ARTÍCULO CIENTÍFICO

 

Estudio biomecánico experimental del sistema musculo-esquelético masticatorio. Aplicaciones para el estudio de la osteosíntesis^*

Experimental Biomechanical Study of the Musculo-Skeletal Masticatory System. Applications to the Study of Osteosynthesis

 

 

 

J.L. Cebrián Carretero¹, M.T. Carrascal Morillo², G. Vincent Fraile³, F. Ortiz de Artiñano⁴

1 Servicio de Cirugía Oral y Maxilofacial.Hospital Universitario La Paz.
2 Dpto de Mecánica.
3 Laboratorio de prótesis dental.
4 Servicio Cirugía Oral y Maxilofacial. Hospital de Cuenca. España

^*Galardonado con la beca tarma SECOM 2005

Dirección para correspondencia

 

 

 

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RESUMEN

El comportamiento biomecánico del sistema músculoesquelético dista mucho de estar esclarecido. Los modelos matemáticos han mostrado importantes limitaciones, y los ensayos biomecánicos se han visto frustrados por la dificultad de simular las cargas musculares y la distribución de las tensiones en el espesor mandibular. En el presente trabajo se desarrolla un simulador estático del sistema músculo esquelético masticatorio que reproduce fielmente la situación fisiológica, empleándose la foto elasticidad tridimensional para el estudio de los cambios tensionales que ocurren en la estructura mandibular en diversas situaciones fisiopatológicas. Los resultados de los ensayos demuestran que la fotoelasticidad 3D aplicada en el simulador da resultados muy útiles para el análisis de la aplicación hueso-material de osteosíntesis utilizado en la práctica clínica.

Palabras clave: Fotoelasticidad; Mandíbula; Ensayos biomecánicos.

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ABSTRACT

The biomechanical behavior of the masticatory system is not well known. The mathematical models that have been developed to date are limited and experimental studies have not yet solved the problem of reproducing muscular forces and stress distributions in the internal mandibular structure. A static simulator of the masticatory system was developed in the present study and threedimensional photoelasticity was used to analyze stress distribution in several physiologic and pathologic situations. The results showed that the simulator and 3D photoelasticity were useful for studying interactions and ostheosynthesis materials used in daily clinical practice.

Key words: Photoelasticity; Mandible; Biomechanics.

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Introducción

Hablar, masticar y deglutir son acciones voluntarias que realizamos casi de forma inconsciente y que exigen que varios músculos y huesos funcionen correctamente y de forma coordinada. Para su comprensión se ha recurrido a la biomecánica como ciencia que se ocupa del estudio de las fuerzas que rigen la motilidad de los seres vivos, así como sus efectos externos e internos.¹

La aplicación de la ingeniería mecánica para este propósito, presenta dos condicionantes:

a. Las leyes de la mecánica se han formulado utilizando modelos, materiales y sistemas abstractos que no son fáciles de aplicar a los sistemas biológicos. El material óseo, en el que se insertan los músculos, y que recibe las cargas motrices, es definitivamente distinto a cualquier otro estudiado por la ingeniería mecánica,²

b. El análisis de tensiones mecánicas en el hueso es un problema de tal complejidad que requiere la utilización de dos vías conjuntas, la numérica que recurre a ecuaciones matemáticas, y la experimental que recurre a ensayos biomecánicos, para obtener una valoración exacta de lo que está ocurriendo.

La vía numérica la constituye el método de los elementos finitos, que ha adquirido una dimensión fundamental como ciencia básica para realizar análisis mecánicos funcionales.³ En el campo de la motricidad mandibular los modelos numéricos abstractos han mostrado limitaciones relacionadas con la dificultad para obtener estudios en tres dimensiones que analicen la interacción entre hueso e implantes.⁴

Para solucionar este problema se ha recurrido a la vía experimental, que requiere la elaboración de un modelo o simulador del sistema estudiado, para la aplicación de la técnica elegida.

De las técnicas experimentales utilizadas para la determinación de tensiones, la técnica fotoelástica se ha utilizado ampliamente para el análisis de elementos mecánicos que presentan un alto grado de complejidad. Así, se ha empleado ampliamente para analizar la distribución de tensiones en el caso concreto del hueso.

La fotoelasticidad se basa en un fenómeno óptico denominado birrefringencia temporal. Cuando un material transparente, de características adecuadas, se somete a cargas mecánicas y se observa en un banco fotoelástico o polariscopio dispuesto para luz polarizada circular y en montaje cruzado para la extinción de la luz, aparecen unos espectros de franjas, llamadas isocromáticas, que son los lugares geométricos de los puntos para los que la diferencia de tensiones principales es constante, denominándose a este fenómeno fotoelasticidad bidimensional.

Pero ¿qué ocurre cuando se quiere determinar el estado tensional en el interior de una pieza cualquiera utilizando el método fotoelástico, cuando la geometría del sólido no permite considerar que se trata de un régimen elástico plano? Para ello se utiliza la técnica de la fotoelasticidad tridimensional. Es una técnica muy precisa y con la enorme ventaja de presentar el estado de tensiones de toda la pieza instrumentada, permitiendo además trabajar con modelos a escala, elaborados a base de plásticos transparentes o colocar estos plásticos sobre el prototipo. Para ello se usan plásticos translúcidos, como las resinas epoxy, de buenas características fotoelásticas y que presentan una propiedad específica que les hace adecuados para su uso en fotoelasticidad tridimensional. Estos modelos cargados y sometidos a cierta temperatura durante un periodo de tiempo, cuando se enfrian hasta la temperatura ambiente, conservan el mismo estado tensional, apareciendo el fenómeno denominado "congelación de tensiones". El proceso por el cual se lleva a cabo esta " congelación de tensiones" se explica a nivel molecular, ya que estos plásticos se presentan en dos fases distintas: una sólida a temperatura ambiente que será viscosa a cierta temperatura, mientras que la otra mantiene cualidades de sólido cristalino en ambas condiciones. Por tanto cuando este material se ha calentado las cargas aplicadas provocan deformaciones y tensiones en la fase cristalina, mientras la fase viscosa fluye libremente, conservándose el estado tensional al retirar las cargas después de enfriado el conjunto. Este material se corta en finas rebanadas, adecuadamente para no introducir nuevas tensiones, y con las técnicas de la fotoelasticidad bidimensional, se observa el estado tensional en su interior.^{5, 6} Esta técnica se considera ideal para estudiar las tensiones generadas en la columna lumbar, ligamento cruzado anterior y en las mandíbulas.^7-10

 

Material y método

Para la reproducción del esqueleto facial recurrimos a un cráneo adulto con maxilar y mandíbulas con dentición completa. Para la réplica craneal y maxilar acudimos a una reproducción en escala 1:1 realizada en poliuretano y obtenida por vaciado de una impresión de silicona de un cráneo óseo. El cráneo actuaría como parte fija del sistema. Los prototipos mandibulares se obtuvieron partiendo de una mandíbula modelo de adulto sano, con dentición permanente completa, a partir de la cual se manufacturaron replicas en resina epoxy. Para ello se sumergió el modelo en un baño de silicona autopolimerizable que reproducía fielmente el tamaño, forma y contorno mandibular, y se rellenaron mediante inyecciones sucesivas de los componentes de la resina epoxy que polimerizaron dando lugar a múltiples réplicas de la mandíbula. La elección de la resina epoxy se debió a sus propiedades ópticas y mecánicas (rigidez y resistencia similares al tejido óseo). Las mandíbulas así obtenidas se articularon con el hueso maxilar del cráneo. La réplica de la musculatura masticatoria (Fig. 1) se realizó aplicando tornillos, ganchos y adhesivo en los lugares inserción muscular para sostener elásticos, que traccionasen con una fuerza similar a las conocidas para la musculatura masticatoria en diversas posiciones. Los músculos simulados fueron: maseteros, pterigoideos laterales, pterigoideos mediales, temporales y músculos depresores.

En el caso concreto del sistema esquelético masticatorio, estudiamos la situación tensional en rodajas de la zona dentada mandibular (sínfisis, cuerpo y ángulo) tras la aplicación de determinadas cargas, y su perpetuación mediante el método de congelación de tensiones (Figs. 2 y 3).

Las posiciones de estudio fueron:

Fisiológicas. Para conocer la distribución de cargas en mandíbulas sanas.

1. Posición 1: Control sin cargas

2. Posición 2: Boca abierta

3. Posición 3: Boca cerrada

Patológicas.

4. Posición 4: Boca cerrada con bloqueo intermaxilar elástico que unía maxilar y mandíbula. El bloqueo estricto, y la inmovilización forman parte del tratamiento de fracturas mandibulares, pero pueden ser muy nocivos para el hueso.

5. Posición 5: Fracturas de cuerpo mandibular, fijadas con diferentes materiales de osteosíntesis para estudiar la interacción hueso-implante.

La valoración de las tensiones se realizo analizando las líneas isocromáticas obtenidas en las diferentes áreas de estudio para cada una de las posiciones.^{5, 11}

 

Resultados

La aplicación del método fotoelástico tras la congelación de tensiones sobre los modelos de estudio ha permitido evaluar la distribución de las mismas en situaciones fisiológicas (boca abierta y cerrada), y patológicas (cerclado mandibular y osteosíntesis).

En las situaciones fisiológicas ha demostrado como las trayectorias superficiales o corticales de tensión tradicionalmente descritas por Seipel,¹² tienen una importante repercusión en la medular mandibular; mientras que en las situaciones patológicas se ofrece información acerca de las consecuencias nocivas de la inmovilización y la interacción entre hueso e implante (Figs. 4 y 5).

En la figura 4 se muestra la distribución de tensiones en el área del cuerpo mandibular, que soporta la mayor carga masticatoria. En la posición 1 (4A), como era de esperar, no se aprecian isocromáticas al no haber aplicado tensiones. En la posición 2 (4B), de apertura oral, las tensiones son mínimas, al no haber contacto oclusal. En la posición 3 (4C) aparecen líneas de tensión tanto en la cortical como en la medular mandibular en la dirección de transmisión de los esfuerzos debidos a la aplicación de la acción de los músculos elevadores. Finalmente, en la posición 4 (4D y 4E), a las fuerzas anteriores se suman las debidas al cerclado intermaxilar y al alambrado dentario, que se manifiestan como una sobrecarga funcional en la región de unión diente-hueso alveolar (flecha), y en la medular.

En la figura 5 se exponen algunas peculiaridades de la alternativa al bloqueo intermaxilar: la osteosíntesis. En la figura 5A se han aplicado sistemas convencionales de compresión de placa al hueso, mientras que en la 5B se ha realizado la fijación mediante la compresión del tornillo a la placa (sistema "lock"). Como se puede observar, la distribución de tensiones, y la sobrecarga ejercida en el hueso es menor en este último caso, ya que la fuerza se ejerce sobre la placa.

 

Discusión

Cuando se revisan los ensayos biomecánicos en los que se han cimentado las bases del tratamiento de la patología ósea traumática máxilofacial, encontramos dos limitaciones muy importantes:

Los modelos de estudio no han tenido en cuenta consideraciones anatómicas y funcionales del sistema.^{13, 14}

1. Todos ellos han mostrado grandes dificultades para estudiar la interfase entre implante y lecho implanterio cuando se empleaba material de osteosíntesis.

El simulador estático que hemos presentado en el apartado de material y métodos es una idea original cuyas ventajas son el empleo de réplicas óseas exactas y de materiales elásticos para remedar las cargas musculares, así como la aplicación de los puntos anatómicos precisos de inserción muscular.

Además puede adaptarse al uso de cualquier tipo de material como réplica del componente óseo del sistema. En nuestro caso, y dado que el objetivo era evaluar la transmisión de cargas a la cortical y medular mandibular tras la aplicación de fuerzas musculares determinadas, se precisaba un material transparente con un comportamiento mecánico similar al hueso aunque no tuviese la misma estructura microscópica y que permitiese estudiar la interfase implante- lecho, que resulta imposible con el hueso fresco o tratado de cadáver.

Consideramos que la resina epoxy ofrecía importantes ventajas ya que presenta un comportamiento muy parecido al hueso real en lo que se refiere a la transferencia de cargas y a la interacción entre implante y lecho receptor, de manera, que los resultados obtenidos pueden ser extrapolables a la práctica clínica.¹⁵ La aplicación de la fotoelasticidad tridimensional ofrece una amplia información de las direcciones e intensidades de las tensiones principales en la cortical y medular de las réplicas de un determinado fragmento óseo, así como de la interfase o zona donde se produce la interacción del material protésico con su lecho receptor.^6,7,10

El método tiene una gran sensibilidad, como lo demuestra el hecho de que tanto en las posiciones fisiológicas como patológicas que se han elegido para evaluar su validez aportan resultados concordantes con lo esperado dadas las acciones musculares que actúan en cada momento y las características de los materiales de implante en su interacción con el hueso. En este sentido, en la figura 5B, podemos apreciar como los sistemas que ejercen la fuerza del tornillo sobre la placa parecen menos lesivos para el hueso que los que comprimen la placa contra la cortical, que son los más ampliamente empleados, cuya acción sobre el lecho de implante se aprecia en la figura 5A.

Finalmente, se le aporta al cirujano, un método que se puede interpretar de forma casi intuitiva al ofrecer una escala de colores asociados a un determinado estado tensional.

 

Conclusiones

En definitiva, en el presente trabajo se propone un modelo y método fiable para estudiar las características biomecánicas del sistema músculo-esquelético masticatorio. Además ofrece un análisis cualitativo y semicuantitativo de las tensiones que actúan en el sistema. El modelo experimental aquí descrito es un punto de partida para incluir consideraciones anatómicas y funcionales en el campo de la osteosíntesis mandibular.

En un futuro cercano, es deseable desarrollar más aplicaciones de este método que nos permitan analizar situaciones de carga más complejas, cuyo objetivo sea reproducir las condiciones de trabajo. De esta manera podemos analizar el comportamiento de los diferentes materiales en condiciones de carga cíclica. La dinamización del sistema depende de conseguir adaptar los mecanismos existentes de apertura y cierre para someterlos al proceso de congelación de tensiones.

 

Agradecimientos

Al Prof. Antonio Ros Felip, por habernos introducido en las técnicas fotoelásticas.

Al Prof. Mariano Rodríguez-Avial por facilitarnos el uso del Laboratorio de Resistencia de Materiales de la ETSII de la UNED.

 

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Dirección para correspondencia:
Hospital Universitario La Paz.
Paseo de Castellana nº 216.
28040 Madrid. España

Recibido: 27.08.07
Aceptado: 17.12.08