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FORO TECNOLÓGICO Y EMPRESARIAL:La Ingeniería al Servicio de la Salud
MODELADO Y MECANOBIOLOGÍA EN MEDICINA REGENERATIVA
José Manuel García AznarInstituto de Investigación en Ingeniería deAragón (I3A)Universidad de [email protected]
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(Business Week, July 27, 1998, p. 58-59)
REGENERACIÓN DE TEJIDOS
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REGENERACIÓN DE TEJIDOS
MEDICINA REGENERATIVA:
RESTAURAR FUNCIONALIDAD DE TEJIDOS Y ÓRGANOS DAÑADOS
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REGENERACIÓN DE TEJIDOS
Terapia celular Ingeniería de tejidos
Ingeniería BiomédicaTransplante
MEDICINA REGENERATIVA
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REGENERACIÓN DE TEJIDOS
MEDICINA REGENERATIVA
Terapia celular Ingeniería de tejidos
Ingeniería BiomédicaTransplante
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MEDICINA REGENERATIVA
Biológicos
REGULACIÓN
Químicos Mecánicos
Otros
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MEDICINA REGENERATIVA
MEDICINA REGENERATIVA
Biológicos
REGULACIÓN
Químicos Mecánicos
Otros
MECANOBIOLOGIA
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LOS FACTORES MECANICOS PUEDEN REGULAR LOS PROCESOS BIOLOGICOS
Las cargas mecánicas regulan los cambios morfológicos y estructurales de los tejidos vivos (hueso, cartílago, ligamentos y tendones) (van der Meulen and Huiskes, 2002)
Los efectos mecánicos pueden actuar en diferentes escalasespaciales y temporales
(Hunter and Borg, 2003)
MECANOBIOLOGIA
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A nivel molecular, e.g., mecánica del DNA
(Bao and Suresh, Nature Materials 2003)
MECANOBIOLOGIA
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A nivel celular, e.g., propiedades mecánicas de células sanas e infectadas/anormales
(Suresh et al., Acta Biomaterialia 2005)
MECANOBIOLOGIA
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Interacción Célula-matriz extracelular, e.g., diferenciación celular dependiente de la elasticidad de la matriz
(Engler et al., Cell 2006)
MECANOBIOLOGIA
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A nivel de tejidos, e.g., consolidación ósea
2 mm
6 mm
(Claes et al. 2003)
(Claes et al. 2003)
(Gómez-Benito et al, 2005)
MECANOBIOLOGIA
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A nivel de órganos, e.g., fémur de ratón
(Chalmers & Ray, 1962)
MECANOBIOLOGIA
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¿Cómo analizar la influencia de todos estos factores?
MODELADO: un modelo esUna simplificación de la realidadPermite comprender o entender mejor el efecto de un factor o un proceso
Tipos de modelos:In-vitroIn-vivoIn-silico o computacional
MODELADO
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MODELADO
REAL+-
INFO
RMAC
IÓN
+-
CONT
ROL
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Diseño de implantes
Regeneración ósea: fijador activo
Ingeniería de tejidos
MODELADO: EJEMPLOS
Modelado celular
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Diseño de implantes
Regeneración ósea: fijador activo
Ingeniería de tejidos
MODELADO: EJEMPLOS
Modelado celular
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Modelado de la remodelación ósea
MODELADO: EJEMPLOS
(Doblaré & García, 2001)
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fbio=0.03 fbio=0.05
APLICACIÓN AL DISEÑO DE PRÓTESIS DE CADERA
MODELADO: EJEMPLOS
(García-Aznar et al, 2005)
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0.2
Resultados contrastados con valores clínicos
fbio=0.03 fbio=0.05 (Maloney et al., 2002)
APLICACIÓN AL DISEÑO DE PRÓTESIS DE CADERA
MODELADO: EJEMPLOS
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Diseño de implantes
Regeneración ósea: fijador activo
Ingeniería de tejidos
MODELADO: EJEMPLOS
Modelado celular
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Dotado de un motor queproduce una vibración que estimula
los procesos de reparación del hueso.
Motor 2 aplicaciones diariasFrecuencia = 80 Hz.
Desplazamiento ~ 0.1 mm.
MODELADO: EJEMPLOS
APLICACIÓN AL DISEÑO DE UN FIJADOR DINÁMICO
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Toma datos
VALIDACIÓN
Modelo computacional
Instrumentación
Modelo in-vivoResultados
Fabricación
MODELADO: EJEMPLOS
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Evolución de la carga axil con el fijador estático
MODELADO: EJEMPLOS
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Evolución de la carga axil en el fijador estático y dinámico
6 estáticas (13)2 dinámicas (8) + 4 en desarrollo
MODELADO: EJEMPLOS
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Diseño de implantes
Regeneración ósea: fijador activo
Ingeniería de tejidos
MODELADO: EJEMPLOS
Modelado celular
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14 days
42 days28 days
56 days
2 days
(Sanz-Herrera et al, 2009)
MODELADO: EJEMPLOS
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Diseño de implantes
Regeneración ósea: fijador activo
Ingeniería de tejidos
MODELADO: EJEMPLOS
Modelado celular
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• Los microtúbulos y los filamentos de actina se conectan a la membrana a través de una placa membranosa de proteínas.
Modelo de la mecánica celular (Moreo et al. 2008)
• Los elementos celulares que realizan una función relevante en el mecanismo mecanosensor de las células son:
MODELADO: EJEMPLOS
cθ aθ
θ
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– En ambos casos los resultados coinciden con lo observado experimentalmente in-vitro (Wong et al., 2003; Beloussov et al., 2000; Mandeville et al., 1997)
– Las diferencias encontradas en la concentración celular a lo largo del gradiente de rigidez y de predeformación se deben al efecto de la migración celular (durotaxis y tensotaxis) y también a la variación de la proliferación celular.
Ejemplo de aplicación: migración y proliferación celular en sustratos
MODELADO: EJEMPLOS
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CONCLUSIONES
• La Medicina Regenerativa es un campo todavía joven, donde la aportación de la Ingeniería constituye un aspecto innovador del que se esperan grandes logros.
• Campo multidisciplinar: ingenieros, biólogos, físicos, biólogo molecular, matemáticos, cirujanos, etc.
• La combinación de metodologías en modelado, más habitual en ingeniería, constituye una nueva forma de trabajo en el ámbito de la medicina regenerativa.
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Simulación biomecánica del proceso de reparación de fracturas óseas, DGA P008/2001Diseño de un fijador externo inteligente para la consolidación de fracturas de huesos largos, Ministerio de Ciencia y Tecnología, DPI2006-09692Mecanobiología de la regeneración tisular. Modelado y validación in-vitro, IBERCAJAMecanobiología de la diferenciación celular. Análisis in Vitro y modelado matemático,(PIPAMER0802), IACSIngeniería de Tejidos para la regeneración del cartílago articular: Influencia de factores mecánicos, DGA PI031/08
Agradecimientos
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FORO TECNOLÓGICO Y EMPRESARIAL:La Ingeniería al Servicio de la Salud
MODELADO Y MECANOBIOLOGÍA EN MEDICINA REGENERATIVA
José Manuel García AznarInstituto de Investigación en Ingeniería deAragón (I3A)Universidad de [email protected]