Diseño de un sustituto óseo de estructura triplemente periódica para el tratamiento de defectos óseos de grandes dimensiones

Abstract

[ES] La osteoporosis es la enfermedad más común del hueso y se produce debido a una descompensación en la remodelación ósea, predominando la reabsorción frente a la formación ósea, lo que produce una disminución de la masa de hueso junto con un deterioro y alteración de la microarquitectura ósea. En consecuencia, provoca la reducción de la resistencia mecánica del hueso y, por ende, el aumento del riesgo de fracturas. Para poder ralentizar los síntomas de la osteoporosis, existen tratamientos farmacológicos que promueven la formación ósea e inhiben la reabsorción, potenciando así el aumento de masa ósea. No obstante, se ha estimado que un 40 % de mujeres postmenopáusicas y un 30 % de hombres sufrirán en algún momento de su vida una fractura osteoporótica.

Además de las fracturas causadas por la osteoporosis, también se pueden producir defectos óseos de gran tamaño por traumatismos, resecciones tumorales o infecciones. El gran problema de estas fracturas reside en que, al ser tan grandes, los mecanismos de regeneración ósea inherentes del hueso no pueden combatir y reparar esos defectos. De esta manera, existen estrategias terapéuticas para combatir este tipo de fracturas. Entre ellos, se encuentran los mecanismos de fijación externa e interna, pero, al no estar adaptados a la microestructura del hueso, pueden dar lugar a consolidaciones óseas defectuosas, a cicatrizaciones inadecuadas o incluso a falta de unión ósea. En consecuencia, los injertos óseos son la terapia por excelencia en el tratamiento de defectos óseos de gran tamaño. Sin embargo, éstos han sido asociados a infecciones, fallos estructurales y faltas de unión ósea. De este modo, debido a los límites que presentan los tratamientos actuales, el punto de mira de la ingeniería de tejidos está focalizada en el desarrollo de sustitutos óseos porosos y sintéticos.

Dentro de las diferentes estructuras porosas, las estructuras reticulares triplemente periódicas de mínima superficie (TPMS) han demostrado mejorar la migración celular y preservar en alta medida la integridad mecánica y estructural. Además, poseen una interesante interconectividad de poros en su configuración, la cual ha sido asociada con una alta regeneración ósea, vascularización y reabsorción del material. Asimismo, las estructuras TPMS poseen una geometría de curvas suaves y curvatura media nula, lo que ha demostrado disminuir la concentración de tensiones, permitiendo así distribuir más uniformemente los esfuerzos mecánicos entre el hueso y el implante, cosa que puede ser beneficiosa en el proceso de remodelación ósea.

De este modo, este Trabajo Fin de Máster va a diseñar andamios paciente-específicos basados en estructuras TPMS, con el fin de optimizar su microestructura y comportamiento mecánico y así proporcionar un ambiente mecánico estable para la regeneración de hueso en defectos óseos de gran tamaño.

[EN] Osteoporosis is the most common bone disease and is caused by an imbalance in bone remodelling, with resorption predominating over bone formation, resulting in a decrease in bone mass together with a deterioration and alteration of bone microarchitecture. As a result, it leads to a reduction in the mechanical strength of the bone and, therefore, an increased risk of fractures. In order to slow down the symptoms of osteoporosis, there are pharmacological treatments that promote bone formation and inhibit bone resorption, thus enhancing the increase in bone mass. However, it has been estimated that 40 % of postmenopausal women and 30 % of men will suffer an osteoporotic fracture at some point in their lives. In addition to fractures caused by osteoporosis, large bone defects can also be caused by trauma, tumour resection or infection. The main complication with these fractures is that because they are so large, the bone's inherent bone regeneration mechanisms cannot repair these defects. Therefore, there exist therapeutic strategies to fight these types of fractures. These include external and internal fixation mechanisms, but because they are not adapted to the bone microstructure, they can lead to defective bone consolidation, inadequate healing or even bone non-union. Consequently, bone grafts are the therapy of choice for the treatment of large bone defects. However, they have been associated with infection, structural failure, and bone non-union. Thus, due to the limits of current treatments, the focus of tissue engineering is on the development of porous and synthetic bone substitutes. Among the different porous structures, triple periodic minimum surface area (TPMS) reticular structures have been shown to improve cell migration and to preserve mechanical and structural integrity to a high degree. In addition, they possess an interesting pore interconnectivity in their configuration, which has been associated with high bone regeneration, vascularisation, and material resorption. Furthermore, TPMS structures have a geometry with smooth curves and zero mean curvature, which has been shown to decrease stress concentration, thus allowing mechanical stresses to be more homogeneously distributed between the bone and the implant, which may be beneficial in the bone remodelling process. Thus, this Master’s Thesis will design patient-specific scaffolds based on TPMS structures in order to optimise their microstructure and mechanical behaviour and thus, provide a stable mechanical environment for bone regeneration in large bone defects.