¿Sabía que el estudio del tejido poroso que forma parte de sus huesos, así como su respuesta cuando realiza actividades cotidianas, es fundamental para el desarrollo de prótesis articulares que hoy mejoran la calidad de vida de miles de personas?
Cuando se analiza el esqueleto más allá de su forma externa, se descubre que los huesos no son completamente macizos. Desde el punto de vista estructural pueden distinguirse dos tipos de tejido según su densidad: el hueso cortical que es compacto y resistente, y el hueso esponjoso o trabecular, que presenta una estructura interna porosa. Ambos comparten composición química (en su mayoría una sustancia llamada hidroxiapatita), pero difieren notablemente en su arquitectura. El hueso esponjoso posee menor masa por unidad de volumen, es decir, mayor porosidad, como puede observarse en la Figura 1.
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Aproximadamente el veinte por ciento de la masa del esqueleto humano está constituido por hueso esponjoso. Este tejido está formado por una red tridimensional de placas y barras denominadas trabéculas. Lejos de ser una disposición arbitraria, su organización responde a las fuerzas que actúan sobre cada región del cuerpo. La densidad, la orientación y la función del tejido varían dependiendo de la magnitud y dirección de las cargas mecánicas asociadas a una postura o actividad específica. En este sentido, el hueso trabecular puede considerarse un material con una notable capacidad de adaptación. En ciencia de materiales, la manera en que un sólido responde ante fuerzas que provocan su deformación es parte del comportamiento mecánico. En el caso del hueso trabecular, este comportamiento depende principalmente de tres factores: la arquitectura de la red de trabéculas, la densidad del tejido y la composición del material que las conforma. Aunque el hueso cortical constituye la mayor proporción del esqueleto, el estudio del tejido trabecular resulta particularmente relevante porque se localiza en regiones más activas y metabólicamente dinámicas. Por ello, los cambios asociados al envejecimiento, modificaciones en los hábitos físicos o enfermedades como la osteoporosis se manifiestan con mayor claridad en su estructura y, en consecuencia, en su respuesta mecánica. Las vértebras y la cadera son ejemplos representativos de esta situación.
Con el propósito de reproducir el comportamiento mecánico del hueso trabecular en función de las características de cada individuo, en los últimos años se han desarrollado modelos computacionales que permiten analizar su respuesta sin recurrir necesariamente a ensayos experimentales sobre muestras biológicas reales. Estos modelos facilitan la simulación de distintos escenarios de carga y permiten identificar zonas críticas desde el punto de vista estructural.
Uno de los principales desafíos en el desarrollo de estos modelos consiste en representar adecuadamente la compleja geometría del tejido. Para ello se han propuesto diversas simplificaciones. Algunas recurren a la repetición periódica de placas y columnas; otras emplean distribuciones de puntos denominados semillas que definen regiones en un plano, generando lo que se conoce como celdas de Voronoi. Esta estrategia permite simplificar la estructura tridimensional manteniendo rasgos geométricos relevantes y reduciendo los requerimientos computacionales. Una alternativaconsiste en realizar cortes del tejido trabecular, obtener imágenes microscópicas de la superficie e identificar los centros de las cavidades, como se muestra en la Figura 2. A partir de estas coordenadas se construye una red tipo Voronoi, cuya representación puede observarse en la Figura 3. Las geometrías crecen de manera uniforme hasta conectarse entre sí, reproduciendo una estructura similar a la del hueso real.
Posteriormente, para aproximarse aún más al comportamiento natural del tejido, se asigna a las trabéculas una geometría con ensanchamientos en las zonas de unión, tal como se aprecia en la Figura 4. Además, al variar el espesor de las trabéculas es posible simular diferentes niveles de densidad, integrando así los tres factores fundamentales que determinan el comportamiento mecánico del hueso esponjoso.
El resultado es un modelo que articula arquitectura, densidad y propiedades mecánicas en una representación coherente. Este tipo de aproximaciones ha demostrado ser eficaz cuando se requieren resultados que reproduzcan, con buena aproximación, el comportamiento del esqueleto humano. Más aún, evidencia cómo las herramientas matemáticas, computacionales y gráficas inciden directamente en el diseño de prótesis articulares más seguras y duraderas.
Comprender la relación entre estructura y función en el hueso trabecular no es únicamente un ejercicio académico. Es un paso esencial en el desarrollo de soluciones biomédicas que permiten a muchas personas recuperar movilidad, independencia y calidad de vida.
Si este tema te ha interesado, te invitamos a revisar esta bibliografía:
1. Cowin Stephen, Bone Mechanics Handbook, 2ª edición, CRC, USA, 2001.
2. Gibson L., The mechanical behavior of cancellous bone, J. of Biomechanics, 1985.
3. Narváez M., Propuesta para el análisis de las propiedades mecánicas del hueso esponjoso vertebral, Tesis Licenciatura UNAM, México, 2004.
4. Silva M. y Gibson L., Modeling the mechanical behavior of vertebral trabecular bone: Effects of age-related changes in microstructure, Bone, Vol. 21, No. 2, 1997.
5. Ramírez E., Ortiz A., Schouwenaars R., Ruiz O., Modelado de hueso trabecular mediante paquetería de elemento finito basándose en estructuras de Voronoi, Ingeniería mecánica tecnología y Desarrollo, Vol. 2, No. 5, 2007.
Editores científicos: Dr. Iván D. Rojas-Montoya, Dra. Sandra M. Rojas-Montoya.
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