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Evolución de las propiedades biomecánicas meniscales con el crecimiento: un estudio experimental y numérico

Autores: Ferroni, Marco; Belgio, Beatrice; Peretti, Giuseppe M.; Di Giancamillo, Alessia; Boschetti, Federica

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2021

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Acceso abierto

Artículo científico
2021

Evolución de las propiedades biomecánicas meniscales con el crecimiento: un estudio experimental y numérico


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Bioingeniería

Palabras clave

Meniscos
Respuesta mecánica
Componentes del tejido
Etapa de desarrollo
Análisis bioquímicos
Simulaciones numéricas

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 40

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
Los meniscos de la rodilla son tejidos fibrocartilaginosos complejos que desempeñan roles importantes en la carga, absorción de impactos, lubricación articular y estabilización. El objetivo de este estudio fue evaluar la interacción entre los diferentes componentes del tejido meniscal (es decir, los constituyentes de la matriz sólida y la fase fluida) y la respuesta mecánica de acuerdo con la etapa de desarrollo del tejido. Los meniscos derivados de cerdos parcialmente y completamente desarrollados fueron analizados. Realizamos análisis bioquímicos para cuantificar el contenido de glicosaminoglicanos (GAG) y ADN según la etapa de desarrollo. Estos valores se relacionaron con las propiedades mecánicas del tejido que se midieron in vitro realizando pruebas de compresión y tensión en especímenes meniscales. Tanto los protocolos de compresión como de tensión consistieron en pruebas de relajación de estrés de múltiples rampas que comprendían aumentos de deformación seguidos de relajación de estrés hasta el equilibrio. Para comprender mejor la respuesta mecánica a diferentes direcciones de estímulo mecánico y relacionarla con la composición estructural y el desarrollo del tejido, realizamos simulaciones numéricas que implementaron diferentes modelos constitutivos (poroelasticidad, viscoelasticidad, isotropía transversal o combinaciones de estos) utilizando el software comercial COMSOL Multiphysics. Los modelos numéricos también nos permitieron determinar varios parámetros mecánicos que no pueden medirse directamente mediante pruebas experimentales. Los resultados de nuestra investigación mostraron que el menisco es un material no lineal, anisotrópico y no homogéneo: los parámetros mecánicos aumentan con la deformación, dependen de la dirección de la carga y varían entre las regiones (anterior, central y posterior). Los resultados numéricos preliminares mostraron el papel predominante de los diferentes componentes del tejido según el estímulo mecánico. Los resultados de los análisis bioquímicos relacionados con las propiedades mecánicas confirmaron los hallazgos de los modelos numéricos, sugiriendo una respuesta específica de las células meniscales a los estímulos mecánicos regionales en la articulación de la rodilla. Durante la maduración, el aumento de los módulos de compresión podría explicarse por la diferenciación celular de fibroblastos a condrocitos metabólicamente activos, como indicó el aumento encontrado en la relación GAG/ADN. Los cambios en la respuesta mecánica a la tracción durante el desarrollo podrían estar relacionados con la acumulación de colágeno II durante el crecimiento. Este estudio proporciona nueva información sobre los cambios de los componentes estructurales del tejido durante la maduración y la relación entre la composición del tejido y la respuesta mecánica.

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