Hueso

Los huesos son un componente central del sistema musculoesquelético. Este sistema tiene como funciones proveer soporte estructural los demás órganos del cuerpo, dar movilidad a las extremidades del cuerpo, proteger órganos vitales y almacenar sustancias como calcio entre otras funciones ^7,8. La hidroxiapatita es un mineral que compone aproximadamente el 65% del peso total del hueso seco, mientras que el colágeno compone el 85 a 90% de la matriz orgánica ^5,9,10. De acuerdo con su estructura existen tejido óseo esponjoso y el cortical. El hueso cortical, presente en el exterior de los huesos planos o largos, es un tejido denso que proporciona resistencia para soportar las cargas mecánicas, una porosidad baja de 5 a 20% ¹¹ y entre el 80 y el 90% de él es tejido mineralizado ^12,13. El hueso cortical está conformado por láminas que se disponen en capas concéntricas alrededor de los canales de Havers ^10,11. Por otro lado, el hueso esponjoso está presente en el interior de los huesos, en especial en el extremo de los huesos largos. Está formado por trabéculas con un grosor inferior a 300 µm, una porosidad entre 40 y el 95% y un tamaño de poro entre 100 a 500 µm de diámetro ^11,14.

Los huesos presentan una organización jerárquica en tres niveles: macroestructura, microestructura y nanoestructura ^9,10. La macroestructura describe la forma externa de los huesos y sus dimensiones están dadas generalmente en milímetros. La microestructura describe la forma de las trabéculas y los poros que se forman en el tejido esponjoso y se expresa en µm o milésimas de milímetro. La nanoestructura describe la organización de la fase cerámica de hidroxiapatita dentro de la matriz polimérica de colágeno y la rugosidad superficial de los huesos. En la actualidad, los procesos de manufactura y herramientas de diseño permiten que los andamios óseos reproduzcan características a nivel de macro y micro estructura ^15,16.

Ingeniería de tejidos óseos (ITO)

La ingeniería de tejidos es un campo interdisciplinario que aplica la ingeniería y la medicina para el desarrollo de sustitutos biológicos para restaurar, mantener o mejorar la función del tejido ^16,17. De manera particular, la ITO desarrolla productos que cumplan los mismos requerimientos que cumple el hueso que sustituyen y buscan además la regeneración de este por medio de un conjunto de técnicas que incluyen los cultivos celulares (osteoblastos o células madre), los estímulos bioquímicos (factores de crecimiento) y andamios (también denominados como soportes, matrices o scaffolds). Los andamios actúan como soportes temporales o transitorios de las células que generarán nuevo tejido sano que reemplaza al tejido dañado o ausente. Por esto, una vez la regeneración se ha completado, o durante esta, es conveniente que el andamio se degrade dejando solo el tejido restaurado con la forma y propiedades deseadas ¹⁶.

El avance de las tecnologías de imágenes diagnósticas, el diseño asistido por computador, la manufactura aditiva (AM) y el desarrollo de biomateriales compatibles con estas tecnologías han hecho que en los últimos años se haya desarrollado el concepto de ingeniería de tejidos asistida por computador ^18,19. Por ejemplo, mediante imágenes médicas como tomografía computarizada (TC) o resonancia magnética (IRM) del defecto óseo del paciente se puede obtener un modelo CAD que representa la forma del tejido que se debe reparar y para el cual se debe fabricar el andamio óseo que tiene una estructura porosa que debe tener una geometría compleja y detallada para lograr cumplir los requerimientos biológicos y físicos. Posteriormente, por técnicas de manufactura aditiva, se fabrica dicho andamio. Esto reduce el tiempo de exposición de la herida y disminuye la aparición de complicaciones quirúrgicas ^5,20,21.

Biomateriales

Los andamios óseos personalizados permiten su integración con el tejido adyacente al coincidir el tamaño y forma de estos con el defecto anatómico, mejorando la adhesión y proliferación celular ¹³. Los andamios para ITO se hacen con biomateriales; es decir, materiales diseñados y fabricados para que puedan guiar, a través de interacciones con los sistemas vivos, el curso de cualquier procedimiento terapéutico o de diagnóstico ²². Dependiendo del grado de interacción con el entorno en que son implantados, los materiales pueden ser bioinertes (que no generan una respuesta inmunológica del huesped), biocompatibles (pueden estar en contacto con un sistema vivo sin producir un efecto adverso) y bioactivos (estimular una respuesta bioquímica del tejido vivo) ²³. Hay diversas familias de biomateriales: los metálicos que normalmente son bioinertes, los polímeros y los cerámicos generalmente son más biocompatibles y bioactivos que los metales. Tanto los polímeros como los cerámicos pueden ser de origen natural o sintético. Cada familia tiene ventajas y desventajas por lo que es común el uso de materiales compuestos ²⁴. En la Tabla 1 se muestran los biomateriales más comunes.

Métodos de manufactura aditiva para andamios

El diseño de estructuras porosas complejas como las usadas en ITO requiere de métodos de manufactura que permitan lograr la geometría del andamio con la exactitud y precisión requeridas. En las últimas décadas se han desarrollado diversos métodos de manufactura aditiva que se han usado en diferentes aplicaciones ²⁷. Los métodos de manufactura aditiva permiten obtener estructuras complejas, generar estructuras con una alta conectividad entre poros y controlar características de meso y micro escala que no son posibles de lograr con métodos convencionales ¹⁶. La manufactura aditiva ha generado un fuerte interés en la ITO representado en el número creciente de publicaciones que investigan su aplicación en dicha área ²⁸.

Entre los métodos de manufactura aditiva más comúnmente usados para la fabricación de andamios para ITO se encuentran la extrusión de material (FDM o FFF), la estereolitografía (SLA) y sinterizado láser (SLS) ^18,29. Cada uno tiene diferentes características, ventajas y desventajas en cuanto a la resolución, volumen, costo, geometría y gama de materiales que se pueden trabajar como se ve en la Tabla 2.

El tamaño mínimo de los puntales y poros depende de la resolución del método de manufactura aditiva: en el eje vertical, el espesor de capa viene dado por el movimiento de la mesa que soporta el material. En el plano horizontal, la resolución depende del ancho del haz de luz o el tamaño del píxel en los procesos de estereolitografía y sinterizado láser mientras el ancho de la boquilla la afecta en los métodos de extrusión. Un factor adicional que limita el tamaño de poro mínimo es la dificultad de remover el material no curado o sinterizado en los procesos de estereolitografía y sinterizado. Un tamaño de poro pequeño con una estructura no periódica dificulta la evacuación del material y hace necesario un mayor postproceso una vez el andamio está fabricado ³⁰.

Clasificación y características geométricas de andamios

Un material celular está formado por una red interconectada de puntales sólidos o placas que forman los bordes y caras de las células o celdas que lo conforman ^34-36. Generalmente, los materiales celulares están definidos por uno o más tipos de celdas que se unen para crear una estructura sólida tridimensional ³⁷. En los materiales celulares naturales, entre los que se cuenta el hueso esponjoso o trabecular, la dimensión típica de una celda está entre 0.1 y 10 mm ³⁸.

Los andamios para ITO deben ser materiales celulares con baja densidad, alta relación superficie a volumen, alta porosidad y una elevada conectividad entre poros. Por esto, un aspecto que ha cobrado importancia es el diseño y análisis de no solo las celdas unitarias sino de toda la estructura tridimensional que conforman y la factibilidad de su producción.

Existen diversas formas de clasificación de materiales celulares que son aplicables a los andamios para ITO. Las categorías de clasificación no son mutuamente excluyentes por lo que puede haber combinaciones de estas. Chen et al. ³⁹, Gianittelli et al. ¹⁹ y Savio et al. ⁴⁰ presentan clasificaciones similares considerando criterios como la forma de la estructura, la geometría de la celda y las dimensiones de los elementos dentro de esta. Según la estructura, esta puede ser periódica (también denominada uniforme o regular), pseudoaleatoria o aleatoria. Para la geometría de la celda se proponen distintas clasificaciones entre las que se destacan las cúbicas, las superficies implícitas mínimas triplemente periódicas (TPMS) y otros tipos de celdas como la Octet-Truss. Adicionalmente, de acuerdo con las dimensiones de los elementos que las componen, las celdas pueden ser homogéneas, con gradientes o heterogéneas. Zhou et al. ⁴¹ propone la clasificación de celdas regulares y otras obtenidas por TPMS. Benedetti et al. ³⁴ propone una categorización similar a la anterior, diferenciando las TPMS en estructuras tipo esqueleto y tipo superficie. En las primeras, la superficie TPMS divide el volumen tanto de la celda como de la estructura en dos y uno de esos volúmenes se considera sólido (puntales) y el otro es vacío (poros y canales). En el segundo tipo, se asigna un espesor a la superficie TPM.

Por otro lado, considerando el método de obtención de la estructura y sus propiedades, Kelly et al. ⁴² indica que se puede hacer una categorización en estructuras directas y orientadas. Las directas tienen una estructura geométrica y esta se estudia para establecer sus propiedades. En las estructuras orientadas, la configuración geométrica resulta de un proceso que está orientado a lograr un valor preestablecido en alguna propiedad deseable del andamio.

Características de una celda

Desde el punto de vista geométrico, un material celular está constituido por celdas en forma de poliedros con caras planas que tienen un volumen finito. Las celdas son una idealización que ayuda a visualizar la estructura del material celular. Los poliedros que describen las celdas que componen un material celular generalmente son poliedros convexos. Poliedros regulares como cubos, tetraedros, paraleloedros y plesioedros, entre otros, dan origen a estructuras celulares periódicas. En la Tabla 3 se describen las principales características de los poros.

La porosidad total afecta las propiedades mecánicas y de permeabilidad del andamio. Los poros interconectados afectan la permeabilidad celular y el crecimiento del tejido pues permite la neovascularización y el transporte de nutrientes. La curvatura de la superficie (cóncava o convexa) afecta la adhesión celular. El diámetro del poro afecta la osteoconducción y el crecimiento del tejido óseo. Por otro lado, el ancho del puntal afecta la penetración celular y la resistencia mecánica ⁴³.

Estructuras periódicas

Una estructura regular, uniforme o periódica se obtiene por repetición (mediante operaciones como traslación, rotación o reflexión) de uno o más poliedros diferentes que actúan como celdas unitarias hasta llenar todo el volumen de diseño y se pueden modelar a partir de geometrías sólidas constructivas y operaciones booleanas en programas de diseño asistido por computador CAD. Los poliedros normalmente usados en estas estructuras son cubos, tetraedros, prismas hexagonales, pero existen muchos otros poliedros que pueden ser usados ^37,39. En estas estructuras, una celda sirve como elemento de volumen representativo del andamio. Es decir, una celda se puede analizar para modificar y optimizar sus propiedades ^44,45. Además, en las estructuras periódicas se pueden hacer combinaciones de geometrías de poliedros y variaciones en las dimensiones de las secciones sólidas (Tabla 4) para obtener diferentes propiedades ⁴⁶.

Hay poliedros que pueden obtenerse como extrusión de un polígono como un cuadrado o un hexágono lo cual puede ser de interés para facilitar el proceso de manufactura. Estos diseños pueden resultar más adecuados para procesos de manufactura por extrusión porque permiten obtener tamaños de poros en función del espesor de capa ⁴⁷. Debe tenerse en cuenta que el proceso de manufactura por extrusión define la forma de los puntales de las celdas ⁴⁸.

Una modificación que se puede hacer en las estructuras periódicas es variar las dimensiones de los puntales a lo largo de uno o varios ejes mientras el tamaño de celda básica se mantiene. Se ha encontrado que los andamios con tamaños de poro en gradiente o variable parecen mostrar mejor crecimiento celular tanto en simulaciones de crecimiento celular ⁴⁹ como en pruebas de cultivo de células mesenquimales en andamios poliméricos ⁵⁰ como de osteoblastos sobre andamios metálicos ⁵¹. En andamios metálicos y cerámicos se ha encontrado que tamaños de poro variables promueven la osteogénesis y que hay mayor viabilidad y proliferación celular ^52-54.

Tabla 4 Ejemplos de algunas geometrías de celdas que generan estructuras periódicas. 

Variaciones	Forma
Cúbica simple
Cubo truncado
Centrado en el cuerpo BCC
Centrado en las caras FCC
Kelvin
Simple
Centrado en el cuerpo
Cuboctaedro
Cuboctaedro truncado
Octaedro truncado

Fuente: Los autores

Estructuras no periódicas

Las celdas que conforman los materiales celulares no periódicos pueden variar tanto en la forma como en las dimensiones de esta o de los elementos contenidos en ella. Ejemplos de estructuras no periódicas son materiales naturales como corcho, esponjas, espumas, hueso trabecular, entre otros ^55-57. Aunque las estructuras no periódicas suelen asociarse con estructuras aleatorias o estocásticas, también pueden responder a un proceso de generación procedimental o paramétrica (Tabla 5). Estos procesos buscan adaptar las celdas a la forma externa del modelo o lograr la optimización de alguna propiedad, entre otros ^35,58. El biomimetismo, entendido como diseño inspirado en la naturaleza, ayuda en el desarrollo de productos y servicios bioinspirados a partir de los principios fundamentales de un proceso biológico o adaptativo ⁵⁹.

Tabla 5 Ejemplos de estructuras obtenidas por generación procedimental y por optimización.  

Variaciones	Forma
TPMS Giroide (variación esqueleto)
TPMS Giroide (variación hoja)
Voronoi
Delaunay
Optimización topológica

Fuente: Los autores

Generación procedimental

La generación procedimental, también llamada generativa o basada en desempeño, es un proceso basado en algoritmos y parámetros que relacionan la intención del diseñador y el diseño resultante ⁶⁰. Por esto, el método para generar el modelo es importante y es un enfoque distinto del de las estructuras periódicas. Mientras en las estructuras periódicas se plantea una forma geométrica y a partir de esta se hace un estudio para establecer propiedades como su resistencia mecánica; en la generación procedimental se parte de reglas y parámetros que proporcionan información sobre la propiedad que se quiere lograr. Existen métodos de diseño generativo como las celdas de Voronoi y las estructuras generadas por optimización topológica.

Para hacer un conjunto de celdas Voronoi en un espacio, se consideran un conjunto de puntos semilla o núcleos que pueden colocarse en diversas posiciones. A saber, la distribución de los puntos semilla puede ser aleatoria pero también puede responder a una propiedad deseada. Por ejemplo, tener una distribución que se asemeje a la densidad ósea variable de un hueso sano ⁶¹. Las celdas de Voronoi para cada punto semilla se consideran como el conjunto de puntos más cercanos a un punto semilla o núcleo particular ⁵⁸. Este tipo de geometría está presente en el hueso trabecular por lo que es objeto de estudio en el diseño de andamios para ITO ⁶².

Obtenidas por optimización

La optimización topológica es un método para distribuir el material de forma óptima dentro de un dominio ⁶³. El problema de optimización requiere el planteamiento de una función objetivo a minimizar o maximizar que depende de unas variables de diseño y un conjunto de funciones adicionales que actúan como restricciones ⁶⁴. Por ejemplo, la función objetivo puede buscar maximizar la cantidad de formación de tejido óseo, minimizar la diferencia entre propiedades mecánicas del hueso afectado y las de los andamios que lo reemplaza, minimizar la diferencia entre la tasa a la que se degrada el andamio y la tasa a la que crece el tejido, entre otras funciones ^4,65.

Además de la optimización de propiedades mecánicas, se han realizado estudios, aunque en menor cantidad sobre las propiedades desde el punto de vista de mecánica de fluidos. Estas se pueden estudiar en conjunto con las propiedades mecánicas pues se debe hacer un balance entre resistencia mecánica y permeabilidad ⁶⁴. El esfuerzo cortante que ejerce el fluido sobre las paredes del andamio es una señal mecanobiológica que puede ocasionar que las células mesenquimales cultivadas se diferencien en distintos tipos de células. También se puede analizar la permeabilidad y la tortuosidad del andamio pues afectan tanto los esfuerzos sobre las paredes como la manera en que se transportan nutrientes y desechos ⁶⁶.

Requerimientos

Un andamio para ITO idealmente debe proveer una superficie sobre la cual el tejido óseo pueda crecer (osteoconductividad), contener factores de crecimiento que induzcan la formación de hueso (osteoinductividad), portar células que puedan generar tejido óseo (osteogénesis) y vascularización (angiogénesis) y capacidad de anclaje al hueso donde es colocado ^67,68. Además, es deseable que, si el andamios es biodegradable, los productos de la degradación no produzcan reacciones inmunes en el cuerpo ⁶⁹. A continuación, se describirá cómo las características geométricas contribuyen al logro de algunos de estos requisitos.

Biológicos

La porosidad, forma, tamaño e interconexión de los poros en los andamios para ITO juegan un papel importante en el crecimiento del tejido. Estas características afectan la migración celular, la organización espacial del tejido óseo nuevo, el flujo de nutrientes y la vascularización ^1,70.

En cuanto a porosidad, un valor de referencia para promover el crecimiento de tejido óseo es que este sea mayor al 60%. Esto depende del material y si el ensayo se realiza in-vitro o in-vivo. Mientras en cultivos in-vitro no parece haber efecto notable por cambios en el porcentaje de porosidad, en modelos animales in-vivo se observa una mayor osteogénesis a medida que aumenta esta ^32,71.

Por su parte, el tamaño de poro adecuado para crecimiento es aún objeto de discusión. Por ejemplo, un estudio afirma que el tamaño de poro requerido para la osteogénesis debe ser superior a las 100 µm. Dicho estudio mostró que poros entre 100 y 200 µm muestran un crecimiento sustancial del hueso mientras que poros de menor tamaño, entre 75 y 100 µm, resultan en un crecimiento menor del tejido ⁷². Otro estudio mostró que poros de un tamaño inferior a 75 µm no promueven el crecimiento de tejido óseo sino solo tejido fibroso ⁷³. Otras investigaciones sostienen que un tamaño medio de poros de 300 µm logra una mayor proliferación y diferenciación de osteoblastos en andamios cerámicos de hidroxiapatita en modelos animales, debido a una mayor vascularización y transporte masivo de oxígeno y nutrientes ^70,72. En andamios con estructuras periódicas con poros de forma y tamaño uniforme se estima que el tamaño de poro adecuado para crecimiento de tejido óseo mineralizado puede estar entre 100 y 800 µm. Sin embargo hay otros que sugieren que se puede lograr crecimiento en poros hasta de 1200 µm ^43,52.

Para establecer cuál será el efecto de la geometría del andamio en el desempeño de este, un modelo CAD de la geometría del andamio puede ser la base para simular diversos comportamientos lo que permite caracterizar y mejorar las propiedades de andamios antes de que sea fabricado. Por ejemplo, se pueden simular procesos como la pérdida de peso y volumen de los andamios si están fabricados con materiales biodegradables, la diferenciación y crecimiento del tejido óseo, entre otros ⁷⁴. Mohammadi et al. ⁴³ muestran que hay una tendencia creciente en investigaciones sobre osteogénesis y angiogénesis en andamios óseos. Babaie y Bhaduuri ⁴⁷ indican que poros menos rectangulares y más curvos podrían inducir mejores crecimientos mientras que Knychala et al. ⁷⁵ sostienen que superficies cóncavas parecen ser mejores para el crecimiento celular que las convexas porque ayudan a que más células estén en contacto entre sí y a minimizar su energía. En cuanto a angiogénesis Li et al. ⁷⁶ y Xia y Luo ⁷⁷ indican que un tamaño de poro adecuado para promover la vascularización del nuevo tejido puede estar alrededor de 400 µm.

Mecánicos

Los andamios deben soportar las cargas mecánicas que generalmente soportaría el hueso. En el proceso de regeneración, una vez los osteoblastos completan la reconstrucción del tejido óseo, el andamio finaliza su función de andamio de carga mecánica ⁷⁸. Hasta que esto suceda, el andamio debe ser lo suficientemente robusto para fuerzas y deformaciones debidas tanto a factores externos como a la degradación del material y la interacción con el tejido en crecimiento ^14,79.

El módulo de Young de los andamios depende de varios factores como el material, la porosidad y el método de fabricación, entre otros. A modo indicativo, algunos valores comunes son 10-30 GPa, 1-20 GPa y 0.1-10 GPa para titanio, hidroxiapatita y polímero de ácido poliláctico respectivamente ^80,81. De todas maneras, se debe observar que el módulo de elasticidad del andamio debe ser similar al del hueso que reemplaza ^72,82,83. Debe tenerse en cuenta que esta propiedad es muy variable pues depende de factores como el tipo de hueso, edad, género y patologías del individuo. En concreto, el hueso trabecular de las vértebras tiene un módulo de elasticidad entre 14 y 430 MPa ⁸⁴ y se estima que puede llegar a ser hasta de 2 GPa para otros tipos de hueso ⁸⁵.

Una rigidez muy alta puede aumentar el riesgo de falla por blindaje al no transferir adecuadamente las cargas al tejido óseo adyacente por lo que no hay estímulo mecánico sobre este. Por el contrario, si la rigidez del andamio es muy baja, se reduce la capacidad de carga del andamio y se aumenta el riesgo de fractura del hueso circundante ⁵. La resistencia mecánica debe ser igual o superior a la del hueso que se estima debe ser mayor a un esfuerzo de fluencia de 2 MPa .

Además de lo anterior, se deben equilibrar los requerimientos biológicos con los mecánicos pues hay relación entre porosidad y propiedades mecánicas ⁸⁰. A mayor porosidad, que sería lo deseable para facilitar el crecimiento de tejido y el transporte de nutrientes, menor resistencia última y menor módulo de elasticidad ⁸⁶.

Características mecánicas como la curva esfuerzo-deformación, esfuerzos máximos, módulo de elasticidad a tensión o compresión, relación de Poisson, distribuciones de esfuerzos y deformaciones y comportamiento bajo cargas dinámicas se pueden simular ⁷⁴. En el caso de materiales con estructura periódica, sus propiedades pueden ser determinadas por métodos de homogenización a partir de las características de una celda unitaria ^35,87.

Permeabilidad

La permeabilidad es una propiedad importante que afecta la capacidad del andamio de transportar sustancias como nutrientes y factores que faciliten el crecimiento de nuevo tejido y remover desechos provenientes del metabolismo celular. Depende de factores como el tamaño e interconectividad de los poros; además, de cómo ellos están orientados y distribuidos. Los métodos computacionales de diseño sirven para simular diversas propiedades fluídicas como velocidad máxima, perfiles de velocidad, presiones y esfuerzos cortantes sobre las paredes del andamio, distribución de gases como oxígeno, entre otros ⁷⁴.

Las propiedades mecánicas y de permeabilidad pueden ser objetivos conflictivos: una mayor porosidad puede aumentar la permeabilidad del andamio pero disminuirá su resistencia mecánica, lo que no es deseable. Poros grandes permiten mayor permeabilidad que disminuye la formación de tejido cartilaginoso ^88,89, la velocidad de fluido pero disminuye la resistencia y rigidez mecánica del andamio. Aunque, por otro lado, poros pequeños pueden aumentar la fuerza de capilaridad que es importante promover la movilización y crecimiento de tejido óseo ⁹⁰. Al diseñar los andamios, se espera que la permeabilidad sea igual o mayor que 2.0 × 10−11 m2 que es el valor de permeabilidad mínimo estimado del hueso trabecular ⁹¹.