Cada año se realizan más de 300.000 cirugías de reemplazo de cadera y rodillas en los Estados Unidos. Sesenta y cinco por ciento de los reemplazos en caderas y setenta y dos por ciento de los reemplazos en rodillas son efectuados en personas mayores de 65 años. Debido a que la población de los Estados Unidos está envejeciendo, se espera que el número de fracturas de cadera exceda el medio millón anual para el año 2040. La permanencia promedio en un hospital por una cirugía de rodilla o cadera es de 5 días, seguida de cuatro semanas de terapia usando una caminadora.
La mayoría de los huesos artificiales de hoy están hechos de hidroxipatita, la cual tiene la misma fórmula química que el propio hueso. La hidroxipatita sintética, sin embargo, no es ni porosa ni tan resistente como el hueso real.
Los poros son importantes, dice Schowengerdt. Son conductos para el flujo de sangre (la sangre se genera en la médula del hueso) y permiten a los huesos ser resistentes sin ser pesados. Los poros también proveen de un medio para que el hueso vivo se adhiera de forma permanente a un implante. "Si obtenemos un buen crecimiento óseo dentro de los poros de un implante, entonces hemos tenido éxito", dice Schowengerdt. Ya no importará si el pegamento se suelta 10 años después. Los investigadores también han intentado usar el coral marino como substituto del hueso. "Es lo suficientemente poroso", dice Schowengerdt, "pero carece de resistencia.
La solución, de acuerdo con Schowengerdt, son las cerámicas. "Hacer huesos de cerámica no es como hacer una taza para café de cerámica". Por ejemplo, una de las cerámicas mas prometedoras comienza como una mezcla de polvos de calcio y de compuestos de fosfato (CaO y P2O5). Schowengerdt y Moore inician la mezcla, la cual se calienta a 2600 C. El CaO y el P2O5 reaccionan para producir fosfato de tricalcio (Ca3(PO4)2), una sustancia muy similar (químicamente hablando) al hueso real. La reacción también genera calor y productos gaseosos secundarios que forman poros de forma natural.
Su técnica, llamada síntesis autopropagada de alta temperatura ó "SHS," (por las siglas inglesas de Self-propagated High temperature Synthesis) es en verdad difícil de controlar. "Durante el proceso de horneado, la cerámica se derrite. Los compuestos gaseosos se elevan y los líquidos se asientan. Hay mucho movimiento de convección, lo cual hace impredecible la reacción", dice Schowengerdt. "Para entender este proceso, nosotros realmente necesitamos hacer nuestros experimentos en un ambiente de baja gravedad, donde la convección, que es generada por la gravedad, sea mínima". Los investigadores del CCACS han volado hornos a bordo del 'cometa del vómito' KC-135 de la NASA -- un aeroplano con trayectoria parabólica de vuelo, que permite generar breves periodos de ausencia de peso. Ellos observaron dramáticas diferencias entre las cerámicas preparadas en gravedad normal (1-g) y las preparadas en vuelo. Como ejemplo, las cerámicas de baja gravedad tenían poros más grandes y mejor conectados.
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