Modelización informática osteomuscular más realista

Por el momento no se dispone de modelos óseos que reflejen tejidos específicos a multiescala. El motivo es que se precisan datos sobre zonas de tensión en tejidos concretos abarcando los huesos al completo. Es una carencia que no se puede resolver mediante mediciones experimentales, mientras que las simulaciones numéricas tienen un alcance limitado.

Contar con modelos óseos íntegros dotados de especificidad tisular sería de inmensa ayuda para desentrañar la relación existente entre la microestructura y la función de cada hueso. Los científicos del proyecto TISSSPECBONEFEM (Incorporation of multiscale tissue-specific properties into musculoskeletal finite element modelling) se afanaron en desarrollar modelos óseos exactos realizando un análisis de elementos finitos (EF) de un fémur ovino.

Se caracterizó por medios experimentales la geometría ósea, la densidad mineral del hueso, los tipos de tejidos y las propiedades de elasticidad a microescala de dicho hueso. Valiéndose de una base de datos dotada con indicaciones de lugar, se desarrollaron modelos osteomusculares EF del fémur ovino que representaban propiedades óseas de elasticidad anisotrópica, con especificidad tisular, así como las condiciones de carga con relevancia desde el punto de vista fisiológico.

El equipo de TISSSPECBONEFEM registró las propiedades multimodales y a multiescala, con indicación de lugar, y las analizó teniendo en cuenta las tensiones fisiológicas previstas a fin de determinar las relaciones entre estructura y función. Se descubrió que la deformación de los huesos osteonales (como es el fémur) se debe más a fuerzas de cizalla musculares locales que a la compresión y el flexionamiento de los huesos.

Los osteocitos son células óseas que entran en juego en la mecanosensibilidad y que orquestan la deformación de los huesos. Mediante análisis de EF y nanotomografía sincrotrónica en fase de rayos X, se analizó la geometría de la red de poros a escala submicrométrica y se estudió la deformación in situ de los osteocitos.

Mediante mediciones ultrasónicas de la transmisión axial bidireccional, se evaluaron las propiedades —a escala de centímetros— de los huesos corticales en condiciones idénticas a las in vivo. Esta herramienta sería de utilidad para evaluar las propiedades del material óseo en casos concretos.

Los investigadores lograron cuantificar la mineralización ósea, el tensor de rigidez completo y la morfología de la red de poros. Se correlacionaron la ubicación anatómica, el tipo de tejido y la edad del animal, lo cual esclareció la relación entre la estructura y la función y también el proceso de deformación.

Los integrantes del proyecto desarrollaron también un marco numérico para su aplicación en un modelo ya establecido de osteotomía ovina con vistas a estudiar la curación de fracturas en distintos grados de tensión.

Las herramientas, la base de datos y los resultados de la investigación de TISSSPECBONEFEM podrían resultar determinantes de cara a diseñar y monitorizar implantes de fijación ósea que promuevan la curación de fracturas. Para la población europea, en rápido proceso de envejecimiento, la aplicación clínica de estos resultados podría mejorar la movilidad de los pacientes y abaratar los costes sanitarios relacionados con las facturas y las sustituciones de articulaciones.