ESTUDIO APLICACIÓN DE ADHESIVOS EN CIRUGÍA DE

ESTUDIO APLICACIÓN DE ADHESIVOS EN CIRUGÍA DE
RECONSTRUCCIÓN FACIAL
Autor: Díaz Olivares, María Elena.
Director: Real Romero, Juan Carlos del.
Director: Jiménez Octavio, Jesús Ramón.
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontifica Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
1. Introducción
Los adhesivos como sistema de sujeción, son una opción muy interesante en la
industria, pero también en el ámbito de la medicina. El uso de estos materiales en el
cuerpo humano se centra en aplicaciones de fijación en lesiones de tendones, fracturas
osteocondrales y cirugías que incluyen reconstrucciones faciales.
El objetivo de la aplicación de adhesivos en las regiones faciales se fundamenta en
el tipo de fracturas con múltiples fragmentos de reducido tamaño que tienden a
producirse en estas zonas. La unión precisa de cada una de las partes con fijaciones
tradicionales como placas y tornillos de titanio, puede suponer un problema adicional
por riesgo de fracturas derivadas y daños en los órganos internos de la cara.
Para el empleo de adhesivos en estas condiciones, estos deben cumplir una serie de
requisitos que les permita ser susceptibles de uso en el cuerpo humano. Estas
características necesarias se concentran en tres pilares fundamentales: bicompatibilidad,
resistencia y aplicación, entre otras como, que se pueda esterilizar y almacenar.
Existen numerosas opciones de materiales adhesivos disponibles, pero ninguno que
satisfaga todas las necesidades y características de la que se hablaba, pues cada uno de
ellos conlleva una serie de ventajas e inconvenientes de uso en diversas aplicaciones.
Los tipos de adhesivos disponibles se encuentran clasificados en sintéticos y
biológicos. Los primeros suelen provenir de otras áreas de aplicación y su capacidad
adhesiva tiende a ser alta, pero sus principales problemas surgen al evaluar su
biocompatibilidad y biodegradabilidad. Entre estos se encuentran el PMMA
(polimetilmetacrilato), cianoacrilatos y poliuretanos. Los adhesivos biológicos por su
parte, tienen problemas en la adherencia en ambientes húmedos, pero poseen una gran
biocompatibilidad y biodegradabilidad. Ejemplos de este tipo son las fibrinas y los
adhesivos proteicos.
Las cirugías de reconstrucción pueden llevarse a cabo según diferentes métodos que
combinan diversos materiales de implantes. Los materiales disponibles para llevar a
cabo estas cirugías, son de una gran variedad que abarca desde injertos óseos del propio
paciente hasta implantes de materiales aloplásticos. Estos últimos son materiales inertes
(inorgánicos) tales como aluminio, oro, tantalio, acero inoxidable, resinas acrílicas
(especialmente el PMMA), polietileno, siliconas o cerámicas.
La región facial se conoce como esplacnocráneo, consta de cinco regiones que
agrupan los diferentes huesos que la forman: cigomática, orbital, maxilar, naso-etmoidal
y base del cráneo. La región cigomática es aquella que une el maxilar con el cráneo y es
imprescindible para la determinación morfológica de la cara. Su forma tridimensional le
da una ubicación destacada y prominente en la cara por lo que las fracturas en esta zona
son relativamente frecuentes.
2. Metodología
El estudio presente se ha basado en la caracterización mecánica, de dos
formulaciones de un cemento óseo con base en polimetilmetacrilato. Una basada en una
composición estándar, mientras que a la otra se le ha añadido un copolímero en bloque,
modificador de la tenacidad, para intentar mejorar la capacidad adhesiva del cemento.
La metodología se puede agrupar en tres partes principales: la determinación de sus
propiedades elásticas, la determinación de la capacidad adhesiva comparándolos con un
cianoacrilato y la simulación de las uniones mediante un cálculo por elementos finitos.
2.1 Determinación de las propiedades mecánicas elásticas
La evaluación de las propiedades mecánicas de los cementos (E, μ), se lleva a cabo
a partir de cuatro técnicas de ensayos no destructivos, para cuya realización se utilizan
probetas en masa de los materiales a estudio preparadas en el laboratorio.
Se han realizado ensayos de ultrasonidos, basados en la medida de la velocidad de
propagación del sonido a través del material de estudio, ensayos de excitación por
impulso, midiendo la frecuencia fundamental de resonancia de las probetas, ensayos de
tracción (sin llevar a rotura las probetas), para medir la deformación del material al
someterlo a fuerzas de tracción y, por último, ensayos de extensometría óhmica a
tracción y a flexión, usando galgas extensométricas pegadas a las probetas de ensayo.
2.2 Determinación de las propiedades adhesivas
Las propiedades adhesivas de las formulaciones de cemento que se analizan se
comparan con las de un cianoacrilato de grado médico y para su determinación se
realizan ensayos con probetas de aluminio y de hueso.
Los ensayos en aluminio se llevan a cabo con probetas rectangulares de Aluminio
6082 T6 con un tratamiento superficial de chorreado. Se pegan los sustratos con un
solape aproximado de 10 mm y se ensayan a cizalla por tracción.
En cuanto a los ensayos en hueso, se requiere un proceso de fabricación de las
probetas que se basa en la limpieza y corte del hueso femoral bovino de partida. Tras el
pegado de los sustratos con los materiales a comparar, se ensayan a tracción y cizalla.
2.3 Modelado de uniones adhesivas para su simulación por FEM
La simulación de uniones adhesivas parte de un modelado y mallado de la geometría
sobre la que se quiere realizar el cálculo, de la atribución de los materiales que la
componen y que se han definido partiendo de los parámetros obtenidos en la parte
experimental y de la aplicación de las condiciones de contorno y fuerzas deseadas. Se
ha comenzado reproduciendo alguno de los ensayos realizados experimentalmente en
diferentes casos y se finaliza con una simulación de la región cigomática.
Los Casos I y III simulan el ensayo de cizalla por tracción en aluminio para los dos
tipos de cemento, pero en el Caso III se incluye en la geometría el modelado de unas
grietas en los extremos de la unión adhesiva a solape. Los Casos II, IV y V simulan el
ensayo de tracción en hueso. El primero es un análisis bidimensional, mientras que los
otros dos son modelos en 3D, un prisma y un cilindro, que se han extruido y
revolucionado a partir del modelo en 2D para hacer una aproximación tridimensional.
El mismo procedimiento de modelado se sigue con el modelo del hueso cigomático.
Se ha obtenido la geometría a partir de una tomografía computarizada y mediante un
programa CAD se ha diseñado una fractura típica de esta región facial y su posterior
fijación con un cemento óseo como el ensayado (ver Figura 1).
Figura 1. Geometría de la región cigomática fracturada
3. Resultados y discusión
3.1 Determinación de las propiedades mecánicas elásticas
Tras la consecución de los ensayos no destructivos con las probetas en masa, se
comparan los resultados obtenidos para cada tipo de material y para cada ensayo. En la
Figura 2, se muestra como no hay diferencias significativas entre los resultados de los
dos tipos de material. El cemento modificado tiene un valor más bajo, salvo para el
ensayo de tracción, aunque las diferencias en todos los casos son mínimas.
Figura 2. Comparación del Módulo de Young para las dos formulaciones de cemento
Donde sí se aprecia una gran variación es entre los tipos de ensayos y por ello se
consideran más fiables en este caso, aquellos basados en la medida de deformaciones
(tracción y extensometría), pues además, son los que mantienen valores más semejantes
entre ellos.
Tabla 1. Resultados finales de las propiedades mecánicas de los cementos óseos
3.2 Determinación de las propiedades adhesivas
Las propiedades adhesivas se evalúan en función de las tensiones máximas que
soportan los materiales al someterlos a los esfuerzos propios de cada ensayo. Los
resultados de los ensayos en aluminio (ver Figura 3) muestran una diferencia de
adhesión muy baja entre las dos formulaciones de cemento y a su vez muy grande con el
cianoacrilato.
Figura 3. Comparación las tensiones máximas
en aluminio
Figura 4. Comparación las tensiones máximas
en hueso a tracción y cizalla
Los ensayos en hueso (ver Figura 4), por el contrario, muestran una gran diferencia
entre la tensión máxima del cemento óseo estándar con la del modificado, siendo la de
este último muy baja, tanto a tracción como a cizalla. Hay menos distancia entre el
cianoacrilato y el cemento óseo original que en aluminio y entre los dos tipos de ensayo
en hueso, se observa como a cizalla todos los materiales tienen menos tensión.
3.3 Análisis tensional de la simulación de uniones adhesivas por FEM
Tras la simulación de los distintos casos se evalúa la distribución de tensiones Von
Mises (ver Figura 4) y se recogen los resultados para compararlos (ver Tabla 2). Al
introducir las grietas en el Caso III, las tensiones aumentan en torno al doble en
comparación con las del Caso I. Entre los Casos II, IV y V no hay diferencias notables,
por lo que se puede decir que las aproximaciones tridimensionales (prisma rectangular y
cilindro) son bastante semejantes al análisis bidimensional de la unión a tope.
Figura 5. Ejemplo de la distribución de
tensiones en una grieta del Caso III
Tabla 2. Resultados finales de las simulaciones
El análisis tensional en la región cigomática para dos fuerzas iguales, pero ubicadas
en distintos puntos de la geometría, muestra diferencias en los desplazamientos totales
(ver Figura 6) del modelo y en la distribución de tensiones Von Mises. Se han aislado
las capas de adhesivo para un análisis local (ver Figura 7) y a pesar de no presentar
grandes diferencias en los valores máximos, su ubicación sí varía.
Figura 6. Ejemplo de desplazamiento total para
una de las fuerzas aplicadas
Figura 7. Ejemplo de distribución de tensiones
Von Mises en una capa de adhesivo.