Un modelo computacional identifica los mejores procesos de reparación ósea

UNAL/DICYT Así como la piel, los huesos también tienen poros, y aunque se suele pensar que estos son redondos, lo cierto es que existe una gama de figuras –rectángulo, elipsis, hexaedro, dodecaedro o cubo, entre otras– que juegan un papel fundamental en la recuperación de tejido óseo. Un nuevo modelo computacional permite saber cuál es la microgeometría adecuada para que dicho proceso sea eficaz.

Los huesos son susceptibles a daños significativos causados por tumores femorales, cáncer u osteoporosis, y aunque suelen tener ciertas propiedades autorregenerativas, existen condiciones en las cuales estas no son suficientes para lograr la restauración del tejido afectado, como sucede, por ejemplo, cuando hay fracturas de gran tamaño, también conocidas como “lesiones de hueso de tamaño crítico”.

Cuando estas ocurren se apela al uso de andamios moleculares (scaffolds) o biomateriales tridimensionales que se insertan en huesos y tejidos, en los que las células se desarrollan de nuevo.

El profesor Óscar Libardo Rodríguez, de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), explica que “como sucede en una construcción, los andamios son esenciales para que los obreros (células) accedan a distintos puntos de la obra, y a medida que avanzan en ella (formación de tejido) se van retirando las estructuras (se degradan)”.

Agrega que “la ingeniería de tejidos busca introducir estas estructuras en la lesión para que las células madre migren hasta allí, y se transformen en tejido óseo”.

De igual manera, los andamios de tejido óseo son una solución prometedora para los tratamientos de cicatrización ósea, en especial para hacerle frente a la limitada disponibilidad de sustitutos óseos.

Los andamios de hueso no son la única técnica de ingeniería de tejidos que existe, ya que también se pueden hacer autoinjertos (retirar tejido de la misma persona) o xenoinjertos (de alguna otra especie) para implantarlos en la lesión que se quiera recuperar.

Sin embargo, estos métodos tienen dos problemas: su disponibilidad es limitada, y en los xenoinjertos el sistema inmune puede rechazarlos.

Según el investigador, la evaluación in silico (hecho por computadora o vía simulación computacional) de diferentes andamios y sus características (haz, tamaño u orientación y características microgeométricas de los poros) proporciona información útil para los diseñadores de biomateriales, por ejemplo, con respecto a la cantidad de material necesario para elaborar el andamio.

En ese sentido, su trabajo doctoral en Ingeniería - Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la UNAL buscaba, mediante un modelo computacional y usando distintas formas, saber cuáles tenían mayor potencial de llevar a las células a construir tejido óseo.

Teniendo en cuenta las cargas

Para tener un mejor rendimiento, los poros trabajan de la mano con cargas que se ejercen sobre la estructura. Todos los huesos están sometidos a cargas de compresión (que ejercen la fuerza de arriba hacia abajo), y cortantes (ejercen la fuerza de derecha a izquierda), las cuales aparecen según la forma del hueso.

“Dichas cargas ponen a prueba la resistencia del andamio y la posibilidad de que los poros puedan albergar células de tejido óseo; al tener estas dos variables funcionando, se podría esperar que unas formas funcionen mejor que otras en determinadas cargas”, explica el docente.

Según las simulaciones realizadas, para cargas altas, los hexaedros regulares, rectangulares y elípticos mejoran la capacidad de regeneración, mientras que para cargas bajas el dodecaedro rómbico o el cubo truncado muestran mejor rendimiento.

En la investigación se realizó la simulación de andamios óseos impresos en 3D con ácido poliláctico (PLA) y policaprolactona (PCL) por medio de Matlab® (plataforma de programación y de cálculo numérico) y Abaqus® (software para modelar cualquier tipo de estructura por medio del método de los elementos finitos), para determinar el comportamiento de los tejidos que crecen dentro de estos.

El uso de Matlab permitió crear un diseño paramétrico (variables del objeto como tamaño y la forma) y el número de poros presentes allí, mientras que con Abaqus® se simuló el escenario biofísico –cargas ejercidas y deformación del tejido– presente en la estructura.

“El estudio demostró la importante influencia del tamaño de los poros en la producción de células de tejido óseo, cuya trascendencia se desconocía en la literatura”, concluye el investigador Rodríguez.