AUTORES
- Ángela Ramos Salvachúa. Graduada en Fisioterapia. Fisioterapeuta Servicio Aragonés de Salud.
RESUMEN
Los huesos están conformados por un tipo de tejido que obedece las leyes de la mecánica debido a su gran heterogeneidad tanto en estructura, composición como comportamiento anisotrópico. Por este motivo, es importante profundizar en el campo del tejido óseo a través del estudio de las propiedades mecanobiológicas del mismo, para más tarde comprender las leyes mecánicas que rigen el comportamiento del remodelado óseo. De esta manera se lograrán entender los mecanismos de lesión ósea, así como su proceso de consolidación o recuperación. Para una mejor comprensión de este tema se recomienda consultar previamente el artículo publicado al respecto del tejido óseo titulado Tejido óseo: composición, estructura y propiedades histológicas.
PALABRAS CLAVE
Tejido óseo, mecánica, fisiología, hueso cortical, hueso esponjoso.
ABSTRACT
Bone is made up of a type of tissue that obeys the laws of mechanics due to its great heterogeneity in structure, composition and anisotropic behaviour. For this reason, it is important to delve deeper into the field of bone tissue through the study of its mechanobiological properties, in order to later understand the mechanical laws that govern the behaviour of bone remodelling. That way it will be possible to understand the mechanisms of bone injury, as well as its consolidation or recovery process. For a better understanding of the subject, it is recommended to consult the first volume published on bone tissue entitled: Bone tissue: composition, structure and histological properties.
KEY WORDS
Bone tissue, mechanics, physiology, cortical bone, cancellous bone.
DESARROLLO DEL TEMA
Para preservar intactas sus funciones mecánicas tanto de sostén como de protección, los huesos activan sus propios mecanismos de adaptación ante la constante exposición a fuerzas de tipo multidireccional, que, en algunas ocasiones, pueden incluso provocar su fractura. Esos sistemas de adaptación se rigen por una serie de leyes que se verán más adelante, no obstante, para ello es importante partir primero de unas nociones básicas concernientes a la composición, estructura y propiedades histológicas presentes en el artículo publicado sobre el tejido óseo titulado Tejido óseo: composición, estructura y propiedades histológicas.
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HUESO:
Biomecánicamente, el hueso se comporta como un material bifásico, en el que una de las fases sería la base mineral, y la otra la formada por el colágeno y la sustancia osteoide1. Según la mayoría de autores, la heterogeneidad en la composición de los huesos propicia el comportamiento anisotrópico de los mismos. Por este motivo, en función del tipo de hueso ante el que uno se encuentre, y a su vez del tipo de fuerza que sobre éste se ejerza, se producirán unos efectos mecánicos y una reacción acorde a los factores desencadenantes.
A nivel funcional, las propiedades más destacadas del hueso son su resistencia, su firmeza, y su dureza. En el análisis óseo hay que tener en cuenta dos variables para valorar su resistencia: la cantidad, y la calidad ósea. Hasta el 60-80% de la resistencia biomecánica del hueso es debida a su cantidad ósea, y el 20-40% restante a la calidad2. Esta última engloba a su vez las propiedades materiales, estructurales y geométricas, es decir, la mineralización y la composición de la matriz. Por su parte, la cantidad de hueso es descrita como la masa de mineral ósea por unidad de área, y es definida como densidad mineral ósea, expresada en g/cm3. Aunque a priori la base mineral podría considerarse la encargada de otorgar rigidez y resistencia al hueso, se ha visto que es el colágeno tipo I el que mayor influencia tiene en ese sentido, pues se ha demostrado que, en casos en los que el hueso cuenta con fibras colágenas desnaturalizadas, éste puede ver disminuida su resistencia y tenacidad hasta en un 60%1. Por otro lado, la dureza, que señala la oposición que presenta el hueso a ser penetrado, es una quinceava parte de la que muestra el acero4. Por el contrario, otras características como la flexibilidad, que es la capacidad de adaptar volumen y forma dentro de unos límites establecidos por el propio material, es alrededor de 10 o 20 veces mayor en el hueso en comparación con ese mismo acero. Además, la elasticidad, facultad del material para retornar a su posición inicial una vez se ha detenido la fuerza que lo deforma, es de un 0,3% en el caso del hueso, estando su límite para la fractura a partir del 4% de elongación de su longitud original4. Adicionalmente, la viscosidad es una propiedad que permite una progresión suave y fluida de deformación mientras la velocidad de aplicación de fuerza sea constante. Sin embargo, cuando la velocidad aumenta, la deformación disminuye, se incrementa la tensión, y por tanto aumenta la rigidez del tejido.
Para valorar algunas de estas cualidades, los métodos utilizados habitualmente suelen ser simulaciones mediante la aplicación de fuerzas por cargas externas. Cuando una de estas fuerzas es aplicada, el tejido sufre una deformación y un cambio en sus dimensiones que, si se representa gráficamente, da lugar a una curva, la cual puede ser analizada en profundidad mediante programas informáticos. Gracias a ello se obtendrán resultados sobre las propiedades mecánicas de esa porción de hueso en estudio. Esta gráfica suele presentar dos porciones: una elástica, y otra plástica. Durante la fase más lineal, la elástica, en la que el tejido tras dejar de ser expuesto a la fuerza externa retorna a su estado inicial, se da una absorción de energía directamente proporcional a la velocidad con la que se aplica la deformación. La otra fase, denominada plástica, en la que si persiste la carga demasiado tiempo llega un momento en el que el hueso no sería capaz de recuperar su estructura inicial, es de gran importancia en periodos de crecimiento del aparato locomotor en niños, en concreto, para la epífisis proximal del fémur4. Lógicamente, si la carga excediera los límites fisiológicos asumibles por el tejido óseo la deformación acabaría provocando la rotura del material, que en este caso se traduciría en una fractura de hueso1. No obstante, cabe destacar que este tipo de análisis con huesos o fragmentos de éstos no resultan lo suficientemente válidos si no se considera su geometría o se hacen algunas modificaciones y correcciones oportunas para compensar la distorsión en los datos que origina la propia heterogeneidad interna del hueso.
Debido a las diferencias existentes entre hueso esponjoso y cortical en cuanto a su arquitectura interna, cabe desgranar por separado las distintas propiedades mecánicas que este hecho implica. El hueso cortical es un 25% más denso que el trabecular, 1.6-2.0 frente a 0.03-0.12, y mucho más resistente también, 100-230 megapascales (MPa) versus 1-7 MPa5. Esa resistencia depende, en el caso del tejido esponjoso, de la disposición de las trabéculas que lo forman. Asimismo, el hueso compacto es entre un 5 y un 10% más duro que el hueso esponjoso4, y en cuanto a porosidad, tiene un escaso 5-10% al lado del 50-90% del trabecular5. Gracias a la elevada porosidad del hueso esponjoso, éste tiene mayor capacidad de almacenar energía1. Además, el hueso trabecular es hasta cinco veces más dúctil que el compacto.
Otro factor que modifica las propiedades mecánicas óseas es el contenido en agua. A pesar del bajo porcentaje acuoso que poseen los huesos, un 10%, su ausencia condiciona un hueso de tipo seco con un módulo de elasticidad aumentado, lo que quiere decir que será capaz de almacenar mayor tensión y energía momentos previos a la fractura, pero al mismo tiempo será más frágil por su menor comportamiento plástico4.
LEYES DE LA REMODELACIÓN ÓSEA:
Una vez que los huesos han alcanzado su forma adulta ésta permanece constante. Pese a esto, internamente el tejido se encuentra en continua reestructuración durante toda la vida6. Dentro del ámbito de la mecanobiología, existen una serie de leyes que rigen el crecimiento y remodelado óseo, dentro de las cuales cada una tiene una función específica que se procede a explicar a continuación.
Ley de Julius Wolff:
Su ley gobierna el modelado óseo a su nivel más básico. Esta ley, aunque ha generado controversia y aparición de nuevas teorías a su costa, ha sido una de las teorías más aceptadas para explicar la adaptación de la arquitectura ósea.
Literalmente afirma que “cualquier cambio en la forma y función del hueso, o tan sólo en su función, va seguido de unos cambios específicos en su arquitectura interna, e igualmente de una alteración definida de su conformación externa, según leyes matemáticas”7. Esto se traduciría brevemente en que si el hueso, que parte de una forma y organización determinadas, recibe cambios que obligan a cambiar su función, tendrá que llevar a cabo reajustes en su estructura para cumplir con su nuevo cometido.
En un artículo de 2010 se menciona un enfoque adicional sobre esta ley, en concreto, acerca de cómo se rige el crecimiento óseo en espesor a través del periostio, el cual funciona de manera opuesta a lo que ocurre con el crecimiento longitudinal de Delpech. En aquellas regiones en las que haya más sobresolicitación tanto por compresión como por tracción, el hueso crecerá en mayor medida. Como prototipo de este tipo de desarrollo se exponía el conocido hallux valgus, un sobrecrecimiento de la zona medial de la cabeza del primer metatarsiano, el cual se produce en defensa de la compresión ejercida sobre el mismo, por ejemplo, por un calzado inadecuado4. Sin embargo, tras varias búsquedas bibliográficas al respecto de este postulado, no se han encontrado más manuscritos que lo mencionen.
Ley de Delpech-Hueter-Volkmann:
Fundamental para el crecimiento longitudinal a través de las metáfisis durante la etapa de crecimiento4,8. Propone una relación inversa entre la compresión ejercida sobre el cartílago epifisario y el índice de crecimiento de la misma. En el momento en que el cartílago recibe cargas de un modo descompensado éste diverge su actividad osteogénica de tal modo que en aquellas regiones donde existe un menor grado de compresión se fomenta la proliferación ósea, y, en sentido contrario, se inhibirá el crecimiento en las zonas más comprimidas. Ejemplo de esto serían tanto el genu valgo como el genu varo.
En casos de genu varo, la deformación se produce por una interrupción de la proliferación ósea en el área medial del tercio proximal de tibia y distal de fémur por el aumento de presión sufrido, y en contraposición el territorio lateral prolifera. En cambio, en el genu valgo, las zonas reaccionan justo al revés: las zonas laterales de las metáfisis dejan de crecer, y las internas son las que se desarrollarán acentuando la desviación4.
Leyes de Roux:
Fue de los primeros autores en publicar sobre la “adaptación funcional” de los huesos, la cual sugería que “el esqueleto se diseña a sí mismo con la actividad física y los estímulos mecánicos” y que “el proceso adaptativo en el hueso está regulado por las células influidas por las tensiones locales”6. Este proceso de adaptación funcional lo consideraba como un mecanismo cuantitativo de autorregulación desde niveles celulares9.
Por otro lado, Roux también publicó acerca de los efectos mecánicos sobre los callos en formación que tienen las diferentes clases de fuerzas aplicadas4,10, a saber:
- Fuerzas de tracción: provocan callos de tipo fibroso.
- Fuerzas de presión intermitente: dan lugar a callos óseos de calidad.
- Fuerzas de cizallamiento: inducen callos en forma de islotes cartilaginosos que terminarán en pseudoartrosis.
Si se quiere aplicar esta ley a la práctica clínica diaria, ésta se traduciría en la necesidad de corregir de forma adecuada las desviaciones óseas en casos de fracturas desplazadas, evitando en todo momento fuerzas que no sean de tipo longitudinal de presión intermitente.
Otra aportación de Roux y Kock fue la regla de resistencia máxima para un mínimo de materia, mediante la que se afirma que el hueso debe presentar una estructura interna determinada tal que, con una cantidad mínima de materia ósea, se obtenga una máxima resistencia ante las fuerzas externas que son aplicadas sobre el mismo11. De este modo, las trabéculas óseas se organizarían siguiendo la misma dirección y sentido que el resultado de las fuerzas aplicadas en cada punto del tejido, por lo que un pequeño estímulo mecánico, administrado de la manera adecuada, sería de gran utilidad para fomentar una reorganización interna resistente como ya se ha mencionado anteriormente.
Para entender esta ley, una implicación clínica que podría ponerse como ejemplo serían los efectos de implantar una osteosíntesis de elevada complejidad durante la intervención quirúrgica de una fractura. El hecho de aplicar un material que otorgue demasiada resistencia de manera inmediata impediría que se desarrollara la propia resistencia del hueso en un futuro.
Ley de Bessel-Hagen4,12:
También conocida como la ley del potencial del crecimiento óseo. Ésta defiende que un hueso crecerá hasta un máximo predeterminado genéticamente. Debido a ello, en caso de haber requerimientos adicionales de crecimiento óseo para otros fines distintos a los esperados en condiciones normales de desarrollo, esto se traducirá en un déficit de incremento en longitud del hueso.
Leyes de Godin de la Fléche4,11:
Son varias leyes de remodelación que se diferencian parcialmente de las anteriores porque incorporan variables como la edad y la etapa del desarrollo en la que se encuentra la persona, de tal manera que explican el equilibrio existente entre el desarrollo esquelético y el de las partes blandas. Así:
- Ley de la pubertad:
Previamente a la pubertad existe un orden en cuanto a zonas y tipos de mayor crecimiento:
Se desarrollarán en primer lugar miembros y más tarde tronco.
El crecimiento en altura precede al mismo en cuanto a anchura.
En primera instancia se produce el crecimiento óseo, después se dará el muscular.
- Ley de la alternancia:
Existe crecimiento alternante en cuanto a longitud y grosor óseos intercalados por intervalos de reposo. Según la región corporal y el estado de salud la intensidad de estos periodos cambia.
- Ley de las proporciones:
Esta ley distingue tres etapas diferenciadas de crecimiento partiendo de la base de que la talla al nacer se denominará N, y será alrededor de unos 50 cm aproximadamente:
Desde nacimiento – 5 años: estatura = 2N. Esto quiere decir que la estatura será doble con respecto a la del nacimiento.
5 años – 14 años: estatura = 3N. La estatura será el triple de la que presentaba en el momento de nacer.
15 años – Edad adulta: talla definitiva.
- Ley de las asimetrías:
Tanto miembros inferiores como miembros superiores no se desarrollarán de manera simétrica si son sometidos a funciones o trabajos diferentes o desproporcionados entre sí. Esto quiere decir, que en caso de que uno de los miembros se sobresolicite para cualquier tipo de esfuerzo, esto podrá ocasionar la aparición de deformaciones, motivo por el cual se prohibió el trabajo forzoso en niños en el siglo XIX.
Ley de Euler11:
Cabe realizar una matización importante en lo referente a esta ley, concretamente, en cuanto a su aplicación en diferentes regiones óseas. Esta ley afirma que la resistencia de un material queda determinada por el número de curvaturas que presenta el mismo. Así, el error comienza cuando esta afirmación es aplicada al caso de la columna vertebral, pues, para esta ley, ésta es considerada como un único ente en conjunto con 3 curvas. En este contexto, esta premisa sería falsa, pues la columna vertebral consiste en una concatenación de numerosos segmentos vertebrales, partes blandas y tejidos heterogéneos, factor que impediría cumplir los requisitos de aplicabilidad de la fórmula propuesta por esta ley.
En consecuencia, existe un consenso al respecto de aceptar la presente ley mientras no se tenga en cuenta su fórmula matemática, en tanto se hable de fuerzas dinámicas y no estáticas, ya que son el escenario en el que esta ley cumple su postulado.
CONCLUSIONES
El tejido óseo presenta características particulares frente a los diferentes tipos de fuerzas a los que es expuesto. Esta información tiene especial relevancia clínica a la hora de tomar medidas de tipo terapéutico en casos de lesión, fracturas de hueso, o mala calidad del tejido óseo. Existen variables que influyen de manera importante en la calidad de remodelación, como son la edad, el sexo, o la presencia de ciertas enfermedades concomitantes, que se sumarán a todas las variables mencionadas en el presente monográfico13.
CONFLICTOS DE INTERÉS
La autora declara no tener conflictos de interés.
BIBLIOGRAFÍA
1. Nordin M, Frankel VH. Basic biomechanics of the musculoskeletal system. 4th ed. 2012.
2. Caeiro, JR; González, P; Guede D. Biomecánica y hueso (y II): Ensayos en los distintos niveles jerárquicos del hueso y técnicas alternativas para la determinación de la resistencia ósea. J Miner Metab Osteoporos [Internet]. 2013;5(2):99–108.
3. Guede D, González P, Caeiro JR. Biomecánica y hueso (I): Conceptos básicos y ensayos mecánicos clásicos. Rev Osteoporos y Metab Miner. 2013;5(1):43–50.
4. Ángulo Carrere T. Biomecánica clínica Biomecánica del hueso Ma Teresa Angulo Carrere. Reduca [Internet]. 2010;2(3):32–48.
5. Ben Kahla R, Barkaoui A. Bone Remodeling Process. Mechanics, biology, and Numerical Modeling. Bone Remodeling Process. 2021.
6. Forriol F. Bone response to mechanical demand under physiological conditions | Respuesta ósea a las solicitaciones mecánicas en condiciones fisiológicas. Rev Ortop y Traumatol. 2001;45(3):258–65.
7. Frost HM. Wolff’s law and bone’s structural adaptations to mechanical usage: an overview for clinicians. Angle Orthod. 1994;64(3):175–88.
8. Bush PG, Hall AC, Macnicol MF. New insights into function of the growth plate: Clinical observations, chondrocyte enlargement and a possible role for membrane transporters. J Bone Jt Surg – Ser B. 2008;90(12):1541–7.
9. Huiskes R. If bone is the answer, then what is the question? J Anat. 2000;197(2):145–56.
10. Burgos J, González Herranz P, Amaya S. Lesiones traumáticas del niño. Madrid: Editorial Médica Panamericana S.A.; 1995.
11. Dunlop JWC, Hartmann MA, Bréchet YJ, Fratzl P, Weinkamer R. New suggestions for the mechanical control of bone remodeling. Calcif Tissue Int. 2009;85(1):45–54.
12. Pifarré F. Física y biomecánica clínica para fisioterapeutas y podólogos. Lleida: Edicions i Publicacions de la Universitat de Lleida; 2021.
13. Dunlop JWC, Hartmann MA, Bréchet YJ, Fratzl P, Weinkamer R. New suggestions for the mechanical control of bone remodeling. Calcif Tissue Int. 2009;85(1):45–54.
