Diseño y análisis por el método de elementos finitos de andamios personalizados para la regeneración de tejido óseo de un fémur humano

• Autor: Kuroki Suzuki, Nicolas Alejandro
• Formato: tesis de grado
• Fecha de Publicación: 2025
• Institución: Universidad de Piura
• Repositorio: UDEP-Institucional
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:pirhua.udep.edu.pe:11042/7659
• Enlace del recurso: https://hdl.handle.net/11042/7659
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Ingeniería de tejidos -- Innovaciones tecnológicas; Fémur -- Simulación por computadores; Fémur -- Diseño asistido por computador; Materiales biomédicos -- Aplicación; Biomecánica; Ingeniería biomédica; 610.28; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.02.02

Los andamios óseos son microestructuras porosas que tienen la capacidad de sustituir partes de hueso dañados y de actuar como una matriz que favorece la migración celular y la vascularización. Por tal motivo, en esta tesis se propone una metodología basada en imágenes de tomografía computarizada (TC) del fémur, para diseñar andamios para un paciente específico. Tras segmentar la TC y reconstruir el modelo virtual del fémur, se definió un defecto crítico de 30 mm en la diáfisis femoral (porción media del hueso), sobre el cual se generarían 9 andamios óseos con una geometría de celda unitaria de tipo gyroid. Mediante este software fue bastante sencillo variar ciertos parámetros como el tamaño de celda, el espesor de pared y la porosidad. Esto hizo que las configuraciones resultantes abarcasen porosidades del 48 % al 82 % y diámetros de poro entre 0.52 y 1.45 mm, intervalos adecuados para favorecer la osteointegración. Cada andamio se simuló mediante el método de elementos finitos bajo una carga compresiva, con el fin de analizar su comportamiento mecánico y minimizar el riesgo de stress shielding. De esta manera, los resultados mostraron que tres andamios —con porosidades del 62 %, 69 % y 69 %— alcanzaron módulos de elasticidad de 22 GPa, 18 GPa y 17 GPa, valores próximos al hueso cortical (≈ 25 GPa), y mantuvieron esfuerzos máximos por debajo de 60 MPa. Por el contrario, los seis diseños restantes presentaron rigideces inferiores a 15 GPa o concentraron esfuerzos superiores a 120 MPa, por lo que fueron descartados. En conjunto, los andamios con porosidad intermedia (60 %–70 %) demostraron el mejor equilibrio entre soporte mecánico y espacio disponible para la regeneración tisular. En una segunda etapa se analizaron andamios de defecto óseo cortical (DOC), vaciando el volumen medular para aproximar la anatomía real. Este cambio geométrico redujo el módulo estructural y provocó descensos del factor de seguridad (FS) en la mayoría de los modelos, con dos casos extremos (- 38 % y - 55 %). Aun así, la mayoría conservó factores de seguridad adecuados, lo que demuestra que el vaciado central aligera el implante sin comprometer la seguridad, siempre que la porosidad se mantenga en el rango óptimo. Esto, no solo demostró una metodología viable para la obtención de andamios de un paciente en específico, sino también de poder replicar las propiedades mecánicas del tejido nativo del paciente. Asimismo, este procedimiento identifica rápidamente los diseños que mejor equilibran módulo de elasticidad y esfuerzo máximo, apoyado en gráficas de Hooke y mapas de tensión.