Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad
Abstract
Se espera que la osteoporosis sea partícipe de más de 9 millones de nuevas fracturas en todo el mundo en un futuro no muy lejano, ya que es una de las enfermedades con mayor índice de impacto entre la población de los países desarrollados. Se define como una enfermedad sistémica caracterizada por la pérdida de masa ósea y una alteración de su microestructura interna con la consiguiente susceptibilidad a la fractura. Actualmente, la estimación del riesgo de fractura se lleva a cabo mediante tomografía axial computerizada (TAC), Rayos X o densitometrías. Sin embargo, las simulaciones por elementos finitos para un paciente determinado, pueden contener una gran cantidad de información que permitirían unas predicciones más precisas. Una metodología multiescala ayudaría al desarrollo y caracterización de modelos de fractura más robustos que permitirían conocer de una manera más detallada el comportamiento del hueso. Además, dichos modelos podrían incorporar parámetros relacionados con la edad, el grado de osteoporosis o el tratamiento mediante fármacos. De hecho, debido a que el hueso trabecular interviene, en gran medida, en las fracturas de cadera osteoporóticas, un tratamiento preventivo alternativo para reducir el riesgo de fractura osteoporótica consistiría en la inyección de cemento óseo (PMMA) en el fémur osteoporótico.Por lo tanto, el principal objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de un modelo multiescala para la prevención de la fractura ósea osteoporótica. Este modelo nos permitirá conocer más acerca de los mecanismos de fallo asociados a la osteoporosis desde el nivel tisular hasta el nivel macroscópico a fin de evaluar la factibilidad de la femoroplastia. Para alcanzar este objetivo, en primer lugar, se ha llevado a cabo una caracterización in vitro e in silico de estructuras artificiales de hueso artificial, denominadas open-cell (Sawbones, Malmö, Sweden), con propiedades próximas al hueso sano y osteoporótico, de manera que permita elucidar mecanismos de fractura asociados a la osteoporosis desde el nivel tisular. De esta manera, se han empleado métodos experimentales y computacionales basados en el procesado de imagen con el fin de estimar el módulo elástico y las porosidades de las diferentes estructuras open-cell. Las resultados computacionales y experimentales fueron comparados con los datos aportados por el fabricante. Se apreciaron importantes diferencias no sólo en términos del módulo de Young sino también en las porosidades. Posteriormente, se desarrolló un modelo discreto de partículas basado en la Teoría del Movimiento Aleatorio para simular la infiltración de cemento a través de las estructuras open-cell, previamente caracterizadas. Los parámetros del modelo incluyeron no sólo la viscosidad del cemento (alta o baja) sino la dirección de inyección (vertical o diagonal). De nuevo, se llevó a cabo una caracterización in vitro e in silico de las estructuras cementadas, validando el modelo computacional mediante ensayos experimentales. Dichos resultados mostraron que el modelo discreto de partículas era suficientemente robusto para su aplicación en la escala macroscópica. También, se inyectó cemento in vivo en fémures de conejo a fin de evaluar la factibilidad de la femoroplastia. Finalmente, se utilizaron fémures sanos y osteoporóticos para la predicción computacional del grado de mejora de las propiedades mecánicas cuando se inyectaba cemento de alta o baja viscosidad. El cemento de baja viscosidad mejoraba notablemente las cargas de fractura con respecto a los fémures no cementados. Los resultados finales mostraron que el cemento óseo mejora definitivamente las propiedades del hueso osteoporótico y la metodología propuesta puede llegar a utilizarse como una herramienta preclínica para un diagnóstico más preciso.<br /
