Los injertos óseos —materiales utilizados para reparar, sustituir o regenerar hueso dañado— han transformado el tratamiento de numerosas lesiones del esqueleto. Sin embargo, un importante desafío aún persiste: incluso después de una intervención quirúrgica exitosa, las bacterias pueden colonizar estos materiales y provocar infecciones persistentes que requieren tratamientos prolongados con antibióticos o incluso cirugías adicionales. Ante el aumento de la resistencia a los antibióticos, la ciencia exploran una nueva estrategia: ¿Y si el propio injerto óseo pudiera ayudar a prevenir las infecciones?

Un material que está despertando gran interés es la hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA, por sus siglas en inglés), cuya composición se asemeja al componente mineral del hueso humano y favorece la regeneración ósea. Bajo determinadas condiciones de procesamiento, la CDHA desarrolla una superficie formada por diminutos cristales en forma de aguja, estrechamente agrupados y de apenas unos nanómetros de ancho.

Para una bacteria, esta superficie equivale a una cama cubierta de diminutas púas. Estudios previos han demostrado que, al intentar adherirse, la célula bacteriana se ve obligada a estirarse sobre estos cristales en forma de aguja, lo que provoca daños en su envoltura celular o incluso su muerte. Esto dificulta considerablemente la colonización bacteriana, pero la CDHA es mucho más que un entorno físico hostil. A diferencia de otras nanoestructuras antibacterianas fabricadas con materiales químicamente inertes, como el silicio, el oro o el titanio, la CDHA es un biomaterial bioactivo que intercambia continuamente iones de calcio y fosfato con el medio que la rodea. ¿Cómo responden las bacterias a una superficie que combina una nanoestructura en forma de agujas con la capacidad de liberar iones?

Un nuevo estudio liderado por Montserrat Español Pons, Marc Iglesias Fernández y Maria Pau Ginebra Molins de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ha permitido observar esta interacción gran detalle. Trabajando en la línea de luz MISTRAL del Sincrotrón ALBA, el equipo combinó técnicas avanzadas que permitieron no solo visualizar la estructura tridimensional de las bacterias, sino también cuantificar y mapear la distribución del calcio en el interior de cada célula bacteriana.

El grupo expuso colonias de Bacillus subtilis a superficies de CDHA nanoestructuradas y obtuvieron imágenes tridimensionales para examinar los cambios en la estructura general y la organización interna de las bacterias. Las imágenes revelaron indicios de daño mecánico en las células bacterianas, como paredes celulares rotas, fuga del contenido citoplasmático y formación de cuerpos multivesiculares, todos ellos signos característicos de un estrés celular intenso. Mediante técnicas avanzadas de espectromicroscopía, el equipo investigador también observó que algunas bacterias acumulaban calcio en su interior tras la exposición a las superficies de CDHA, un hallazgo coherente con la liberación de calcio por parte del material. En otras palabras, las bacterias no solo interactuaban con la superficie nanoestructurada, sino también con el calcio liberado por el material.

Curiosamente, el calcio adicional no pareció afectar a la viabilidad de las bacterias. Bacillus subtilis es naturalmente tolerante a los cambios en la concentración de iones, lo que probablemente explica su capacidad para adaptarse al calcio liberado. Estos resultados sugieren que el efecto bactericida observado se debe principalmente a la interacción física entre las bacterias y la superficie nanoestructurada, más que a la acción química del calcio liberado.

No obstante, este intercambio activo de iones aporta información valiosa sobre cómo interactúan las bacterias con los injertos óseos bioactivos y abre la puerta al diseño de materiales de nueva generación enriquecidos con iones con una alta actividad bactericida. Al combinar iones alternativos capaces de inducir daño bioquímico con superficies de CDHA optimizadas para maximizar el daño mecánico a las bacterias, estos hallazgos podrían orientar el diseño de nuevos biomateriales capaces de favorecer la regeneración ósea y reducir aún más la colonización bacteriana.

(a) Imagen de rayos X de bacterias tras su exposición al biomaterial nanoestructurado. (b) Reconstrucción tridimensional que muestra bacterias individuales (en color) junto a cristales del material de fosfato cálcico (en gris).