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ORIGINAL
Efectos biomecánicos de los campos electromagnéticos
en el hueso en crecimiento de conejos
P. DÍAZ-BORREGO, J. PÉREZ-CASTILLA, M. ÁLVAREZ-SALA Y F. SÁNCHEZ-DOBLADO
Servicio de Rehabilitación. Hospital Universitario Virgen Macarena. Sevilla.
Resumen.—Introducción. Los campos electromagnéticos
están en investigación desde hace décadas. Actúan, principalmente, mediante el fenómeno piezoeléctrico, factor clave
del desarrollo normal y remodelado óseo. Nuestro objetivo
fue la búsqueda de los efectos de dos tipos de campos electromagnéticos, variables en el tiempo, sobre las características biomecánicas del hueso en crecimiento en conejos sanos.
Material y método. El estudio fue realizado siguiendo las normas de la Comunidad Europea sobre la investigación animal.
Usamos 34 conejos de raza híbrida Grande Español, con cuatro meses de edad. Se dividieron en un grupo control y dos
grupos de tratamiento, el primero con campos electromagnéticos mediante bobinas de Helmholtz dispuestas en paralelo, y
el segundo en el interior de un solenoide. Se sometieron a
18 sesiones de una hora de duración cada una en días alternos.
Las patas traseras, obtenidas tras sacrificar a los animales, fueron analizadas biomecánicamente. Estudiamos la carga, la extensión y el esfuerzo flector de rotura, módulo de elasticidad,
esfuerzo de abandono de la primera zona elástica y relación
entre extensión de la zona elástica y total hasta la rotura.
Resultados. Se obtuvieron datos estadísticamente significativos para el esfuerzo de abandono de la primera zona elástica en los grupos primero y segundo, y para el esfuerzo flector
de rotura en el primer grupo.
Conclusiones. Nuestros datos indican la necesidad de una
mayor carga para llegar al punto en el que el hueso presentara una deformación residual al retirar el esfuerzo ejercido
tras la aplicación de campos electromagnéticos. Se podría
afirmar que probablemente tras la aplicación de campos electromagnéticos pulsados al tejido óseo de animales en crecimiento conseguiríamos un hueso más elástico.
Palabras clave: campos electromagnéticos, efectos
biomecánicos, elasticidad, rehabilitación.
BIOMECHANICAL EFFECTS
OF ELECTROMAGNETIC FIELDS
OVER GROWING RABBIT BONES
Summary.—Introduction. The electromagnetic fields have
been under research for decades. They mainly act by piezoelectric phenomenon, a clear factor of normal development
and bone remodelling. Our objective was to discover the effects of two types of electromagnetic fields, variables in time,
on the biomechanical characteristics of the growing bone, in
healthy rabbits.
Material and methods. The study was conducted following
the Europeas Comunity guidelines on animal research. We
used 24 rabbits of the Spanish Giant hybrid race, with four
months of age. They were divided into a control group and
two treatment groups, the 1st with electromagnetic fields by
Helmholtz coils arranged in parallel and the 2nd in the inside
of an solenoid. They were subjected to 18 sessions of one
hour long each one, on alternate days. The back lags, obtained after sacrificing the animals, were analyzed biomechanically. We studied: load, extension and flexural break stress,
elasticity module, abandonment stress of the first elastic zone
and relationship between extension of the elastic zone and
total zone to the rupture.
Results. Statistically significant data were obtained for the
abandonment stress of the first elastic zone in groups 1 and
2 and for the flexural break stress in-group 1.
Conclusions. Our data indicate the need of greater load to
reach the point in which the bone would have a residual deformation on withdrawing force applied after the application of
electromagnetic fields. It could be stated that we would probably achieve a more elastic bone after the application of pulsed
electromagnetic fields to the bone tissue of growing animals.
Key words: electromagnetic fields, biomechanical effects, elasticity, rehabilitation.
Correspondencia:
Paola Díaz Borrego.
Hospital Universitario Virgen Macarena.
Servicio de Rehabilitación. C/ Dr. Fedriani, s/n.
41071 Sevilla. España.
Correo electrónico: [email protected]
Trabajo recibido el 9-5-05. Aceptado el 4-7-06.
INTRODUCCIÓN
La acción de los campos electromagnéticos (CEM)
sobre los organismos vivos está en investigación desde
Rehabilitación (Madr). 2006;40(5):235-40
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Punto de rotura
Carga (N)
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
Zona
elástica
Zona
plástica
0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
Extensión (mm)
Fig. 1.—Diagrama carga-deformación para un hueso sometido a
un esfuerzo flector.
hace décadas. Se ha confirmado como una técnica efectiva en la estimulación del callo de fractura, favoreciendo la aceleración de la consolidación ósea1-8. Otro
aspecto de gran interés, en estudio, es el efecto preventivo de los CEM sobre la osteoporosis. Se ha observado en diferentes ensayos un efecto estimulador de
la densidad de masa ósea en el tejido osteoporótico durante el período de estimulación con los campos 9-14.
McLeod, et al10 llegaron a obtener un aumento del 20 %
del grosor del hueso cortical en un estudio con monos.
El mecanismo de acción de los CEM se basa principalmente en el fenómeno denominado piezoelectricidad, definido como la propiedad que tienen determinados materiales de generar un potencial o cargas
eléctricas cuando son sometidos a una deformación
mecánica. Es un fenómeno reversible, por lo que se podría producir una deformación mecánica mediante la
aplicación de un campo electromagnético y viceversa.
En 1957, Fukada y Yasuda confirmaron por primera vez
que las fibras de colágeno se comportaban como cristales piezoeléctricos, confiriendo al hueso y al tendón
dicha propiedad15. La respuesta piezoeléctrica del hueso se considera como uno de los factores principales
del desarrollo normal y de remodelación del hueso, activando el crecimiento óseo y evitando su reabsorción16. Este efecto se alcanza mediante el fenómeno de
biocompresión, considerado el factor desencadenante
de la osteogénesis. Los CEM variables actuarían sobre
el colágeno de forma parecida a como se hace durante
la carga, produciendo micro-biocompresiones sobre el
hueso15,17,18. Cuando se aplican CEM de forma variable
se reproduce, de una manera próxima a la fisiológica, el
efecto conseguido con el ejercicio sobre el hueso sin
que haya sido necesario realizar carga.
Se considera al colágeno que compone el hueso
como el responsable de la flexibilidad y la resistencia a
236
la tensión del tejido óseo, mientras que las sales minerales proporcionarían la dureza, la rigidez y la resistencia19,20.
La susceptibilidad del hueso a la deformación, desde
el punto de vista biomecánico, viene determinada por
tres parámetros: resistencia, rigidez y elasticidad. Una
forma de valorar estas variables es mediante una prueba de ensayo mecánico, donde se puede obtener un
diagrama de carga-deformación en tensión, compresión, flexión (fig. 1) o torsión 21.
En dicha curva se pueden distinguir dos zonas claramente diferenciadas. La primera, denominada zona
elástica, en la que la deformación aumenta de forma
lineal con la carga aplicada (siguiendo la ley de Hooke)
y se relaciona mediante el módulo de Young, que no es
más que la pendiente de dicha recta. Si se retira la carga en esta zona de la curva, el hueso vuelve a su estado inicial sin que persistan defectos residuales. Si siguiéramos aplicando un esfuerzo mayor entraríamos
en la denominada zona plástica, que se encuentra
comprendida entre la zona elástica y el punto de rotura. En esta zona persistiría una deformación residual tras el cese de la fuerza aplicada al hueso. Partiendo de estas consideraciones, se podría reconocer
como un punto de gran interés aquel en el que se
abandona el primer tramo de la zona puramente elástica. En dicho punto el hueso comenzaría a desarrollar una modificación permanente al pasar a una zona
más plástica, y a partir de entonces se comportaría de
forma diferente frente a la carga que tuviera que soportar19,20,22.
El objetivo de nuestro estudio fue la búsqueda de los
efectos de dos tipos diferentes de CEM, variables en el
tiempo, sobre las características biomecánicas del hueso en crecimiento en conejos sanos, sin ningún tipo de
tratamiento previo. Todo ello para comprobar los efectos de la micro-biocompresión pasiva producida por los
CEM al aplicarlos sobre el material piezoeléctrico que
representa el medio óseo.
MATERIAL Y MÉTODO
Este estudio se ha realizado siguiendo las normas de
la Comunidad Europea sobre la investigación animal.
Se han usado 34 conejos de la raza híbrida Grande
Español de un mismo criadero, con cuatro meses de
edad. Se mantuvieron en jaulas de forma individual y se
alimentaron con el mismo pienso y agua. Por causas
ajenas al trabajo experimental se desecharon cinco animales.
Finalmente, se analizaron 29 conejos que se dividieron de forma aleatoria en tres grupos: un grupo control
formado por 10 de ellos y dos grupos activos constituidos por 19 conejos respectivamente. Al primer grupo de conejos con tratamiento se le aplicó CEM de
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Fig. 2.—Esquema del ensayo.
r1: radio del aplicador de la célula de carga; n: diámetro medio en zona central del hueso;
L: distancia entre puntos de
apoyo (actualmente está descrito en el texto); l: longitud del
hueso.
muy baja intensidad, del orden de picoTeslas, mediante
dos bobinas de Helmholtz dispuestas paralelamente. Se
administró una onda senoidal durante una hora, mediante el siguiente protocolo: los primeros veinte minutos se aplicó una frecuencia de 56 herzios (Hz) y una
amplitud de 1,999 voltios pico-pico (Vpp), los segundos
veinte minutos, 50 Hz y 1,785 Vpp y los últimos veinte
minutos 45,9 Hz de frecuencia y 1,641 Vpp de amplitud.
De manera que por cada 1 Vpp se producía un campo
de 1 microgauss.
El segundo grupo de conejos recibió CEM en el interior de un solenoide. Se administró una onda cuadrada de Duty Cicle del 50 % a una frecuencia de 50 Hz
y una intensidad homogénea de 50 gauss en el centro
de dicho solenoide, sin realizar variaciones de dicha
pauta a lo largo de una hora.
Cada grupo de tratamiento recibió 18 sesiones, de
una hora de duración cada una, en días alternos. Durante cada sesión los animales eran introducidos en cajas de cartón que o bien se colocaban en el interior del
solenoide, o entre las dos bobinas de Helmholtz según
fuera el sistema indicado.
Un día después de la última sesión se sacrificaron
los animales y se amputaron las dos patas traseras de
cada conejo para finalmente conservar las tibias. Se
guardaron las 58 muestras para su posterior análisis,
conservadas en alcohol de 70° en el frigorífico.
Posteriormente todas las tibias fueron sometidas a
un estudio biomecánico, mediante ensayos de flexión,
a través de un sistema de tracción tipo Instrom 4482,
perteneciente a los laboratorios de Resistencia y de
Elasticidad de Materiales de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. No se realizaron ensayos de torsión
ni de tensión, ya que se usaron pequeños huesos y en
ellos los accesorios necesarios eran de difícil adaptación 22.
Se ha observado que las características mecánicas
del hueso tras su desecación y posterior humedecimiento varían escasamente de aquel que aún está fresco 23. Por tanto, previamente al ensayo, se rehumedecían las muestras y se realizaba la medición de la longitud
total del hueso (distancia entre los dos extremos del
hueso), y del diámetro medio en el punto medio de la
diáfisis ósea. Luego se colocaban sobre dos apoyos separados mediante una luz de 40 mm (L), tal como se
representa en la figura 2, y se sometía a una carga progresiva en un punto central hasta que se producía la
rotura del hueso, la cual se alcanzaba a través de la aplicación de una célula de carga de 500 kg a una velocidad constante de 0,50 mm/minuto.
Los datos de cada ensayo eran recogidos por un
equipo computarizado en el que se representaban gráficamente las curvas de carga-deformación. Se representaba en abcisas la deformidad alcanzada por el hueso en mm y en ordenadas la carga aplicada en newtons
(N). A partir de estos datos se decidió estudiar los siguientes parámetros 24,25:
1. Carga de rotura: expresada en N o fuerza aplicada para que se rompa el hueso.
2. Extensión de rotura: expresada en mm, o flecha
máxima en el instante inmediatamente previo a la rotura.
3. Esfuerzo flector de rotura: expresado en megapascales (Mpa), relaciona la carga de rotura con la geometría de la muestra a través del momento de inercia.
Se ha considerado la aproximación geométrica del hueso a un cilindro macizo, correspondiendo el diámetro
a la media del diámetro mayor y menor medido en el
punto medio del hueso.
4. Módulo de elasticidad en flexión: expresado en
Mpa, relaciona linealmente el esfuerzo con la deformación y caracteriza el estado elástico del material.
5. Esfuerzo de abandono de la primera zona elástica:
expresado en Mpa. Representa el esfuerzo flector en
el que se abandona la primera relación lineal, o sea, la
zona puramente elástica, como se observa en la figura 3. Pasaría entonces a un estado mixto, en el que se
sumarían características elásticas y plásticas.
6. Relación entre la extensión de la zona elástica y
la total hasta la rotura: expresada en porcentaje (%),
que representa la flecha de deformación aplicada al
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Carga (N)
90
500
Rotura
Abandono 1ª
zona elástica
80
Zona
plástica
Esfuerzo (Mpa)
400
300
200
Zona
elástica
100
60
0
0,0
0,2
70
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Deformación (mm)
Fig. 3.—Diagrama carga-deformación con representación del punto de abandono de la primera zona elástica.
50
N=
20
18
18
Grupos
1
2
3
Fig. 4.—Representación en dispersión de los resultados sobre el
esfuerzo de abandono de la primera zona elástica. Mpa: megapascales.
TABLA 1. Resultados del ensayo de flexión
Control
Grupo 1
Grupo 2
Significación (p) < 0,05
Carga de rotura (N)
Flecha
máxima
(mm)
Esfuerzo flector
de rotura
(MPa)
383,52 ± 16,49
418,16 ± 12,77
414,52 ± 12,79
0,171
1,27 ± 9,17E-2
1,36 ± 8,63E-2
1,28 ± 0,13E-2
0,816
80,89 ± 3,09
97,78 ± 2,90
86,92 ± 3,73
0,002
Módulo de
elasticidad
(MPa)
Esfuerzo
Porcentaje
abandono 1.ª extensión zona
zona elástica elástica-rotura
(MPa)
(%)
4.766,06 ± 307,83 61,48 ± 7,880
5.650,97 ± 244,70 79,14 ± 11,72
5.640,80 ± 268,27 76,45 ± 11,90
0,084
0
78,54 ± 3,54
82,86 ± 4,34
89,77 ± 3,97
0,15
N: newton; Mpa: megapascales.
hueso al abandonar la zona elástica respecto a la extensión de rotura.
Se realizó un análisis estadístico de los datos obtenidos tras los ensayos de flexión mediante el programa SPSS para Windows. Los parámetros que se analizaron fueron los definidos previamente en el anterior
apartado. Se analizaron los datos obtenidos globalmente, ya que no se observaron diferencias entre las
patas derechas e izquierdas. La valoración de los resultados se realizó a través de la prueba de significación estadística del análisis de la varianza o ANOVA.
Se usó un intervalo de confianza (IC) para la media
del 95 %.
Se estudiaron 58 patas que se repartían de la siguiente manera: el grupo activo tratado con campos
magnéticos del orden de picoTeslas (grupo 1) estaba
formado por 20 patas, el grupo activo tratado con campos magnéticos convencionales (grupo 2) se componía
de 18 patas y el grupo control (grupo 3) reunía 20. Durante la realización del ensayo de flexión de una de las
patas del grupo control, ésta se rompió antes de proporcionar ningún dato. Los resultados, por ello, reflejan
los parámetros estudiados en 57 patas.
238
RESULTADOS
En la tabla 1 se representan los grupos de muestras
utilizadas, los parámetros estudiados y el grado de significación estadística que se obtuvo en cada caso.
De todos los resultados, el dato más interesante fue
el esfuerzo de abandono de la primera zona elástica. Se recogieron valores significativamente superiores al grupo
control en ambos grupos de tratamiento con CEM de
forma pulsada. En concreto, se observaron esfuerzos
mayores del 28,73 % y del 24,35 % en los grupos 1 y 2,
respectivamente. Estos resultados se representan gráficamente de la siguiente manera en la figura 4.
El esfuerzo flector de rotura obtuvo valores estadísticamente significativos en el grupo tratado con CEM
del orden de picoTeslas con respecto al grupo control
(p = 0,02). En el caso del grupo tratado con campos a
dosis convencionales se reflejaron valores mayores al
grupo control sin que alcanzaran significación estadística.
El resto de los resultados no demostró diferencias
estadísticamente significativas entre los grupos que habían recibido CEM y el grupo control. Aunque se observaban, en general, valores mayores en ambos grupos
tratados con CEM con respecto al grupo control.
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DISCUSIÓN
Se ha observado en este trabajo un aumento, estadísticamente significativo de forma independiente al sistema usado, de la duración de la zona elástica en las
muestras tratadas con CEM. Esto significa que se necesitaría una mayor carga para llegar al punto en el que
el hueso presente una deformación residual al retirar el
esfuerzo aplicado.
A partir de estos datos se podría afirmar que, probablemente, tras la aplicación de CEM pulsados al tejido óseo de animales en crecimiento se consigue un
hueso más elástico. Consecuentemente esta propiedad
conferiría una menor susceptibilidad a la aparición de
deformaciones residuales, puesto que al conseguir que
las propiedades elásticas vayan más allá de lo habitual,
se mejoraría su comportamiento frente a la carga.
También se han observado valores estadísticamente
superiores al grupo control en el grupo tratado mediante CEM del orden de picoTeslas, con relación al esfuerzo flector de rotura. Este fenómeno nos indicaría que el
esfuerzo necesario para provocar la rotura de dicho
hueso mediante el mecanismo de flexión es mayor en
este grupo de muestras. Probablemente exista un fenómeno de amplificación celular del efecto de dichos campos para alcanzar estos valores, aunque no está totalmente demostrado dicho mecanismo de acción por sus
propios creadores.
Sin embargo, no se han recogido datos suficientemente significativos referentes al resto de los parámetros estudiados (carga de rotura, extensión de rotura,
etc.). Como dato de gran interés, los resultados referentes a la carga de rotura del hueso no presentaban un
aumento significativo, aunque sí se recogieron valores
superiores en los dos grupos que fueron tratados con
CEM. El aumento del valor de este parámetro indicaría
una mayor resistencia a la rotura, lo cual sería un fenómeno muy deseable en la práctica clínica. Al no presentar valores significativos, probablemente debido al
número de muestras, sería necesario un estudio más
amplio para comprobar este hecho, debido a la importancia de las posibles repercusiones que supondría algún efecto a este nivel.
Otros trabajos que se han interesado por los aspectos biomecánicos del hueso hacen referencia a la administración de distintos tratamientos farmacológicos 21,26-33. Dichos trabajos estudiaban la resistencia del
hueso, en concreto, la carga última que era necesaria
para que el tejido se rompiera, mediante ensayos de
torsión. Se ha evaluado la administración de la hormona de crecimiento, el factor de crecimiento de fibroblastos, la prostaglandina E2, la hormona paratiroidea
(PTH), los bifosfonatos (alendronato, risedronato) y la
vitamina D 21,26-33 y se ha encontrado un aumento del valor de la carga última soportada por el hueso de forma
significativa en un alto porcentaje de ellos.
Hasta el día de hoy, los posibles efectos biomecánicos
de los CEM sobre el hueso no han supuesto un punto de
gran interés en la investigación de esta técnica terapéutica. El número de publicaciones en relación con este tema
es nulo en comparación con otros aspectos, como es el
caso de la estimulación del callo óseo en el foco de fractura. Por tanto, la aportación de este estudio abre un
nuevo enfoque sobre los posibles efectos biomecánicos
de los CEM en un hueso sano en crecimiento. Las probables aportaciones de los CEM en este sentido parecen
interesantes, ya que un hueso más elástico sería menos
frágil y por ello menos susceptible de rotura.
Las posibles implicaciones de este efecto en la clínica
todavía están por evaluar, pero es indudable que constituye un importante fenómeno a tener en cuenta, ya que
podría abrir las puertas a un nuevo procedimiento de
mejora de la calidad de vida.
Los autores declaran que no existe conflicto
de intereses
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