2-El Tejido Oseo v2.0

. Evaluación por análisis numérico de un nuevo biomaterial metálico poroso para prótesis óseas

- 9 -

- CAPÍTULO 2 -

EL TEJIDO ÓSEO

2.1.- Introducción

Antes de comenzar con el apartado de descripción del tejido óseo, cabe señalar que, dadas las características del presente trabajo, no se hará una descripción extensiva del mismo, sino que únicamente se expondrán aquellas características o propiedades que se consideren de interés.

El hueso es un material rígido que constituye el esqueleto de los animales vertebrados, y que está formado, principalmente, de proteínas -fundamentalmente colágeno-, impregnadas de un mineral muy similar químicamente al fosfato cálcico y de células. Además, el hueso contiene agua, la cual juega un importante papel en su resistencia mecánica (Currey 2002).

El tejido óseo es un tejido complejo y dinámico, contínuamente inmerso en un proceso de remodelación, en la creación de nuevo tejido óseo y en la eliminación del tejido óseo viejo constituyendo, aproximadamente, el 18% de la masa total del cuerpo (Tortora and

Derrickson 2010).

Los huesos poseen diversas funciones básicas en el organismo: soporte de tejidos blandos y anclaje de los tendones de la mayoría de los músculos; protección de los órganos vitales; asistencia en el movimiento, permitiendo que los músculos ejerzan sistemas de fuerzas que mueven los segmentos corporales; homeostasis mineral, almacenando diversos minerales, entre los cuales destacan el calcio -los huesos contienen del orden del 90% del total del organismo- y el fósforo; producción de células sanguíneas, la cual tiene lugar en la médula ósea roja alojada en el interior de determinados huesos; almacenamiento de triglicéridos, en la médula ósea amarilla.

2.2.- Composición del tejido óseo

El tejido óseo está formado por células embebidas en una matriz extracelular mineralizada -combinación de fibras de colágeno y minerales-, la cual puede adoptar diferentes conformaciones o arreglos estructurales, dando lugar a los diferentes tipos de tejido óseo, cada uno con sus propiedades particulares. Así se puede distinguir entre composición química, celular y estructural del tejido óseo.

Fernando José Quevedo González .

- 10 -

2.2.1.- Composición química

Cuando se habla de la composición química del tejido óseo, se hace referencia a los diferentes elementos que conforman la matriz mineralizada. Ésta está formada por alrededor de un 15% de agua, un 30% de fibras de colágeno y un 55% de cristales minerales (Tortora and Derrickson 2010).

El mineral más abundante en los huesos es el fosfato de calcio -Ca3(PO4)2-, que se combina con otra sal mineral, el hidróxido de calcio -Ca(OH)2-, para dar lugar a los cristales de hidroxiapatita -Ca10(PO4)6(OH)2- (Tortora and Derrickson 2010), de unas decenas de nanómetros de longitud y entre 2 y 3 nanómetros de grosor -ver fig. 2.1- (Rho, Kuhn-Spearing and

Zioupos 1997). Los cuales se depositan entre las fibras de colágeno de la matriz extracelular, cristalizando y confiriéndole al tejido su rigidez característica (Tortora and

Derrickson 2010).

2.2.2.- Composición celular

Existen 4 tipos de células presentes en el tejido óseo y que son responsables de su generación, mantenimiento y resorción, participando en los procesos de creación, regeneración y remodelación ósea. Dichas células son -ver fig. 2.2-.

• Células osteogénicas: son células pluripotenciales, derivadas de la mesénquima, que se encuentran en el interior del periostio, en el endostio y en los canales óseos que contienen vasos sanguíneos; y cuya línea de diferenciación toma la vía ósea, diferenciándose en osteoblastos (Tortora and

Derrickson 2010). • Osteoblastos: sintetizan y secretan fibras de colágeno y otros componentes

orgánicos de la matriz extracelular ósea -osteoide-, induciendo asimismo su proceso de calcificación (Tortora and Derrickson 2010).

• Osteocitos: los osteoblastos, a medida que secretan matriz, quedan embebidos en ella, convirtiéndose en osteocitos, que son las células óseas maduras, componentes principales del tejido óseo (Tortora and Derrickson 2010), estando los osteocitos en contacto entre sí por medio de pequeños canalículos.

• Osteoclastos: son células gigantes, derivadas del sistema monocito-macrófago concentradas en el endostio, cuya misión fundamental es la resorción ósea -que constituye una fase del proceso de mantenimiento, desarrollo y reparación del hueso (Tortora and Derrickson 2010).

Fig. 2.1 - Cristales de hidroxiapatita (Teknimed 2012).


- 11 -

2.2.3.- Composición estructural

La combinación de los componentes antes citados da lugar a diferentes arreglos que conforman los diferentes tipos de tejidos óseos, tanto a nivel macroscópico -tejido óseo compacto o cortical, y esponjoso o trabecular-, como a nivel microscópico -tejido óseo primario o no laminar, y tejido óseo secundario o laminar- (Tortora and Derrickson 2010). Así, el hueso presenta estructuras a diferentes escalas, que actúan de manera conjunta para conferirle sus propiedades -ver fig. 2.3- (Rho, Kuhn-Spearing and Zioupos 1997).

2.2.3.1.- Nivel macroscópico

A nivel macroscópico se pueden identificar 2 tipos de hueso: el hueso compacto o cortical, y el hueso esponjoso o trabecular -fig. 2.4-. El primero es, en apariencia compacto -posee pequeños canales-, siendo el tipo de hueso más resistente, que proporciona protección y soporte. El segundo, sin embargo está organizado en trabéculas, entre las cuales quedan espacios apreciables a simple vista, que están rellenos de médula ósea; esta disposición le confiere al hueso trabecular gran ligereza y una buena resistencia al organizarse las trabéculas según las líneas de esfuerzos -fig. 2.4- (Tortora and Derrickson 2010).

Fig. 2.2 - Células óseas (Tortora and Derrickson 2010).

Fig. 2.3 - Diferentes estructuras del hueso (Rho, Kuhn-Spearing and Zioupos 1997).


- 12 -

2.2.3.2.- Nivel microscópico

A nivel microscópico, la disposición de las fibras de colágeno da lugar, principalmente, a dos tipos de tejido óseo:el hueso primario -denominado “woven” en la literatura anglófona- y hueso laminar -también denominado secundario o lamelar- (Currey

2002).

El hueso primario, también denominado “woven” es un hueso característico, fundamentalmente, de la fase fetal y del callo formado durante la reparación de una fractura. El colágeno en este tipo de hueso presenta una distribución variable, con fibrillas que tienen diámetros entre 0.1 y 3 µm y con una orientación aleatoria (Currey 2002).

El hueso laminar o hueso secundario presenta una organización más precisa y ordenada. Las fibras de colágeno y el mineral asociado a las mismas están organizados en láminas -denominadas lamelas, de unos 1 a 7 µm de espesor (Guo 2001, Rho, Kuhn-Spearing and Zioupos

1997)-. En cada lámina, las fibras de colágeno son más o menos paralelas, con un arreglo helicoidal, cambiando su orientación entre láminas adyacentes (Currey 2002).

El hueso primario es característico de los huesos jóvenes y de los callos de fractura, sin embargo, en huesos maduros, la mayor parte del tejido óseo es de tipo secundario, pudiendo existir éste en 4 formas: sistemas simples, sistemas circunferenciales, sistemas intersticiales y sistemas haversianos u osteonas (Currey 2002).

Los sistemas simples están formados por láminas siguiendo un patrón irregular en finas columnas denominadas trabéculas (Tortora and Derrickson 2010) -de entre 50 y 300 µm de diámetro (Rho, Kuhn-Spearing and Zioupos 1997)-; encontrándose éstas, principalmente, en el hueso esponjoso -fig. 2.5-.

(a) (b)

Fig. 2.4 - Hueso cortical y trabecular -(a)- y líneas de orientación de las trabéculas -(b)- (Glasgow ).


- 13 -

Los sistemas haversianos u osteónicos están formados por entre 3 y 8 láminas concéntricas o lamelas -como las descritas con anterioridad-, ordenadas alrededor de un canal central -en el cual hay vasos sanguíneos, linfáticos y nervios-, conformando cilindros de entre 100 y 300 µm de diámetro -fig. 2.6- (Guo 2001, Rho, Kuhn-Spearing and Zioupos 1997). Entre las lamelas concéntricas se encuentran las lagunas osteocíticas (Tortora and Derrickson 2010) -de entre 10 y 50 µm de diámetro (Guo 2001)-.

Entre las osteonas vecinas, se encuentran áreas que contienen láminas -sin llegar a formar los cilindros completos-, conformando lo que se denomina sistemas intersticiales -figura 2.6-. Éstos son fragmentos de antiguas osteonas que han sido parcialmente destruídos durante la fase de reconstrucción o crecimiento óseo (Tortora and Derrickson 2010).

Por último, conformando las circunferencias interna y externa del hueso se encuentran los sistemas circunferenciales, que están formados igualmente por láminas -fig. 2.6-. Éstos se constituyen durante la fase inicial de formación del hueso (Tortora and Derrickson

2010).

Fig. 2.5 - Aspecto del hueso trabecular -izquierda- y sección

de una trabécula, con sistemas simples -derecha- (Tortora and Derrickson 2010).

Fig. 2.6 - Hueso cortical y trabecular. Se aprecian osteonas, sistemas intersticiales, circunferenciales y lagunas

osteocíticas (Tortora and Derrickson 2010).


- 14 -

2.3.- Reparación ósea y osteointegración

Dado que el proceso de crecimiento y reparación ósea alrededor de los implantes, que conduce a la osteointegración de los mismos, ha sido comparado a la reparación de fracturas (Soballe 1993, Dimitriou and Babis 2007), y con ánimos de no extender en exceso la exposición, de los procesos que tienen luegar en el hueso -crecimiento, remodelación y reparación- a continuación se realiza la exposición del proceso de reparación ósea, relacionándolo con la implantación de una prótesis.

2.3.1.- Reparación ósea

El proceso de reparación osea puede dividirse en 3 fases o etapas: fase inflamatoria, fase de reparación y fase de modelado. Estas fases también acontecen en la reparación tras la implantación de una prótesis, conduciendo a la osteointegración del implante, es decir, el mecanismo de anclaje por el cual un componente no vital puede ser integrado en el hueso vivo, persistiendo bajo condiciones de carga normales (Dimitriou and Babis 2007).

Fase inflamatoria: tras la implantación, debido al trauma quirúrgico y a la presencia del implante, tiene lugar una resuesta inflamatoria y la formación de un hematoma en la interfaz implante-hueso, el cual podría jugar un papel como soporte para la reparación ósea peri-implantatoria. La respuesta inicial frente a la implantación se conoce como reacción frente a cuerpo extraño y consiste en la activación de las plaquetas, en la migración y activación de las células inflamatorias, vascularización, adhesión de osteoblastos y células de la mesénquima, proliferación, síntesis de proteínas.

Fase de reparación: algún tiempo tras la implantación, los osteoblastos comienzan a sintetizar colágeno y matriz extracelular, tanto directamente sobre la superficie del implante, como sobre la zona afibrilar de la interfase (Dimitriou and Babis 2007), constituyendo un tejido fibrocartilaginoso; a su vez, los osteoclastos resorben el tejido necrótico que pueda quedar en la zona dañada (Soballe 1993). La matriz calcifica y el proceso continua con la formación de hueso inmaduro -bien sea por osificación endocondral o intramembranosa

(Soballe 1993)-, que asegura el anclaje óseo y que, posteriormente, será sustituido por hueso lamelar, completando la fijación biológica del implante (Dimitriou and Babis 2007).

La osteogénesis peri-implantatoria progresa, tanto desde el hueso hacia el implante, como desde el implante hacia la el nuevo hueso formado debido a la reparación (Dimitriou and

Babis 2007); estando esta fase reparativa fuertemente influenciada por las condiciones en la zona dañada, llegándose al punto de que, en condiciones óptimas, la reparación puede tener lugar mediante la formación directa de hueso, sin la existencia de la fase cartilaginosa previa -esto ocurre en implantes fijados mediante presión o press-fit- (Soballe 1993).

Fase de remodelado: finalmente, tiene lugar la remodelación ósea, que constituye un proceso de reorganización interna, para dar forma al nuevo hueso formado, o para la consolidación del implante, siguiendo mecanismos de autorreparación y de adaptación a las tensiones (Dimitriou and Babis 2007).

En el caso de no asegurarse una buena fijación del implante, existiendo condiciones de inestabilidad mecánica, el proceso no progresa tal como ha sido descrito, sino que se crea una lámina de tejido fibrocartilaginoso alrededor del implante (Soballe 1993), no lográndose el objetivo de la osteointegración.


- 15 -

2.4.- Propiedades mecánicas del tejido óseo

Las propiedades mecánicas de cualquier hueso están determinadas por la combinación de las propiedades mecánicas del material -tejido óseo- y la arquitectura del mismo -tamaño, forma, orientación de trabéculas, etc.- (Currey 2002).

En cuanto a las propiedades mecánicas del tejido, pueden definirse propiedades elásticas -fundamentalmente módulo de Young y coeficiente de Poisson-, resistencia -a tracción, compresión y cortante-, propiedades de fractura, de fluencia y de fatiga (Currey 2002).

Sin embargo, desde el punto de vista del presente trabajo, las propiedades que presentan mayor interés, son las características elásticas y de resistencia del tejido, ya que ellas podrán ser comparadas con las correspondientes a los materiales porosos para corroborar las similitudes entre ambas. Es por ello que a continuación se expondrán dichas propiedades (Currey 2002).

Antes de exponer las propiedades, merece la pena comentar la gran variabilidad que existe entre los valores de las mismas: a pesar de haberse realizado un gran número de experimentos, no se ha llegado a un consenso sobre un valor concreto de las propiedades, debiendo establecerse un rango de normalidad, dentro del cual se pueden considerar normales los valores de dichas variables.

Existe variabilidad, como cabe esperar, entre diferentes especies y entre diferentes especímenes de una misma especie; pero también se aprecia variabilidad en función del hueso e incluso de la porción seleccionada para las mediciones dentro de un mismo hueso

(Reilly and Burstein 1974). Asimismo, diferentes modos de carga y diferentes procedimientos de medición arrojan resultados diferentes sobre las propiedades mecánicas del hueso (Guo 2001). Por último, la edad es otro factor que afecta a la variabilidad de resultados, ya que se puede apreciar un cambio en las propiedades óseas con la edad (Burstein, Reilly and Martens 1976).

Cabe destacar el comportamiento anisótropo del hueso, presentando éste diferencias en su comportamiento según la dirección de medida -fig. 2.7- (Guo 2001, Reilly and

Burstein 1974).

2.4.1.- Propiedades elásticas

La propiedad elástica más importante del tejido óseo de cara al presente trabajo es su módulo de elasticidad -o módulo de Young-. Este se define como la pendiente de la curva tensión-deformación en su tramo elástico.

Fig. 2.7 - Variación del módulo elástico del hueso con la dirección y entre diferentes autores -E’ representa la dirección

axial- (Reilly and Burstein 1974).


- 16 -

Por lo general, todos los autores coinciden en señalar un módulo elástico de entre 15 y 20 GPa para el hueso cortical y de entre 10 y 20 GPa para el tejido del hueso trabecular, siendo este último entre un 20 y un 30% menos rígido que el primero -fig. 2.8 y fig. 2.9- (Guo 2001).

Sin embargo, si lo que se mide es el módulo de elasticidad del hueso trabecular como un conjunto, debido a su gran porosidad, éste presenta un módulo de elasticidad muy inferior al del hueso compacto -fig. 2.10-.

El hueso también cambia sus propiedades con la edad, de manera que con la edad se reducen tanto su módulo de elasticidad, como su resistencia -fig. 2.11-.

Fig. 2.8 - Módulo de elasticidad del hueso cortical en dirección axial (Reilly and Burstein 1974).

Fig. 2.9 - Módulo de elasticidad del tejido óseo trabecular (Guo 2001).

Fig. 2.10 - Propiedades mecánicas del hueso trabecular como estructura (Keaveny 2001).


- 17 -

Como valores de referencia del módulo elástico del hueso -tanto para el cortical como para el trabecular-, se tomarán los obtenidos por Guo (Guo 2001). Dichos valores para el hueso trabecular ya se han expuesto -fig. 2.10-, mientras que para el hueso cortical se exponen a continuación -fig. 2.12-.

En comparación con otros materiales, el hueso presenta una rigidez muy inferior a los metálicos, más cercana a la de algunos plásticos -fig. 2.12-.

Fig. 2.11 - Variación de las propiedades mecánicas del tejido óseo con la edad (Burstein, Reilly and Martens 1976).

Fig. 2.12 - Propiedades mecánicas del tejido óseo cortical (Guo 2001).

Fig. 2.12 - Comparativa de el módulo elástico del hueso frente a otros materiales (Invibio 2012).


- 18 -

2.4.2.- Resistencia

La tensión máxima es definida, usualmente, como aquélla que es capaz de soportar el hueso sin que se produzca fractura, en una configuración de carga determinada -normamente tensión, compresión, flexión, torsión o cortante- (Reilly and Burstein 1974).

En este aspecto de resistencia del tejido óseo, existe también gran variabilidad de resultados, inclusive se observan diferencias entre los modos de carga de tracción y compresión para el hueso compacto -fig. 2.13 y fig. 2.14- (Reilly and Burstein 1974).

Dándose también en este aspecto el fenómeno observado en el módulo elástico con respecto al hueso cortical y el trabecular: los tejidos óseos presentan valores similares -algo inferiores para el tejido óseo trabecular-, pero si se considera el hueso trabecular como estructura, sus valores son de unas centenas de mega pascales, muy inferiores a los del compacto -ver fig. 2.10-.

Fig. 2.13 - Resistencia a tracción del hueso compacto (Reilly and Burstein 1974).

Fig. 2.14 - Resistencia a compresión del hueso compacto (Reilly and Burstein 1974).

Documents

2-El Tejido Oseo v2.0