Simulación por Elementos Finitos del proceso de rotura de interfaces cohesivas de colágeno

Ortigosa De Carlos, Daniel
García Aznar, José Manuel (dir.) ; Gómez Benito, María José (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2015
Departamento de Ingeniería Mecánica, Área de Mec. de Medios Contínuos y Teor. de Estructuras

Graduado en Ingeniería Mecánica

Resumen: Entender el proceso mecánico de cicatrización de heridas puede ayudar a mejorar su tratamiento. Aunque todavía no se comprende completamente este proceso, se sabe que el éxito en la curación de las heridas depende fuertemente de la contracción mecánica que ejercen las células y que, concretamente, son los fibroblastos junto con los miofibroblastos los principales tipos celulares que desarrollan esta contracción. Con el objetivo de entender las fuerzas que ejercen los fibroblastos, se realizó un primer experimento en laboratorio que pretendía recrear el ambiente celular de la cicatrización de heridas. Para ello, se insertan fibroblastos junto con un gel de colágeno en dispositivos microfluídicos. Estos pequeños dispositivos trabajan con niveles de 〖10〗^(-9) hasta 〖10〗^(-18) litros, destacando sobre otras técnicas experimentales por permitir un mayor control del proceso así como por su menor tiempo de procesamiento. En estos experimentos, sin embargo, el colágeno se despegaba del dispositivo debido a las fuerzas de contracción generadas por los fibroblastos, impidiendo su análisis. Se observó que una excesiva concentración de células era el detonante de la pérdida de adhesión del colágeno al dispositivo. También se concluyó que este despegue era progresivo una vez se había iniciado el daño del mismo. Por tanto, en el presente Trabajo Fin de Grado se ha simulado por Elementos Finitos (ABAQUS) este experimento con el objetivo de estimar, en última instancia, cuál es la concentración óptima de fibroblastos que impide el despegue del colágeno. Como primera aproximación se ha modelado el colágeno como un material hiperelástico según un modelo Neohookeano. Además, para poder caracterizar la adhesión del colágeno al dispositivo microfluídico, se desarrolló otro experimento en laboratorio en el que no se incluían los fibroblastos pero se aplicaba un gradiente de presión entre los extremos del dispositivo microfluídico, lo cual permitía controlar mejor el proceso de rotura del gel. Este experimento se ha simulado también por Elementos Finitos (ABAQUS) en el presente trabajo, modelizando la adhesión entre colágeno y el dispositivo con elementos interfaz cohesivos. Las propiedades de la adhesión determinadas en este experimento se incluyeron en el test de contracción celular, en el que sí estaban presentes los fibroblastos. El tamaño de los elementos de la malla se ha seleccionado a partir del tamaño aproximado de los fibroblastos para poder simular estas células como totalmente embebidas en la matriz de colágeno. Además, dada la disposición no uniforme de estas células en el dispositivo, se tuvo que seleccionar aleatoriamente los elementos de la malla en los que se encontrarían las células, implementando para ello un código en BlueJ (Java). Se comenzó imponiendo una concentración muy elevada y se ha ido disminuyendo progresivamente hasta determinar la concentración celular a partir de la cual la adhesión entre colágeno y dispositivo se mantiene. Finalmente, se ha determinado que el rango de concentración de fibroblastos estimado en las simulaciones se encuentra en concordancia con los resultados experimentales; por encima de este rango, la fuerza de contracción es tan elevada que el colágeno se empieza a despegar de las paredes del dispositivo. Estos resultados permitieron validar el modelo propuesto, lo cual hizo posible también extrapolar este modelo a otro tipo celular, los osteoblastos, caracterizados por desarrollar unas fuerzas de contracción mucho más elevadas que los fibroblastos. Igualmente, el rango hallado en las simulaciones se aproximó al rango de los experimentos de laboratorio.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Grado