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Multiscale computational modelling for natural hip biomechanics and tribology

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La simulación de la carga dinámica de las articulaciones permite obtener tratamientos de próxima generación para la artrosis

Entre un 10 y un 15 % de las personas de más de sesenta años sufren artrosis y, debido al envejecimiento de la población, se necesitan urgentemente tratamientos de nueva generación. El proyecto MSCHIPBIO empleó la simulación por ordenador para elaborar perfiles precisos de la biomecánica funcional del cartílago de la articulación coxofemoral con el fin de mejorar las intervenciones.

Salud

La artrosis, en la que las articulaciones del enfermo se vuelven dolorosas y rígidas, es debilitante y reduce la movilidad e incluso la capacidad de desempeñar actividades de la vida diaria. Las terapias actuales se limitan a tratar el dolor aliviándolo a corto plazo mediante una inyección de esteroides o ácido hialurónico y al entrenamiento de la fuerza. Para la artrosis severa, las opciones son el trasplante celular o tisular (con un éxito limitado) o la artroplastia. Si bien la artroplastia suele tener éxito, los fallos prematuros siguen siendo motivo de preocupación; normalmente debido al desgaste y el aflojamiento del implante, lo cual requiere una corrección quirúrgica. Gracias a los fondos europeos, el proyecto MSCHIPBIO combinó métodos avanzados de simulación por ordenador para vincular predicciones detalladas de la carga de la articulación coxofemoral a escala de todo el cuerpo con simulaciones a escala articular de la respuesta del cartílago a la carga para diversas actividades cotidianas. Estos perfiles de carga dinámica, desarrollados en ETH Zurich, podrían ayudar a que los implantes sintéticos imitaran de forma más precisa el rendimiento natural e incluso lo mejoraran.

Creación de perfiles biomecánicos

Dos de los métodos más prometedores para aliviar la artrosis severa son los tratamientos de preservación y regeneración tisular. En la preservación tisular, o bien se remodela quirúrgicamente la articulación natural para devolverle su forma y función naturales, o se trasplantan pequeños tejidos (como cartílagos) de zonas del cuerpo del donante que no soportan carga a las zonas dañadas. Los materiales del trasplante de los tratamientos regeneradores son potencialmente más activos desde un punto de vista biológico que el propio cartílago del paciente (que sucumben a la degeneración relacionada con la edad). Los candidatos más prometedores son biomateriales blandos que imitan el cartílago natural, complementados con factores de crecimiento biológico o células madre del donante que estimulan el crecimiento del nuevo tejido cartilaginoso. Sin embargo, persiste el problema de encontrar un material lo suficientemente fuerte para soportar las cargas provisionales mientras crece el nuevo tejido dentro del área lesionada. Según comenta el doctor Xijin Hua, investigador principal: «Una opción consiste en emplear los modelos de MSCHIPBIO para estudiar el posible resultado de los tratamientos de preservación tisular, de forma que permita optimizar la recolocación o remodelación para recuperar un nivel normal de tensión articular interna. Los modelos también podrían proporcionar una guía para que las articulaciones prostéticas imiten el comportamiento autolubricante natural de las articulaciones e incrementen así su longevidad». Un resultado inesperado de las simulaciones fueron los indicios de una función «autosellante» en la articulación coxofemoral natural, cuando los períodos prolongados de carga dan lugar a una reducción de la tensión dentro del cartílago en los extremos de la articulación, lo cual podría reducir el riesgo de daño tisular.

Trabajo de modelización

Los modelos de escala corporal están actualmente disponibles dentro de un repositorio de AnyBody Modelling System, el marco de simulación empleado para su creación, y están disponibles para todos los usuarios con licencia del «software». El diseño del modelo de la articulación —basado en el «software» de simulación gratuito y de acceso público FEBio — se resumirá con suficiente detalle en una próxima publicación para que otros investigadores biomédicos lo reproduzcan. Los fabricantes de implantes ortopédicos están interesados en utilizar estos modelos para sustituir algunos de sus ensayos preclínicos en el laboratorio, lo cual aceleraría la obtención de unos implantes más resistentes. Además, los modelos también podrían acabar introduciéndose en los paquetes de «software» de planificación quirúrgica general. «En conjunto, estas opciones podrían influir en el futuro tratamiento de la artrosis y cabe esperar que den lugar a una mejora de la atención y una reducción de los costes sanitarios», concluye el profesor Stephen Ferguson, supervisor de la investigación. El doctor Hua planea continuar la integración de distintas escalas de modelos para estudiar una mayor variedad de trastornos relacionados con la articulación coxofemoral humana y también para examinar el rendimiento de las prótesis articulares o las terapias de trasplante de cartílago. Esta investigación se ha llevado a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie.

Palabras clave

MSCHIPBIO, cadera, articulación, prótesis, artrosis, artroplastia, biomecánica, tejido, regenerativo, simulación, implante

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