. 40, no. 9, 1 Apr. 1999, pp. 2215–2229, www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386198004388, https://doi.org/10.1016/S0032-3861(98)00438-8. Accessed 23 June 2024.

Ray, B.C. “Temperature Effect during Humid Ageing on Interfaces of Glass and Carbon Fibers Reinforced Epoxy Composites.” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 298, no. 1, June 2006, pp. 111–117, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.12.023.

Rivard, Charles-H, et al. “In Vivo Biocompatibility Testing of Peek Polymer for a Spinal Implant System: A Study in Rabbits.” Journal of Biomedical Materials Research, vol. 62, no. 4, 9 Sept. 2002, pp. 488–498, https://doi.org/10.1002/jbm.10159.

Steinberg, Ely L., et al. “Carbon Fiber Reinforced PEEK Optima—a Composite Material Biomechanical Properties and Wear/Debris Characteristics of CF-PEEK Composites for Orthopedic Trauma Implants.” Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, vol. 17, Jan. 2013, pp. 221–228, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2012.09.013.

Tardif, Xavier, et al. “Experimental Study of Crystallization of PolyEtherEtherKetone (PEEK) over a Large Temperature Range Using a Nano-Calorimeter.” Polymer Testing, vol. 36, 1 June 2014, pp. 10–19, https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2014.03.013.

Toth, Jeffrey M. “Biocompatibility of PEEK Polymers.” PEEK Biomaterials Handbook, 2019, pp. 107–119, https://doi.org/10.1016/b978-0-12-812524-3.00008-9.

Victrex. VICTREX PEEK the FOUNDATION of VICTREX INNOVATIONS. Sept. 2016.

Wenz, L. M., et al. “In Vitro Biocompatibility of Polyetheretherketone and Polysulfone Composites.” Journal of Biomedical Materials Research, vol. 24, no. 2, Feb. 1990, pp. 207–215, https://doi.org/10.1002/jbm.820240207.

Williams, D. F., et al. “Potential of Polyetheretherketone (PEEK) and Carbon-Fibre-Reinforced PEEK in Medical Applications.” Journal of Materials Science Letters, vol. 6, no. 2, Feb. 1987, pp. 188–190, https://doi.org/10.1007/bf01728981.

Wu, Wenzheng, et al. “Influence of Layer Thickness and Raster Angle on the Mechanical Properties of 3D-Printed PEEK and a Comparative Mechanical Study between PEEK and ABS.” Materials, vol. 8, no. 9, 1 Sept. 2015, pp. 5834–5846, www.mdpi.com/1996-1944/8/9/5271/htm, https://doi.org/10.3390/ma8095271.

Zhou, Jian, et al. “Comparison of Stand-Alone Polyetheretherketone Cages and Iliac Crest Autografts for the Treatment of Cervical Degenerative Disc Diseases.” Acta Neurochirurgica, vol. 153, no. 1, 6 Oct. 2010, pp. 115–122, https://doi.org/10.1007/s00701-010-0821-4. Accessed 13 June 2024.