Diseño y caracterización de estructuras TPMS para su aplicación en el tratamiento de fracturas óseas de grandes dimensiones

Abstract

[ES] Los huesos humanos, esenciales en el movimiento y el soporte del organismo sufren daños debido a enfermedades como la osteoporosis o fracturas severas. Concretamente la osteoporosis debilita los huesos y aumenta la probabilidad de sufrir una fractura. Con el progresivo envejecimiento de la población esta condición cada vez afecta a un mayor número de personas y por tanto a la calidad de vida. Pese a que el tejido óseo posee la capacidad de regenerarse gracias al proceso conocido como remodelación, no siempre se consigue reparar todos los defectos, especialmente cuando hablamos de defectos óseos de grandes dimensiones. Estas fracturas presentan desafíos significativos para la recuperación y pueden llevar a una movilidad reducida, dolor crónico o una mayor dependencia. Actualmente, la principal línea de actuación se centra en los implantes autólogos, considerados el estándar para reemplazar tejido dañado. Estos implantes utilizan tejido óseo del propio paciente para reparar las áreas afectadas, lo que reduce el riesgo de rechazo y reacciones inmunológicas. No obstante, presenta limitaciones como escasa disponibilidad, daños en el sitio donante y posibles problemas de movilidad. Por esta razón los andamios para el reemplazo óseo emergen como una alternativa innovadora y prometedora dentro del campo de la ingeniería de tejidos. Los andamios son estructuras tridimensionales porosas diseñadas para imitar la matriz extracelular del hueso, proporcionando un soporte temporal que facilite la regeneración. Este Trabajo de Fin de Grado (TFG) se centra en el diseño de estructuras triplemente periódicas con superficies mínimas (TPMS) consideradas como una opción muy prometedora para fabricar andamios óseos. Su geometría con curvatura media nula es una de las características más destacadas, junto con su flexibilidad de diseño y reducción de concentradores de tensión. Por otro lado, una baja fracción en volumen (densidad) puede facilitar la migración celular hacia el andamio, pero al mismo tiempo ser incompatible en zona de interacción con el hueso. Por tanto, el objetivo de este TFG es diseñar andamios paciente-específicos para una muestra de hueso sana y osteoporótica. Para ello se va a evaluar el efecto de variar gradualmente la fracción en volumen de los andamios óseos en las propiedades mecánicas.

[EN] Human bones, essential in the movement and support of the body, suffer damage due to diseases such as osteoporosis or severe fractures. Specifically, osteoporosis weakens bones and increases the likelihood of suffering a fracture. With the progressive aging of the population, this condition increasingly affects a greater number of people and therefore the quality of life. Although bone tissue has the ability to regenerate thanks to the process known as remodeling, it is not always possible to repair all defects, especially when we are talking about large bone defects. These fractures present significant challenges to recovery and can lead to reduced mobility, chronic pain, or increased dependency. Currently, the main line of action focuses on autologous implants, considered the standard for replacing damaged tissue. These implants use the patient's own bone tissue to repair affected areas, reducing the risk of rejection and immunological reactions. However, it has limitations such as poor availability, damage to the donor site and possible mobility problems. For this reason, scaffolds for bone replacement emerge as an innovative and promising alternative within the field of tissue engineering. Scaffolds are porous three-dimensional structures designed to mimic the extracellular matrix of bone, providing temporary support to facilitate regeneration. This Final Degree Project (TFG) focuses on the design of triply periodic structures with minimal surfaces (TPMS), considered a very promising option for manufacturing bone scaffolds. Its geometry with zero mean curvature is one of the most notable features, along with its design flexibility and reduction of stress concentrators. On the other hand, a low volume fraction (density) can facilitate cell migration towards the scaffold, but at the same time be incompatible in the area of interaction with the bone. Therefore, the objective of this TFG is to design patient-specific scaffolds for a healthy and osteoporotic bone sample. To this end, the effect of gradually varying the volume fraction of the bone scaffolds on the mechanical properties will be evaluated