Título de la tesis


Multiscale simulation of bone regeneration in tissue engineering processes

Doctorando


José Antonio Sanz Herrera

Director


José Manuel García Aznar / Manuel Doblaré Castellano

Descripción


La Ingenieria Tisular surge como una disciplina cuyo objetivo es cubrir las complicaciones clasicas que aparecen cuando se regeneran tejidos biologicos o se reparan organos. En las ultimas tres decadas se han visto grandes avances en este campo en muchos organos mamiferos. En este contexto, la ingenieria del tejido oseo trata de reparar este tejido en enfermedades tales como tumores u osteoporosis. Asimismo, esta metodologia se aplica a la aceleracion del proceso de consolidacion osea en situaciones de traumatismo. Para ello, se sintetizan biomateriales porosos con la finalidad de que sirvan de soporte a las celulas y al nuevo tejido formado, i.e., soportes tisulares. El diseño de estos soportes para aplicaciones oseas ha de cumplir un elevado numero de requisitos, factores y parametros que influencian determinantemente el exito de una aplicacion especifica.

Esta tesis doctoral se enfoca principalmente a evaluar la aplicacion de tecnicas numericas para modelizar eventos de ingenieria de tejido oseo. La denominada teoria de la homogeneizacion asintotica se analiza en detalle como alternativa a las tecnicas experimentales, que se usan en la caracterizacion de soportes tisulares, en particular, para determinar las propiedades mecanicas aparentes y la permeabilidad de Darcy. Para corroborar los resultados obtenidos de forma numerica, se realizan en el laboratorio los correspondientes ensayos de compresion entre dos platos y de permeabilidad, usando unos soportes tisulares comerciales. Los resultados obtenidos tanto experimentalmente como numericamente son muy similares, por lo que se demuestra el potencial que ofrecen las tecnicas numericas en la caracterizacion de soportes tisulares.

Como primera aproximacion al modelizado de la regeneracion de tejido oseo en soportes tisulares, se introduce un primer modelo macroscopico. Este modelo queda caracterizado por las propiedades aparentes del soporte tisular mientras que la evolucion del crecimiento oseo dentro de su microestructura queda determinada a traves de una variable interna (densidad) definida en el dominio del soporte tisular. Consecuentemente, las propiedades aparentes del andamiaje tisular han de derivarse a priori para todo el rango de porosidades (o densidades) para una familia especifica de microestructuras del soporte tisular. Este modelo se aplica al estudio de un experimento animal encontrado en la bibliografia, mostrandose una razonable aproximacion entre los resultados obtenidos con este modelo y los datos experimentales disponibles. Esta aplicacion corresponde a un soporte tisular bioceramico.

Por otro lado, las desventajas que ofrece el modelo macroscopico propuesto asi como el planteamiento racional del fenomeno de regeneracion osea usando soportes tisulares, conllevan a la formulacion de un modelo multiescala. Se introduce por tanto la escala a nivel de poro (micro) y la escala del tejido u organo (macro). En la escala macroscopica se introducen las ecuaciones de la elasticidad lineal y la difusion de Fick para simular los procesos de remodelado oseo (debido a las cargas externas) y la migracion celular, y hasta cierto punto, la vascularizacion y el aporte de nutrientes. En la escala microscopica se introducen sendos modelos de crecimiento oseo y reabsorcion del soporte tisular, los cuales se encuentran acoplados con las variables macroscopicas. Estos modelos se implementan en base al metodo Voxel-FEM. Para pasar la informacion necesaria de la escala microscopica a la macroscopica se utiliza la teoria de la homogeneizacion aplicada a un RVE; mientras que la informacion macroscopica se traduce a la escala microscopica a traves del procedimiento de localizacion asociado. Este modelo multiescala es valido tanto para soportes biodegradables (polimericos) como para soportes no-reabsorbibles.

El potencial remarcable del modelo multiescala propuesto, permite realizar un estudio parametrico (de sensibilidad) para encontrar el diseño optimo de un determinado soporte tisular para una aplicacion clinica especifica. Estos resultados muestran una mayor tasa de regeneracion osea para una mayor rigidez del material base, mayor tamaño medio de poro y precultivo celular del soporte tisular mientras que se predice un colapso de la microestructura del soporte para una mayor cinetica de reabsorcion del biomaterial.

Aun cuando se requiere una validacion experimental mas exhaustiva de los modelos propuestos, esta tesis doctoral muestra de forma original una metodologia numerica centrada principalmente en los aspectos mecanicos, que puede resultar de utilidad para el asesoramiento del diseño de los soportes tisulares para la regeneracion de tejido oseo.


Estado


Defendida - 2008

Calificación


Sobresaliente Cum Laude



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