Simulation of mechanoregulation and tissue differentiation in calcium phosphate scaffolds for tissue engineering

• Autores: Clara Inés Sandino Velásquez
• Directores de la Tesis: Damien Lacroix (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2010
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Maria Pau Ginebra i Molins (presid.), Cecile Perrault (secret.), Ito Keita (voc.), Patrick J. Prendergast (voc.), Patrich Chabrand (voc.)
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biofísica
      • Biomecánica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Los estímulos mecánicos son uno de los factores que afectan a la diferenciación celular en el proceso de regeneración del tejido óseo, por lo tanto, en el desarrollo de andamios para ingeniería de tejidos, se pueden aplicar las cargas mecánicas con el fin de inducir la actividad de las células. Cuando se aplican cargas mecánicas, los estímulos mecánicos específicos transmitidos a las células a nivel microscópico pueden estudiarse mediante técnicas numéricas. El objetivo de esta tesis fue estudiar la mecanoregulación de la diferenciación de tejido en andamios de fosfato de calcio utilizando modelos de elementos finitos basados en micro tomografía axial computarizada.Dos muestras de materiales porosos basados en fosfato de calcio fueron utilizadas. Se desarrollaron mallas de elementos finitos congruentes, discretizando la fase sólida y los macro poros interconectados, con el fin de tener en cuenta la morfología irregular de los andamios.En primer lugar, se estudió la distribución de los estímulos mecánicos. La fase sólida y el fluido intersticial se simularon como material elástico lineal y como fluido Newtoniano, respectivamente. Se simuló una compresión del 0.5% en el sólido y un fluido con velocidades de entrada de 1, 10 y 100 µm/s en los poros. Se encontraron distribuciones de deformación similares en las paredes ambos materiales, con valores máximos de 1.6% en compresión y de 0.6% en tracción. En algunos poros, la velocidad del fluido aumentó a 100 y 1000 veces la velocidad de entrada. Este estudio mostró como estímulos mecánicos macroscópicos pueden causar distintos niveles de estímulos mecánicos microscópicos dentro los andamios, debido a la morfología.A continuación se realizó un estudio en el tiempo de la diferenciación de tejido en un andamio sometido a condiciones in vitro. La compresión y la perfusión se modelaron como en el estudio anterior. Se simularon una compresión del 0.5% y una velocidad de entrada de fluido constante de 10 µm/s o una presión de entrada de fluido constante de 3 Pa. La deformación cortante octaédrica y el esfuerzo cortante del fluido se utilizaron como estímulos mecano-regulatorios basándose en la teoría de Prendergast et al. (1997). Al aplicar velocidad constante, se predijeron fluctuaciones entre los estímulos equivalentes a la formación de tejido y a la muerte celular, debido al aumento en el esfuerzo cortante del fluido cuando el tejido comienza a llenar los poros. Sin embargo, al aplicar presión constante, se predijo estímulo equivalente a la diferenciación de tejido óseo en la mitad del volumen de los poros. Estos resultados sugieren que para permitir la diferenciación de tejido, la velocidad del fluido debe disminuirse cuando el tejido empieza a mineralizarse.Finalmente, se llevó acabo un estudio en el tiempo de la angiogénesis y de la diferenciación de tejido en un andamio bajo condiciones in vivo. La deformación cortante octaédrica y la velocidad relativa del fluido se utilizaron como estímulos mecano-regulatorios. Las fases sólida y porosa fueron tratadas como materiales poroelásticos. Se simuló la actividad individual de las células. Compresiones de 0.5 y 1% fueron simuladas. La mayoría de los vasos crecieron en los poros de la periferia del andamio y se bloquearon por las paredes. Se formaron redes capilares similares independientemente de la magnitud de deformación utilizada. Al aplicar 0.5% de compresión, estímulos correspondientes a la formación de hueso se predijeron en el 70% del volumen de los poros, sin embargo, sólo el 40% del volumen se llenó de osteoblastos debido a la falta de oxigeno. Este estudio mostró el efecto de la falta de vascularización en el centro del andamio en la diferenciación de tejido.Ese tipo de estudios, combinados con estudios in vitro, deberían contribuir a la comprensión del proceso de diferenciación de los tejidos dentro de los andamios y por lo tanto a la mejora de los métodos de diseño de andamios.