Modelado computacional del desarrollo óseo humano en la placa de crecimiento del fémur distal / Computational modeling of human bone development in the distal femoral growth plate

La elongación de los huesos largos se produce principalmente por la proliferación e hipertrofia de los condrocitos presentes en las placas de crecimiento. Bajo la hipótesis que el comportamiento de estas células depende de factores bioquímicos y mecánicos, este artículo presenta un modelo computacional por elementos finitos que simula el comportamiento de la placa de crecimiento del fémur distal humano. Se emplea un dominio bidimensional en el que se identifican las regiones de hueso trabecular metafisial y episifial que encierran a la placa de crecimiento y las regiones de cartílago inerte y columnar. La validación del modelo se realiza a partir de la histología correspondiente a la placa de crecimiento del fémur distal de un niño de dos años. Los resultados obtenidos demuestran que el modelo simula el crecimiento y el comportamiento de la placa metafisiaria regulada por su actividad celular y las cargas mecánicas...

Long bone elongation is mainly due to proliferation and hypertrophy of the chondrocytes in growth plates. Under the assumption that the behavior of these cells depends on biochemical and mechanical factors, a presentation is made of a computational finite element model simulating the behavior of the human distal femoral growth plate. A two-dimensional domain is used to identify the regions of metaphyseal and epiphyseal trabecular bone covering the growth plate and the inert and columnar cartilage regions. Model validation was based on the histology corresponding to the distal femoral growth plate of a two-year old boy. The results obtained show that the model simulates the growth and behavior of the metaphyseal plate as regulated by its cellular activity and mechanical loads...

Modelado de la degradación hidrolítica de un implante óseo / Modeling of the hydrolytic degradation of a bone implant

Una de las áreas más importantes de la ingeniería de tejidos es la investigación sobre la regeneración y sustitución del tejido óseo. Para cumplir con estos requisitos, los implantes óseos han sido desarrollados para permitir la migración de las células, el crecimiento del tejido, el transporte de los factores de crecimiento y nutrientes y la renovación de las propiedades mecánicas. Los implantes están hechos de diferentes biomateriales y se han fabricado utilizando varias técnicas que, en algunos casos, no permiten un control total sobre el tamaño y la orientación de los poros que caracterizan a la microestructura del andamio. Desde esta perspectiva, se propone el uso de un sistema de reacción difusión para lograr las características geométricas de la matriz ósea. La validación de esta hipótesis se realiza a través de simulaciones de la geometría obtenida por un sistema de reacción-difusión junto con un modelo de degradación por hidrólisis en elementos tridimensionales representativos...

Research into bone tissue regeneration and substitution is one of the most important components of tissue engineering. In compliance with these requirements, bone implants have been developed which allow cell migration, tissue growth, the transport of growth factors and nutrients, and the renewal of mechanical properties. Implants are made of various biomaterials, and they have been manufactured using techniques which not always allow total control of the size and orientation of the pores involved in the microstructure of the scaffold. From this standpoint, a reaction-diffusion system is proposed for the achievement of appropriate geometric features in the bone matrix. The hypothesis is validated through simulations of the geometry obtained with a reaction-diffusion system and a model of hydrolytic degradation in three-dimensional representative elements...

Una introducción a la mecanobiología computacional / An introduction to computation mechanobiology

La mecanobiología estudia el comportamiento de células, tejidos y órganos bajo los efectos de la bioquímica, la biología celular y los estímulos externos, como las cargas mecánicas. Esta involucra el desarrollo de modelos y la realización de experimentos con el objetivo de entender los procesos complejos que se presentan en la génesis y mantenimiento de órganos y tejidos. Mediante esta disciplina se ha logrado aislar y analizar diversos efectos como lo son la genética, los factores moleculares autocrinos y paracrinos, y las cargas mecánicas sobre tejidos y órganos. En esta vía, el presente trabajo muestra los principales desarrollos y aportes de la mecanobiología computacional en el conocimiento médico.

The mechanobiology study the behavior of cells, tissues and organs under the effects of the biochemistry, the cellular biology and the external stimuli, as mechanic loads. This involve the development of forms and the carrying out of experiments to know the complex processes presenting in the genesis and the maintenance or organs and tissues. Through this discipline it has been possible to isolate different effects as in the case of genetics, the autocrine and paracrine molecular factors and the mechanic loads on tissues and organs. The objective of present paper is to show the main developments and contributions of computation mechanobiology in the medical knowledge.

Un modelo matemático de la placa de crecimiento / A mathematical model of growth plate

La placa de crecimiento es una estructura que está conformada por células, denominadas condrocitos, que se ordenan en columnas y confieren el alargamiento del hueso debido a su proliferación e hipertrofia. En cada columna se pueden observar condrocitos en estado proliferativo (que se dividen constantemente), e hipertrófico (que crecen para obtener una forma casi esférica). Estas células expresan diferentes proteínas y moléculas a lo largo de su vida media y tienen un comportamiento especial que puede depender de su entorno local mecánico y bioquímico. En este artículo se desarrolla un modelo matemático que describe la relación entre la geometría, el crecimiento por proliferación e hipertrofia y la invasión vascular con los factores bioquímicos y mecánicos presentes durante el desarrollo endocondral

The growth plate is a structure composed of cells called chondrocytes arranged in columns and causing the bone lengthening due to its proliferation and hypertrophy. In each column it may observed the presence of chondrocytes in proliferation stage (constantly divided) and hypertrophy stage (growing to obtain a almost spherical shape). These cells express different proteins and molecules during half-life and have a special behavior that may to depend on its mechanical or biochemical local environment. In present paper it is developed a mathematical model describing the relationship among the geometry, proliferation and hypertrophy growth and the vascular invasion by biochemical and mechanical factors present during the endochondral development

Modelo de endurecimiento isotrópico con esquema de integración explícita para biomateriales y su aplicación a la expansión de stents / Isotropic hardening model with explicit integration scheme for biomaterial and its application to stents expansion

Se presenta un modelo de endurecimiento isotrópico para biomateriales metálicos, el cual emplea un esquema de integración explícita bajo una formulación incremental. Para la implementación computacional se programó un elemento finito de usuario UEL en lenguaje FORTRAN para su ejecución en el software ABAQUS. Con el fin de validar el modelo se resuelven dos ejemplos tipo benchmark y sus resultados son comparados con ANSYS y el UMAT de Dunne y Petrinic para ABAQUS. Finalmente, el modelo es usado para simular la extensión de un stent coronario fabricado en acero inoxidable 316L. Se concluye que el modelo posee un error numérico aceptable teniendo en cuenta que el elemento finito fue programado por completo y no posee ninguna de las optimizaciones de los códigos comerciales. En trabajos futuros el UEL será acoplado con modelos de mecánica de daño continuo para la predicción de la falla por fatiga, cuyo análisis es un estándar básico en la manufactura de stents

A isotropic hardening model is presented for metallic biomaterials, which uses a explicit integration scheme under increasing formula. To computer implementation a finite element from UEL user was programmed in FORTRAN language for its execution in the ABAQUS software. To model validation two examples type benchmark were solved and results are compared with ANSYS and the UMAT of Dunne and Petrinic for ABAQUS. Finally, model is used to simulate the extension of a coronary stent manufactures in 316L stainless steel. We conclude that the model has an acceptable numerical error taking into account that finite element was programmed as a whole and has not any of the optimizations of commercial codes. In future papers the UEL will be coupled with continuous damage mechanics model to predict the failure due to fatigue, whose analysis is a basic standard in stent manufacturing

Modelos computacionales de diferenciación y adaptación ósea / Computational models of bone differentiation and adaptation

Se realizó una revisión de los modelos computaciones de diferenciación y adaptación ósea existentes, haciendo énfasis en el desarrollo alcanzado en esta área durante los últimos años. El estudio del tejido óseo ha venido en aumento en las últimas décadas gracias al renacimiento de la mecanobiología, cuyo paradigma principal es la influencia que tienen las cargas mecánicas sobre el desarrollo, adaptación y mantenimiento de los tejidos. El objetivo principal del trabajo es resaltar la importancia de la mecanobiología computacional en el modelado del tejido óseo y la necesidad de seguir desarrollando la mecanobiología experimental para poder medir con exactitud las propiedades de los tejidos y las características celulares de mayor sensibilidad en los modelos computacionales

Authors review the available computational models of bone differentiation and adaptation, emphasizing on the development achieved in this area during pas years. The bone tissue study has increased in past decades due to rebirth of mechanobiology, whose main paradigm is the influence of mechanical loads on the tissues development, adaptation and maintenance. The major objective of present paper is to emphasize la significance of computational mechanobiology in the bone tissue modeling and the need to keep on developing the experimental mechanobiology to measure accurately the tissues properties and the more sensible cellular features of computational models