Diseño y análisis mediante elementos finitos de una estructura multirreticular en un vástago femoral de cadera para reducir el efecto de stress shielding

Mustafa Guven Gok

Full text link: https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/14644207211046200

Diseño y análisis mediante elementos finitos de una estructura multirreticular en un vástago femoral de cadera para reducir el efecto de stress shielding

1. Referencia científica

• Título del estudio: Diseño y análisis mediante elementos finitos de una estructura multirreticular en un vástago femoral de cadera para reducir el efecto de stress shielding
• Autor: Mustafa Güven Gök
• Revista científica: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part L: Journal of Materials: Design and Applications
• Año de publicación: 2022
• DOI: 10.1177/14644207211046200

2. Contexto científico

La interacción mecánica entre un implante ortopédico y el tejido óseo circundante constituye uno de los factores determinantes para la estabilidad a largo plazo de una prótesis de cadera. Cuando la rigidez del implante es significativamente superior a la del hueso receptor, la distribución fisiológica de las cargas puede verse alterada, provocando una disminución de los estímulos mecánicos que normalmente mantienen la masa ósea.

Este fenómeno, conocido como stress shielding, se asocia con procesos de reabsorción ósea y pérdida progresiva de densidad mineral alrededor del implante. En los últimos años, el desarrollo de tecnologías de fabricación aditiva ha permitido diseñar estructuras porosas complejas capaces de modificar las propiedades mecánicas de los biomateriales metálicos.

Dentro de este contexto, las arquitecturas reticulares tridimensionales representan una estrategia prometedora para reducir la rigidez de los implantes y favorecer una transferencia de carga más equilibrada hacia el hueso. El presente estudio explora esta posibilidad mediante el diseño de diferentes configuraciones multirreticulares aplicadas a un vástago femoral.

3. Objetivo del estudio

El objetivo principal de esta investigación fue desarrollar y evaluar distintos diseños de vástagos femorales con estructuras multirreticulares en la región proximal del implante.

Los autores analizaron si la incorporación de diferentes configuraciones de retículos cúbicos tridimensionales podía mejorar la transferencia de carga al fémur, reducir la rigidez global del implante y disminuir el efecto de stress shielding en comparación con un diseño convencional macizo.

4. Metodología

Se trata de un estudio preclínico basado en simulaciones computacionales mediante análisis por elementos finitos (Finite Element Analysis, FEA).

Se diseñó inicialmente un vástago femoral convencional de aleación Ti6Al4V que sirvió como modelo de referencia. Posteriormente se desarrollaron tres configuraciones alternativas:

• Diseño 1: estructura cúbica simple (Simple Cubic, SC)
• Diseño 2: estructura cúbica centrada en el cuerpo (Body-Centered Cubic, BCC)
• Diseño 3: estructura cúbica centrada en las caras (Face-Centered Cubic, FCC)

La región proximal del implante se dividió en tres segmentos incorporando refuerzos internos horizontales y verticales.

Los modelos fueron implantados virtualmente en un fémur reconstruido a partir de imágenes tomográficas. Las simulaciones reprodujeron las condiciones de carga correspondientes a la marcha normal de una persona de 700 N. Se evaluaron las tensiones de Von Mises, la densidad de energía de deformación, los desplazamientos y los indicadores de stress shielding en diferentes regiones del hueso.

No participaron pacientes ni modelos animales en este estudio.

5. Resultados principales

La incorporación de estructuras multirreticulares produjo cambios significativos en el comportamiento biomecánico de los vástagos femorales.

El modelo convencional presentó una tensión máxima de Von Mises cercana a 289 MPa, mientras que los diseños reticulares mostraron valores comprendidos aproximadamente entre 189 MPa y 221 MPa.

Además, se observó una reducción considerable del peso del implante:

• Diseño 1: reducción aproximada del 25,9 %
• Diseño 2: reducción aproximada del 18,8 %
• Diseño 3: reducción aproximada del 18,3 %

Los análisis biomecánicos indicaron una mejora en la transferencia de carga hacia las regiones proximales del fémur. En comparación con el implante convencional, los indicadores de stress shielding aumentaron significativamente en determinadas zonas anatómicas, alcanzando una mejora máxima del 150,47 %.

Entre las tres configuraciones evaluadas, el Diseño 1 basado en una estructura cúbica simple presentó el comportamiento mecánico más favorable.

6. Análisis clínico

Aunque esta investigación se basa exclusivamente en simulaciones numéricas, aporta información relevante para el desarrollo de futuras generaciones de implantes ortopédicos.

Los resultados sugieren que la reducción controlada de la rigidez mediante estructuras reticulares puede favorecer una distribución de cargas más cercana a la fisiología normal del hueso. Desde el punto de vista biomecánico, este enfoque busca minimizar el desequilibrio mecánico generado por los implantes metálicos convencionales.

Un aspecto destacable del estudio es que demuestra que la geometría interna del retículo influye de manera importante en la transmisión de las fuerzas. No solo el nivel de porosidad determina el comportamiento mecánico, sino también la organización espacial de los elementos estructurales.

La superioridad observada en el diseño basado en una estructura cúbica simple indica que determinadas arquitecturas pueden facilitar una transferencia de carga más eficiente hacia el tejido óseo.

Aunque el trabajo se centra en prótesis de cadera, los principios analizados también resultan de interés para áreas como la implantología dental, la reconstrucción maxilofacial, la ingeniería de tejidos y el diseño CAD/CAM de implantes personalizados.

Sin embargo, los resultados deben interpretarse con cautela, ya que la osteointegración, la remodelación ósea y la respuesta biológica a largo plazo no fueron evaluadas en este estudio.

7. Aplicaciones clínicas

Los hallazgos de esta investigación pueden resultar relevantes para:

• el desarrollo de implantes ortopédicos fabricados mediante tecnologías aditivas;
• la optimización biomecánica de vástagos femorales;
• el diseño de biomateriales porosos de titanio;
• la creación de implantes personalizados basados en planificación digital;
• la investigación sobre sistemas de reparto de carga entre implante y hueso.

Asimismo, los conceptos biomecánicos descritos podrían inspirar futuras investigaciones en implantología dental, rehabilitación implantosoportada y reconstrucción ósea avanzada.

8. Nivel de evidencia, limitaciones y transparencia

Esta publicación corresponde a un estudio preclínico de simulación biomecánica mediante análisis por elementos finitos.

Por lo tanto, el nivel de evidencia es inferior al de los estudios clínicos prospectivos o ensayos controlados. Las conclusiones se derivan exclusivamente de modelos computacionales.

Entre las principales limitaciones se encuentran:

• ausencia de validación clínica;
• ausencia de pruebas experimentales in vivo;
• dependencia de las hipótesis del modelo numérico;
• evaluación bajo condiciones de carga específicas.

El autor no informó conflictos de interés relacionados con la investigación y declaró no haber recibido financiación específica para la realización del estudio.

9. Puntos clave del estudio

• Tipo de estudio: Simulación preclínica mediante elementos finitos
• Nivel de evidencia: Estudio biomecánico computacional
• Población: No aplicable
• Número de pacientes: Ninguno
• Seguimiento: No aplicable
• Material evaluado: Aleación de titanio Ti6Al4V
• Variable principal: Stress shielding y transferencia de carga
• Resultado principal: Mejora de la transmisión de cargas al fémur proximal mediante estructuras multirreticulares
• Diseño con mejor rendimiento: Diseño 1 (Simple Cubic)
• Mejora máxima observada: 150,47 % en determinadas regiones femorales
• Conclusión científica: Las estructuras multirreticulares reducen los indicadores asociados al stress shielding frente a un vástago convencional
• Limitación principal: Ausencia de validación clínica

10. Impacto científico

Esta investigación aporta evidencia biomecánica novedosa sobre el potencial de las estructuras multirreticulares aplicadas a los implantes ortopédicos. Su principal contribución radica en la evaluación comparativa de diferentes arquitecturas reticulares integradas dentro de un mismo diseño de vástago femoral.

Los resultados refuerzan la idea de que la geometría estructural del implante puede desempeñar un papel tan importante como el propio material en la optimización de la transferencia de cargas. Asimismo, el estudio destaca las posibilidades que ofrece la fabricación aditiva para desarrollar implantes con propiedades mecánicas adaptadas a las necesidades específicas del entorno óseo.

Estas observaciones abren nuevas líneas de investigación orientadas al diseño de implantes más eficientes desde el punto de vista biomecánico.

11. Conclusión editorial

Este estudio basado en análisis por elementos finitos demuestra que la incorporación de estructuras multirreticulares en vástagos femorales de Ti6Al4V puede favorecer una mejor transmisión de cargas hacia el hueso y reducir los indicadores asociados al stress shielding. Entre las configuraciones analizadas, la estructura cúbica simple mostró los resultados más prometedores. No obstante, la relevancia clínica de estos hallazgos deberá confirmarse mediante estudios experimentales y evaluaciones clínicas futuras antes de considerar su aplicación en la práctica médica.