Simulación multi-escala de la regeneración de tejido óseo en procesos de ingeniería tisular
- Autores: José Antonio Sanz Herrera
- Directores de la Tesis: Manuel Doblaré Castellano (dir. tes.), José Manuel García Aznar (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2008
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Domínguez Abascal (presid.), Cornelia Kasper (secret.), José Félix Rodríguez Matas (voc.), Roger Kamm (voc.), Patrick J. Prendergast (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La Ingeniería Tisular surge como una disciplina cuyo objetivo es cubrir las complicaciones clásicas que aparecen cuando se regeneran tejidos biológicos o se reparan órganos. En las últimas tres décadas se han visto grandes avances en este campo en muchos órganos mamíferos. En este contexto, la ingeniería del tejido óseo trata de reparar este tejido en enfennedades tales como tumores u osteoporosis. Asimismo, esta metodología se aplica a la aceleración del proceso de consolidación ósea en situaciones de traúmatismo. Para ello, se sintetizan biomateriales porosos con la finalidad de que sirvan de soporte a las células y al nuevo tejido formado, i.e., soportes tisulares. El diseño de estos soportes para aplicaciones óseas ha de cumplir un elevado número de requisitos, factores y parámetros que influencian determinantemente el éxito de una aplicación específica.
Esta tesis doctoral se enfoca principalmente a evaluar la aplicación de técnicas numéricas para modelizar eventos de ingeniería de tejido óseo. La denominada teoría de la homogeneización asintótica se analiza en detalle como alternativa a las técnicas experimentales, que se usan en la caracterización de soportes tisulares, en particular, para determinar las propiedades mecánicas aparentes y la permeabilidad de Darcy. Para corroborar los resultados obtenidos de forma numérica, se realizan en el laboratorio los correspondientes ensayos de compresión entre dos platos y de permeabilidad, usando unos soportes tisulares comerciales. Los resultados obtenidos tanto experimentalmente como numéricamente son muy similares, por lo que se demuestra el potencial que ofrecen las técnicas numéricas en la caracterización de soportes tisulares.
Como primera aproximación al modelizado de la regeneración de tejido óseo en soportes tisulares, se introduce un primer modelo macroscópico. Este modelo queda caracterizado por las propiedades aparentes del soporte tisular mientras que la evolución del crecimiento óseo dentro de su microestructura queda determinada a través de una variable intema (densidad) definida en el dominio del soporte tisular. Consecuentemente, las propiedades aparentes del andamiaje tisular han de derivarse a priori para todo el rango de porosidades (o densidades) para una familia específica de microestructuras del soporte tisular. Este modelo se aplica al estudio de un experimento animal encontrado en la bibliografía, mostrándose una razonable aproximación entre los resultados obtenidos con este modelo y los datos experimentales disponibles. Esta aplicación corresponde a un soporte tisular biocerámico.
Por otro lado, las desventajas que ofrece el modelo macroscópico propuesto así como el planteamiento racional del fenómeno de regeneración ósea usando soportes tisulares, conllevan a la formulación de un modelo multiescala. Se introduce por tanto la escala a nivel de poro (micro) y la escala del tejido u órgano (macro). En la escala macroscópica se introducen las ecuaciones de la elasticidad lineal y la difusión de Fick para simular los procesos de remodelado óseo (debido a las cargas extemas) y la migración celular, y hasta cierto punto, la vascularización y el aporte de nutrientes. En la escala microscópica se introducen sendos modelos de crecimiento óseo y reabsorción del soporte tisular, los cuales se encuentran acoplados con las variables macroscópicas. Estos modelos se implementan en base al método Voxel-FEM. Para pasar la información necesaria de la escala microscópica a la macroscópica se utiliza la teoría de la homogeneización aplicada a un RVE; mientras que la información macroscópica se traduce a la escala microscópica a través del procedimiento de localización asociado. Este modelo multiescala es válido tanto para soportes biodegradables (poliméricos) como para soportes no-reabsorbibles.
El potencial remarcable del modelo multiescala propuesto, permite realizar un estudio paramétrico (de sensibilidad) para encontrar el diseño óptimo de un determinado soporte tisular para una aplicación clínica específica. Estos resultados muestran una mayor tasa de regeneración ósea para una mayor rigidez del material base, mayor tamaño medio de poro y precultivo celular del soporte tisular/ mientras que se predice un colapso de la microestructura del soporte para una mayor cinética de reabsorción del biomaterial.
Aún cuando se requiere una validación experimental más exhaustiva de los modelos propuestos, esta tesis doctoral muestra de forma original una metodología numérica centrada principalmente en los aspectos mecánicos, que puede resultar de utilidad para el asesoramiento del dise-no de los soportes tisulares para la regeneración de tejido óseo.
