Modelo biofísico para análise da estimulação eletromagnética no osso

Abstract

Para o desenvolvimento de um conceito de um implante instrumentado ativo, com capacidade de atuação e controlo da integração óssea através da aplicação de estímulos capacitivos, é necessário compreender as propriedades dielétricas do osso trabecular e de que modo este responderá à estimulação. Neste âmbito foi desenvolvido um modelo computacional biofísico do osso trabecular. Este é uma simplificação do osso, sendo constituído por duas fases: a mineral (hidroxiapatite) e a orgânica (colagénio). Foram também desenvolvidos 2 modelos: um com uma morfologia simplificada da estrutura trabecular e outro com a morfologia real, obtida por reconstrução através de imagens de uma tomografia computorizada (TAC) micro-CT. O objetivo deste estudo passa por aplicar uma estimulação capacitiva aos modelos desenvolvidos e analisar os campos eletromagnéticos resultantes. Assim, realizou-se uma análise comparativa entre o modelo simplificado e o modelo real do osso para conclusão da sua validade. Foi também analisado a variação de parâmetros como a frequência, a amplitude de sinal e as propriedades atribuídas às fases da estrutura óssea. Por fim analisou-se os modelos quanto à interface entre osso e implante: contacto direto (interface elétrodos-osso) e contacto indireto (elétrodos-placa de Petri-osso). Os resultados obtidos foram comparados com estudos in vitro de estimulação capacitiva de culturas celulares, sendo que num dos estudos, de acordo com os resultados, seria possível obter a proliferação celular. Não foi possível retirar uma conclusão precisa relativa à capacidade de integração óssea pois não há estudos semelhantes ao realizado, sendo os mais próximos os in vivo com aplicação de uma estimulação capacitiva em humanos e cobaias animais, mas que não apresentam valores de campo eletromagnético, o que implica inválida a comparação.

For the development of a concept for an active instrumented implant with the capability to perform and control bone integration through the application of capacitive stimuli, it is necessary to understand the dielectric properties of trabecular bone and how it will respond to the stimulation. In this context, a biophysical computational model was developed. This model is a bone simplification that includes only two phases: the mineral (hydroxyapatite) and the organic (collagen). Two models were also developed: one with a simplified morphology and another with the real one of the trabecular structure obtained by reconstruction through TAC images. The objective of this study is to apply a capacitive stimulation to the models and analyse the resulting electromagnetic fields. First, to conclude its validation, a comparative analysis between the simplified model and the real one was done. The variation of diferente parameters such as frequency, signal amplitude and dielectric properties of both phases of the model were also analysed. Finally, the different interfaces between bone and implant, direct contact (bone-electrode interface) and indirect contact (bone-Petri dishes-electrodes), were also studied. The obtained results were compared to in vivo studies with capacitive stimulation applied in cell cultures and according to that study, it should be possible to obtain cell proliferation. It was not possible to obtain a precise conclusion about the capability of bone integration because there are no similar studies to compare to, which implies an invalid comparison.