Caracterización in vitro e in silico de estructuras open-cell para hueso trabecular. Prevención de la fractura osteoporótica

Ramos Infante, Samuel Jesús
Pérez Ansón, María Ángeles (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2016
Departamento de Ingeniería Mecánica, Área de Mec. de Medios Contínuos y Teor. de Estructuras

Máster Universitario en Ingeniería Biomédica

Resumen: Se espera que la osteoporosis sea partícipe de más de 9 millones de nuevas fracturas en todo el mundo, ya que es una de las enfermedades con mayor índice de impacto entre la población de los países desarrollados. Se define como una enfermedad ósea caracterizada por la pérdida de masa ósea con un aumento de la fragilidad y susceptibilidad a la fractura. Se sabe, además, que el hueso trabecular interviene, en gran medida, en las fracturas de cadera osteoporóticas. De hecho, numerosos estudios han intentado resolver las limitaciones derivadas de su morfología en la predicción del fallo óseo. Un tratamiento preventivo alternativo para reducir el riesgo de fractura osteoporótica incluye la inyección de cemento óseo (PMMA) en el fémur osteoporótico. Por lo tanto, el objetivo final de este TFM es conocer más los mecanismos de fallo asociados a la osteoporosis y poder usar los resultados obtenidos para ayudar a prevenir las fracturas osteoporóticas introduciendo cemento. Para alcanzar este objetivo, en este TFM se utilizan métodos experimentales y computacionales basados en el procesado de imagen con el fin de estimar el módulo elástico y las porosidades de diferentes estructuras open-cell (Sawbones, Malmö, Sweden). Por un lado, se caracterizaron experimentalmente tres tipos de estructuras de diferente densidad. Por otro lado, parte de esas estructuras se escanearon en un microCT, y a partir de las imágenes de tomografía computerizada se pudo predecir el módulo elástico, desarrollando para ello modelos de elementos finitos basados en elementos voxels y tetraedros. Se llevó a cabo una reconstrucción 3D usando MIMICs y 3-MATIC (Materialise NV, Lovaina, Bélgica), lo que permitió ejecutar análisis basados en el método de los elementos finitos en ABAQUS (Dassault Systèmes Simulia Corp., Suresnes Francia). Seguidamente, se llevó a cabo un análisis comparativo entre las tipologías de mallas empleadas (mallas basadas en tetraedros lineales y cuadráticos, así como mallas de voxels), de los resultados computacionales con los experimentales, así como con los datos de propiedades mecánicas dados por el fabricante de las estructuras. Así, se obtuvieron diferencias importantes tanto en el módulo elástico como en las porosidades asociadas. Se observó que los elementos basados en tetraedros lineales presentaban mayores correlaciones en aquellos especímenes con menor porosidad. Por el contrario, los elementos cuadráticos representaban de una manera más adecuada aquellos especímenes con mayores porosidades. Además se ha desarrollado un modelo de difusión de cemento basado en la Teoría del Movimiento Aleatorio para predecir la difusión del mismo en un medio poroso como es el hueso trabecular osteoporótico. En los resultados obtenidos, se ha observado como la inyección de cemento mejora las propiedades mecánicas de las estructuras porosas.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Master