Revista Cubana de Investigaciones Biomédicas

The mechanobiology and its impact on the development of biomedicine

Development of a biocomposite made up of tricalcium phosphate and chitosan to be used as bone substitute in an animal model

La investigación se trata de la obtención de un biocompuesto a partir de una matriz cerámica y un polímero, con el fin de utilizarlo como relleno óseo. Se mezcló la matriz cerámica, fosfato tricálcico Ca (OH)2 y quitosana, polímero de origen natural. En el estudio se realizaron pruebas preliminares de mezclas para escoger 4 tipos de biocompuestos (BC1, BC2, BC3, BC4), con diferentes proporciones de los elementos de la matriz cerámica. Se trabajó en la preparación del biocompuesto con un pH entre 6,5 y 8,5 y un tiempo de secado entre 7 y 20 min. Se seleccionaron las mezclas óptimas para analizar sus propiedades mecánicas a partir de la prueba de la resistencia a la compresión. Se determinaron los valores de pH, los cuales estuvieron en un rango de 7,05 y 7,6. Igualmente se hallaron unos tiempos de secado que oscilaron entre 7 y 15 min, la pasta mantuvo una temperatura constante de 25 ºC y consistencia moldeable, condiciones que son apropiadas para su utilización como sustituto óseo. La muestra que obtuvo mejores propiedades en cuanto a pH, temperatura y tiempo de secado fue seleccionada para ser implantada en tibias de conejo para determinar la respuesta histológica después de 60 días.

The research deals with the development of a biocomposite from a ceramic matrix and a polymer with the purpose of using it as bone filler. A mixture was made of the ceramic matrix, tricalcium phosphate Ca (OH)2 and chitosan, a polymer of natural origin. The mixtures underwent preliminary testing to choose 4 types of biocomposites (BC1, BC2, BC3, BC4) with varying proportions of ceramic matrix elements. The biocomposite was prepared at a pH between 6.5 and 8.5. Drying time ranged between 7 and 20 minutes. Optimal samples were chosen and their mechanical properties analyzed by means of compression resistance testing. PH measurements showed values between 7.05 and 7.6, and drying times ranged between 7 and 15 minutes. The paste remained at a constant temperature of 25 ºC and maintained molding consistency. These properties are required for use as bone substitute. The sample exhibiting the best pH, temperature and drying time values was chosen for implantation in rabbit tibiae to verify the histological response after 60 days.

Preliminary electromechanical formulation for bone formation in a remodeling process

En este artículo se propone un modelo de remodelación ósea que tiene en cuenta los estímulos mecánicos y eléctricos. Bajo estos supuestos, se obtiene la distribución de masa que depende de las cargas mecánicas y eléctricas. El trabajo coloca de manifiesto la importancia del campo eléctrico en el proceso de remodelación y, propone la cuantificación de sus efectos para obtener un modelo aplicable a nivel clínico.

A bone remodeling model is proposed which takes account of mechanical and electrical stimuli. Under these assumptions, a mass distribution is obtained which depends on mechanical and electrical loads. The paper reveals the importance of the electric field in the remodeling process, and proposes to quantify its effects with a view to obtaining a clinically applicable model.

Representation of the development of the primary spongiosa by means of a reaction-diffusion system: a hypothesis on the onset of immature bone formation. Part 1: Model description

Se presenta un modelo bioquímico que predice la formación de la arquitectura de la espongiosa primaria, a partir de la interacción de 2 factores moleculares: VEGF (factor de crecimiento endotelial vascular) y MMP13 (metaloproteinasas 13). Se supone que el MMP13 regula la degradación del cartílago y el VEGF permite la vascularización y el avance del frente de osificación mediante la presencia de osteoblastos. El acople de este conjunto de moléculas se representa mediante ecuaciones de reacción-difusión con parámetros en el espacio de Turing, y se obtiene como resultado un patrón espacio-temporal estable que da paso a la formación de las trabéculas presentes en el tejido esponjoso.

A biochemical model is presented which predicts the formation of the architecture of the primary spongiosa, based on the interaction of two molecular factors: VEGF (vascular endothelial growth factor) and MMP-13 (metalloproteinases-13). It is assumed that MMP-13 regulates cartilage degradation, and VEGF allows vascularization and the advance of the ossification front through the presence of osteoblasts. The coupling of this set of molecules is represented by means of reaction-diffusion equations with Turing space parameters, and a stable spatio-temporal pattern is obtained which leads to the formation of the trabeculae present in the spongy tissue.

Representation of the development of the primary spongiosa by means of a reaction-diffusion system: a hypothesis on the onset of immature bone formation. Part 2: Numerical implementation

Se presenta la implementación numérica del modelo bioquímico descrito mediante el sistema de reacción-difusión de la parte 1. De los resultados obtenidos se puede concluir que la retroalimentación química de los 2 factores moleculares a través de un sistema de reacción-difusión (RD) con parámetros en el espacio de Turing, puede explicar la aparición de los patrones espacio-temporales encontrados en la arquitectura de la espongiosa primaria. Para la solución numérica fue usado el método de los elementos finitos junto con el método de Newton-Raphson para aproximar las ecuaciones diferenciales parciales lineales. Los patrones de osificación obtenidos pueden representar la formación de la espongiosa primaria durante la osificación endocondral.

A presentation is made of the numerical implementation of the biochemical model described by means of the reaction-diffusion system in Part 1. Based on the results obtained it may be concluded that the chemical feedback of the two molecular factors by means of a reaction-diffusion (RD) system with Turing space parameters may explain the appearance of the spatio-temporal patterns found in the architecture of the primary spongiosa. For the numerical solution, use was made of the finite element method in combination with the Newton-Raphson method to approximate the linear partial differential equations. The ossification patterns obtained may represent the formation of the primary spongiosa during endochondral ossification.

Computational modeling of human bone development in the distal femoral growth plate

La elongación de los huesos largos se produce principalmente por la proliferación e hipertrofia de los condrocitos presentes en las placas de crecimiento. Bajo la hipótesis que el comportamiento de estas células depende de factores bioquímicos y mecánicos, este artículo presenta un modelo computacional por elementos finitos que simula el comportamiento de la placa de crecimiento del fémur distal humano. Se emplea un dominio bidimensional en el que se identifican las regiones de hueso trabecular metafisial y episifial que encierran a la placa de crecimiento y las regiones de cartílago inerte y columnar. La validación del modelo se realiza a partir de la histología correspondiente a la placa de crecimiento del fémur distal de un niño de dos años. Los resultados obtenidos demuestran que el modelo simula el crecimiento y el comportamiento de la placa metafisiaria regulada por su actividad celular y las cargas mecánicas.

Long bone elongation is mainly due to proliferation and hypertrophy of the chondrocytes in growth plates. Under the assumption that the behavior of these cells depends on biochemical and mechanical factors, a presentation is made of a computational finite element model simulating the behavior of the human distal femoral growth plate. A two-dimensional domain is used to identify the regions of metaphyseal and epiphyseal trabecular bone covering the growth plate and the inert and columnar cartilage regions. Model validation was based on the histology corresponding to the distal femoral growth plate of a two-year old boy. The results obtained show that the model simulates the growth and behavior of the metaphyseal plate as regulated by its cellular activity and mechanical loads.

Modeling of the hydrolytic degradation of a bone implant

Una de las áreas más importantes de la ingeniería de tejidos es la investigación sobre la regeneración y sustitución del tejido óseo. Para cumplir con estos requisitos, los implantes óseos han sido desarrollados para permitir la migración de las células, el crecimiento del tejido, el transporte de los factores de crecimiento y nutrientes y la renovación de las propiedades mecánicas. Los implantes están hechos de diferentes biomateriales y se han fabricado utilizando varias técnicas que, en algunos casos, no permiten un control total sobre el tamaño y la orientación de los poros que caracterizan a la microestructura del andamio. Desde esta perspectiva, se propone el uso de un sistema de reacción difusión para lograr las características geométricas de la matriz ósea. La validación de esta hipótesis se realiza a través de simulaciones de la geometría obtenida por un sistema de reacción-difusión junto con un modelo de degradación por hidrólisis en elementos tridimensionales representativos.

Research into bone tissue regeneration and substitution is one of the most important components of tissue engineering. In compliance with these requirements, bone implants have been developed which allow cell migration, tissue growth, the transport of growth factors and nutrients, and the renewal of mechanical properties. Implants are made of various biomaterials, and they have been manufactured using techniques which not always allow total control of the size and orientation of the pores involved in the microstructure of the scaffold. From this standpoint, a reaction-diffusion system is proposed for the achievement of appropriate geometric features in the bone matrix. The hypothesis is validated through simulations of the geometry obtained with a reaction-diffusion system and a model of hydrolytic degradation in three-dimensional representative elements.

Method to calculate angular measures of the distal radial articulation

La fractura del radio distal se puede presentar cuando se produce una compresión axial sobre la muñeca. Entre los tratamientos más comunes se encuentran el conservador (inmovilización con yeso) y el quirúrgico. Este último emplea placas y tornillos para la fijación de la fractura después de la reducción, sin embargo, debido a la anatomía compleja de la superficie articular, determinar la posición relativa de los tornillos con respecto a esta puede llegar a ser com,plicado. Para solucionar esto, se han empleado imágenes radiológicas estándar, en las cuales se determina la inclinación palmar y radial de la superficie articular. Con base en los ángulos obtenidos se inclina el antebrazo, de modo que al tomar la radiografía, los labios de la superficie articular queden superpuestos. Sin embargo, este método para determinar las inclinaciones resulta poco efectivo debido a que no se considera en su análisis la anatomía biplana simultáneamente con la bicóncava, del área articular. En este artículo se propone una metodología para hallar los ángulos que determinan la orientación de la superficie articular, empleando reconstrucción tridimensional a partir de imágenes de tomografía axial. Con estas inclinaciones será posible visualizar tangencialmente la superficie articular del radio distal, y así determinar la posición relativa de los tornillos de fijación respecto a esta superficie. Mediante el estudio de un caso, se encontró que la inclinación radial de la superficie articular en su totalidad era de 13° y la palmar de 6° con respecto a una línea perpendicular al eje central del radio. Esto difiere de lo hallado por otros autores que proponen un ángulo radial de 22° a 24° y palmar de 9° a 12°. Por otra parte, para la superficie que articula con el hueso semilunar se encontró una inclinación radial de 7° y una palmar de 10°; en tanto la fosa que está en contacto con el hueso escafoides se inclina radialmente 21° y palmarmente 8°, en el caso analizado.

A distal radial fracture may occur as a result of axial compression of the wrist. The most common treatments include the conservative approach (plaster cast immobilization) and surgery. In the latter procedure, plates and screws are used to fix the fracture after reduction. However, it may be difficult to determine the relative position of the screws with respect to the articular surface, due to the complex anatomy of this structure. To solve this problem, standard radiological imaging has been used to determine the palmar and radial tilt of the articular surface. Based on the angles obtained, the forearm is tilted in such a way that when the radiograph is taken the articular surface labia overlap. However, this method is not very effective to determine tilt, since the biplane and biconcave anatomy of the articular zone are not considered simultaneously. A methodology is proposed to find the angles determining articular surface orientation by means of three-dimensional reconstruction based on axial tomography imaging. Such tilt measurements will make it possible to obtain a tangential view of the distal radial articular surface and determine the relative position of fixation screws with respect to it. In a case study it was found that total radial tilt of the articular surface was 13° and palmar tilt was 6° with respect to a line perpendicular to the central axis of the radius. This outcome differs from findings by other authors, who propose a radial angle of 22° to 24° and a palmar angle of 9° to 12°. Additionally, for the surface articulating with the semilunar bone, radial tilt was found to be 7° and palmar tilt 10°, whereas in the fossa which is in contact with the scaphoid bone, radial tilt is 21° and palmar tilt 8° in the case analyzed.

Morphogenesis of dentinal tubules: a mathematical model

La diferenciación mesenquimal a odontoblasto es un proceso complejo que determina la formación de los túbulos dentinales. Este proceso involucra una cuidadosa y regulada secuencia de cambios en el comportamiento de las células mesenquimales, coordinados por la expresión de diferentes factores moleculares, entre ellos, principalmente, el Noggin y BMP2. En este artículo se simula la formación de los túbulos dentinales a partir de un modelo matemático de reacción difusión que es solucionado por el método de los elementos finitos.

Mesenchymal differentiation into odontoblasts is a complex process determining the formation of dentinal tubules. The process involves a carefully regulated sequence of changes in the behavior of mesenchymal cells, coordinated by the expression of various molecular factors, particularly Noggin and BMP2. In this paper the formation of dentinal tubules is simulated using a reaction-diffusion mathematical model solved by the finite element method.

On intramembranous ossification: an approach model for the calvaria

En este artículo se ha desarrollado un modelo de la aparición y ubicación de los centros primarios de osificación en la calvaria. Este es el primer modelo computacional que determina la ubicación de estas estructuras óseas del cráneo. Se describe un modelo de reacción-difusión de dos moléculas (BMP y Noggins) cuyo comportamiento es del tipo activador-sustrato y su solución produce patrones de Turing, que representan los centros primarios de osificación. Una vez más, el uso de ecuaciones de este tipo posibilita la explicación de fenómenos de morfogénesis antes no dilucidados por otro tipo de teorías, en este caso, teorías de osificación del cráneo. Este tema es de constante investigación, especialmente en la medicina ortopédica y pediátrica.

The paper deals with the development of a model for the appearance and location of primary ossification centers in the calvaria. This is the first computational model intended to determine the location of these cranial bone structures. A reaction-diffusion model is described of two molecules (BMP y Noggin) which behave as substrate activators. The solution produces Turing patterns representing primary ossification centers. Once again the use of these equations makes it possible to explain morphogenesis phenomena not elucidated by other theories, in this case cranial ossification theories. The topic is under permanent research, especially in the fields of orthopedic and pediatric medicine.

Computational models of articular cartilage behavior

El cartílago articular suministra a las articulaciones diartrodiales baja fricción, resistencia al desgaste en las superficies de contacto y distribuye los esfuerzos en las zonas donde se presenta contacto con el hueso; adicionalmente, es un tejido alinfático y avascular, razón por la cual su regeneración toma demasiado tiempo y en pacientes con avanzada edad no es posible realizarla. Con el propósito de estudiar y entender completamente el comportamiento del cartílago bajo diferentes condiciones de carga y en presencia de enfermedades como la osteoartritis, se han creado diferentes modelos computacionales que incluyen características propias de la estructura del tejido cartilaginoso que permiten predecir su comportamiento en condiciones normales y anormales, disminuyendo tiempos y costos de experimentación. Este artículo de actualización expone las principales características estructurales y biológicas del cartílago articular y presenta diferentes modelos computacionales que permiten modelar el tejido cartilaginoso de acuerdo con sus principales características y de esta forma simular el deterioro del cartílago bajo diferentes condiciones y enfermedades.

The articular cartilage provides diarthrodial articulations with low friction, resistance to wear on contact surfaces, and an effective distribution of efforts in areas of contact with the bone. On the other hand, because their tissue is alymphatic and avascular, regeneration takes a long time and is not possible in elderly patients. Various computational models have been developed to study and fully understand cartilage behavior under varying load conditions and in the presence of diseases such as osteoarthritis. The models include specific features of cartilaginous tissue allowing to predict its behavior in normal and abnormal conditions, reducing experimentation time and costs. This update paper presents the main structural and biological characteristics of the articular cartilage, as well as various computational models representing cartilaginous tissue according to its main features, with a view to simulating cartilage deterioration under varying conditions and diseases.

Bond graph methodology in biomedical applications

Se presentan las aplicaciones realizadas en el campo de la medicina y la biología usando la técnica gráfica de modelado conocida como gráficos de unión (bond graphs), con el objetivo de mostrar las diferentes formas en las que se han usado los gráficos de unión como herramienta para la obtención de modelos y simulaciones de sistemas biológicos. Para el análisis de los trabajos realizados por los investigadores se hace una clasificación de los campos de aplicación con el fin de tener una visión más clara de lo diversa que ha sido la adaptación de esta metodología. Asimismo se discuten las posibilidades aún no exploradas, es decir, se habla de la aplicabilidad de los gráficos de unión en campos adicionales a los tratados en las referencias.

The paper presents applications carried out in the field of medicine and biology using the graphical modeling technique known as bond graphs, with the purpose of showing the different ways in which bond graphs have been used to obtain models and simulations of biological systems. To approach the work done by researchers, a classification is made of the fields of application, so as to obtain a clearer view of the variety of adaptations undergone by the methodology. Possibilities not yet explored are also discussed, i.e. comments are included on the applicability of bond graphs to fields other than those mentioned in the references.