Biomecánica y Hueso en Física

Composición y Estructura del Hueso

• El hueso está compuesto por una matriz orgánica de colágeno tipo I y una matriz inorgánica mineralizada de cristales de hidroxiapatita y fosfato cálcico.
• Las fibras de colágeno se organizan mediante enlaces cruzados formando una triple hélice, cuya estabilidad puede verse alterada en estados patológicos.
• La rigidez y resistencia a la compresión del hueso dependen de la cantidad de mineral, el empaquetamiento y la ordenación de los cristales en relación con las fibras de colágeno.

Biomecánica Estructural del Hueso

• El análisis biomecánico del hueso requiere considerar tanto sus propiedades materiales como su distribución geométrica.
• El comportamiento mecánico del hueso vivo es complejo y no se puede determinar únicamente a partir de estudios de hueso entero; es esencial analizar niveles microscópicos para observar alteraciones en la microestructura.
• Se utilizan ensayos de compresión y flexión para estudiar el comportamiento mecánico del hueso, con menor frecuencia ensayos de torsión.

Tipos de Hueso y Propiedades Mecánicas

• Existen dos subtipos tisulares: hueso cortical y hueso trabecular o esponjoso, cada uno con diferentes implicaciones biomecánicas.
• El hueso cortical tiene un módulo elástico mayor, siendo más resistente a compresión que a tracción o corte, con una densidad aproximada de 1.9 g/cm².
• La resistencia a la carga longitudinal (0°) es mayor que a la carga transversal (90°) en hueso cortical, y su resistencia biomecánica también es superior frente a torsión.

Hueso Trabecular

• El hueso trabecular presenta mayor resistencia a la compresión que a otros tipos de carga, con resistencia variando de 1.5 a 9.3 MPa y un módulo de Young de 10 a 1,058 MPa.
• La densidad del hueso trabecular humano es aproximadamente 0.43 g/cm², con trabéculas dispuestas vertical y horizontalmente.
• La disminución de trabéculas, especialmente horizontales, afecta significativamente la resistencia del hueso trabecular.

Análisis a Nivel Micro y Molecular

• El análisis biomecánico en niveles microscópicos se centra en las propiedades del tejido sin considerar su geometría.
• En el hueso cortical, se realizan pruebas en bloques de osteonas, mientras que el hueso trabecular se evalúa sin su arquitectura típica.
• A nivel molecular, el hueso está compuesto por proteínas, glicoproteínas y minerales, formando la matriz extracelular, cuya heterogeneidad complica el análisis biomecánico.

Técnicas Alternativas de Evaluación

• Las técnicas alternativas a los ensayos mecánicos clásicos permiten analizar propiedades elásticas óseas utilizando pequeñas muestras.
• El análisis por ultrasonidos proporciona información sobre la organización estructural y características materiales, aunque no revela la imagen de la estructura ósea.
• El análisis mediante elementos finitos (FEA) se basa en imágenes obtenidas por técnicas de tomografía computarizada o resonancia magnética, creando un modelo que permite simular el comportamiento mecánico y calcular propiedades como la resistencia y el módulo de Young.

Avances en Tecnología de Análisis

• La alta resolución de imágenes de tecnología como micro-CT y HR-MRI junto con nuevos algoritmos ha mejorado la representación de la estructura ósea, permitiendo estudiar mecanismos de fractura de manera más precisa.