Tesis doctoral de Andrea Malandrino
La degeneración del disco intervertebral (div) está principalmente involucrada en el dolor de espalda, una morbilidad que afecta a la calidad de vida de las personas. Los discos lumbares soportan cargas mecánicas elevadas, y al mismo tiempo son los tejidos avasculares más grandes en el cuerpo: la biomecánica por sí sola no puede desentrañar los fenómenos complejos a escala celular, fundamentales también para la regeneración del div. Este trabajo tuvo como objetivo el acoplamiento de procesos mecánicos y de transporte dentro del div, y el desarrollo de métodos mecanobiológicos por elementos finitos, para una mejor comprensión de los procesos degenerativos y la planificación de estrategias de regeneración. Dada la importancia de los movimientos de fluido dentro del los sub-tejidos de div, se investigaron los parámetros poroelásticos (como permeabilidades y rigidez de la fase sólida). Posteriormente, se implementó un modelo material continuo poro-hiperelástico (phe). Se calibraron los ángulos de las fibras de colágeno en el anillo fibroso (af), y se incluyó la presión osmótica del núcleo pulposo (np). Para la caracterización del hueso vertebral humano, se realizaron experimentos con ultrasonidos, combinados con modelización micro-poromecánica, con el fin de estimar importantes coeficientes poroelásticos. Se combinaron también análisis fluidodinámicas e imágenes microtomográficas para estudiar los intercambios de fluidos en la interfaz hueso-div. El modelo phe del div lumbar, con capas vertebrales poroelásticas, se combinó con un modelo de transporte de tres solutos ¿ oxígeno, lactato y glucosa ¿ relacionados para reproducir el metabolismo glicolítico del div. Se estudió el efecto de la deformación, perdida de fluido, rigidez de la fase sólida, permeabilidad, ph, densidad de células y presión osmótica en el transporte de solutos. Además, se incluyó la muerte celular regulada por privación de glucosa y acumulación de lactato para explorar el efecto mecánico sobre la viabilidad celular. Los resultados mostraron que la rigidez del af tenía el mayor papel sobre el comportamiento poroelástico del div. La permeabilidad de la placa terminal de cartílago y la rigidez del np también fueron relevantes. El modelo phe predijo la mecánica local del af una vez que los ángulos de las fibras se calibraron en cuatro zonas del af. Tal calibración llevó a valores de ángulos y a un comportamiento poromecánico global del div comparable con los experimentos. La inclusión de la presión osmótica en el np también llevó a valores de tensión en compresión confinada comparables con valores medidos en tejidos de np sanos y degenerados. Para la matriz ósea, los coeficientes de rigidez axial y transversal hallados experimentalmente en el presente trabajo correspondían con relaciones densidad-elasticidad ¿universales¿, y, combinados con aproximaciones micro-poromecánicas llevaron a coeficientes poroelásticos en casos límites, drenado y no drenado. La permeabilidad de la placa terminal de las vértebras, calculada con fluidodinámica mostró buenas correlaciones con la porosidad medida con micro-tomografía. El acoplamiento modelo de transporte/phe reveló un efecto mecánico relacionado con los cambios de volumen y la flexibilidad del div, favorecido por propiedades de div sano en lugar de degenerado. Dicho efecto se atribuyó a las difusividades y a las distancias de difusión que dependen de la deformación y se mostró que tal efecto puede ser beneficioso para las células debido al consecuente aumento de glucosa. La densidad celular, la presión osmótica y la perdida de fluido fueron los factores más importantes de cara al transporte de solutos. Este nuevo estudio señala la importancia de restaurar factores celulares y mecánicos, tiene un gran impacto sobre los tratamientos para la regeneración de tejidos y sugiere metodologías que podrían ser implementadas en herramientas para imágenes clínicas con el fin de mejorar la comprensión de la mecanobiología de la columna.
Datos académicos de la tesis doctoral «Multi-scale biomechanical study of transport phenomena in the intervertebral disc«
- Título de la tesis: Multi-scale biomechanical study of transport phenomena in the intervertebral disc
- Autor: Andrea Malandrino
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 26/07/2012
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Damien Lacroix
- Tribunal
- Presidente del tribunal: eugenio Oñate ibáñez de navarra
- stephen Ferguson (vocal)
- christian Hellmich (vocal)
- mauro Alini (vocal)