Revista Cubana de Investigaciones Biomédicas

Topology synthesis of feasible for biomedical applications

Los mecanismos flexibles son dispositivos mecánicos diseñados para transformar desplazamientos, fuerzas o energía a través de la flexibilidad de sus elementos estructurales. Sus ventajas frente a los mecanismos de eslabones rígidos con juntas pinadas los convierten en una alternativa viable para el diseño de BioMEMS, ya que son sistemas que requieren alta precisión de movimiento a escalas de tamaño muy reducidas. El diseño de mecanismos flexibles puede realizarse con el empleo de técnicas de optimización estructural, es la optimización topológica la más empleada. En investigaciones previas se desarrolló un nuevo método de optimización topológica inspirado en el proceso de regeneración ósea conocido como el Método de los autómatas celulares híbridos, el cual demostró su aplicabilidad y eficiencia computacional en la síntesis topológica de estos dispositivos. El objetivo de este artículo es extender el método a la síntesis de mecanismos flexibles para aplicaciones biomédicas, específicamente, para el diseño de una micropinza para manipulación de fibroblastos. La topología óptima obtenida corresponde con los diseños referidos en otras investigaciones. Los resultados permiten llevar a cabo la manufactura del dispositivo gracias a que no presentan juntas de facto o patrones de tablero de ajedrez, que son errores típicos en la solución de problemas de optimización topológica mediante otros métodos de solución.

Feasible mechanisms are mechanical devices designed to transform displacements, strengths or energy through flexibility of its structural elements. Its advantages versus rigid links mechanisms with pinnate joints becoming a viable alternative for the BioMES design since they are systems requiring high movement accuracy at very reduced scale level. The feasible mechanisms design may be carried out using structural optimization techniques where that of topology type is the more used. In prior researches we developed a new topology optimization method inspired in the bone regeneration process known as the Method of hybrid cellular automaton, which showed its applicability and computer effectiveness in the topology synthesis of these devices. The aim of present paper is to spread the method to feasible mechanisms synthesis for biomedical publications, specifically, for the design of a microclamp for the fibroblasts management. Optimal topology achieved is in correspondence with the designs mentioned in other researches. Results allow to carry out the manufacture of this device because of they haven't de facto joints or patterns in chessboard, which are typical errors to solve the topology optimization by means of other solutions methods.

Description of cancer metastasis in bone tissue through a mathematical model

La metástasis es la rápida proliferación de células de cáncer, tumor secundario, en un sitio específico, que, en general, conduce a la muerte. Este proceso ocurre en sitios anatómicos que proveen el ambiente necesario de vascularización, oxígeno y alimento que le permiten camuflar su acción para desencadenar el rápido crecimiento del cáncer. El cáncer de próstata y de mama utiliza, por ejemplo, la médula ósea para su proliferación. Por lo tanto, el hueso da soporte para que las células de cáncer se adapten al ambiente, imiten el comportamiento genético y molecular de las células óseas. En este trabajo se simula el proceso de metástasis del cáncer con activación de la medula ósea. Para ello se plantea un modelo matemático que involucra la activación molecular, por parte de las células del tejido óseo, necesaria para la proliferación del cáncer. En este orden de ideas se simula dos posibles formas de crecimiento del tumor secundario según el tipo de metástasis: la osteoclerosis y la osteolisis.

Metastasis is the fast proliferation of cancer cells, secondary tumor in a specific site, that in general lead to death. This process occur in anatomical sites providing the necessary environment of vascularization, oxygen and food allowing to camouflage its action for triggering the fast growing of cancer. Prostrate and breast cancer use by example, the bone marrow for its proliferation. Thus, the bone gives support for the adjustment cells to environment; mimic the genetic and molecular behavior of bone cells. In present paper the cancer metastasis process is simulated with bone marrow activation. Authors propose a mathematical model involving the molecular activation by the bone tissue cells, needed for cancer proliferation. In this order of ideas two ways of secondary tumor growth is simulated according the type of metastasis: The osteosclerosis and osteolysis.

Interaction between osteoblasts and titanium surfaces:: application in dental implants

La oseointegración de un implante dental está condicionada por el tipo de material del implante, su topografía superficial y el tipo de recubrimiento. Aunque son varios los materiales utilizados para la fabricación de implantes dentales, actualmente el titanio es el material de preferencia por a su comportamiento inerte al entrar en contacto con los tejidos biológicos. Como la topografía superficial influye en la adhesión y proliferación celular, los implantes dentales son sometidos a tratamientos que crean irregularidades superficiales en la escala micro y sub-micrométrica. Así mismo, recubrimientos basados en minerales de origen orgánico son utilizados para mejorar la deposición de hueso sobre el implante. El objetivo de este estudio es realizar el cultivo de células osteoblásticas sobre sustratos de Ti-6Al-4V con cuatro tipos de superficies típicamente usadas en implantes dentales para determinar cuál de ellas tiene mejor comportamiento en términos de adhesión celular, proliferación celular y biomineralización. Las células osteoblásticas fueron cultivadas durante 24 horas para el ensayo de adhesión y durante 1, 2, 5, 6 y 7 días para el ensayo de proliferación. La biomineralización fue evaluada caracterizando mediante stereo zoom y SEM los depósitos de mineral coloreados mediante la técnica de tinción con alizarina roja. La cuantificación de estos depósitos de mineralización se realizó utilizando una herramienta de procesamiento de imágenes. Los resultados obtenidos revelan que las superficies rugosas y con recubrimiento poseen mejor comportamiento. Ninguna de las superficies estudiadas tuvo carácter tóxico para las células y todas presentaron perfiles de adhesión celular, proliferación celular y biomineralización.

The bone integration of dental implants is dependent of type of material of implant, its superficial topography and also by the type of coating. Although there are many the materials used for the manufacture of dental implants, currently the titanium is the choice material by its inert behavior when it contact with biological tissues. As the superficial topography influenced on cellular adhesion and proliferation, the dental implants underwent treatments creating superficial irregularities in the micro and sub-micrometric scale. Likewise, the coats based on organic-origin minerals are used to improve the bone deposition on implant. The aim of present paper is to carry out the osteoblasts cells culture on Ti-6AI-4V substrates using four different types surfaces typically used in dental implants to determine which of them have the better behavior in terms of cellular adhesion, cellular proliferation and biomineralization. The osteoblasts cells were cultivated during 24 hr for the adhesion assay and during 1, 2, 5, 6 and 7 days for the proliferation assay. The biomineralization was assessed by characterization with estereozoom and SEM of the mineral depots colored using dying technique with red alizarin. The quantization of these mineralization depots was performed using a tool of images processing. The results obtained showed that the rough surfaces and coated have a better behavior. None of the study surfaces had a toxic character for cells and all showed cellular adhesion profiles, cellular proliferation and biomineralization.

Mathematical model of growth pattern of cartilaginous channels and ossification secondary centers

La biomatemática, en el caso del tejido esquelético, explica la morfogénesis de huesos largos, y explora aspectos sobre la aparición del centro secundario de osificación (SOC). Precisamente, el SOC es el principal responsable del crecimiento de la epífisis de los huesos largos. En este trabajo se presenta un modelo matemático de la formación de canales de cartílago y del patrón de crecimiento del SOC desde el enfoque biomecánico. La solución al modelo de formación de canales se basa en un Método Híbrido -Elementos Finitos y Autómatas celulares-. Mientras, la solución del crecimiento del SOC se resuelve mediante el Método de Elementos Finitos. Como resultado se obtienen patrones espacio-temporales de formación de canales y del crecimiento del SOC. Estos modelos concuerdan cualitativamente con resultados experimentales reportados. Se concluye que estos modelos pueden ser utilizados como base metodológica para plantear un modelo matemático completo del desarrollo epifisial.

The bio-mathematics, in the case of skeletal tissue, explains the morphogenesis of large bones and explores features on the appearance of ossification secondary centers (OSC). Precisely, the OSC is the main responsible of growth of large bone epiphysis. In present paper authors present a mathematical model of cartilage channels formation and the growth pattern of OSC from the biomechanical approach. Solution to channels formation model is based on a Hybrid Method-Finite Elements and cell Automaton. While, the solution of OSC growth is solved by means of the Finite Elements Method. The result achieved was the presence of space-temporary patterns of channels formation and OSC growth. These models agree qualitatively with the reported experimental results. We conclude that these models may be used as a methodological basis to propose a complete mathematical model of epiphyseal development.

Approach to mechanobiology of articular cartilage through a computation model

El cartílago articular es un complejo tejido biológico que recubre los extremos de las articulaciones diartrodiales y proporciona resistencia a la compresión y excelentes propiedades de fricción durante el movimiento articular. La presencia de cargas mecánicas influye en el comportamiento y condición fisiológica del cartílago. Es así como, mediante el mecanismo de mecanotrasducción, los condrocitos perciben la magnitud de la carga y a partir de éste estímulo mecánico expresan genes como el Sox9 o el Runx2, los cuales generan cambios bioquímicos en las células y por tanto en el cartílago mismo. Diferentes trabajos experimentales se reportan acerca del efecto de las cargas impuestas al cartílago relacionadas con la expresión morfogénica del condrocito, sin embargo, no se cuenta con un modelo matemático y/o computacional que pueda explicar el comportamiento antagónico del Sox9 y el Runx2. El objetivo de este trabajo es introducir un modelo matemático que permita predecir el comportamiento mecano-biológico del cartílago articular a partir de las cargas mecánicas cíclicas, la presión hidrostática y la expresión génica y/o de proteínas que facilitan el proceso de síntesis o destrucción del tejido. El modelo se implementó numéricamente con el uso del método de los elementos finitos y los resultados obtenidos permitieron predecir diversos comportamientos mecano-biológicos del cartílago articular.

Articular cartilage is a biological tissue complex coating the extremes of diarthric joints and provides resistance to compression and excellent friction properties during the articular movement. Presence of mechanical stress influenced on the behavior and physiologic condition of cartilage. That is how by means of the mechanotransduction, the chondrocytes may to perceive the stress magnitude and from this mechanical stimulus, they express gens like the Sox9 or the Runx2, which generate biochemical changes in cells and thus in the cartilage. Different experimental papers reporting on the effect of the stress imposed on the cartilage related to chondrocytes morphogenetic expression, however, there are not a mathematical model and/or computation to explain the antagonist behavior of Sox9 and the Runx2. The aim of present paper is to introduce a mathematical model allows predicting the mechano-biological behavior of articular cartilage from the cyclic mechanic stress, the hydrostatic pressure and the genic expression and or proteins providing the tissue synthesis or destruction. Model was numerically implemented using the finite elements method and the results obtained allowed to predict different mechano-biological behaviors of articular cartilage.

Approach to chondrocytes culture in National University of Colombia.: A technical report

La pérdida de un tejido o de su función, debido a defectos congénitos, enfermedad o trauma, es uno de los problemas más difíciles, frecuentes y costosos que enfrenta la medicina humana. La degeneración del cartílago articular se conoce como osteoartrosis (OA), la cual se manifiesta mediante daño enzimático y mecánico de la matriz extracelular, que genera dolor y conduce a pérdida del movimiento e inestabilidad articular. El cartílago articular tiene una baja capacidad de reparación, por su avascularidad. El presente trabajo pretende realizar una aproximación a la ingeniería tisular del cartílago con el propósito de establecer la fundamentación teórica en el tema para comprender el comportamiento in vitro del tejido que permita a futuro construir un equivalente de cartílago mediante los procedimientos actuales de ingeniería tisular, que ofrezca respuesta a la problemática social y de salud pública. Las conclusiones del presente trabajo posibilitan futuras investigaciones en el campo de la regeneración de cartílago articular y su aplicación clínica e igualmente brindan las bases para plantear investigaciones in vivo o in vitro que profundicen en el tema.

The loss of a tissue or its function due to congenital defects, disease or trauma, is one of the major, frequent and expensive problems challenging the human medicine. The articular cartilage degeneration is known as osteoarthritis (OA), which is characterized by enzyme and mechanical damage of extracellular matrix, generating pain and lead to the loss of movement and articular instability. The articular cartilage has low repair ability due to its avascularization. The aim of present paper is to make an approach to cartilage tissue engineering to establish the theoretical basis on this subject to understand the tissue in vitro behavior allowing in the future, to construct a cartilage equivalent by means of current procedures of tissue engineering, offering a response to social problems and of the public health. Conclusions from present paper make easy futures researches in the field of articular cartilage regeneration and its clinical application and also, providing the bases to planning in vivo and in vitro researches to deepen in this subject.

Mathematical model of fibroblast migration process in ligament lesion

La migración y proliferación de fibroblastos es una de las etapas más importantes en el proceso de reparación del ligamento tras sufrir ruptura parcial de sus fibras, esguince grado II. La evidencia experimental muestra que en esta etapa se produce la nueva matriz extracelular y en ella, los fibroblastos responden de manera favorable a los estímulos mecánicos e incrementan la síntesis de colágeno, elastina, proteoglicanos y factores de crecimiento, lo cual mejora las propiedades biológicas y mecánicas del tejido. El objetivo de este trabajo es proporcionar un modelo matemático con fundamento en las ecuaciones de reacción-difusión para describir el proceso de migración y proliferación de los fibroblastos. El modelo propuesto está resuelto mediante el método de elementos finitos. Los resultados obtenidos simulan la hemorragia, congestión y edema del tejido en el momento de sufrir la lesión, la liberación de factores de crecimiento, la migración y proliferación de los fibroblastos y la formación de las nuevas fibras de colágeno.

Fibroblast migration and proliferation is one of the different and more important stages in ligament repair process after a partial rupture of its fibers, II degree sprain. Experimental evidence demonstrates that in this stage a new extracellular matrix is produced and there, the fibroblasts answer in a favorable way to mechanical stimuli and increase the collagen synthesis, elastin, proteoglycans and growth factors improving the tissue biological and mechanical properties. The aim of present paper is to provide a mathematical model based on reaction-diffusion equations to describe the fibroblasts migration and proliferation process. The model proposed is solved by means of the finite elements method. The results obtained simulate the hemorrhage, the congestion and tissue edema at moment of lesion, growth factor release, and fibroblast migration and proliferation as well as the formation of new collagen fibers.

Scaffolds implants for the bone regeneration.: Materials, techniques and modeling by means of reaction-diffusion systems

El presente trabajo hace una revisión de los biomateriales usados en implantes óseos y sus aplicaciones clínicas y propone la hipótesis que un sistema reacción-difusión puede ser usado para regular el porcentaje de porosidad, el tamaño de poro y la interconectividad de los mismos en cementos óseos inyectables. En la primera parte se describen los biomateriales en la ingeniería de tejidos óseos, en la segunda se detallan las propiedades mecánicas y geométricas necesarias para el proceso de regeneración ósea, en la tercera se explican los métodos de conformación y aplicación de implantes, en la cuarta se hace una revisión de las técnicas de modelado computacional aplicadas a los procesos de manufactura de implantes y al proceso de regeneración ósea y por último se propone la idea de que un sistema reacción-difusión puede servir para modular la porosidad de un cemento óseo inyectable.

The aim of present paper is to review of biomaterial used in bone implants and its clinical applications and also to propose the hypothesis that a reaction-diffusion system may be used to regulate the porosity percentage, the pore size and their interconnection in injectable bone cement. In the first part are described the biomaterial in the bone tissue engineering, in the second one, are detailed the mechanical and geometric properties needed for the bone regeneration process, in the third one are explained the implant conformation and application methods, in the fourth one we made a review of computation modeling techniques applied to implant manufacture process and the bone regeneration process and finally, we propose the notion that a reaction-diffusion system may to serve to modulate the porosity of a injectable bone cement.

Mechanobiology of ligament repair

Tras un período prolongado de recuperación, aproximadamente un año, el ligamento cicatrizado no alcanza las propiedades mecánicas ni las cualidades del ligamento normal, convirtiéndolo en un tejido susceptible de esguinces crónicos. Este hecho se asocia a la baja producción de colágeno y a la nueva orientación aleatoria de las fibras, lo cual ocasiona una distribución anormal de las cargas. Actualmente, es aceptado que la carga mecánica tiene efectos benéficos en la reparación del tejido, estimula la proliferación celular y producción de colágeno. Por ello, para entender cómo el tejido en reparación responde a los estímulos mecánicos, se recurre a la mecanobiología, un enfoque que describe los procesos de mecanostransducción en el tejido. Por tanto, el objetivo de este artículo es proveer una revisión sobre la mecanobiología y los factores que influyen en el proceso de reparación del ligamento tras sufrir una lesión.

After a lengthy period of recovery, approximately a year, the healed ligament neither achieve the mechanical properties nor qualities of a normal ligament becoming a tissue liable to chronic sprains. This fact is associated with a low production of collagen and to the new random direction of fibers, which leads to an abnormal distribution of stresses. Nowadays, it is accepted that mechanical load has beneficial effects on the tissue repair, to stimulate the cellular proliferation and the collagen production. Thus, to understand how the repairing tissue answers to mechanical stimuli, it is necessary to resort to mechanobiology, an approach describing the mechanotransduction in tissue. Thus, the aim of present paper is to provide a review on the mechanobiology and the factors influencing in repair process of ligament after a lesion.