Resumen Bioelasticidad PDF

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UNIVERSIDAD MARIANO GÁLVEZ DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS Y DE LA SALUD MEDICINA VETERINARIA FÍSICA - LUIS ZAMORA ANGELY AZENETH BATZ MONZÓN 220-23-3015 RESUMEN BIOELASTICIDAD El análisis biomecánico del hueso cortical muestra que sus propiedades varían según el tipo de prueba (tracción, flexión, torsión). Este hueso es más resistente a cargas longitudinales debido a la orientación de las fibras de colágeno y osteonas. La resistencia del hueso cortical está influenciada por su densidad, que depende de la porosidad y mineralización; una mayor densidad mejora sus propiedades mecánicas, mientras que la porosidad reduce la rigidez. El grosor y diámetro del hueso cortical son factores cruciales para su resistencia. Aumentar estas dimensiones incrementa la resistencia ósea. La reducción del grosor cortical, que ocurre con la edad o enfermedades osteodegenerativas, incrementa el riesgo de fracturas debido a una disminución en la resistencia del hueso. La estructura jerárquica del hueso y sus propiedades biomecánicas El hueso está formado por una matriz orgánica de colágeno tipo I y una matriz inorgánica de cristales de hidroxiapatita y fosfato cálcico. Las fibras de colágeno proporcionan resistencia a la tracción y elasticidad, mientras que los cristales minerales ofrecen rigidez y resistencia a la compresión. Las propiedades biomecánicas del hueso dependen de su estructura jerárquica y características ultraestructurales, como la cantidad y orientación de las fibras de colágeno y la disposición de los cristales minerales. En condiciones patológicas, estas características pueden alterarse, afectando la resistencia y elasticidad del hueso. Biomecánica de la estructura entera El comportamiento mecánico del hueso completo es complejo debido a la interacción de sus propiedades individuales y su distribución geométrica. Los ensayos de huesos enteros, como compresión, flexión y torsión, ayudan a analizar cómo factores como la edad o enfermedades osteodegenerativas afectan sus propiedades biomecánicas. Sin embargo, estos ensayos, que asumen el hueso como una estructura continua, no capturan la heterogeneidad microscópica del hueso. En las pruebas de flexión, se evalúan cargas de vencimiento, fractura y rigidez, y se calcula el módulo de Young, aunque con simplificaciones. El hueso es más resistente a la compresión que a la tracción y es aún más débil frente a las fuerzas de corte, fallando primero en el lado sometido a tracción cuando se aplica una carga perpendicular. Biomecánica de los componentes tisulares El hueso se divide en dos subtipos: el hueso cortical (compacto) y el hueso trabecular (esponjoso). El hueso cortical tiene un mayor módulo elástico, proporcionando rigidez y soportando altas cargas con poca deformación. En contraste, el hueso trabecular es más flexible pero soporta menos carga por unidad de superficie. El análisis biomecánico del hueso cortical muestra que sus propiedades varían según el tipo de prueba (tracción, flexión, torsión). Este hueso es más resistente a cargas longitudinales gracias a la orientación de sus fibras de colágeno y osteonas. Su resistencia está influenciada por la densidad, que mejora con la mineralización y se ve afectada por la porosidad. El grosor y diámetro del hueso cortical son fundamentales para su resistencia; aumentar estas dimensiones incrementa la resistencia ósea. La reducción del grosor cortical, frecuente con la edad o en enfermedades osteodegenerativas, aumenta el riesgo de fracturas debido a la disminución en la resistencia del hueso. Biomecánica del hueso trabecular o esponjoso El análisis mecánico del hueso trabecular se realiza mediante ensayos que eliminan la influencia de la microestructura, destacando su mayor resistencia a la compresión en comparación con otros tipos de cargas. La resistencia y el módulo de Young del hueso trabecular dependen de su densidad, la cual es proporcional al cuadrado de dicha resistencia. Factores como la relación volumétrica ósea (BV/TV), la cantidad, el grosor y la conectividad de las trabéculas influyen en su resistencia, siendo esencial para mantener la integridad del tejido. La anisotropía del hueso trabecular, determinada por la orientación de las trabéculas, afecta el riesgo de fractura, ya que es más susceptible cuando las cargas se aplican en direcciones diferentes a las habituales. Biomecánica de osteonas y trabéculas individuales El análisis biomecánico a nivel microscópico del hueso examina muestras pequeñas para evitar que la geometría influya en los resultados. En el hueso cortical, se analizan bloques de osteonas, mientras que en el hueso trabecular se estudian paquetes de trabéculas. La nanoindentación permite evaluar las propiedades mecánicas de estructuras individuales, como osteonas y trabéculas, mediante la medición de la deformación producida por un indentador. Las osteonas se clasifican según la orientación de sus fibras de colágeno, afectando su resistencia dependiendo del tipo de carga. No se observan diferencias significativas en el módulo elástico o la dureza relacionadas con la edad, género o índice de masa corporal. El hueso trabecular, más poroso y menos organizado que el cortical, tiene un módulo de Young menor. Estudios recientes indican que las placas longitudinales y tubos transversales predominan en diferentes zonas anatómicas y que las trabéculas en forma de placa son esenciales para las propiedades elásticas del hueso trabecular. Biomecánica de los componentes moleculares óseos A nivel molecular, el hueso está compuesto por una matriz extracelular que incluye proteínas, glicoproteínas y minerales, con fibrillas de colágeno y cristales de hidroxiapatita como componentes clave. El estudio de sus propiedades mecánicas es complejo debido a la variabilidad y organización de estos elementos. En 1997, Luo y colaboradores usaron pinzas ópticas para medir la rigidez del colágeno tipo I, abriendo camino para análisis a nivel molecular. Posteriormente, se evaluó la resistencia a la tracción y la rigidez de las fibrillas de colágeno con un dispositivo electromecánico, obteniendo la primera curva esfuerzo-deformación. Técnicas como la microscopía de fuerza atómica y la microscopía electrónica de barrido han mostrado que las fibrillas de colágeno mineralizadas presentan una deformación inicial lineal seguida de una deformación no homogénea, lo que indica diferencias en la composición mineral. Los cristales de hidroxiapatita, esenciales en la estructura mineral del hueso, muestran anisotropía; las caras basales tienen mayor dureza y módulo de elasticidad, mientras que las caras laterales presentan mayor resistencia y menor tendencia a agrietarse, influyendo en la anisotropía del hueso en escalas mayores. La mecánica molecular está influenciada por interacciones químicas complejas, pero métodos de análisis in situ, como la difracción de rayos X combinada con ensayos micromecánicos, están empezando a proporcionar información detallada sobre la deformación a nivel molecular y fibrilar en el colágeno. Técnicas biomecánicas alternativas a los ensayos clínicos Análisis cuantitativo por ultrasonido (QUS) Las técnicas de ultrasonido (QUS) evalúan las propiedades mecánicas del hueso sin radiación, permitiendo analizar muestras pequeñas y de diversas formas. Aunque no proporcionan imágenes detalladas de la estructura ósea, ofrecen información sobre la organización y características materiales del hueso. Aunque QUS es menos sensible que otros métodos y se usa principalmente como herramienta auxiliar en el diagnóstico de osteoporosis, complementando la densitometría ósea (DXA), su accesibilidad y bajo costo la hacen útil en investigaciones. Análisis mediante elementos finitos (FEA) El análisis mecánico del hueso mediante simulación numérica, usando el método de elementos finitos (FEA), es crucial para estudiar su respuesta a diferentes cargas. Este análisis comienza con la obtención de imágenes anatómicas por tomografía computarizada (CT) o resonancia magnética nuclear (MRI). Estas imágenes se usan para crear un modelo de elementos finitos del hueso, permitiendo evaluar propiedades como la resistencia y el módulo de Young. El FEA comúnmente realiza análisis lineales estáticos, evaluando la resistencia a cargas bajo la suposición de que el material es isotrópico y homogéneo. Sin embargo, las tecnologías avanzadas como la micro-CT y la resonancia magnética de alta resolución, junto con algoritmos mejorados, han permitido crear modelos más precisos que analizan propiedades elásticas anisotrópicas, proporcionando datos más detallados sobre el comportamiento biomecánico del hueso. Image-guided failure analysis (IGEA) En 1998, se introdujo el IGFA (Image-Guided Failure Analysis), un dispositivo que permite realizar ensayos de compresión y tracción dentro de un micro-CT, observando el proceso de fractura en tiempo real con alta resolución. Esta técnica es útil para analizar el hueso trabecular, ya que permite monitorizar fracturas y evaluar la influencia de la microarquitectura ósea en el proceso de fractura. Un dispositivo similar para ensayos de torsión se ha desarrollado recientemente. Estudios con IGFA han mostrado que, en el 76% de las muestras de hueso trabecular de vértebras lumbares humanas, las regiones de fractura tienen valores reducidos de relación volumétrica ósea (BV/TV), densidad conectiva y anisotropía, pero no hay diferencias significativas en el número, grosor, y separación trabecular en comparación con las regiones intactas. En el hueso femoral osteoporótico, las regiones de fractura muestran peores valores en todas las variables microestructurales excepto en anisotropía. Estas regiones presentan menos trabéculas, con menor grosor y peor interconexión, predominando las trabéculas en forma de tubo, menos resistentes que las de forma de placa de las regiones intactas. La correlación entre la resistencia última y las variables microestructurales mejora cuando se analizan específicamente las regiones de fractura. IGFA también ha permitido observar que las estructuras en forma de plato tienden a fracturarse por flexión en áreas perforadas, mientras que las estructuras en forma de barra colapsan por pandeo con desplazamientos transversales significativos. Conclusiones El tejido óseo está estructurado en una compleja matriz orgánica mineralizada con varios niveles jerárquicos, cada uno influyendo en sus propiedades mecánicas de manera diferente. Entender el comportamiento biomecánico del hueso requiere considerar estas estructuras a nivel individual y en conjunto. Actualmente, se están realizando numerosos estudios para explorar cómo estas estructuras afectan la biomecánica del hueso. Las técnicas alternativas a los métodos tradicionales de ensayo mecánico, como el análisis de elementos finitos (FEA) y la ultrasonografía cuantitativa (QUS), están desempeñando un papel crucial. Estas técnicas no destructivas permiten realizar múltiples ensayos y ajustar las variables, lo que abre nuevas posibilidades para avanzar en la comprensión del comportamiento biomecánico del hueso.