Modelo de remodelación de callo óseo de fractura de fémur humano

El presente trabajo se embarca en la tarea 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 tras una fractura hasta la total recuperación de dichas propiedades. Y es aquí donde surge el otro gran objetivo de esta tesis: conocer las propiedades mecánicas del callo óseo. Esta tesis puede dividirse en dos grandes bloques: por un lado la obtención de un modelo micromecánico para estimar las propiedades del callo óseo y por otro lado el desarrollo de modelos de remodelación ósea capaces de simular los procesos mecánicos y biológicos que se producen como consecuencia de la actividad remodelatoria. Los objetivos principales de esta tesis son: - Conocer la composición y la estructura interna del callo óseo. - Desarrollar un modelo micromecánico capaz de estimar las propiedades mecánicas del callo óseo a partir de la composición y estructura del mismo. - Adaptar y/o implementar numéricamente los distintos modelos de remodelación ósea de los que se disponen. - Diseñar e implementar mejoras a dichos modelos que permitan reproducir con mayor fidelidad los distintos procesos biológicos implicados. - Desarrollar un método que intente simular la adaptación de la forma exterior del hueso en función de la carga a la que está sometido (carga interna y/o externa) e implementarlo para su uso en simulaciones numéricas. A esto se le conoce como remodelación ósea externa. - Realizar una simulación del modelo de remodelación del callo completo: estimar las propiedades del callo óseo utilizando el modelo micromecánico, incluir dichas propiedades en una malla de elementos finitos real del hueso + callo y simular la remodelación ósea interna y externa que se produce. El modelo micromecánico desarrollado, implementado y utilizado en esta tesis se basa en modelos de comportamiento de tejido cortical de otros autores. La modificación de los mismos viene motivada por la propia microestructura del tejido fibroso: se trata de un tejido muy desorganizado compuesto por colágeno y mineral que, a diferencia de tejidos maduros, no presenta una estructura tan jerarquizada. Para caracterizar el modelo ha sido necesario realizar una serie de ensayos experimentales sobre tejido óseo fibroso (callo óseo) y tejido óseo maduro de control (cortical). Sobre muestras de metatarsos de ovejas se ha determinado su contenido en agua (determinación de humedad) y mineral (determinación de la fracción de cenizas). El modelo de remodelación ósea externa fenomenológico desarrollado se ha implementado para su uso junto con un modelo de remodelación ósea interna mecanobiológico previo. Conjuntamente, y utilizando las propiedades mecánicas obtenidas del modelo micromecánico del tejido fibroso, se han realizado una serie de simulaciones para modelar el proceso completo de remodelación de un callo óseo de fractura de fémur humano