Bone regeneration in patient-specific scaffolds from microfluidics to computational simulation

Nasello , Gabriele
García Aznar, José Manuel (dir.) ; Van Oosterwyck, Hans (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2021


ISBN: 617.3


Resumen: Los trastornos musculoesqueléticos y sus correspondientes enfermedades óseas son una de las principales causas de dolor y discapacidad, así como una carga social y económica para nuestra sociedad. Cuando la función articular se ve afectada o los defectos óseos son demasiado grandes para los injertos óseos, los implantes protésicos son el método estándar para tratar los trastornos musculoesqueléticos graves, aunque existe la necesidad clínica de que los implantes permanezcan activos durante un período de tiempo más largo y reduzcan las tasas de revisión. Para abordar la mayor durabilidad de los implantes ortopédicos, recientemente han surgido implantes impresos en tres dimensiones (3D) para fabricar superficies porosas específicas del paciente en la superficie del hueso-implante, mejorando así la fijación biológica del implante. La traslación de los principios de la medicina regenerativa a la ortopedia permitiría definir una nueva generación de implantes que completen la transición de materiales inertes a andamios bioactivos que guíen el proceso de regeneración ósea. A corto plazo, es probable que los andamios ortopédicos regenerativos impresos en 3D aumenten la vida útil del implante, mientras que a largo plazo puedan degradarse una vez que el tejido huésped esté completamente reparado. El objetivo global de esta tesis es evaluar el potencial regenerativo asociado a los andamiajes óseos impresos en 3D para aplicaciones ortopédicas específicas del paciente.
Para ello, el primer estudio tuvo como objetivo determinar el papel del entorno mecánico del huésped en el proceso de regeneración ósea guiado por andamios óseos impresos en 3D en aplicaciones de carga. Se desarrolló un modelo computacional de regeneración ósea impulsada por un mecanismo en andamios porosos y se basó en la especificidad del sujeto, el sitio de implantación y la sensibilidad al entorno mecánico. A continuación, se simuló el crecimiento óseo en el interior de andamiajes porosos de titanio implantados en el fémur distal y la tibia proximal de tres cabras y se comparó con los resultados experimentales. Los resultados mostraron que el crecimiento óseo en el interior cambió de un patrón de distribución homogéneo, cuando los andamios estaban en contacto con el hueso trabecular, a un crecimiento óseo localizado cuando los andamios se implantaron en una ubicación diafisaria. En general, la dependencia de la respuesta osteogénica de la biomecánica del huésped sugirió que, desde una perspectiva mecánica, el potencial regenerativo dependía tanto del andamio como del entorno del huésped.
El segundo estudio de esta tesis tuvo como objetivo evaluar la actividad osteogénica específica del paciente en un entorno controlado in vitro donde las células óseas humanas, aisladas de sujetos individuales, imitan los rasgos esenciales del proceso de formación ósea. Los sistemas in vitro tradicionales ya permitieron demostrar que los osteoblastos humanos primarios embebidos en una matriz fibrada de colágeno se diferencian en osteocitos en condiciones específicas. Por lo tanto, se planteó la hipótesis de que la traslación de este entorno a la escala de órgano en un chip crea una unidad funcional mínima para recapitular la maduración de los osteoblastos hacia los osteocitos y la mineralización de la matriz. Con este propósito, se sembraron osteoblastos humanos primarios en un hidrogel de colágeno de tipo I, para conocer mejor el papel de la densidad de siembra de células en su diferenciación a osteocitos. Los resultados muestran que las células cultivadas a mayor densidad aumentan la longitud de la dendrita con el tiempo, dejan de proliferar, exhiben morfología dendrítica, regulan positivamente la actividad de la fosfatasa alcalina y expresan marcadores de osteocitos. Este estudio reveló que los sistemas de microfluídica son una estrategia funcional que permite crear un modelo de tejido óseo específico del paciente e investigar el potencial osteogénico individual de las células óseas del paciente.
En conjunto, los resultados de esta tesis enfatizan la importancia de utilizar un sistema de modelado múltiple al investigar el proceso de regeneración in vivo guiado por armazones óseos específicos adecuados al paciente. Ambos actores de una estrategia regenerativa libre de células in situ, a saber, el andamio y el paciente, tienen un efecto significativo en el resultado regenerativo final y necesitan ser modelados. Las técnicas avanzadas de in vitro e in silico, combinadas con datos de in vivo, evalúan aspectos distintivos del proceso de regeneración ósea para aplicaciones específicas del paciente. Las futuras estrategias personalizadas de ingeniería de tejidos podrían depender de la integración de esos modelos para mitigar en última instancia la variabilidad en el proceso de regeneración ósea guiado por un andamio específico para el paciente.


Resumen (otro idioma): 

Pal. clave: biomecanica ; cultivo de tejidos

Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Biomédica
Plan(es): Plan 510
Nota: Presentado: 24 06 2021
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2021

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 Registro creado el 2021-09-17, última modificación el 2021-09-17


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