Aplicación de modelos de remodelación ósea interna al estudio del comportamiento de implantes dentales

• Autores: J. Martínez-Reina
• Directores de la Tesis: Jaime Domínguez Abascal (dir. tes.), José Manuel García Aznar (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2006
• Idioma: español
• Número de páginas: 448
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  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • Que la esperanza de vida aumenta cada día es un hecho evidente, al menos en el mundo desarrollado. En los Estados Unidos, claro exponente de esta porción del mundo, el número de personas mayores de 65 años representaban un 4% de la población total en 1900; a mediados del siglo pasado ese porcentaje era del 8.1 %; actualmente es aproximadamente del 13% y a mediados de este siglo se prevé que alcance el 21.8% [238]. En España, según datos del INE, el 5.2% de la población tenía más de 65 años en 1900, el 7.2% en 1950, actualmente el 15% y se espera que en el 2030 ese porcentaje sea el 19.6% [86]. Este hecho tiene implicaciones muy importantes en economía, política, sociología, medicina y en la técnica en general. La sociedad actual demanda no sólo vivir hasta una edad más avanzada, sino que además lo hagamos disfrutando de una mayor calidad de vida. La medicina debe proporcionar ese bienestar razonable durante los años de más que ya nos proporciona con sus avances. La ingeniería tiene también mucho que aportar a este fin, como complemento de la medicina. Son cada vez más numerosas las ocasiones en que los médicos hacen uso de herramientas y técnicas experimentales y numéricas más familiares para los ingenieros. En otras ocasiones, ambos trabajan conjuntamente, en estudios que se encuentran a medio camino entre las dos disciplinas y que se incluyen en una de reciente creación y enorme futuro, que se ha dado en llamar Bioingeniería o Ingeniería Biomédica.

    Uno de los campos donde la Bioingeniería está teniendo mayor relevancia es en el diseño de prótesis. La gran mayoría de métodos que se emplean en esta tesis surgieron para dar respuesta a este problema. En concreto, para mejorar las prótesis de cadera usadas en fracturas de la cabeza del fémur. La osteoporosis, patología que está detrás de la mayoría de las fracturas de este tipo, se ve agravada, entre otros factores, por la edad, que también influye de manera crucial en la pérdida de dientes, problema que se pretende analizar aquí. Si se hace caso de las previsiones anteriores, no es descabellado pensar que, en los próximos años, la implantación de prótesis dentales puede ser demandada al mismo nivel que otros servicios que hoy día parecen básicos. Esta creciente necesidad de servicios relacionados con la implantología no solo se debe al aumento de la esperanza de vida. Otros factores, estéticos, psicológicos, de comodidad, etc. se pueden combinar con éste y deben ser tenidos en cuenta a la hora de elegir el tipo de prótesis dental más conveniente.

    El objetivo final de esta tesis es el desarrollo de una herramienta que permita evaluar la bondad de un determinado diseño de implante dental y/o si ese diseño es adecuado para un determinado paciente. Lejos de alcanzar está aún el objetivo de conocer a priori la duración de un implante en condiciones de osteointegración y movilidad adecuadas, pero un pequeño esfuerzo por conseguirlo se realiza en este trabajo.

    Un objetivo previo, muy ligado al anterior puesto que es necesaria su consecución para conseguir aquél, es el de desarrollar un algoritmo numérico que simule los fenómenos mecanobiológicos que intervienen en la remodelación ósea. Ya existen modelos que lo hacen relativamente bien, pero _estos, o bien no consiguen reproducir la anisotropía del hueso de forma correcta o bien no son capaces de simular la reabsorción ósea por sobrecarga. Ambos objetivos se pretenden conseguir con el modelo propuesto.

    La primera parte de la tesis tiene como objetivo discretizar una mandíbula humana, para poder aplicar sobre ella las técnicas numéricas propuestas en los capítulos siguientes.

    El capítulo 2 se dedica a describir brevemente la anatomía funcional de la mandíbula. Se analiza la articulación temporomandibular y los músculos implicados en la actividad masticatoria. Por último, se estudia el proceso masticatorio: se describen los movimientos y el papel de los músculos en cada una de las actividades que tienen lugar durante el mismo.

    En el capítulo 3 se detalla el proceso seguido para la obtención del modelo de elementos finitos. Se describe el proceso seguido para obtener la geometría y el proceso de mallado, así como las condiciones de contorno en carga y desplazamientos utilizadas para simular la actividad masticatoria. Se describe el proceso seguido para la inclusión del implante así como las particularidades que tiene este modelo implantado.

    El capítulo 4 es una breve introducción a la biología ósea. Se estudiará la composición del tejido óseo y su estructura para continuar asimismo con una breve descripción del proceso de remodelación ósea. Se detalla cómo son las propiedades mecánicas del tejido óseo en general y de la mandíbula en particular.

    En el capítulo 5 se realiza una revisión de los modelos fenomenológicos desarrollados hasta la fecha para simular el proceso biológico de remodelación ósea. Se describe con algo más de detalle el modelo anisótropo basado en la mecánica del daño, que será el que se utilice para obtener la distribución inicial de densidades y propiedades mecánicas anisótropas de la mandíbula.

    Los resultados que proporcione esta primera fase del análisis se muestran en el capítulo 6, en el que además se comparan con los resultados experimentales encontrados en la literatura, para de esta forma validar la aplicación del modelo anisótropo basado en la mecánica del daño.

    Tras esta primera parte de la tesis, se dispone de un modelo de elementos finitos con una estructura interna parecida a la real, que se denomina modelo completo, porque tiene todas las piezas dentales naturales. En este modelo se sustituye el primer molar inferior derecho por un implante dental, cuyo efecto sobre el hueso circundante es uno de los objetivos a analizar en la segunda parte de esta tesis. El modelo implantado se denomina submodelo, porque no incluye toda la mandíbula sino sólo la región en torno al implante. Cómo se obtiene este submodelo se explica en el capítulo 3, dedicado al modelo de elementos finitos.

    En el capítulo 7 se hace una revisión de los modelos mecanobiológicos de remodelación ósea interna y se propone un nuevo modelo. En los modelos fenomenológicos se pierde, en cierta medida, la visión biológica del problema. Una causa de carácter puramente mecánico, como es la carga, produce un efecto biológico de creación o desaparición de tejido y reordenación del mismo. Este efecto se cuántica desde un punto de vista mecánico, mediante la variación de las propiedades elásticas, sin que se consideren los mecanismos biológicos que lo provocan, sólo la relación causa mecánica - efecto mecánico. En los modelos mecanobiológicos, dichos mecanismos sí están presentes y cuantificados de forma matemática, sin perder de vista su trasfondo biológico. El modelo propuesto es capaz además de simular el proceso de remodelación ósea interna en algunas situaciones en las que los modelos fenomenológicos no funcionan y una de ellas, ya se ha comentado en este epígrafe, es la reabsorción ósea por sobrecarga en el cuello del implante.

    En el capítulo 8 se muestran los resultados de la aplicación del modelo mecanobiológico de remodelación ósea interna al submodelo implantado. Se comentan y discuten los resultados de: pérdida ósea a nivel crestal, acumulación de daño microestructural en el hueso periimplantario, movilidad del implante, rigidez del tejido a largo plazo y grado de mineralización promedio del hueso circundante. Asimismo, se estudia la influencia de diversos parámetros en dichos resultados: la edad del paciente, el grado de osteointegración a nivel crestal, la densidad inicial del hueso en el que se implanta la prótesis y el efecto que tiene no masticar con el lado del implante después de la operación.

    Por último, en el capítulo 9 se extraen una serie de conclusiones y se comenta la aplicación de las aportaciones originales de esta tesis a un posible desarrollo futuro dentro de este campo.