Resumen de Distraction osteogenesis: mechanobiological modeling and numerical applications
La distracción osteogénica es una técnica que permite generar nuevo tejido óseo a partir de la separación gradual de dos fragmentos óseos. Desde que se introdujo en la ortopedia por G. A. Ilizarov, esta técnica ha ido ganando popularidad. De hecho, las aplicaciones de este proceso son muy numerosas: tratamiento de deformidades craneofaciales o de huesos largos, reconstrucción de grandes defectos óseos o tratamiento de no uniones entre otros. El objetivo de esta tesis consiste en aplicar técnicas numéricas para simular este proceso. Hasta el momento se han implementado pocos modelos mecanobiológicos evolutivos para estudiar la distracción. Por lo tanto, esta tesis doctoral pretende predecir, desde un punto de vista computacional, la evolución temporoespacial de los tejidos en el entorno de la osteotomía durante este proceso. La escasez de modelos computacionales en distracción osteogénica, así como el interés potencial que estos modelos ofrecen para la planificación pre-operatoria, es la principal razón y motivación de esta tesis. Como primera aproximación, se desarrolla un modelo matemático que simula el proceso de distracción. El modelo implementado considera los distintos eventos celulares que tienen lugar durante el proceso: proliferación, migración y diferenciación celulares, así como el crecimiento y daño de los tejidos e incorpora efectos importantes como la influencia de la historia de carga en la diferenciación celular. Este modelo se valida de manera preliminar analizando el efecto de la velocidad de distracción en el tejido generado en el espacio interfragmentario y comparándolo con datos de la bibliografía. Por otro lado, se ha investigado el efecto de las tensiones residuales en el marco de la distracción, ya que éstas constituyen una característica fundamental de todos los tejidos blandos. Para ello, se ha desarrollado e implementado una formulación general que incorpora las tensiones residuales en tejidos biológicos desde un punto de vista macroscópico. La hipótesis fundamental de este modelo se centra en suponer que la relajación de las tensiones está controlada por el comportamiento poroelástico de los tejidos y el crecimiento de los mismos. Se ha validado con éxito este modelo comparándolo en primer lugar con un caso clínico que investiga la influencia de las tensiones residuales en el proceso de distracción y posteriormente analizando las diferencias existentes durante el proceso de elongación ósea entre distintas especies y el humano. Dada la gran complejidad de la simulación del proceso de distracción ósea, los modelos han sido aplicados a geometrías axisimétricas, mostrando el enorme potencial de la formulación matemática propuesta en modelos bidimensionales. Sin embargo, con el fin de comprobar la fiabilidad del modelo en geometrías más realistas, se ha extendido también el modelo a un caso tridimensional. En concreto, el estudio se basa en los datos clínicos de un paciente pediátrico con hipoplasia mandibular unilateral de la rama derecha, un tipo de microsomía hemifacial. Se han predicho con éxito las distribuciones tisulares a lo largo del proceso, confirmando, por lo tanto, el enorme potencial de los modelos mecanobiológicos en el campo clínico. A pesar de que una validación más exhaustiva del modelo es necesaria, se concluye del estudio que el modelo desarrollado permite determinar la evolución de los distintos tejidos en una gran variedad de ambientes mecánicos y de geometrías, y que por lo tanto este complejo proceso se puede predecir con un modelo dependiente de factores mecanobiológicos.
