Aplicación de células madre en implantes dentales

Aplicación de células madre en implantes dentales

Diferenciación de células madre 

La diferenciación es una de las fases más importantes del proceso de regeneración de tejidos, debido a que depende de esta fase el rumbo que puedan tomar las células madre mesenquimales, es decir, a qué tipo de células darán origen, existen diversas posibilidades como: células de origen mesodérmico como condrocitos (Pittenger & cols, 1999), osteoblastos (Pittenger & cols, 1999) (Rodríguez-Lozano & cols, 2012), adipocitos (Pittenger & cols, 1999), mioblastos (Wakitani & cols, 1995), células de tendón (Altman & cols, 2002), odontoblastos (Gronthos & cols, 2000), (Miura & cols, 2003) y cementoblastos (Kemoun & cols, 2007). Hace unos años se pensaba que las células adultas solo podían diferenciarse en un solo tipo de célula, sin embargo con los años se demostró que después de un proceso a una célula adulta se le puede inducir pluripotencialidad.

Las células madre pluripotentes inducidas (induced pluripotent stem cells, células iPS)  son células somáticas adultas reprogramadas hacia un estadio pluripotente similar al de las células madre embrionarias (embryonic stem cells, ESC). Este descubrimiento ha generado gran expectativa dado el potencial de estas células en la comprensión y tratamiento de un amplio rango de enfermedades y ha aumentado, asimismo, el interés por los mecanismos implicados en la reprogramación del núcleo celular.

La manera más directa de inducir pluripotencia es mediante la transducción de células somáticas con factores de transcripción capaces de producir la reprogramación del núcleo celular. En el trabajo pionero de Takahashi y Yamanaka (2006), se identificaron cuatro factores que eran suficientes para inducir pluripotencia en fibroblastos: Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc (OSKM).

INFECCIÓN CON VECTORES LENTIVIRALES O RETROVIRALES

Uno de los métodos no integrativos más prometedores se basa en la utilización del virus Sendai. El sistema provisto por el Cyto Tune –iPS Reprogramming System se basa en la utilización de SeV replicación-incompetente para la expresión efectiva de los factores de reprogramación en células somáticas. El kit utiliza virus que son no-integrativos y permanecen en el citoplasma.

Figura 1:Vectores de diferenciación

Representación esquemática de los ciclos de vida de los SeV no integrativos (izq) y de otros vectores virales integrativos (der). Figura modificada de la guía de usuario CytoTuneTM-iPS Reprogramming Kit.

METODOLOGÍA

Las células somáticas humanas se infectan durante aproximadamente 16 horas con concentrados virales (sean lentivirus, retrovirus o virus Sendai) que contienen los cuatro vectores OSKM. 1 a 7 días después de la infección, las células se plaquean sobre un sostén celular de fibroblastos humanos irradiados (HFF) con medio de cultivo específico para ESC humanas, que se cambiará cada 48 horas. Aproximadamente 15-25 días después, se pueden observar colonias con una morfología similar a ESC que se pasarán cada una de ellas manualmente a placas con soportes celulares de HFF. Tras ser expandidas se caracterizan mediante detección de marcadores de pluripotencia y capacidad de diferenciación[1].

1.1. Aplicación de células madre iPS

La reprogramación celular nos permite convertir cualquier célula del cuerpo en una célula madre. Su descubrimiento en el 2006 sorprendió a muchos científicos y cambió la manera de pensar sobre el funcionamiento de las células. La reprogramación celular ha abierto excitantes posibilidades para estudiar y tratar enfermedades.

El descubrimiento de las iPS

En 2006, Shinya Yamanaka hizo un descubrimiento sorprendente que le llevó a ganar el Premio Nobel en Fisiología o Medicina tan solo 6 años después: encontró una nueva manera de “reprogramar” células especializadas adultas para convertirlas en células madre. Éstas células madre de laboratorio son pluripotentes (pueden dar lugar a cualquier tipo de célula del cuerpo) y se llaman células madre pluripotentes inducidas, o células iPS. Sólo las células madre embrionarias son de naturaleza pluripotente. El descubrimiento de Yamanaka significa que cualquier célula del cuerpo en división puede ahora convertirse en una célula madre pluripotente.

Entonces, ¿Cómo se obtienen estas células iPS? Yamanaka añadió cuatro genes a células de la piel provenientes de ratón. Este hecho inició un proceso en el interior de las células llamado reprogramación y, en un periodo de 2-3 semanas, las células de la piel se transformaron en células madre pluripotentes. Ahora, los científicos pueden también hacer esto con células humanas, añadiendo incluso menos de cuatro genes.

Células iPS y células madre embrionarias

Las células iPS y las células madre embrionarias (células ES) son bastante similares. Son capaces de renovarse a sí mismas, es decir, pueden dividirse y producir copias de sí mismas indefinidamente. Ambos tipos de células madre pueden ser usadas para obtener casi cualquier tipo de célula especializada bajo unas condiciones controladas en el laboratorio. Las células iPS y las células madre embrionarias pueden ayudar al entendimiento de cómo las células especializadas se desarrollan a partir de células pluripotentes. En el futuro, estas células podrían también suponer un suministro ilimitado de células y tejidos de reemplazo para muchos pacientes con enfermedades actualmente incurables.

Al contrario de las células madres embrionarias, obtener células iPS no depende del uso de células de un embrión temprano. ¿Hay otras diferencias? Investigaciones recientes indican que algunos de los genes en las células iPS se comportan de manera diferente a aquellos que encontramos en las células madre embrionarias. Esto se debe a la reprogramación incompleta de las células y/o a los cambios genéticos adquiridos por las células iPS cuando crecen y se multiplican. Los científicos están estudiando esto en más detalle para descubrir cómo estas diferencias pueden afectar al uso de las células iPS en investigación básica y aplicaciones clínicas. Es necesario una investigación más exhausta para entender cómo se produce la reprogramación dentro de la célula. Así que en este momento, muchos científicos creen que no se pueden reemplazar las células ES por las iPS en la investigación básica.

Figura2:Diferenciación y uso de células iPS

Células iPS – desarrollo y aplicaciones: Ciertos genes pueden ser introducidos en células adultas para reprogramarlas. Las células iPS resultantes se parecen a las células madre embrionarias y pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula para estudiar.

Células iPS y enfermedad

Un importante paso en el desarrollo de una terapia para una enfermedad determinada es el conocimiento exacto de cómo funciona dicha enfermedad: ¿qué funciona mal exactamente en el cuerpo? Para hacer esto, los investigadores necesitan estudiar las células o los tejidos afectados por la enfermedad, pero esto no es siempre tan simple como suena. Por ejemplo, es casi imposible obtener células cerebrales genuinas de pacientes con la enfermedad de Parkinson, especialmente en estadíos tempranos de la enfermedad antes de que el paciente desarrolle algún síntoma. La reprogramación celular significa que los científicos pueden ahora acceder a un gran número de neuronas de un tipo particular (células cerebrales) que están afectadas por la enfermedad de Parkinson. Los investigadores primero generan células iPS a partir, por ejemplo, de biopsias de piel de pacientes con Parkinson, y luego usan éstas células iPS para producir neuronas en el laboratorio. Las neuronas tienen el mismo fondo genético que las células de los propios pacientes. Así, el científico puede trabajar directamente con neuronas afectadas por la enfermedad de Parkinson en una placa y estudiar qué va mal en las células y porqué. Los modelos celulares de enfermedades como este pueden también usarse para buscar y testar nuevos fármacos para tratar o proteger a los pacientes contra la enfermedad.

Futuras aplicaciones y retos de las células iPS

La reprogramación celular tiene un gran potencial para el desarrollo de nuevas aplicaciones médicas, como las terapias de reemplazamiento celular. Como las células iPS provienen del propio paciente, pueden ser usadas para cultivar células especializadas que son completamente compatibles con el paciente y que no serán rechazadas por el sistema inmune. Si el paciente tiene una enfermedad genética, el problema genético puede ser corregido en sus células iPS en el laboratorio, y utilizarse para producir una remesa de células especializadas sanas específicas de paciente para transplante. Pero su beneficio es solo teórico por ahora.

Hasta hace poco, generar células iPS implicaba cambios genéticos permanentes en el interior celular, lo que podía causar la formación de tumores. Los científicos han desarrollado ahora métodos para generar células iPS sin esta modificación genética. Estas nuevas técnicas son un paso importante hacia la generación de células especializadas derivadas de iPS de forma segura para su uso en pacientes. Una investigación más exhaustiva es ahora necesaria para el completo entendimiento de cómo funciona la reprogramación celular y cómo las células iPS pueden ser controladas y producidas de la forma más consistente posible para alcanzar los requerimientos de seguridad y alta calidad para su uso en la clínica. (Hadenfeld, Peitz, & Pusch, 2012)

     II.            Implantes dentales y células madre

2.1.  ¿Qué son los implantes dentales?

Se denomina implante dental al dispositivo o unidad protésica que tiene como función reemplazar a un diente, parcial o totalmente, y que está constituido de un material biológicamente inerte (biocompatible), como el titanio o el óxido de zirconio. La biocompatibilidad es importante para que los tejidos vivos acepten el implante dentro del cuerpo humano e implica que haya ausencia de corrosión, deterioro del material, respuestas inflamatorias no deseables, muerte del tejido

adyacente al implante, aumento de anticuerpos, mutación celular, aparición de células cancerígenas, entre otros aspectos.

Figura 3: Comparación diente-implante (Navarro, s.f.).

Dada la amplia variedad de implantes dentales actuales, estos pueden agruparse en dos grandes grupos: endo-óseos y yuxta-óseos.

Tipos de implantes:

2.1.1.        Implantes dentales yuxta-óseos:

Introducidos en 1940, estos implantes no penetran el hueso sino que recubren su superficie. Son puestos bajo la mucosa, reposando sobre el maxilar o la mandíbula. Dado que son elementos metálicos hechos a medida, requieren un trabajo previo de laboratorio de prótesis, pues se desarrollan a partir de modelos del maxilar. Generalmente, están hechos en aleaciones de cromo, cobalto y molibdeno, y en ocasiones están recubiertos de cerámica o carbono.

Figura 4:Implante subperiósticos o yuxta-óseo (Navarro, s.f.).

Están recomendados para pacientes cuya altura ósea es demasiado poca como para poner un implante endo-óseo y no puede usarse las dentaduras convencionales.

2.1.2.        Implantes dentales endo-óseos:

Todos aquellos implantes que para su introducción es necesario despegar la mucosa oral y penetrar la estructura ósea del paciente, son denominados implantes endo-óseos. Estos implantes pueden ser de material metálico, cerámico, carbón vitrificado, material orgánico o material semi-biológico. Los implantes dentales endo-óseos pueden clasificarse en cuatro grupos: cilíndricos, roscados, a lámina y de cresta delgada.

2.1.2.1.   Implantes endo-óseo cilíndricos:

Los más usados presentan aspecto de tornillo, con una superficie roscada que aumenta la superficie de contacto entre el implante y el hueso. También se encuentran los de superficie no roscada cubierta de hidroxiapatita[2], estos presentan perforaciones que tienen como objeto la mejora de la osteointegración en la interfase hueso-implante. Con esto se ocasiona que el hueso se desarrolle en el interior del implante y se fije por retención mecánica. Dado el lento proceso que esto implica, no son muy usados.

Figura 5:Implante endo-óseo de tornillo (Navarro, s.f.).

2.1.2.2.   Implantes endo-óseos a lámina:

Ideado por L. Linkow, presentan la gran ventaja de evitar una segunda intervención, llegando a terminar su colocación en una sola sesión. Son especialmente recomendados para reemplazar incisivos del maxilar superior, siempre que el hueso sea bastante ancho y profundo, aunque en ningún caso se recomienda su uso para pacientes con edentación[3] total de maxilar superior o inferior.

Figura 6:Implante dental laminado (Navarro, s.f.).

2.1.2.3.   Implantes endo-óseos de cresta delgada:

Ideados por M. Cherchève, requiere de menos instrumentación y suele no presentar peligros para el paciente, dada su mayor facilidad de instalación. La cabeza del fuste, es decir el pilar donde se fija la prótesis, tiene buenas condiciones de apoyo en el hueso cortical y de inserción por sellado, sin necesidad de emplear algún cemento o resina.

Figura 7:Implante de cresta delgada (Medicina & Prevencion, 2015).

2.2.  Aporte de las células madre en los implantes dentales

La problemática de los implantes dentales desde su origen fue la fijación de estos, por ello surgió la idea del apoyo de los implantes con la oseointegración, pero los seres humanos seguimos siempre con una constante investigación por ello surge la idea también de utilizar células madre en este proceso, debido a que se podría regenerar parte del periodonto o algún tejido que le pueda dar un sostén muy expectante. Sin embargo la inclusión de células madre generó todo un debate ético debido a su localización y a las creencias antiguas de la localización de estas únicamente en embriones, hace muchos años atrás diversos científicos comenzaron a dar diferentes soluciones para su localización en lugares fácilmente ubicables y accesibles como en la pulpa dental (Gronthos & cols, 2000), ligamento periodontal, (Gronthos & cols, 2000) dientes deciduos (Miura & cols, 2003), periostio (Nakahara & cols, 1991), membrana sinovial (Bari & cols, 2001), músculo (Bosch & cols, 2000), grasa (Zuk & cols., 2002), dermis (Young & cols., 2001), y hueso trabecular (Tuli & cols., 2003). Pero en el año 2012 el Dr. Mao de la Universidad de Columbia realizó un estudio con la colaboración de diversos especialistas en el tema y llegó a la conclusión de que la localización de las células madre mesenquimales de la pulpa dental las cuales poseen el mayor porcentaje de éxito durante el proceso, no es tan fácil debido a que “pueden no estar disponibles en un paciente que está en necesidad de terapia de regeneración de pulpa / dentina. Incluso si se dispone de células madre de pulpa dental autóloga o quizás allogeneically, hay que abordar una multitud de científicos, barreras regulatorias y de comercialización, ya menos que se resuelvan estas cuestiones, trasplante de células madre de pulpa dental seguirá siendo un ejercicio científico, en lugar de una realidad clínica. Estas barreras incluyen el aislamiento celular, manipulación ex vivo con el potencial para cambiar el fenotipo celular, y cuestiones de seguridad incluyendo inmunorrechazo, potencial la contaminación, la transmisión de patógenos y la tumorigénesis. Costes excesiva asociada con todo de éstos, además de transporte, almacenamiento, manejo de asuntos y temas regulatorios incluyendo vía clara e incapacidad general para asegurar la consistencia de lote a lote en la calidad celular, abarrotado de preguntas multidimensionales para la viabilidad de este enfoque.” (Regenerative Endodontics: Barriers and Strategies for Clinical Translation). (Mao, y otros, 2012)

Sin embargo el Dr. Jeremy Mao ideó una técnica en la que los implantes podrían cultivarse en un alveolo dentario (divisiones en compartimentos que presenta el hueso alveolar donde van insertados los dientes, separados entre sí por un tabique inter-alveolar óseo) vacío, justo dentro de la boca del paciente.

El Dr. Jeremy Mao comenzó la construcción de un sacaffold en forma de diente de materiales naturales microchannelled, infundido con un factor de crecimiento. En un estudio en animales, colocó esa estructura en alveolo dentario vacío de un destinatario, a continuación, colocó células madre en el scaffold. El resultado no sólo se obtuvo en el crecimiento de una nueva estructura de diente, sino también en la regeneración de ligamentos periodontales y la formación de nuevo hueso alveolar.

El Dr. Mao cree que un diente completo podría ser cultivado en tan sólo nueve semanas. Anteriormente, como "diente de crecimiento" habría requerido el uso de células madre recolectadas, y tendría que hacerse en un entorno externo, tal como una placa de Petri. Al crecer dentro de la cavidad del diente, el implante se integra con el tejido circundante de una manera que de otra forma sería imposible. Debido a que está hecho logra que de las propias células del receptor, se regenerara de forma continua e incluso podría durar toda su vida.

La investigación de la Universidad de Columbia podría significar la diferencia para ciertos pacientes. "Una consideración clave en la regeneración de dientes es encontrar un enfoque rentable que puede traducirse en terapias para pacientes que no pueden pagar o que no son buenos candidatos para los implantes dentales," dijo el Dr. Mao. "La regeneración de dientes a base de células-homing puede proporcionar una vía tangible hacia la traducción clínica”.

Figura 8: Scaffold (Dr. Mao)

En el año 2015 se realizó un experimento similar pero en cerdos bebé, es decir, se aislaron células madre dentales a partir de yema de dientes de cerdos bebé.”La citometría de flujo reveló que la mayoría de las células proliferantes fueron positivas para marcadores de superficie de células madre, incluyendo CD105, CD29, CD44, CD71. Estas células madre dentales fueron luego sembradas en gel de agarosa biodegradable para autoinjerto en varias áreas del hueso de la mandíbula. Cerdos bebé con los brotes de dientes removidos sin el trasplante de células madre dentales sirvió como control. Después de un año, se formaron coronas del diente bien diferenciado y vaina radicular en mini cerdos en el grupo experimental. El diente formado por las células madre dentales trasplantados en el hueso alveolar fue similar en tamaño a la corona original de diente (aproximadamente 2 cm x 2 cm x 2 cm). Los dientes formados por las células madre dentales trasplantados bajo las raíces de los dientes anteriores y en el área de hueso cortical eran más pequeñas. En el grupo control, se observó el espacio donde el brote diente se extrajo sin trasplante de células a ser cerrado por el movimiento hacia adelante de los dientes posteriores. El análisis histológico mostró las estructuras del esmalte, dentina y pulpa en la corona del diente regenerado. El análisis inmunohistoquímico de amelogenina, colágeno tipo I y el hueso sialoproteína esmalte confirmado y la formación de la dentina. Estructuras esmalte y la dentina en el diente regenerada también se identificaron mediante microscopía electrónica de barrido. Estos hallazgos demuestran un modelo de éxito de la regeneración de dientes a partir de células madre dentales en mini cerdos. Además, el medio ambiente local y espacio disponible también afectan significativamente el grado de regeneración de los tejidos. Nuestro estudio demuestra la viabilidad de usar las células madre dentales para la regeneración de dientes en aplicaciones clínicas.”(TOOTH REGENERATION WITH DENTAL STEM CELL RESEARCH IN MINIATURE PIG MODEL) (Tzong-Fu & J. Taiwan Vet , 2015)

 By Elias Castañeda Granda.

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[1] “Reprogramación y Diferenciación Celular”. http://www.inbiomed.org/Index.php/plataformas_tecnologicas/reprogramacion_celular; 2014.

[2] El mineral hidroxiapatita (Ca₁₀ (PO4)₆ (OH)₂), constituye entre el 60% y 70% del peso seco del tejido óseo. De hecho, el esmalte dental contiene este mineral, de ahí su importancia en el uso de implantes dentales.

[3] Ausencia de dientes.

Colaboración con maestría: EFECTOS DE LA VARIACIÓN DEL VERTICAL DE BRACKETS LINGUALES SOBRE EL TORQUE Y ESTRÉS EN EL LIGAMENTO PERIODONTAL

Colaboración con maestría: EFECTOS DE LA VARIACIÓN DEL VERTICAL DE BRACKETS LINGUALES SOBRE EL TORQUE Y ESTRÉS EN EL LIGAMENTO PERIODONTAL

Introducción
Cuando una persona padece defectos y deformidades en los dientes se le suele aplica aparatos de ortodoncia para corregirlos y alinearlos. Su función es realizar presión continuamente sobre ellos durante un tiempo para acomodarlos. Sus resultados son excelentes, una dentadura alineada y perfecta es la que se luce después de quitarlos.
Poseer deformaciones y defectos en los dientes no es solamente cuestión de estética, sino también juega un papel muy importante en la salud, ya que con una dentadura con estas características no es fácil de limpiar y de mantener una higiene bucal completa y correcta. Suele suceder que el cepillo no llega para remover la placa que se sitúa en algunas zonas de las piezas dentales encimadas o deformadas. Además, también con este problema se dificulta con la fonación.

El tiempo en que se tiene que llevarlos puestos depende del caso de la persona y de la técnica de ortodoncia que elija.

Video como se mueven los dientes con brackets:

¿Qué es la ortodoncia lingual?
Consiste en colocar todos los brackets por la cara interna de los dientes (por dentro), quedando libres de aditamentos las superficies vestibulares (por fuera), para así ocultar aún más el tratamiento con el fin de que pase inadvertido a simple vista.

Evidentemente, los brackets que se utilizan en la ortodoncia lingual son algo más pequeños que los tradicionales, ya que el espacio en la cara interior de los dientes es menor y si no fuera así se producirían rozaduras.
Ventajas
No se ven.
Se puede evitar los huecos si son necesarias extracciones.
Precisión.
Más seguros.
Desventajas
Que este tipo de aparatos tienen un precio más elevado que los otros.
La duración en la colocación es de un largo tiempo, ya que como es una zona incómoda donde se debe colocar los brackets llevará muchos más trabajo y cuidado para hacerlo correctamente.
Se dificulta un poco más para pronunciación de las palabras.

Problemática

Los errores en el posicionamiento de brackets de arco recto son unos de los problemas actuales más comunes en ortodoncia. Inclusive, aun encontrándose bien posicionados, las variaciones anatómicas y la gran irregularidad de la superficie lingual pueden afectar a la expresión del torque.
Con la realización del modelo de elementos finitos (MEF) será posible analizar la biomecánica del movimiento dentario de una forma precisa y no invasiva, brindando información detallada y cuantitativa de los cambios producidos frente a la aplicación de las diferentes fuerzas ortodónticas.

Objetos de Estudio:
Segunda premolar superior e Incisivo central superior

Ligamento periodontal

Objetivos específicos
Determinar los efectos de la variación del posicionamiento vertical del bracket lingual sobre la expresión del torque en un incisivo central superior.
Determinar los efectos de la variación del posicionamiento vertical del bracket lingual sobre la expresión del torque en una segunda premolar superior.
Determinar los efectos de la variación del posicionamiento vertical del bracket lingual sobre el estrés en el ligamento periodontal en un incisivo central superior.
Determinar los efectos de la variación del posicionamiento vertical del bracket lingual sobre el estrés en el ligamento periodontal en una segunda premolar superior.
Resultados
El presente estudio permitirá evaluar y cuantificar el grado de variación del torque, al modificar la posición vertical de los brackets linguales, así como los cambios de estrés en el ligamento periodontal que se producen.
La evaluación del estrés generado en el ligamento periodontal, permitirá tener un mayor conocimiento de los cambios en las zonas de tensión y compresión involucrados en el movimiento dentario.
Fases del proyecto
Segmentación de las imágenes DICOM por medio del software Mimics.
Modelado y simulación por medio del software de elementos finitos(MEF) SolidWorks.
Avance segmentación Mimics

By Irvin Castillo

PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMÁGENES MÉDICAS

PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMÁGENES MÉDICAS:
En la actualidad, cada vez se está haciendo más común el uso de la visualización científica en varios campos de la vida humana. Ha crecido el número de imágenes que se obtiene para caracterizar la anatomía y funciones del cuerpo humano. Cada vez son más los médicos que cuentan con tecnología de procesamiento de imágenes para sus estudios en pacientes y se familiarizan con estos avances para obtener una investigación médica más rápida y un diagnóstico mejor elaborado y con alto grado de certidumbre. Los costos de procesamiento digital de alta calidad han disminuido constantemente.
En medicina, debido a la complejidad de visualización de la información en los datos, pueden ser agrupados en generaciones de sistemas de visualización:

• Primera generación: ondas unidimensionales. Ejemplo: Sistemas de monitoreo de pacientes (electrocardiograma, presión arterial, entre otros).
• Segunda generación: Procesamiento y despliegue de imágenes bidimensionales. Ejemplo: líneas de contorno y estacks de contornos. 
• Tercera generación: Procesamiento y visualización tridimensional. Se debe manejar gran cantidad de información requerida para realizar técnicas de iso-superdicie y rendición de volumen.
• Cuarta generación: Procesamiento de datos multidimensionales (4D)

Como ya se mencionó anteriormente, el procesamiento de imágenes médicas ha tomado mucha importancia estos últimos años y sigue creciendo e innovando. Las imágenes son obtenidas en formato análogo por lo cual es necesario digitalizarlas para su proceso. Estas son algunas:

• Radiografías

• Ultrasonido

• Tomografía Axial Computarizada

• Imagen de resonancia magnética

• Fotografía convencional

Se siguen unos pasos específicos en el proceso de proyección de imagen médica:

• Modelado: Creación de los modelos gráficos y/o matemáticos de los sistemas que son estudiados
• Visión: Exploración de métodos y algoritmos para el proceso de imagen, el análisis y la comprensión
• Visualización: Investigación y conversión de representaciones que son visualmente significativas y altamente interactivas.
• Interpretación: Interpretar de los resultados obtenidos para extraer la información solicitada.

Hay varios software que se utilizan para este procedimiento. La Universidad de Piura trabaja con el Software Mimics de la empresa Materialise. En los próximos post podrás encontrar más información sobre este interesante tema, así como los diferentes softwares a usar o algunos de los proyectos que ha desarrollado la Universidad de Piura.


 Dr. José Selman R., “Aplicaciones clínicas del procesamiento digital de imágenes médicas”, Departamento de Neurocirugía Clínica Los Condes, http://www.clc.cl/clcprod/media/contenidos/pdf/med_15_3/aplicacionesclinicas.pdf, abril 2004, vol.II.
 “Procesamiento digital de Imágenes Médicas”, Universidad Politécnica de Madrid, http://www.elai.upm.es/webantigua/spain/Investiga/GCII/areas/Procmedicas/indexesp.html.

By Shayuri Lizano.

Actualidad de Implantes de Cadera

Actualidad de Implantes de Cadera 

1.1.Introducción.

La aplicación de las prótesis femorales se encuentra muy extendida a nivel mundial, ya que es la solución más eficaz para el reemplazo de la articulación en la cadera dañada, mejorando así el estilo de vida de las personas, pudiendo recuperar de manera eficiente la movilidad de dicha articulación.

A lo largo de los años se han venido generando mejoras en los diseños de las prótesis intramedulares, desde el punto de vista del diseño y de los materiales para, así, llegar a obtener un modelo que proporcione al paciente un tiempo de vida útil adecuado.

Lo relativo de este tiempo de vida útil adecuado, es que no es muy apto para adultos jóvenes, los cuales se deben de someter a una  segunda operación para un cambio de prótesis, debido a que su edad conlleva a una mayor actividad física.

Es por esto que se propondrá un diseño extramedular, el cual al no ser completamente invasivo podrá tener un tiempo de vida mucho más elevado, beneficiando a los usuarios adultos jóvenes ⁽¹⁴⁾. 

Complementando el estudio de los diseños y la fabricación con métodos nuevos, aplicando tratamiento de imágenes tomográficas y aplicación de Softwares CAD/CAM/CAE para la optimización de este proceso.

1.2.Historia de las prótesis femorales.

El primer gran avance ocurre cuando Smith-Petersen, en 1923⁽¹⁾, proponiendo una alternativa para solucionar el desgaste de la cabeza femoral, diseñó una cúpula como recubrimiento a la cabeza del fémur reemplazando la superficie dañada.

Para la fabricación de dicha cúpula probó con una variedad de materiales, tales como: la celulosa, pirex y baquelita, los cuales tuvieron diversas complicaciones de biocompatibilidad y fragilidad, por lo que fueron descartados. No  fue hasta el desarrollo del vitalium⁽²⁾ en 1938 cuando se llegó a un material con el cual los implantes ofrecían una duración suficiente.

Gracias al aporte este material, fue que en 1938  Philip  Wiles⁽³⁾ realizó  del  primer  reemplazo  de  cadera donde utilizó una prótesis con cúpula acetabular  y componente femoral sujetados con tornillos, siendo estala primera prótesis no cementada, es decir que no necesitaba de un aditamento para adherirse al fémur.

 Figura 01, Cúpula de Vitalium Smith-Petersen[1]

Figura 02, Diseño de prótesis de Philip  Wiles [3]

Luego del punto de referencia de Philip Wiles, los hermanos Judet, en 1952 desarrollaron un nuevo implante de cabeza femoral que contaba con un vástago dentro del cuello femoral, el problema que se tuvo fue que se utilizó material acrílico (metilmetacrilato termofraguado), lo cual evidenció que se generaba la fragmentación del material acrílico con el desgaste resultante lo que condujo a unas reacciones perjudiciales en los tejidos, incluyendo destrucción ósea.

Figura 03. Prótesis original de los hermanos Judet de material Acrílico.[1]

El siguiente adelanto en el desarrollo de prótesis femorales fue el diseño de prótesis metálicas con vástagos medulares (intramedulares) de fijación esquelética. Los dos modelos más populares fueron desarrollados en Estados Unidos por Fred Thompson en 1950 y A.T. Moore en 1952.⁽¹⁾

Este aumento del vástago fue diseñado para que la fuerza en la prótesis se transmita a lo largo del eje del fémur, a comparación con la prótesis desarrollada por los hermanos Judet la cual generaba fuerzas de cizallamiento en el cuello femoral.

Fig. 04. Comparación entre los implantes de (a) acrílicos de los hermanos Judey y (b) metálicas con vástagos medulares para la fijación esquelética [1]

 Estos nuevos dispositivos intramedulares y a la vez no cementados basaron su fijación en la presión generada en el canal medular. Otra característica fue que el diseño del vástago femoral de Moore presentaba unos agujeros en la parte superior para permitir el crecimiento óseo en su interior aumentando así su fijación ósea.

Figura 05. Prótesis de (a) Fred Thompson y (b) A.T. Moore [1]

Basándose en los diseños de Thompson y Moore;  G.K. McKee -  Farrar y Ring mejoraron sus diseños. En 1953 McKee se sorprendió del diseño que Thompson propuso lo cual, llevándolo a su país, desarrolló un diseño de cotilo sin cementar con superficie articular metálica adaptado al sistema del vástago de Thompson⁽¹⁾ hechas de acero. Farrar en 1965 investigo a cerca del vástago de la prótesis haciéndolo más delgado, fue lanzando al mercado como la prótesis de McKee-Farrar.

Seguido a este avance, Ring en 1964 presentó un nuevo diseño el cual tenía un cotilo sin cementar y atornillado a la cadera y se basó en el diseño ce Moore presentando su prótesis unos agujeros propicios para el crecimiento de tejido óseo.

 Figura 06. Prótesis McKee-Farrar. [1]

Figura 07. Prótesis Ring. [1]

Estos avances en los diseños de las prótesis fueron muy fructíferos ya que llevaron a que en los años sesenta, Sir Jhon Charnley demostrara que era posible colocar implantes metálicos fijados con polímeros acrílicos creando así la generación de las prótesis cementadas.  La aplicación en su diseño del Polimetilmetacrilaro o PMMA, fue un logro muy bueno ya que este sistema de fijación fue adoptado desde entonces por casi todos los cirujanos como método de fijación de los componentes protésicos.

Otro alcance de su diseño fue que dejo de usar la Junta metal – metal ya que introdujo materiales plásticos en la parte acetabular reduciendo la fricción y acercándola más a la existente entre las articulaciones normales.

Figura 08. Prótesis Sir Jhon Charnley. [1]

En la Actualidad se han venido innovando en los diseños, por ejemplo, las prótesis no cementadas se  recubren con  hidroxiapatita,  que estimula  el crecimiento de tejido óseo, generando una  fijación  a  largo  plazo por el proceso de osteointegración. A la vez con diseños con superficies porosas las cuales ayudan a la fijación de las prótesis pudiendo crecer tejido óseo  en dichas porosidades En las prótesis sementadas la mejora del “cemento” para mejorar la fijación y el tiempo de vida útil.

Se han venido generando diversos diseños por medio de herramientas CAD/CAM/CAE por las cuales se pueden realizar mejoras a los diseños. Dichas mejoras van desde el ámbito de dimensionamiento y estructura, hasta el diseño de prótesis personalizadas, diseñadas para pacientes específicos, haciendo diversos análisis para mejorar la durabilidad de la prótesis.

Figura 09. Aplicación de CAD/CAMC/CAE en diseños de prótesis de cadera.[9]

Otra innovación en la actualidad viene representada por la implantación de células madre⁽⁶⁾ en la estructura de la prótesis, la cual por medio de la diferenciación celular se puede generar tejido óseo, pudiendo mejorar la vida útil de las prótesis, llegando a preservarla por toda la vida del paciente.

Ahora la aplicación de las prótesis extramedulares es otro tipo de innovación la cual puede permitir, según el estudio de este trabajo, una mejor adaptación al paciente ya que es mucho menos invasiva al fémur, lo contradictorio de este tipo de prótesis es su baja difusión y su muy poco estudio.

1.3.Problemática.

La decisión de llegar a la implantación de una prótesis de cadera, viene determinada por el caso del paciente, en las cuales las razones más representativas son: la artrosis degenerativa en la cabeza femoral, que normalmente afecta a personas mayores de edad. Y la fractura del cuello femoral, que  afecta a personas de diversas edades; es decir que no está predispuesto a solo un grupo de personas de una edad definida, sino que cualquier persona está propensa a sufrirlas. Las mencionadas causas generan un dolor intenso al paciente, Por lo tanto llegar a realizar una artroplastia total, mejora su calidad de vida.

Figura 10. (a) Artrosis en cabeza Femoral, (b) Fractura del cuello femoral.

Conociéndose los factores principales para realizar una artoplastoplastía total de cadera, se considera que el caso más perjudicial es el de los adultos jóvenes a los cuales el tiempo de vida útil de la prótesis no es el suficiente para el resto de su vida, enfrentándose a una futura segunda operación para  una renovación de la prótesis. Además del ritmo de vida de los mencionados pacientes, la cual requiere una actividad física mucho más activa hace que la probabilidad de falla de la prótesis sea mayor. ´

Otra gran problemática es la remodelación ósea, un problema biológico  que genera a lo largo del tiempo  que la pared del hueso disminuya, lo cual perjudica en la fijación de la prótesis, Pudiendo llegar a generar la fractura del fémur.

Otro problema muy importante es que el fémur está diseñado  naturalmente a trabajar  bajo compresión. Mientras que al momento de la colocación de una prótesis de cadera, la que soporta la carga es la prótesis, por lo cual se generan pequeños desplazamientos y una presión interna en el hueso, lo cual al realizar las cargas cíclicas del caminar, puede llegar a realizar fatiga del hueso, lo cual va perjudicándolo poco a poco.

Figura 11. Distribución de carga en un fémur y una prótesis. [14]

1.1.1.      Artroplastia total de cadera.

Es la cirugía que consiste en reemplazar los dos componentes que conforman la articulación de la cadera (acetábulo y cabeza femoral). Para dicha cirugía se utiliza la prótesis total de cadera, que está conformada por tres partes:

1.      Componente Acetabular: que es la componente que va asegurada por medio de presión, de pernos o cementada a la cavidad de la cadera (acetábulo), cuenta con un forro de plástico que suele ser de Polietileno, donde encajará la cabeza metálica de la prótesis.

2.      Cabeza Metálica de Fémur: Es el componente que reemplaza la cabeza femoral la cual va insertada en la componente acetabular haciendo juego y permitiendo el movimiento en la nueva articulación, Normalmente está hecho de Titanio o de Acero Quirúrgico.

3.      Vástago Femoral: Es una estructura en forma de cuña alargada que va implantada en la parte del eje del fémur para una mejor fijación y estabilidad. Generalmente está hecha de Titanio, o de Cromo – Níquel – Molibdeno.

 Fig. 12. Artoplastía Total de Cadera.

1.4.Influencia de la ingeniería en los implantes femorales

El  diseño  y  fabricación  de  implantes, punto clave de la investigación, ha  mejorado  mucho  gracias  al avance en el desarrollo  en  las tecnologías de procesamiento  de imágenes,  la aplicación de los softwares CAD/CAM/CAE para la optimización de los diseño y  la  investigación sobre  materiales  biocompatibles.

1.5 Impacto Social

En el Perú, un gran porcentaje de personas mayores de edad son afectadas por fractura de cadera, las estadísticas nos dicen que, en mujeres es 77.6% y en varones es 22.4%. Siendo las más afectadas las mujeres  debido a factores como la menopausia y la deficiencia en contenido de calcio en la alimentación.

Pero el tiempo de vida útil de una prótesis de cadera comercial (cementada o no cementada) es de 15 a 20años por lo cual para este tipo de pacientes, es adecuado.

Figura 16. Variación de la probabilidad de supervivencia a lo largo de los años de los pacientes jóvenes que se les realizó una artoplastía total,  

Pero el impacto en los pacientes jóvenes, debido al tiempo de vida útil de la prótesis, es el más perjudicial, debido a que deben ser sometidos en un futuro a una nueva operación en la cual se les tendrá que hacer un cambio de prótesis, volviendo a tener un procedimiento quirúrgico, además después de cada procedimiento quirúrgico se les recomienda cambiar  a una ocupación más sedentaria. Sin embargo esto no siempre es fácil ya que conlleva consecuencias sociales, a sus familias y profundas consecuencias económicas para el país.

Además a los pacientes se les aconseja tomar medicamentos antiinflamatorios para tratar de aliviar el dolor. Estos medicamentos cuestan dinero y pueden llegar a tener una serie de efectos secundarios. Como por ejemplo  las complicaciones gastrointestinales, que van desde la indigestión hasta úlceras, sangrado, perforación del estómago o del duodeno y estenosis del intestino delgado.

Es por esto que los cirujanos e ingenieros de diseño han tratado de mejorar el reemplazo de cadera convencional especialmente para su uso en los pacientes más jóvenes, debido a su alto nivel de actividad.

1.7. Bibliografía.

 [1]  Historia De La Prótesis Total De Cadera / Dr. Gaspar de la Herrán -sendagroup medicos asociados/ http://www.sendagrup.com/historia-de-la-protesis-total-de-cadera/

[2]  Vitallium, marca comercial para una aleación de 65 % de cobalto, 30 % de cromo, 5 % de molibdeno, y otras sustancias. La aleación se utiliza en las articulaciones de odontología y artificiales, debido a su resistencia a la corrosión. Desarrollada por Albert W. Merrick para los Laboratorios Austenal en 1932

[3] Ojeda Díaz Carlos. 2009 Tesis Doctoral, Estudio de la influencia de estabilidad primaria en el diseño de vástagos de prótesis femorales personalizadas: aplicación a paciente específico

[4] Revista Chilena de Cirujia Jun 1997, Historia y estado actual de la prótesis total de cadera en Chile 25 años de evolución.

[5] Proyecto Fin de Carrera: Biomateriales. Aplicación a cirugía ortopédica y traumatológica - Universidad Carlos III de Madrid/ Departamento de Mecánica - Beatriz Pérez Rojo y José Luis San Román García

[6] Celulas madre: http://www.investigacionyciencia.es/noticias/clulas-madre-en-los-dientes-12309#

[8] El futuro de los dispositivos médicos/ IBM Global Business Services.

[9] Finite element modelling and analysis of a new cemented hip prosthesis/ Oguz Kayabasi, Fehmi Erzincanli*/ Department of Design and Manufacturing Engineering, Gebze Institute of Technology, PK. 141, 41400 Gebze, Kocaeli, Turkey / Received 4 January 2005; received in revised form 6 September 2005; accepted 6 September 2005

[10] Diseño, Análisis Por Ct Y Construccion Por Cad/Cam De Endoprótesis Femoral Personalizada: Caso De Una Paciente Con Subluxacion Congénita - 8º Congreso Iberoamericano De Ingenieria Mecanica - Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

 by Carlos Alfaro