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). 3. Resultados y discusión Figura 1. Geometría de la región cigomática fracturada 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.