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Reciclado, reutilización y reducción de materiales polimétricos de uso médico

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Marisa Perianza Gómez, Jesús Guillermo Garfias Hernández, 

Juan V. Cauich Rodríguez

Unidad de Materiales

Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.

Calle 43, No. 130, Colonia Chuburná de Hidalgo, C. P. 97200

Mérida, Yucatán, México

Hoy en día existe un creciente interés y, a la vez, una preocupación ambiental y de salud por la disposición final de los desechos poliméricos usados en medicina, así como su uso en dispositivos externos e internos, estos últimos conocidos como biomateriales.

Un biomaterial se define como una sustancia, de origen natural o sintético, que forma parte de un sistema complejo que interactúa con tejidos y órganos con fines de diagnóstico o terapéuticos. Los biomateriales están diseñados para realizar diferentes funciones entre las cuales destacan: su uso para reemplazar un tejido dañado, transferir o recibir señales de las células, modulación celular, liberación de fármacos y la regeneración de tejidos [1].

Sin embargo, en este contexto no se menciona qué posibilidades hay para el reciclado o reutilización de estos, considerando la gran variedad de composiciones (metales, cerámicos, polímeros o materiales compuestos (Figura 1), métodos de procesamiento, requerimientos de sostenibilidad y, finalmente, limitaciones en el uso de recursos naturales. Este tema se ha exacerbado como resultado del COVID-19, ya que se ha incrementado tres veces la cantidad de desechos médicos.

Los dispositivos médicos han tenido un rol importante en el desarrollo del ser humano. Originalmente, la mayoría de estos estaban elaborados principalmente a base de metales, cerámicos y vidrios. En el pasado, las prótesis metálicas (como las que se utilizaban para reemplazos de cadera o rodilla) eran caras y difíciles de fabricar, lo cual fomentó su reutilización, especialmente en épocas de recursos limitados (como durante la Primera y Segunda Guerras Mundiales) o en zonas menos desarrolladas económicamente. Una vez que estos implantes se retiraban del paciente, era necesario limpiarlos, esterilizarlos y, a menudo, someterlos a un proceso de reparación antes de implantarlos en otro paciente con el riesgo de la transmisión de enfermedades. Sin embargo, los problemas asociados con los metales, como su alta densidad, sus costos de producción y su baja biocompatibilidad, impulsaron el desarrollo de nuevos materiales, principalmente aquellos a base de polímeros [2].

De los diferentes biomateriales usados en medicina, los polímeros juegan un papel preponderante, ya que no solo se puede variar su composición sino también su funcionalización, su biocompatibilidad, su respuesta y su sostenibilidad. Dentro de los polímeros termoplásticos comúnmente empleados en el ámbito médico se encuentran el polietileno (PE), el poliestireno (PS), el poliuretano (PU), el polipropileno (PP), el policarbonato (PC), el politereftalato de etileno (PET) y el copolímero de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Su versatilidad obedece a que pueden ser procesados para obtener películas, espumas, filamentos, hidrogeles, soportes para ingeniería tisular, nanoplataformas, etc., donde la impresión 3D y 4D han asistido enormemente, ya que permite la personalización de la medicina a bajo costo y con gran flexibilidad en el diseño.

Los biomateriales pueden ser bioestables o biodegradables. Los biomateriales bioestables, una vez que cumplen con su función, son sustituidos o descartados según sea el desarrollo clínico. Debido a que muchos de estos materiales han estado dentro del cuerpo de un ser humano o en contacto con distintos fluidos corporales, son incinerados o vertidos en basureros. Cuando son incinerados, un pobre tratamiento puede conducir a la liberación de productos tóxicos en la atmósfera (furanos, dioxinas, metales pesados), y en el segundo caso, constituyen un riesgo biológico para el agua o el suelo como resultado de su degradación.

Aquellos polímeros de un solo uso (como jeringas, catéteres, tubos, bolsas, máscaras para anestesia u oxígeno) pueden ser recuperados o desechados mediante tratamientos térmicos, químicos, físicos, biológicos o mecánicos con el fin de garantizar su reprocesamiento y reutilización libre de riesgos. Muchos materiales, por ejemplo, suelen ser desinfectados (peróxido de hidrógeno al 18 %), esterilizados (autoclave, radiación ionizante, calor seco o químicamente con sustancias como el formaldehido), desechados o incinerados según las regulaciones locales. En pocas ocasiones son reciclados por vía mecánica (reciclaje secundario), química (reciclaje terciario) o termomecánica (pirolisis) para su posible reutilización como monómeros o en combinación con polímero virgen. Sin embargo, en muchas ocasiones estos tratamientos conducen a una pérdida de sus propiedades mecánicas, reducción de su masa molar y pérdida de aditivos (Figura 2). 

Los plásticos empleados para aplicaciones médicas deben diseñarse de tal manera que sea posible un reciclaje eficaz. Sin embargo, muchos dispositivos médicos se diseñan con geometrías complejas para lograr funciones específicas, como implantes dentales en espiral, stents reticulados o prótesis articulares con superficies curvas. Además, muchos biomateriales contienen recubrimientos bioactivos o capas delgadas de diferentes combinaciones de polímeros y metales. Este tipo de diseños y composiciones inciden directamente en su desmontaje y separación para su posterior reciclaje. La Figura 3 muestra las consideraciones ideales para el diseño de dispositivos de uso médico.

Actualmente, las limitaciones del reciclaje de polímeros médicos incluyen el costo de los diferentes procesos y la falta de infraestructura para los mismos y su recolección. Otro desafío es crear conciencia sobre la clasificación correcta de los plásticos médicos según su tipo y uso, ya que en el sector sanitario se utilizan una variedad de plásticos de un solo uso.

Conclusiones

Los distintos tratamientos para la reutilización o reciclado de biomateriales poliméricos conducen a una pérdida de propiedades de los materiales, que van desde cambios en la coloración, entrecruzamiento, reducción de propiedades mecánicas, etc., por lo que estos deben ser muy específicos para el polímero en cuestión y en todo momento deben garantizar la inocuidad del mismo. En algunos casos, se sugiere que la nueva aplicación sea muy diferente a la original, como por ejemplo en horticultura o su uso como mangueras industriales. También es posible usar el polímero molido como relleno en concretos, asfaltos, etc. La pirolisis se ha empleado para obtener distintas fracciones combustibles a partir de polietileno, polipropileno o nylon, y estos monómeros pueden ser empleados en la manufactura de equipo de protección personal. Otras aplicaciones más sofisticadas incluyen el uso de material reciclado como separadores para baterías recargables acuosas o sensores de gases.

Sin embargo, es posible que una solución sencilla sea utilizar materiales completamente biodegradables o reabsorbibles que no requieran ser reciclados o recuperados. En este sentido, la obtención de monómeros biobasados para la producción de polímeros es una buena estrategia que contribuye a la economía circular. Por otro lado, existe la posibilidad de utilizar impresión 3D, ya que se requiere menos material y se genera menos desechos. El desarrollo de tecnologías de desinfección amigables con el ambiente es potencialmente atractivo. Como en el caso del reciclado de algunos polímeros de uso común, como el PET, es esencial que las y los trabajadores de la salud tengan el entrenamiento adecuado para la clasificación de estos desechos y no considerarlos a todos como desechos infecciosos. Finalmente, el desarrollo de algoritmos de aprendizaje automatizado (machine learning) para la clasificación de los distintos tipos de biomateriales desechados es una buena alternativa [3]. Con los medios adecuados (investigación, infraestructura, inversión) será posible obtener nuevos materiales con éxito económico y ambiental. 

Referencias 

[1] WIŚNIEWSKA, Paulina; SAEB, Mohammad Reza; BENCHERIF, Sidi A. Biomaterials recycling: a promising pathway to sustainability. Frontiers in biomaterials science, 2023, vol. 2, p. 1260402.

[2] BLESSY, Joseph, et al. Recycling of medical plastics. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, 2021, vol. 4, no 3, p. 199-208.

[3] KHEIRABADI, Sina and SHEIKHI, Amir. Recent advances and challenges in recycling and reusing biomedical materials. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry 2022, 38:100695.

Los autores

Dr. Juan Valerio Cauich Rodríguez. Investigador titular del Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. (CICY). Línea de investigación en Polímeros para aplicaciones biomédicas: poliuretanos, acrílicos, cementos óseos y dentales, hidrogeles.

Marisa Perianza Gómez. Estudiante de la maestría en Ciencias del Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. (CICY). Investiga acerca del desarrollo de nanocompuestos a base de poliuretanos segmentados y nanotubos de carbono con propiedades de memoria de forma.

Jesús Guillermo Garfias Hernández. Estudiante de la maestría en Ciencias del Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. (CICY). Investiga acerca del desarrollo de injertos vasculares tricapa con poliuretanos segmentados.