Análisis por elementos finitos de andamios para la ingeniería de tejidos

Abstract

Los andamios de regeneración ósea se utilizan en casos de fractura o de patología para sustituir temporalmente al hueso y favorecer su regeneración. Son hechos de materiales porosos que tienen un comportamiento mecánico parecido al del hueso trabecular y al imponerles ciertos estímulos mecánicos se logra la fijación de células primarias que según el estímulo y la velocidad del fluido (serum fisiológico) circulando en la estructura porosa se diferencian en osteoblastos, es decir las células responsables de la formación de tejido óseo. Este proyecto propone vincular la estructura porosa de andamios con su repuesta mecánica bajo compresión pura y la velocidad de flujo impuesta para poder identificar y ubicar los estímulos favoreciendo la diferenciación celular mediante el método de ¡.tCTbased FEM. En primer lugar se reconstruyeron tridimensionalmente dos tipos de andamios de regeneración ósea (un alpha TCP inyectado y un vidrio poroso tipo 05) mediante el programa Mimic's. Este programa superpone según el eje z las 1024 imágenes TAC (Tomografia Axial Computerizada) de las cuales disponíamos para cada andamio con el fin de obtener su reconstrucción 3D. Mediante un principio de máscaras de niveles de gris el programa también permite diferenciar las partes porosa y sólida lo que permitió cuantificar la porosidad de cada andamio y más adelante su ratio de porosidad interconectada abierta sobre la superficie exterior y de porosidad aislada. Se observó que la porosidad del andamio de vidrio era mucho más homogénea no sólo espacialmente sino también en tamaño de poros. Se obtuvieron valores de interconectividad muy altos y parecidos para los dos andamios (alrededor de 90%). En cuanto al tamaño importante de los ficheros generados para las muestras enteras, el estudio se tuvo que reducir a cilindros representativos (en cuanto a la repartición espacial de la porosidad) más pequeños. Luego se modelizaron tanto las partes sólidas como porosas de cada andamio por elementos finitos con el fin de estudiar su comportamiento mecánico a compresión pura y el perfil de velocidad de flujo tras las muestras. Los resultados de la simulación en compresión (equivalente a una deformación de 0,5% de las muestras) muestran claramente la inHuencia de la repartición de los poros en las muestras. En efecto se observó que los valores significativos (alrededor de 2%) de deformación en cizalla (que favorece la diferenciación celular) se ubican alrededor de los poros cuando su concentración espacial es más elevada. También se pudo determinar que las zonas de unión entre los poros se encontraban en tracción provocando un alargamiento de los poros lo que suele ser considerado como un factor que favorece la difusión, la adhesión y la diferenciación de las células madres. La modelización 3D con elementos finitos de las partes porosa nos permitió ver la influencia de la velocidad del flujo sobre la penetración del Huido dentro de los poros y por lo tanto establecer un perfil de velocidad para cada muestra ubicando las zonas de mayor velocidad (superficie cóncavas!convexas de los poros interconectados). Para completar el estudio, se realizó el análisis por FEM de un modelo 2D simplificado que permitió prever la diferenciación de las células madres situadas en la superficie de un poro bajo compresión pura (deformación de 0,5%) y velocidad de flujo impuesta a 2mrn/s. Hemos obtenido varios casos de diferenciación celular (en células óseas y en células responsables de la formación de tejidos fibrosos).