Caracterización de vértebras porcinas para su uso en aplicaciones biomecánicas

Abstract

Esta investigación surge de la necesidad de determinar las correlaciones existentes entre vértebras porcinas y humanas para aplicaciones biomecánicas. El trabajo consistió en la determinación de las propiedades mecánicas en Unidades Funcionales (UF`s) y Unidades de Columna Anterior (UCA`s) en especímenes porcinos, así como en su caracterización morfométrica, debido a que a pesar de ser uno de los animales más utilizados en experimentación en el área de la biomecánica, los datos referentes a su comportamiento biomecánico comparado con el del ser humano siguen siendo escasos. Atendiendo esta problemática, se realizaron ensayos de compresión in vitro en UF`s y en UCA`s de columna lumbar porcina. Los ensayos mecánicos se realizaron en la zona lumbar (L3-L4) de cerdos machos jóvenes de la raza Duroc-Jersey, con un promedio de 6 meses de edad, un peso de 120 kg, y con no más de 48 hrs post mortem. Se realizaron 20 ensayos de compresión, 15 en UCA`s y 5 en UF`s, con una velocidad de 5mm/seg. Tanto para UCA`s como para UF`s, se realizó un análisis estadístico con la finalidad de eliminar los ensayos no representativos y no afectar los resultados finales. Los niveles de carga aplicados en los ensayos biomecánicos se determinaron con base al criterio de falla de las placas terminales por lo que se empleó una carga de compresión axial promedio de 8608 N para las UCA`s y de 11318 N para las UF`s. Los resultados obtenidos en los ensayos de las UF`s para carga máxima demuestran que son un 24% más fuertes que en las UCA`s, este valor no dista mucho del 18% que se obtiene en los humanos. Se realizó también el cálculo del Modulo Elástico Equivalente de las UCA`s con el objetivo de tenerlo como referencia para futuros análisis numéricos, cabe mencionar que únicamente es un valor de referencia y son necesarios más estudios de forma controlada en UCA`s, UF`s y sus elementos constitutivos, con la finalidad de tener valores más precisos. Para el análisis morfométrico se utilizaron 10 vértebras L3 y 10 vértebras L4. Estas fueron hervidas en agua en una olla de presión durante 20 minutos para retirar los tejidos blandos (carne, tendones, ligamentos, disco intervertebral), con la finalidad de obtener una estructura ósea limpia. Para el retiro del tejido, se utilizó un bisturí con una hoja del numero 15 e instrumentos quirúrgicos adecuados, teniendo precaución en no dañar el hueso al realizar esta acción. Los resultados de este análisis mostraron que los cuerpos vertebrales humanos son más anchos y cortos, comparados con los porcinos que son más esbeltos y altos. Tanto el canal espinal como las apófisis espinosas son más robustas en humanos que en los porcinos, sin embargo, los pedículos porcinos son más largos que los humanos. En general, las dimensiones de las vértebras analizadas aumentan de tamaño en dirección cráneo-caudal, lo cual concuerda con otros estudios realizados al respecto.

This research arises from the need to determine the correlation between porcine and human vertebrae for biomechanical applications. The work consisted in determining the mechanical properties in Functional Spinal Units (FSU`s) and Anterior Column Units (ACU`s) in porcine specimens, as well as morphometric characterization. Because despite being one of the mostly used in animal experimentation in the area of biomechanics, data concerning the comparison of the biomechanical behavior of human beings are still scarce. Given these problems, compression tests were performed in vitro in FSU`s y ACU`s porcine lumbar spine. The mechanical tests were performed in porcine vertebrae in the lumbar region (L3-L4) in specimens of young male swine Duroc-Jersey, with an average of 6 months old, weighing 120 kg. and no more than 48 hrs. post mortem. 20 tests were conducted in compression, 15 in ACU`s and 5 in FSU`s with a speed of 5mm/seg. Both for ACU`s to FSU`s, statistical analysis was performed with the objective of eliminating unrepresentative testing and not affect the final results. Load levels applied in the biomechanical tests were determined based on the criterion of failure of the endplates was used an average axial compressive load of 8608 N for the UCA and 11,318 N for the UF. The results obtained in the FSU`s tests show that maximum load is 24% stronger than in the ACU`s, this value is not far from 18% found in humans. In this work also made the calculation of the equivalent elastic modulus of the ACU`s in order to have as a reference for future numerical analysis, it is noteworthy that only a reference value and further studies are needed in a controlled manner at ACU`s, FSU`s and its constituent elements, for the purpose of having more precise values. For morphometric analysis was used 10 vertebrae L3 and 10 vertebrae L4. These were boiled in water in a pressure cooker for 20 minutes to remove the soft tissue (meat, tendons, ligaments, intervertebral disc) with the aim of obtaining a clean bone structure. For removal of tissue, was used with a scalpel blade number 15 and appropriate surgical instruments, taking care not to damage the bone tissue to perform this operation. The results of this analysis showed that human vertebral bodies are wider and shorter compared to porcine which are more slender and tall. Both the spinal canals as the spinous process are more robust in humans than in porcine, but porcine pedicles are longer than humans. In general, the dimensions of the vertebrae increase in size in cranio-caudal direction, this is consistent with other studies performed.