Análisis mediante elementos finitos del comportamiento mecánico, la permeabilidad y el esfuerzo cortante parietal inducido por el flujo de fluidos en andamios de alta porosidad con arquitecturas gyroid y reticular

Davar Ali, Sadri Sen

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28759838/

Análisis mediante elementos finitos del comportamiento mecánico, la permeabilidad y el esfuerzo cortante parietal inducido por el flujo de fluidos en andamios de alta porosidad con arquitecturas gyroid y reticular

1. Referencia científica

• Título del estudio: Análisis mediante elementos finitos del comportamiento mecánico, la permeabilidad y el esfuerzo cortante parietal inducido por el flujo de fluidos en andamios de alta porosidad con arquitecturas gyroid y reticular
• Autores: Davar Ali, Sadri Sen
• Revista científica: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials
• Año de publicación: 2017
• DOI: 10.1016/j.jmbbm.2017.07.035
• PMID: 28759838

2. Contexto científico

El desarrollo de andamios altamente porosos constituye uno de los pilares de la ingeniería de tejidos óseos. Estas estructuras deben proporcionar un soporte mecánico suficiente y, al mismo tiempo, favorecer el intercambio de fluidos necesario para mantener un entorno biológico adecuado durante la regeneración del tejido óseo.

En implantología dental, cirugía oral y reconstrucción ósea, el diseño de la arquitectura interna de los biomateriales desempeña un papel cada vez más relevante. La geometría del andamio puede modificar tanto su resistencia mecánica como su capacidad para permitir el paso de fluidos y generar estímulos mecánicos sobre las células. Comprender la influencia de estas características resulta esencial para desarrollar sustitutos óseos capaces de reproducir, en la medida de lo posible, el comportamiento del hueso trabecular.

3. Objetivo del estudio

El objetivo principal de este trabajo fue comparar dos diseños diferentes de andamios altamente porosos, uno basado en una arquitectura gyroid y otro con una estructura reticular de celdas rectangulares.

Los investigadores evaluaron cómo distintos niveles de porosidad afectan al módulo elástico, la resistencia a la compresión, la permeabilidad y el esfuerzo cortante generado por el flujo de fluidos, con el propósito de identificar las configuraciones que mejor reproducen las propiedades del hueso esponjoso.

4. Metodología

Se trata de un estudio preclínico de modelización computacional, basado en el análisis mediante elementos finitos (Finite Element Analysis, FEA) combinado con dinámica computacional de fluidos (Computational Fluid Dynamics, CFD).

Se diseñaron dos arquitecturas de andamios, cada una evaluada con seis niveles de porosidad (65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 % y 90 %), obteniéndose un total de doce modelos digitales.

Las simulaciones permitieron calcular el módulo de elasticidad efectivo, la deformación bajo carga estática, la resistencia a la compresión utilizando el criterio de Von Mises, la pérdida de presión, la permeabilidad mediante la ley de Darcy y el esfuerzo cortante parietal inducido por el flujo de fluidos.

En la información disponible no se describen experimentos de laboratorio, modelos animales ni estudios clínicos.

5. Resultados principales

En ambas arquitecturas analizadas, el incremento de la porosidad se asoció con una disminución progresiva de las propiedades mecánicas. Los modelos con mayor porosidad presentaron menores valores del módulo de Young y una resistencia a la compresión inferior.

Cuando se compararon estructuras con el mismo grado de porosidad, los andamios reticulares mostraron una mayor rigidez y una resistencia mecánica superior a la observada en los modelos gyroid.

También se identificaron diferencias en el comportamiento del flujo de fluidos. A igualdad de porosidad, las estructuras reticulares presentaron una mayor permeabilidad y menores valores de esfuerzo cortante parietal que las arquitecturas gyroid.

Asimismo, las simulaciones demostraron que el aumento de la porosidad favorece el transporte de fluidos dentro del andamio y reduce simultáneamente el esfuerzo cortante ejercido sobre sus superficies internas. La combinación de los resultados mecánicos e hidrodinámicos permitió identificar los modelos cuyo comportamiento se aproxima con mayor fidelidad al del hueso trabecular.

6. Análisis clínico

Aunque esta investigación se basa exclusivamente en simulaciones numéricas, aporta información relevante para el diseño de futuros biomateriales destinados a la regeneración ósea. Los resultados ponen de manifiesto que el rendimiento de un andamio depende no solo del porcentaje de porosidad, sino también de la organización geométrica de su estructura interna.

Desde la perspectiva de la implantología dental y la cirugía oral, este hallazgo refuerza la necesidad de diseñar biomateriales capaces de combinar una adecuada estabilidad mecánica con condiciones favorables para la circulación de fluidos. Ambos factores pueden ser determinantes para crear un entorno potencialmente compatible con los procesos biológicos implicados en la formación de nuevo tejido óseo.

No obstante, las conclusiones deben interpretarse con cautela, ya que proceden exclusivamente de modelos computacionales. La posible aplicación clínica de estas observaciones requiere estudios experimentales y posteriores investigaciones in vivo que confirmen los resultados obtenidos.

7. Aplicaciones clínicas

Los resultados de este estudio pueden ser de utilidad para el desarrollo de andamios porosos destinados a la regeneración ósea en implantología dental, cirugía oral y cirugía reconstructiva.

La información obtenida puede contribuir a optimizar el diseño de biomateriales fabricados mediante impresión 3D o tecnologías CAD/CAM, buscando un equilibrio entre resistencia mecánica y capacidad de transporte de fluidos. No obstante, el estudio constituye una base de ingeniería para futuras investigaciones y no proporciona evidencia clínica suficiente para establecer recomendaciones terapéuticas.

8. Nivel de evidencia, limitaciones y transparencia

Esta publicación corresponde a un estudio preclínico de modelización computacional basado en análisis mediante elementos finitos y dinámica computacional de fluidos.

El nivel de evidencia es limitado debido a la ausencia de validación experimental, estudios en animales o investigaciones clínicas en la información disponible.

Las limitaciones metodológicas no se describen de forma específica en el resumen proporcionado. Asimismo, no se mencionan conflictos de interés ni relaciones con fabricantes de biomateriales.

Por ello, los resultados deben interpretarse como evidencia de carácter ingenieril que requiere validación experimental antes de su posible aplicación clínica.

9. Puntos clave del estudio

• Tipo de estudio: Estudio preclínico de modelización computacional.
• Nivel de evidencia: Investigación preclínica.
• Población o número de estudios analizados: No aplicable.
• Número de pacientes o implantes: No especificado en la información disponible.
• Periodo de seguimiento: No aplicable.
• Variable principal evaluada: Influencia de la porosidad y de la arquitectura del andamio sobre las propiedades mecánicas, la permeabilidad y el esfuerzo cortante parietal.
• Resultado principal: Los andamios reticulares presentaron mayor resistencia mecánica y una permeabilidad superior respecto a las estructuras gyroid con el mismo nivel de porosidad.
• Conclusión científica: Determinadas configuraciones estructurales reproducen con mayor precisión las propiedades mecánicas y de transporte características del hueso trabecular.
• Limitaciones: Estudio exclusivamente computacional sin validación experimental o clínica.

10. Impacto científico

Este estudio amplía el conocimiento sobre la influencia de la arquitectura interna de los andamios altamente porosos en su comportamiento mecánico y en la dinámica del flujo de fluidos. Su principal aportación consiste en demostrar que la evaluación de un biomaterial no debe limitarse a su resistencia estructural, sino considerar simultáneamente parámetros relacionados con el transporte de fluidos y los estímulos mecánicos.

La comparación entre arquitecturas gyroid y reticulares pone de manifiesto que dos estructuras con el mismo nivel de porosidad pueden presentar comportamientos funcionales significativamente diferentes. Estos resultados proporcionan una base útil para el diseño racional de biomateriales personalizados y respaldan futuras investigaciones orientadas a optimizar los andamios destinados a la regeneración ósea.

11. Conclusión editorial

Este estudio de simulación computacional destaca la importancia de la arquitectura interna de los andamios altamente porosos en el equilibrio entre resistencia mecánica y transporte de fluidos. Los resultados muestran que la geometría desempeña un papel determinante en el comportamiento funcional de estas estructuras y constituye un aspecto clave para el desarrollo de nuevos biomateriales destinados a la regeneración ósea. Aunque los hallazgos requieren validación experimental, representan una contribución valiosa para el avance del diseño de andamios aplicables a la implantología y a la cirugía reconstructiva.