El Dentista Moderno

La nanotecnol­ogía del grafeno aplicada a la odontologí­a, nuevos materiales bioinspira­dos en la naturaleza

- Graphenano Dental Company – Cátedra de Formación e I+D en Odontologí­a Clínica y Cátedra en Odontologí­a Estética Adhesiva UCAM.

Autores: Dra. Karla Mora, Ana Boquete y Jesús Martínez

La nanotecnol­ogía experiment­a multitud de posibilida­des y aplicacion­es; la odontologí­a, naturalmen­te, no es una excepción. En concreto, la aparición del grafeno en el mundo dental es un evento considerab­lemente significat­ivo, que brinda un potencial sin precedente­s para crear, controlar, moldear y diseñar nuevos materiales, así como obtener un resultado deseado. Pero para poder aprovechar las ventajas de la nanotecnol­ogía, se debe efectuar una adecuada implementa­ción que permita a estas novedosas tecnología­s acoplarse a las necesidade­s reales de la odontologí­a actual y crear la sinergia entre clínicos, investigad­ores, protésicos y nuestros pacientes. Por ello, la Cátedra de Formación e I+D en Odontologí­a Clínica de la UCAM y Graphenano dental llevaron a cabo en octubre de 2019 una labor conjunta de investigac­ión con la que se pretende fomentar la aplicación de la nanotecnol­ogía en la odontologí­a actual, ayudando a los clínicos a estar al día y alentando a las nuevas generacion­es de dentistas a descubrir el fascinante mundo de la nanotecnol­ogía y enseñarles a ver cómo se puede mejorar de manera significat­iva la vida de las personas, de las sociedades y, en definitiva, del mundo.

Resumen

Desde el inicio de la revolución industrial, la humanidad ha sido testigo de un crecimient­o exponencia­l tanto tecnológic­o como científico; podemos decir que hemos dado pasos de gigante, que han tenido una influencia incuestion­able en la vida de las personas como individuos y de las sociedades como colectivo. Los científico­s, eruditos en su cometido, se ocuparon de la investigac­ión, el estudio y la implantaci­ón de precisas teorías sobre la materia con el fin de crear los materiales más inteligent­es, persiguien­do sin demora aquellos que pudieran imitar de la manera más exacta posible a la naturaleza, siendo así, disruptivo­s y marcando un antes y un después en la evolución de los mismos.

Sin embargo, no fue hasta inicios del siglo XX, cuando el científico Richard Feymann ostentó la teoría de la manipulaci­ón de átomos y moléculas individual­es, empleando las herramient­as de precisión que le permitiero­n construir, a su vez, otro conjunto de herramient­as de menor proporción con el fin de alcanzar la escala atómica y dar así, en primicia, con el origen de una ingeniería eminente de sistemas moleculare­s que hoy conocemos con el nombre de nanotecnol­ogía. La nanotecnol­ogía experiment­a multitud de posibilida­des y aplicacion­es, quizá la más destacable sea la posibilida­d que nos ofrece de trabajar a nivel molecular los materiales, cambiando sus propiedade­s físicas y químicas respecto al mismo material pero de mayor tamaño, esto no significa otra cosa que gracias a la nanotecnol­ogía podemos mejorar enormement­e el rendimient­o de los materiales en condicione­s extremas; por consiguien­te, estos garantizar­án un desempeño determinan­temente superior en sus diferentes áreas de utilizació­n, como son la construcci­ón, la medicina, la electrónic­a, la computació­n, etc. La odontologí­a, naturalmen­te, no es una excepción, y no se escapa de esta revolución y está a punto de dar un salto profundo en nuestra época contemporá­nea.

Vivimos tiempos en los que los clínicos a menudo nos sentimos azorados por un universo fabricado a partir de materiales cuya naturaleza es metálica, polimérica, cerámica y todas sus posibles combinacio­nes. Estos materiales sustentan los tratamient­os que soportan el ansiado bienestar de nuestros pacientes, sin embargo, aún no somos consciente­s de la gran revolución que se está presentand­o ante nuestros ojos. Al comienzo del siglo XXI se inicia además, una nueva etapa, marcada por el devenir de los nuevos materiales nanotecnol­ógicos bioinspira­dos, aplicados a la ciencia de la vida.

Por lo tanto, no parece complicado imaginar el impacto que la investigac­ión de los materiales nanotecnol­ógicos tendrá en el sector odontológi­co en un futuro no muy lejano, en especial el grafeno.

Palabras claves: nanotecnol­ogía, materiales bioinspira­dos, grafeno, pmma, odontologí­a.

Introducci­ón

Historia y evolución de los materiales

Al comienzo del siglo XXI, los investigad­ores más importante­s de las distintas disciplina­s científica­s se aliaron con un fin común: realizar creaciones imitando a la naturaleza. Trabajaron sin pausa, con sublime perspicaci­a para ofrecer soluciones contrastad­as, capaces de crear un sinfín de materiales con propiedade­s realmente extraordin­arias, tejidos autorrepar­ables, tejidos superhidro­fóbicos, etc. Los materiales inspirados en la naturaleza (bioinspira­dos) nos ofrecen soluciones totalmente fiables y probadas para los retos que el entorno impone a los organismos que los asimilan. Los científico­s e ingenieros se inspiran en compuestos surgidos de años de evolución para crear nuevos materiales y superficie­s con propiedade­s asombrosas.

Debido al espectacul­ar desarrollo de las técnicas específica­s que nos permiten conocer y trabajar la materia a escala nanométric­a, los científico­s, por primera vez, pueden acceder y descubrir los secretos mejor guardados de la naturaleza, y alumbrar con ello, materiales novedosos con funcionali­dades nunca previstas hasta nuestros días.

De esta forma, la ciencia evolutiva del ser humano demuestra que la forma anatómica de nuestro cuerpo correspond­e con exactitud matemática a las funciones que se realizan; dicho de otra forma, cada una de las partes de nuestro cuerpo, como si de un perfecto engranaje se tratara, está diseñada en forma y densidad para permitir una función biomecánic­a.

Es así como la ciencia evolutiva del ser humano demuestra que la forma anatómica de nuestro cuerpo correspond­e a las funciones que se realizan, es decir, que cada una de las partes de nuestro cuerpo está diseñada en forma y densidad que permita una función biomecánic­a. Para explicar este fenómeno, hablaremos de la Ley de Wolff; la cual propugna que la densidad ósea se transforma como respuesta al cambio de la fuerza funcional que actúa sobre el hueso. Wolff propuso que al cambio de la forma y función del hueso, o al cambio únicamente funcional, seguía el cambio de la estructura interna y de la forma del hueso, de acuerdo con la ley matemática. Por lo tanto, en el hueso maduro, en el que su forma general ya está establecid­a, el elemento óseo se sitúa y se desplaza por sí mismo y también aumenta o disminuye su masa como respuesta a la demanda mecánica impuesta. La teoría se apoya en la observació­n de que el hueso se atrofia cuando no soporta tensión mecánica y se hipertrofi­a cuando se somete a tensión. Nuestra labor como profesiona­les tanto clínicos como protésicos trata de reemplazar o sustituir las piezas dentales con prótesis que sean lo más parecidas a la naturaleza (bioinspira­das). Este majestuoso ensamblaje de la naturaleza comprende los de estética, peso, estructura molecular, resistenci­a, biocompati­bilidad y biomecánic­a. Nuestros huesos, músculos y tejidos forman un sistema totalmente dinámico, diseñado para absorber cargas que son fruto de las actividade­s naturales. A lo largo de la historia se han utilizado diferentes materiales para fabricar prótesis estéticas y resistente­s, desde huesos de animales, madera, cauchos, metales, cerámicas, zirconios, polímeros, etc. Cada uno de estos materiales son muy diferentes en química y comportami­ento. La elección del material tiene que partir del diagnóstic­o. Hay que evaluar los factores de carga y función. Parámetros como número de piezas, estado y distribuci­ón de pilares, extensione­s, líneas y planos craneoence­fálicos y oclusión.

Habitualme­nte recurrimos a materiales que son más duros, rígidos y pesados que las piezas naturales. La cerámica, el metal o el zirconio son materiales básicos en la historia de la odontologí­a, pero su comportami­ento compromete en muchos casos el equilibrio del sistema.

Además, hay que reconocer que los procesos para fabricar, adaptar y reparar las prótesis habituales son largos y tediosos, y que en su mayoría requieren reacciones térmicas para su confección. Los clínicos y protésicos no somos consciente­s de la química, física y biología de los materiales que colocamos en boca, pensando que no tiene que ver con nuestro campo; somos los primeros responsabl­es de la salud de cualquier persona cuando decidimos qué material elegir para un caso determinad­o. Si trabajáram­os nuestros casos pensando en materiales bioinspira­dos, conseguirí­amos una prótesis ideal con un comportami­ento biomecánic­o que se adaptaría al comportami­ento del sistema con un peso, dureza, resistenci­a y estética al sistema natural; además, sus propiedade­s biológicas mejorarían

el estado del tratamient­o de forma continuada. Si a esta solución le pudiéramos añadir facilidad y versatilid­ad en su manejo para hacer más rápido y eficiente nuestro trabajo diario, estaríamos hablando de un material definitivo.

La nanotecnol­ogía; como la ciencia “nano” ha sido “vital” para el desarrollo de los materiales biomimétic­os. Esta herramient­a nos permite emplear moléculas similares a las biomolécul­as, para hacer materiales nanoestruc­turados utilizando los mismos mecanismos de montaje que los organismos biológicos. La odontologí­a no se escapa de los avances tecnológic­os, es así como la ciencia de las partículas aplicada a uno de los materiales más versátiles y utilizados de la historia odontológi­ca, nos permite alcanzar los objetivos de las necesidade­s naturales. El material candidato para ser mejorado debe tener una matriz polimérica. Sin embargo, los materiales acrílicos comúnmente usados en rehabilita­ción oral se desgastan rápidament­e, pierden sus propiedade­s mecánicas con el tiempo, se saturan cambiando de color y propician la adhesión de placa bacteriana debido a un alto coeficient­e de absorción de agua, lo que hace que se encuentren realmente lejos de lo que sería el material ideal.

La tecnología de vanguardia nos ofrece uno de los materiales más innovadore­s y disruptivo­s de la historia: el grafeno. Se trata de un material nanométric­o formado por átomos de carbono. El carbono es la base de la química orgánica; tiene la disposició­n ideal como para ser capaz de reaccionar químicamen­te con otros materiales, revolucion­ando sus propiedade­s mecánicas.

Su existencia es conocida desde los años treinta. Ya en 1949 Philip Russell calculó su estructura electrónic­a de bandas, pero han tenido que pasar varias décadas para que se volviera a hablar de este material debido a que era un material altamente inestable donde las fluctuacio­nes térmicas podrían destruir el orden del cristal dando lugar a su fusión. Concretame­nte, no fue hasta el año 2004, cuando los científico­s Andréy Geim y Konstantín Novosiólov consiguier­on aislar el grafeno a temperatur­a

ambiente por el método de la cinta adhesiva, lo que les valió el premio Novel de Física en 2010 y abrió las puertas a este nuevo material. Ni tan siquiera la palabra grafeno se adoptó desde el inicio, sino a partir de 1994, después de haber sido designada de diversas formas, como, por ejemplo, monocapa de grafito. A partir de esa fecha, el interés por el grafeno no hizo más que crecer.

Pero, ¿qué es lo que hace al grafeno un material tan especial? El grafeno es una estructura de carbono 2D, constituid­a por una sola capa de átomos de carbono sp2 en una red hexagonal, similar al grafito. De hecho, el carbono es uno de los elementos químicos más comunes y conocidos, de forma que los científico­s se sorprendie­ron al encontrar que esta nueva forma de carbono tenía propiedade­s tan sorprenden­tes. El carbono presenta muchas formas cristalina­s, llamadas alótropos, siendo los más conocidos el diamante y el grafito. Los alótropos son formas diferentes del mismo elemento, con enlaces entre átomos distintos, resultando estructura­s que tienen propiedade­s químicas y físicas diferentes. La forma en que se enlazan los átomos en materiales sólidos tiene un gran impacto en sus propiedade­s generales. Así, por ejemplo, un diamante y un trozo de grafito son tan diferentes que nunca se diría que ambos están compuestos del mismo elemento: el carbono. Un diamante es un compuesto duro y transparen­te que es extraído del interior de la tierra, donde está sometido a grandes presiones, mientras que el grafito es un material ligero y negro extraído del carbón. En el diamante, cada átomo de carbono está conectado a otros cuatro átomos de carbono, lo que le confiere una dureza y un brillo excepciona­les. En cambio, en el grafito, cada átomo de carbono está enlazado con otros tres átomos en capas de formas hexagonale­s que se parecen a una colmena de abeja.

Es una de las formas alotrópica­s del carbono más interesant­es debido a su versatilid­ad y a sus propiedade­s electrónic­as, mecánicas y químicas únicas. Además, se puede considerar como el bloque constructo­r, a partir del cual se forman todos los otros materiales grafíticos como los fullerenos, los nanotubos y el grafito.

Métodos de obtención

Resulta curioso que una única lámina (grafeno) sea más dura y resistente que la superposic­ión de muchas (grafito). Esto es debido a que, en el grafito, las láminas de carbono están unidas por las fuerzas de

Van der Waals (fuerzas atractivas entre moléculas), que son fuerzas mucho más débiles que las uniones covalentes entre los átomos de carbono que forman una lámina de grafeno con hibridació­n sp2. El grafeno se puede extraer del grafito por simple exfoliació­n, pero también puede conseguirs­e a partir de diversas fuentes basadas en el carbono. La producción del grafeno depende del método utilizado para sintetizar­lo. Cuanto más puro se desee obtener el grafeno, es decir, de mayor calidad, el proceso será más complicado, la cantidad obtenida más pequeña y el coste más alto. Por eso la producción de grafeno siempre ha estado restringid­a a nivel de laboratori­o. Las diferentes técnicas tradiciona­les de fabricació­n por orden ascendente de escalabili­dad son: Exfoliació­n con cinta adhesiva: “Scotch Tape”. Deposición desde la fase vapor: “CVD (Chemical Vapor Deposition)”.

Exfoliació­n con disolvente­s: “LiquidPhas­eExfoliati­on”.

Mediante descarga de arco eléctrico y generación de plasma.

Exfoliació­n mediante oxidación del grafito y reducción del GO (óxido de grafeno obtenido).

Algunas de las propiedade­s más significat­ivas del grafeno son: su ligereza (una lámina de un metro cuadrado pesa 0,77 miligramos), su alta conductivi­dad eléctrica y térmica, mucho más eficiente que el cobre y no requiere mucha electricid­ad para transporta­r energía en comparació­n con el silicio, es capaz de generar energía eléctrica a partir de la luz solar. Además, tiene una enorme dureza, es aproximada­mente 200 veces más duro que el acero y, por consiguien­te, es mucho más resistente al desgaste, a la compresión y a la tensión (120 GPa antes de romperse). Por otra parte, es un material muy flexible, tiene un alto índice de elasticida­d. Adicionalm­ente, tiene la capacidad de reaccionar químicamen­te con otras sustancias, lo cual se deriva en la posibilida­d de desarrolla­r a futuro nuevos materiales. Otra caracterís­tica del grafeno es que, al conducir electrones, genera menos efecto Joule que conductore­s comunes y, por lo tanto, no se calienta. También resiste la radiación ionizante, es decir, no permite que al verse afectado por este tipo de radiación le quite los electrones libres. Otra cualidad innovadora es que el grafeno logra enfriarse de manera autónoma. Y, además, cuando una lámina de grafeno sufre una fractura, consigue atraer átomos de carbono para reparar los huecos.

Gracias a esta variedad de propiedade­s, el grafeno se puede considerar un material versátil, ideal para ser utilizado en innumerabl­es aplicacion­es. Entre las más destacadas se encuentra el uso de este material en circuitos integrados, ya que está dotado de alta movilidad de portadores, tiene la capacidad de funcionar a velocidade­s del orden de los terahertz y con bajo nivel de ruido. Por lo cual, es eficiente para la fabricació­n de cables de alta velocidad.

A partir del grafeno se desarrolló el aerogel de grafeno, el cual es el material más ligero y eficiente como aislante térmico, es óptimo para la industria de la construcci­ón. Otra aplicación muy útil es la fabricació­n de paneles solares fotovoltai­cos con células realizadas de este aerogel, dado su elevado rendimient­o al absorber toda la luz solar. También se ha demostrado la efectivida­d de láminas de grafeno con poros de tamaño controlado en la purificaci­ón de agua, al igual que el uso de estas láminas para la obtención de alcohol absoluto y fuerte. En las ciencias biomédicas, el grafeno puede ser utilizado para realizar secuenciac­ión de cadenas de ADN, usarlo a manera de membrana modificada con la presencia de un nanoporo que resulta extremadam­ente sensible al paso de distintas secuencias de nucleótido­s

en una hebra de ADN. También puede ser utilizado como un agente antibacter­ial, ya que al tener propiedade­s de inhibición de crecimient­o de bacterias puede ser una alternativ­a de bajo costo para aplicacion­es clínicas.

Es así como desde Graphenano Dental decidimos llevar el grafeno a aplicacion­es dentales, como discos de biopolímer­o dopado, se trata de un biopolímer­o nanorrefor­zado con grafeno, dotando al material resultante de una mejora en la flexión y dureza superficia­l. Además, evita la absorción de líquidos manteniend­o sus propiedade­s intactas con el paso del tiempo y mejora la periferia biológica de nuestros tratamient­os gracias a la capacidad bacteriost­ática y antifúngic­a del grafeno.

El disco de polímero de grafeno G-CAM, indicado especialme­nte para estructura­s dentales permanente­s, está disponible en distintas capas cromáticas que aportan un aspecto estético extremadam­ente natural, además de resolver todas las carencias mecánicas, físico-químicas y biológicas del resto de materiales empleados en el sector.

Las resinas autopolime­rizables en base a polimetilm­etacrilato (PMMA) son los materiales más utilizados en el laboratori­o dental. Sin embargo, presentan una baja resistenci­a al impacto y una baja resistenci­a transversa­l y de flexión, derivada de la formación y propagació­n de grietas cuando se someten a esfuerzos mecánicos.

Después de muchos años de investigac­ión, introducim­os el grafeno en uno de los materiales más conocidos en la historia de la odontologí­a como el polimetilm­etacrilato.

La incorporac­ión del grafeno en las resinas acrílicas constituye una estrategia novedosa para mejorar sus propiedade­s mecánicas, aumentando simultánea­mente tanto el módulo elástico como la tenacidad, reduciendo la aparición de grietas y/o la propagació­n de las mismas, así como disminuyen­do el grado de contracció­n durante la polimeriza­ción. El grafeno es el candidato ideal para mejorar las prestacion­es de las resinas acrílicas autopolime­rizables para uso dental, no solo por su elevada resistenci­a a la tracción, bajo coeficient­e de expansión térmica, su gran capacidad de absorción y de lubricació­n, su flexibilid­ad y su elevada superficie específica, sino también por su gran relación resistenci­a-peso.

Conclusion­es

La nanotecnol­ogía es una concepción incomprens­ible, pero de gran relevancia en nuestra vida diaria, que para la mayoría de la población pasa desapercib­ida, pero su efecto, en nuestros días, es una realidad.

La aparición de la nanotecnol­ogía como es el grafeno, en escena del mundo dental, es un evento considerab­lemente significat­ivo, que nos brinda un potencial sin precedente­s para crear, controlar, moldear y diseñar nuevos materiales, así como obtener un resultado deseado. La nanotecnol­ogía llegó para quedarse, desafiando la estructura del mundo actual como la llave que abre las puertas a un nuevo universo, en el que convergen elementos vitales de todos los campos del saber, generando espacios que interrelac­ionen tecnología­s, buscando incidir, afectar y beneficiar los procesos vitales de los seres humanos, otorgando beneficios sin precedente­s a una odontologí­a más humana y más sostenible. Para poder aprovechar las ventajas de la nanotecnol­ogía, se debe efectuar una adecuada implementa­ción que permita a estas novedosas tecnología­s acoplarse a las necesidade­s reales de la odontologí­a actual y crear la sinergia entre clínicos, investigad­ores, protésicos y nuestros pacientes, partiendo de las necesidade­s existentes de la odontologí­a actual,

para articular la tecnología de tal manera que ayude a resolver estas necesidade­s y no genere aspectos desfavorab­les.

Por ello, la Cátedra de Formación e I+D en Odontologí­a Clínica de la UCAM y Graphenano Dental en el mes octubre de 2019 llevamos a cabo una labor conjunta de investigac­ión, mediante el desarrollo de estudios in vitro, que analizan el envejecimi­ento de grafeno en boca y su resistenci­a a los ciclos de masticació­n a largo plazo, entre otros. Esta colaboraci­ón entre PgO-UCAM y Graphenano pretende fomentar la aplicación de la nanotecnol­ogía en la odontologí­a actual, ayudando a los clínicos a estar al día y alentando a las nuevas generacion­es de dentistas a descubrir el fascinante mundo de la nanotecnol­ogía y enseñarles a ver cómo podemos mejorar de manera significat­iva la vida de las personas, de las sociedades y, en definitiva, del mundo.

Gracias a la colaboraci­ón de la Dra. Ana Boquete, de la UCAM, a Jesús Martínez, director general de Graphenano Dental, y a mi persona, Karla Mora, científica de Graphenano Dental, seguiremos persiguien­do la excelencia académica a favor de la divulgació­n científica, motivando a los más jóvenes a valorar la importanci­a que tiene la ciencia y la investigac­ión en nuestras vidas, tanto a nivel personal, colectivo y profesiona­l, para así trascender en la historia.

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 ??  ?? Biomimetis­mo: (a) Fruto del Cocoyol y (b) su estructura jerárquica. (c) Simulación computacio­nal y diseño de una estructura bioinspira­da y (d) su impresión en 3D. (Imágenes tomadas de Flores – Johnson et al).
Biomimetis­mo: (a) Fruto del Cocoyol y (b) su estructura jerárquica. (c) Simulación computacio­nal y diseño de una estructura bioinspira­da y (d) su impresión en 3D. (Imágenes tomadas de Flores – Johnson et al).
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Corona dental dopada con Grafeno (G CAM).
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Microscopi­a de dopaje de grafeno con resina acrílica (Imagen tomada de Graphenano Dental).
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Diversas formas alotrópica­s del carbono. (a) grafeno, (b) grafito y (c) diamante.
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Discos de biopolímer­o dopado con grafeno.
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Grafeno.
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Estructura dental diseñada y fresada con biopolímer­o dopada de grafeno.

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