1 - IntroducciÃn

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Capı́tulo 1
Introduccion
El aparato locomotor es absolutamente esencial para la subsistencia de todos los seres vivos.
En efecto, los animales necesitan de la acción conjunta de huesos (u otra “estructura portante”) y
músculos para desplazarse y efectuar aquellas acciones que le son necesarias: alimentarse, prote-
gerse, procrear, etc. Incluso en el reino vegetal dichas estructuras son necesarias para dar forma a
las plantas y conseguir la polinización o la captura de luz solar, por ejemplo. El sistema óseo da al
organismo su capacidad autoportante, protección para los órganos internos y puntos de inserción de
los músculos, que forman el sistema muscular y son los responsables de que el esqueleto (y por tanto
el resto del cuerpo) puedan moverse, ası́ como de dar forma al cuerpo. Es necesario por tanto que
ese sistema locomotor esté en condiciones óptimas durante toda la vida del organismo.
Más concretamente, si uno se centra en el sistema esquelético óseo humano (y por extensión del
resto de mamı́feros), el tejido óseo tiene un interés especial por su importancia. A pesar de lo que
pueda parecer a simple vista, las estructuras internas de dicho tejido y el hecho de tratarse de un tejido
vivo hacen de él un material muy complejo. El tejido óseo puede ser considerado como un material
estructural orgánico, y por tanto presentará caracterı́sticas tı́picas de materiales de construcción y de
organismos vivos:
a) Material estructural: más adelante se hará una descripción más detallada de las propiedades
mecánicas del hueso. Basta decir que el hueso es un material anisótropo, heterogéneo en su
comportamiento a tracción y compresión y presenta comportamiento viscoso. Como le ocurre
a cualquier otro material sometido a tensiones sufre deformaciones y puede llegar a fallar
(romperse) por un estado tensional demasiado alto.
b) Material orgánico: es un material vivo, y por tanto sus caracterı́sticas cambian con la edad.
El hueso de un ser humano adulto tiene unas propiedades muy diferentes del de un recién na-
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cido o el de un anciano. Además, es capaz de reparar el daño producido en su microestructura
a causa del uso normal o anormal (incluso del desuso).
1.1. Motivación del trabajo
Ante esta complejidad, a lo largo de la historia son muchos los autores que han estudiado el
tejido óseo e intentado comprender cómo responde a las solicitaciones a las que es sometido durante
la vida del individuo. Sin embargo, a pesar de los muchos estudios que existen sobre la materia,
aún no hay una respuesta clara y única a dicha pregunta: ¿Cómo sabe el hueso que está dañado?
¿Cómo adapta el hueso su forma para soportar mejor la carga? ¿Que estı́mulo mecánico controla la
reparación posterior?
El presente trabajo se engloba en una labor investigadora mayor que trata de aplicar los modelos
de remodelación ósea con la intención de simular la evolución de las propiedades mecánicas del
tejido óseo de un hueso largo en formación y/o reparación, desde la aparición del callo óseo hasta
la total recuperación de dichas propiedades. En concreto se trata de un método quirúrgico conocido
como distracción osteogénica, con la que se persigue aprovechar la capacidad remodelatoria de los
huesos para reparar defectos graves en el sistema esquelético.
1.2. Objetivos y descripción del trabajo
El objetivo principal de este trabajo es desarrollar un modelo de remodelación ósea lo más com-
pleto posible partiendo de modelos existentes. Además, otros objetivos secundarios son:
a) Conocer el estado del arte sobre las principales metodologı́as existentes para abordar el
estudio de la remodelación ósea.
b) Adaptar y/o implementar numéricamente aquellas que pudieran ser útiles para el objetivo
principal.
c) Diseñar mejoras a dichos modelos acordes con la realidad que permitan una mayor seme-
janza en los resultados con los datos experimentales.
d) Desarrollar un método que intente simular la adaptación de la forma del hueso en función
de la carga a la que está sometido e implementarlo para su uso en simulaciones numéricas.
c) Comparar los distintos modelos entre sı́.
1.2 Objetivos y descripción del trabajo 3
El capı́tulo 2 sirve de introducción teórica al trabajo. Se hará una descripción de la biologı́a
ósea implicada en el proceso de remodelación ósea y se comentarán las distintas microestructuras
presentes en el hueso y su importancia en las propiedades finales.
El capı́tulo 3 es donde se desarrolla la mayor parte del trabajo. Como introducción se explicarán
los distintos tipos de modelos de remodelación ósea que existen y se comentaran brevemente algu-
nos modelos de importancia histórica. Se realizara a continuación una enumeración de los distintos
modelos numéricos utilizados, ası́ como las mejoras propuestas e implementadas. Y finalmente se
detalla el modelo de elementos finitos utilizado, las cargas a las que es sometido dicho modelo y las
condiciones de contorno en desplazamientos
En el capı́tulo 4 se muestran los resultados obtenidos con los distintos modelos y se hace una
comparación entre ellos con respecto a las siguientes variables: densidad final, tiempo hasta el equi-
librio, forma final del hueso y grado de anisotropı́a local y global.
Por último, en el capı́tulo 5 se extraen una serie de conclusiones finales y se proponen distintas
lı́neas de investigación para un posible desarrollo futuro dentro del campo de la remodelación ósea.