Tumor growth for remodeling process: A 2D approach.

This paper aims to present a comprehensive framework for coupling tumor-bone remodeling processes in a 2-dimensional geometry. This is achieved by introducing a bio-inspired damage that represents the growing tumor, which subsequently affects the main populations involved in the remodeling process, namely, osteoclasts, osteoblasts, and bone tissue. The model is constructed using a set of differential equations based on the Komarova's and Ayati's models, modified to incorporate the bio-inspired damage that may result in tumor mass formation. Three distinct models were developed. The first two models are based on the Komarova's governing equations, with one demonstrating an osteolytic behavior and the second one an osteoblastic model. The third model is a variation of Ayati's model, where the bio-inspired damage is induced through the paracrine and autocrine parameters, exhibiting an osteolytic behavior. The obtained results are consistent with existing literature, leading us to believe that our in-silico experiments will serve as a cornerstone for paving the way towards targeted interventions and personalized treatment strategies, ultimately improving the quality of life for those affected by these conditions.

Part II: A new perspective for modeling the bone remodeling process: Biology, mechanics, and pathologies.

In this paper, we explore the effects of biological (pathological) and mechanical damage on bone tissue within a benchmark model. Using the Finite Element Methodology, we analyze and numerically test the model's components, capabilities, and performance under physiologically and pathologically relevant conditions. Our findings demonstrate the model's effectiveness in simulating bone remodeling processes and self-repair mechanisms for micro-damage induced by biological internal conditions and mechanical external ones within bone tissue. This article is the second part of a series, where the first part presented the mathematical model and the biological and physical significance of the terms used in a simplified benchmark model. It explored the bone remodeling model's application, implementation, and results under physiological conditions.

Analysis of the airflow features and ventilation efficiency of an Ultra-Clean-Air operating theatre by qDNS simulations and experimental validation.

Ultra-Clean-Air (UCA) operating theatres aim to minimise surgical instrument contamination and wound infection through high flow rates of ultra-clean air, reducing the presence of Microbe Carrying Particles (MCPs). This study investigates the airflow patterns and ventilation characteristics of a UCA operating theatre (OT) under standard ventilation system operating conditions, considering both empty and partially occupied scenarios. Utilising a precise computational model, quasi-Direct Numerical Simulations (qDNS) were conducted to delineate flow velocity profiles, energy spectra, distributions of turbulent kinetic energy, energy dissipation rate, local Kolmogorov scales, and pressure-based coherent structures. These results were also complemented by a tracer gas decay analysis following ASHRAE standard guidelines. Simulations showed that contrary to the intended laminar regime, the OT's geometry inherently fosters a predominantly turbulent airflow, sustained until evacuation through the exhaust vents, and facilitating recirculation zones irrespective of occupancy level. Notably, the occupied scenario demonstrated superior ventilation efficiency, a phenomenon attributed to enhanced kinetic energy induced by the additional obstructions. The findings underscore the critical role of UCA-OT design in mitigating MCP dissemination, highlighting the potential to augment the design to optimise airflow across a broader theatre spectrum, thereby diminishing recirculation zones and consequently reducing the propensity for Surgical Site Infections (SSIs). The study advocates for design refinements to harness the turbulent dynamics beneficially, steering towards a safer surgical environment.

Access restrictions to forest resources, rather than COVID-19 bans, drive the selection of firewood species for bonfires during Festas Juninas in northeastern Brazil.

BACKGROUND: The complex interplay of social and environmental factors shapes ecosystems, potentially leading to harmony or conflict, highlighting the importance of understanding these dynamics for coexistence. In developing countries, firewood serves as a primary energy source and plays a role in cultural-religious rituals and festivities. However, the specific patterns of woody species used for the latter remain poorly understood, including the impact of access restrictions to resources and local bans on practices. Therefore, our research focuses on examining how access restrictions to forest resources and bonfire bans due to the coronavirus disease 2019 (COVID-19) impact the cultural-religious tradition of bonfire making during Festas Juninas (June festivities) in northeastern Brazil. METHODS: Ethnobotanical fieldwork was conducted in two rural populations in northeastern Brazil between 2021 and 2022. Data were collected through semi-structured interviews, observations, and the guided tour technique. The cultural-religious tradition of bonfire making (i.e., richness of native and exotic firewood species, firewood volume, and the number of bonfires related to this practice) was compared between populations (i.e., differing in access restrictions) and years (i.e., differing in COVID-19-related bans) using Mann-Whitney U tests. RESULTS: Results revealed significant differences in the richness of native (p value = 0.001) and exotic (p value < 0.001) firewood species for bonfire making due to access restrictions to forest resources. The number of native species used was higher among the population residing in the area with unrestricted access than among those with restricted access, while a greater number of exotic species was used in the population with restricted access. The rest of the variables were not influenced by access restrictions, and no variables were influenced by COVID-19 bans. CONCLUSIONS: Our study demonstrated that access restrictions to forest resources, rather than COVID-19 bans, drive the selection of firewood species for bonfires during Festas Juninas in northeastern Brazil. In addition, as populations remain deeply entrenched in cultural-religious practices amid temporary bans imposed by health crises, there is a pressing need for culturally sensitive environmental policies. Fostering socio-ecological resilience demands a comprehensive approach that encompasses not only environmental factors but also cultural dimensions, which wield a pivotal influence on long-term sustainability.

Determinación de la calidad bacteriológica del aire en un laboratorio de microbiología en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en Bogotá, Colombia / Bacteriological air quality in a microbiology laboratory at the Distrital Francisco José de Caldas. University in Bogotá, Colombia

Objetivo. Determinar las bacterias del aire de un laboratorio de enseñanza de microbiología de la Universidad Distrital y así establecer la posibilidad de riesgo para la salud a la exponen los usuarios por la presencia de estos microorganismos. Métodos. Se tomaron muestras de aire por la técnica de sedimentación, se realizaron recuentos, y caracterización macroscópica y microscópica de las colonias. Después de aislamientos selectivos se llevó a cabo identificación por BD BBL Crystal. Resultados. Se obtuvo mayor recuento de bacterias Gram positivas que de Gram negativas. Se encontraron bacterias de los géneros Micrococcus, Staphylococcus, Leuconostoc, Bacillus, Corynebacterium, Pseudomonas, Yersinia, Serratia, Shigella, Klebsiella, Citrobacter y Acinetobacter. Los resultados mostraron que las bacterias identificadas no suponen riesgo elevado para la salud de los usuarios sanos, pero que es necesario implementar medidas para disminuir la carga bacteriana y disminuir posibles afecciones generales en la salud de sus ocupantes.

Objective. Determine airborne bacteria in a teaching laboratory of microbiology at the Distrital University and establish the bacteriological quality of air which users are exposed. Methods. Air samples were taken by sedimentation technique. The recovered colonies were counted, macroscopic and microscopic characterized and culture in selective media. The isolates were identifies by BD BBL Crystal. Results. It was found greater counts of gram-positive bacteria compared with Gram negative. It was identified bacteria of genus Micrococcus, Staphylococcus, Leuconostoc, Bacillus, Corynebacterium, Pseudomonas, Yersinia, Serratia, Shigella, Klebsiella, Citrobacter and Acinetobacter. The results showed that the bacteria identified do not present high risk to healthy of users, but it is necessary to implement measures to reduce the bacterial presence. Additionally, in this way decrease possible impact in general health of its occupants.

A Histological Study of Postnatal Development of Clavicle Articular Ends / Estudio histológico del desarrollo posnatal de los extremos articulares de la clavícula / Um estudo histológico do desenvolvimento pós-natal das extremidades articulares da clavícula

The clavicle is the first bone to begin the process of ossification and the last one to complete it. Whilst histological studies of the clavicle have been focused mainly on embryonic events, our study focused on postnatal clavicle development. The objective of this study was to perform a qualitative description of the clavicle's epiphyseal growth to further shed light on the postnatal ossification process. Histological studies performed on clavicles obtained from cadavers confirmed medial and lateral extremities as true physes. Unlike the development of other long bones, no secondary ossification centre was present at the acromial end. Furthermore, appearance of the sternal end was observed after the age of 18, as evidenced in clavicles from a 19-year old individual. The articular surface of the clavicle's acromial end was fibrocartilage. Thus far no histological studies have been performed before describing postnatal development of clavicular ends. Our data confirm the absence of an acromial secondary ossification centre, the late development of a secondary ossification centre at the sternal end, and the presence of fibrocartilage at the acromial end.

La clavícula es el primer hueso que comienza el proceso de osificación y el último en completarlo. Mientras los estudios histológicos de la clavícula se han enfocado principalmente en los eventos embrionarios, nuestro estudio se enfoca en su desarrollo posnatal. El objetivo de este estudio fue llevar a cabo una descripción cualitativa del crecimiento epifisario de la clavícula, que pueda arrojar luz sobre el proceso de osificación posnatal. Los estudios histológicos llevados a cabo en clavículas procedentes de cadáveres confirman que las extremidades mediales y laterales son verdaderas fisis. A diferencia del desarrollo de otros huesos largos, no se encuentra otro centro de osificación secundaria en la extremidad acromial. Por otra parte, la aparición de la extremidad esternal ocurre a la edad de 18 años, como se evidenció en clavículas del individuo de 19 años de edad. La superficie articular del extremo acromial de la clavícula era fibrocartilago. No se han realizado hasta ahora estudios histológicos que describan el crecimiento posnatal de las extremidades claviculares. Nuestros datos confirman la ausencia de un centro de osificación secundaria acromial, el desarrollo tardío de un centro de osificación secundaria en la extremidad esternal y la presencia de fibrocartílago en la extremidad acromial.

A clavícula é o primeiro osso a iniciar o processo de ossificação e o último em completar. Enquanto estudos histológicos da clavícula tém sido focados principalmente em eventos embrionarios, nosso estudo enfoca no desenvolvimento pós-natal da clavícula. O objetivo de esse estudo foi realizar uma descreo qualitativa do crescimento epifisário da clavícula para aclarar o processo de ossificação pós-natal. Estudos histológicos realizados em clavículas obtidas de cadáveres confirmaram as extremidades mediais e laterais como fises reais. Diferente do desenvolvimento de outros ossos longos, nenhum centro de ossificação secundário estava presente na extremidade acromial. Além disso, o aparecimiento da extremidade esternal foi observado após os 18 anos, sendo evidenciado em clavículas de indivíduos de 19 anos. A superficie articular da extremidade acromial da clavícula era fibrocartilaginosa. Nenhum estudo histológico havia sido realizado previamente descrevendo o desenvolvimento pós-natal das extremidades claviculares. Nossos dados confirmam a ausencia de um centro de ossificação secundária acromial, o desenvolvimento tardio de centro de ossificação secundário na extremidade esternal, e a presenca de fibrocartilagem na extremidade acromial.

Una propuesta teórica y conceptual para el modelado de la aparición de centros de osificación en diferentes tipos de huesos planos y largos / Une proposition théorique et conceptuelle pour le modelage des centres d'ossification dans différents types d'os plats et longs / Theoretical and conceptual proposal for appearance modeling of ossification centers in different types of flat and long bones

Se mostró un contexto de trabajo sobre el modelado de procesos de formación endocondral en cualquier tipo de osificación presente en los huesos del cuerpo. Siguiendo la suposición de que PTHrP (hormona paratiroidea) e Ihh (proteína Indian hedgehog) forman un bucle regulatorio bioquímico para el proceso endocondral, y BMP2 (proteína morfogenética de hueso-2) y Noggin en el intramembranoso, se implementaron los mecanismos regulatorios de este proceso. Para ello se utilizó un conjunto de ecuaciones de reacción-difusión ampliamente usadas en morfogénesis, en las que los factores bioquímicos se suponen secretados por células precursoras, mesenquimales y condrocitos, en el caso intramembranoso y endocondral, respectivamente. Se concluyó que la solución condujo a patrones denominados de Turing, que representan estos procesos de osificación de una forma muy aproximada(AU)

A work context on the modeling of endocondral formation process in any type of ossification present in the bones of the human body was shown. Assuming that PTHrP and Ihh form a biochemical regulatory loop for the endocondral process and BMP2 and Noggin for the intramembranous one, regulatory mechanisms for this formation process were implemented. For this purpose, a set of widely used diffusion reaction equations in morphogenesis were used in which the biochemical factors are supposed to be secreted by precursor cells, mesenchymal and chondrocytes in the case of intramembranous and chondroidal respectively. It was concluded that the solution led to the denominated Turing patterns which represent these ossification processes in a highly estimated form(AU)

Dans ce travail, un modelage du processus de formation endochondrale dans tout type d'ossification des os du corps est présenté. Supposant que PTHrP (peptide lié à l'hormone parathyroïdienne) et Ihh (protéine Indian Hedgehog) forment une boucle biochimique régulatrice pour le processus endochondral, et BMP2 (protéine morphogénétique osseuse-2) et Noggin pour le processus endomembraneux, des mécanismes régulateurs se produisent alors dans ce processus. C'est pourquoi, un groupe d'équations de réaction-diffusion largement utilisées dans la morphogenèse, où les facteurs biochimiques sont apparemment sécrétés par des cellules souches, mésenchymateuses et chondrocytes, a été utilisé. On a conclu que la solution a conduit à des modèles dits de Turing, représentant ces processus d'ossification de manière très similaire(AU)

Modelado por elementos finitos del deslizamiento epifisiario / Modélisation par éléments finis du déplacement épiphysaire / Finite element modeling of epiphyseal gliding

Objetivo: desarrollar un análisis por elementos finitos de la influencia del ángulo fisis-diáfisis, la masa corporal y la actividad física con el fin de observar su predominancia en la incidencia de deslizamiento epifisiario. Métodos: se elaboraron los modelos correspondientes a las combinaciones entre cada uno de los parámetros definidos (ángulo, masa y actividad física), generando 20 casos diferentes, y se evaluaron los esfuerzos presentes a lo largo de la placa de crecimiento. Resultados: se muestra un comportamiento uniforme y similar entre cada combinación, así como un aumento en las tensiones en la medida en que se incrementaba el valor de la carga y del ángulo. Conclusiones: el esfuerzo tiende a aumentar cuando se incrementa tanto el ángulo como la masa física, lo cual sugiere que estos dos factores podrían influir de manera decisiva en el origen del deslizamiento epifisiario(AU)

Objective: to develop a finite element analysis of the influence of physis-diaphysis angle, body mass and physical activity to observe its predominance in the incidence of epiphyseal gliding. Methods: models corresponding to the combinations among each of the defined parameters (angle, mass and physical activity) were developed, generating 20 different cases and efforts present through the growth plate were evaluated. Results: a similar and uniform behaviour between each of the combinations is shown as well as an increase in tension at the same time as the value of the load and angle increases. Conclusions: effort tends to increase when there is an increment in both the angle and the physical mass what suggests that these two factors could have a decisive influence on the origin of the epiphyseal gliding(AU)

But: en s'appuyant sur la technique des éléments finis, une analyse de l'influence de l'angle physe-diaphyse, la masse corporelle et l'activité physique a été réalisée afin d'observer cette influence sur l'incidence du déplacement épiphysaire. Méthodes: des modèles correspondant aux combinaisons entre chaque paramètre défini (angle, masse et activité physique), en résultant 20 cas différents, ont été élaborés, et les efforts présents tout au long de la plaque de croissance ont été évalués. Résultats: un comportement uniforme et similaire entre chaque combinaison est montré, ainsi qu'une élevée des tensions au fur et à mesure que la valeur de la charge et l'angle augmentaient. Conclusions: l'effort tend à augmenter lorsque l'angle et la masse physique s'accroissent, ce qui indique que ces deux facteurs pourraient influer certainement sur l'origine du déplacement épiphysaire(AU)

Método para el cálculo de las medidas angulares de la articulación del radio distal / Method to calculate angular measures of the distal radial articulation

La fractura del radio distal se puede presentar cuando se produce una compresión axial sobre la muñeca. Entre los tratamientos más comunes se encuentran el conservador (inmovilización con yeso) y el quirúrgico. Este último emplea placas y tornillos para la fijación de la fractura después de la reducción, sin embargo, debido a la anatomía compleja de la superficie articular, determinar la posición relativa de los tornillos con respecto a esta puede llegar a ser com,plicado. Para solucionar esto, se han empleado imágenes radiológicas estándar, en las cuales se determina la inclinación palmar y radial de la superficie articular. Con base en los ángulos obtenidos se inclina el antebrazo, de modo que al tomar la radiografía, los labios de la superficie articular queden superpuestos. Sin embargo, este método para determinar las inclinaciones resulta poco efectivo debido a que no se considera en su análisis la anatomía biplana simultáneamente con la bicóncava, del área articular. En este artículo se propone una metodología para hallar los ángulos que determinan la orientación de la superficie articular, empleando reconstrucción tridimensional a partir de imágenes de tomografía axial. Con estas inclinaciones será posible visualizar tangencialmente la superficie articular del radio distal, y así determinar la posición relativa de los tornillos de fijación respecto a esta superficie. Mediante el estudio de un caso, se encontró que la inclinación radial de la superficie articular en su totalidad era de 13° y la palmar de 6° con respecto a una línea perpendicular al eje central del radio. Esto difiere de lo hallado por otros autores que proponen un ángulo radial de 22° a 24° y palmar de 9° a 12°. Por otra parte, para la superficie que articula con el hueso semilunar se encontró una inclinación radial de 7° y una palmar de 10°; en tanto la fosa que está en contacto con el hueso escafoides se inclina radialmente 21° y palmarmente 8°, en el caso analizado...

A distal radial fracture may occur as a result of axial compression of the wrist. The most common treatments include the conservative approach (plaster cast immobilization) and surgery. In the latter procedure, plates and screws are used to fix the fracture after reduction. However, it may be difficult to determine the relative position of the screws with respect to the articular surface, due to the complex anatomy of this structure. To solve this problem, standard radiological imaging has been used to determine the palmar and radial tilt of the articular surface. Based on the angles obtained, the forearm is tilted in such a way that when the radiograph is taken the articular surface labia overlap. However, this method is not very effective to determine tilt, since the biplane and biconcave anatomy of the articular zone are not considered simultaneously. A methodology is proposed to find the angles determining articular surface orientation by means of three-dimensional reconstruction based on axial tomography imaging. Such tilt measurements will make it possible to obtain a tangential view of the distal radial articular surface and determine the relative position of fixation screws with respect to it. In a case study it was found that total radial tilt of the articular surface was 13° and palmar tilt was 6° with respect to a line perpendicular to the central axis of the radius. This outcome differs from findings by other authors, who propose a radial angle of 22° to 24° and a palmar angle of 9° to 12°. Additionally, for the surface articulating with the semilunar bone, radial tilt was found to be 7° and palmar tilt 10°, whereas in the fossa which is in contact with the scaphoid bone, radial tilt is 21° and palmar tilt 8° in the case analyzed...

Obtención de un biocompuesto constituido por fosfato tricálcico y quitosana para ser usado como sustituto óseo en un modelo animal / Development of a biocomposite made up of tricalcium phosphate and chitosan to be used as bone substitute in an animal model

La investigación se trata de la obtención de un biocompuesto a partir de una matriz cerámica y un polímero, con el fin de utilizarlo como relleno óseo. Se mezcló la matriz cerámica, fosfato tricálcico Ca (OH)2 y quitosana, polímero de origen natural. En el estudio se realizaron pruebas preliminares de mezclas para escoger 4 tipos de biocompuestos (BC1, BC2, BC3, BC4), con diferentes proporciones de los elementos de la matriz cerámica. Se trabajó en la preparación del biocompuesto con un pH entre 6,5 y 8,5 y un tiempo de secado entre 7 y 20 min. Se seleccionaron las mezclas óptimas para analizar sus propiedades mecánicas a partir de la prueba de la resistencia a la compresión. Se determinaron los valores de pH, los cuales estuvieron en un rango de 7,05 y 7,6. Igualmente se hallaron unos tiempos de secado que oscilaron entre 7 y 15 min, la pasta mantuvo una temperatura constante de 25 ºC y consistencia moldeable, condiciones que son apropiadas para su utilización como sustituto óseo. La muestra que obtuvo mejores propiedades en cuanto a pH, temperatura y tiempo de secado fue seleccionada para ser implantada en tibias de conejo para determinar la respuesta histológica después de 60 días...

The research deals with the development of a biocomposite from a ceramic matrix and a polymer with the purpose of using it as bone filler. A mixture was made of the ceramic matrix, tricalcium phosphate Ca (OH)2 and chitosan, a polymer of natural origin. The mixtures underwent preliminary testing to choose 4 types of biocomposites (BC1, BC2, BC3, BC4) with varying proportions of ceramic matrix elements. The biocomposite was prepared at a pH between 6.5 and 8.5. Drying time ranged between 7 and 20 minutes. Optimal samples were chosen and their mechanical properties analyzed by means of compression resistance testing. PH measurements showed values between 7.05 and 7.6, and drying times ranged between 7 and 15 minutes. The paste remained at a constant temperature of 25 ºC and maintained molding consistency. These properties are required for use as bone substitute. The sample exhibiting the best pH, temperature and drying time values was chosen for implantation in rabbit tibiae to verify the histological response after 60 days...

Una formulación preliminar de tipo electromecánica para la formación de hueso en un proceso de remodelación / Preliminary electromechanical formulation for bone formation in a remodeling process

En este artículo se propone un modelo de remodelación ósea que tiene en cuenta los estímulos mecánicos y eléctricos. Bajo estos supuestos, se obtiene la distribución de masa que depende de las cargas mecánicas y eléctricas. El trabajo coloca de manifiesto la importancia del campo eléctrico en el proceso de remodelación y, propone la cuantificación de sus efectos para obtener un modelo aplicable a nivel clínico...

A bone remodeling model is proposed which takes account of mechanical and electrical stimuli. Under these assumptions, a mass distribution is obtained which depends on mechanical and electrical loads. The paper reveals the importance of the electric field in the remodeling process, and proposes to quantify its effects with a view to obtaining a clinically applicable model...

Representación del desarrollo de la espongiosa primaria por medio de un sistema de reacción-difusión: Una hipótesis sobre el inicio de la formación de hueso inmaduro. Parte 1: Descripción del modelo / Representation of the development of the primary spongiosa by means of a reaction-diffusion system: a hypothesis on the onset of immature bone formation. Part 1: Model description

Se presenta un modelo bioquímico que predice la formación de la arquitectura de la espongiosa primaria, a partir de la interacción de 2 factores moleculares: VEGF (factor de crecimiento endotelial vascular) y MMP13 (metaloproteinasas 13). Se supone que el MMP13 regula la degradación del cartílago y el VEGF permite la vascularización y el avance del frente de osificación mediante la presencia de osteoblastos. El acople de este conjunto de moléculas se representa mediante ecuaciones de reacción-difusión con parámetros en el espacio de Turing, y se obtiene como resultado un patrón espacio-temporal estable que da paso a la formación de las trabéculas presentes en el tejido esponjoso...

A biochemical model is presented which predicts the formation of the architecture of the primary spongiosa, based on the interaction of two molecular factors: VEGF (vascular endothelial growth factor) and MMP-13 (metalloproteinases-13). It is assumed that MMP-13 regulates cartilage degradation, and VEGF allows vascularization and the advance of the ossification front through the presence of osteoblasts. The coupling of this set of molecules is represented by means of reaction-diffusion equations with Turing space parameters, and a stable spatio-temporal pattern is obtained which leads to the formation of the trabeculae present in the spongy tissue...

Representación del desarrollo de la espongiosa primaria por medio de un sistema de reacción-difusión: Una hipótesis sobre el inicio de la formación de hueso inmaduro. Parte 2: Implementación numérica / Representation of the development of the primary spongiosa by means of a reaction-diffusion system: a hypothesis on the onset of immature bone formation. Part 2: Numerical implementation

Se presenta la implementación numérica del modelo bioquímico descrito mediante el sistema de reacción-difusión de la parte 1. De los resultados obtenidos se puede concluir que la retroalimentación química de los 2 factores moleculares a través de un sistema de reacción-difusión (RD) con parámetros en el espacio de Turing, puede explicar la aparición de los patrones espacio-temporales encontrados en la arquitectura de la espongiosa primaria. Para la solución numérica fue usado el método de los elementos finitos junto con el método de Newton-Raphson para aproximar las ecuaciones diferenciales parciales lineales. Los patrones de osificación obtenidos pueden representar la formación de la espongiosa primaria durante la osificación endocondral...

A presentation is made of the numerical implementation of the biochemical model described by means of the reaction-diffusion system in Part 1. Based on the results obtained it may be concluded that the chemical feedback of the two molecular factors by means of a reaction-diffusion (RD) system with Turing space parameters may explain the appearance of the spatio-temporal patterns found in the architecture of the primary spongiosa. For the numerical solution, use was made of the finite element method in combination with the Newton-Raphson method to approximate the linear partial differential equations. The ossification patterns obtained may represent the formation of the primary spongiosa during endochondral ossification...

Modelado computacional del desarrollo óseo humano en la placa de crecimiento del fémur distal / Computational modeling of human bone development in the distal femoral growth plate

La elongación de los huesos largos se produce principalmente por la proliferación e hipertrofia de los condrocitos presentes en las placas de crecimiento. Bajo la hipótesis que el comportamiento de estas células depende de factores bioquímicos y mecánicos, este artículo presenta un modelo computacional por elementos finitos que simula el comportamiento de la placa de crecimiento del fémur distal humano. Se emplea un dominio bidimensional en el que se identifican las regiones de hueso trabecular metafisial y episifial que encierran a la placa de crecimiento y las regiones de cartílago inerte y columnar. La validación del modelo se realiza a partir de la histología correspondiente a la placa de crecimiento del fémur distal de un niño de dos años. Los resultados obtenidos demuestran que el modelo simula el crecimiento y el comportamiento de la placa metafisiaria regulada por su actividad celular y las cargas mecánicas...

Long bone elongation is mainly due to proliferation and hypertrophy of the chondrocytes in growth plates. Under the assumption that the behavior of these cells depends on biochemical and mechanical factors, a presentation is made of a computational finite element model simulating the behavior of the human distal femoral growth plate. A two-dimensional domain is used to identify the regions of metaphyseal and epiphyseal trabecular bone covering the growth plate and the inert and columnar cartilage regions. Model validation was based on the histology corresponding to the distal femoral growth plate of a two-year old boy. The results obtained show that the model simulates the growth and behavior of the metaphyseal plate as regulated by its cellular activity and mechanical loads...

Morfogénesis de los túbulos dentinales: un modelo matemático / Morphogenesis of dentinal tubules: a mathematical model

La diferenciación mesenquimal a odontoblasto es un proceso complejo que determina la formación de los túbulos dentinales. Este proceso involucra una cuidadosa y regulada secuencia de cambios en el comportamiento de las células mesenquimales, coordinados por la expresión de diferentes factores moleculares, entre ellos, principalmente, el Noggin y BMP2. En este artículo se simula la formación de los túbulos dentinales a partir de un modelo matemático de reacción difusión que es solucionado por el método de los elementos finitos...

Mesenchymal differentiation into odontoblasts is a complex process determining the formation of dentinal tubules. The process involves a carefully regulated sequence of changes in the behavior of mesenchymal cells, coordinated by the expression of various molecular factors, particularly Noggin and BMP2. In this paper the formation of dentinal tubules is simulated using a reaction-diffusion mathematical model solved by the finite element method...

Metodología de los gráficos de unión (bond graphs) en aplicaciones biomédicas / Bond graph methodology in biomedical applications

Se presentan las aplicaciones realizadas en el campo de la medicina y la biología usando la técnica gráfica de modelado conocida como gráficos de unión (bond graphs), con el objetivo de mostrar las diferentes formas en las que se han usado los gráficos de unión como herramienta para la obtención de modelos y simulaciones de sistemas biológicos. Para el análisis de los trabajos realizados por los investigadores se hace una clasificación de los campos de aplicación con el fin de tener una visión más clara de lo diversa que ha sido la adaptación de esta metodología. Asimismo se discuten las posibilidades aún no exploradas, es decir, se habla de la aplicabilidad de los gráficos de unión en campos adicionales a los tratados en las referencias...

The paper presents applications carried out in the field of medicine and biology using the graphical modeling technique known as bond graphs, with the purpose of showing the different ways in which bond graphs have been used to obtain models and simulations of biological systems. To approach the work done by researchers, a classification is made of the fields of application, so as to obtain a clearer view of the variety of adaptations undergone by the methodology. Possibilities not yet explored are also discussed, i.e. comments are included on the applicability of bond graphs to fields other than those mentioned in the references...

Modelado de la degradación hidrolítica de un implante óseo / Modeling of the hydrolytic degradation of a bone implant

Una de las áreas más importantes de la ingeniería de tejidos es la investigación sobre la regeneración y sustitución del tejido óseo. Para cumplir con estos requisitos, los implantes óseos han sido desarrollados para permitir la migración de las células, el crecimiento del tejido, el transporte de los factores de crecimiento y nutrientes y la renovación de las propiedades mecánicas. Los implantes están hechos de diferentes biomateriales y se han fabricado utilizando varias técnicas que, en algunos casos, no permiten un control total sobre el tamaño y la orientación de los poros que caracterizan a la microestructura del andamio. Desde esta perspectiva, se propone el uso de un sistema de reacción difusión para lograr las características geométricas de la matriz ósea. La validación de esta hipótesis se realiza a través de simulaciones de la geometría obtenida por un sistema de reacción-difusión junto con un modelo de degradación por hidrólisis en elementos tridimensionales representativos...

Research into bone tissue regeneration and substitution is one of the most important components of tissue engineering. In compliance with these requirements, bone implants have been developed which allow cell migration, tissue growth, the transport of growth factors and nutrients, and the renewal of mechanical properties. Implants are made of various biomaterials, and they have been manufactured using techniques which not always allow total control of the size and orientation of the pores involved in the microstructure of the scaffold. From this standpoint, a reaction-diffusion system is proposed for the achievement of appropriate geometric features in the bone matrix. The hypothesis is validated through simulations of the geometry obtained with a reaction-diffusion system and a model of hydrolytic degradation in three-dimensional representative elements...

Sobre la osificación intramembranosa: un modelo de aproximación para la calvaria / On intramembranous ossification: an approach model for the calvaria

En este artículo se ha desarrollado un modelo de la aparición y ubicación de los centros primarios de osificación en la calvaria. Este es el primer modelo computacional que determina la ubicación de estas estructuras óseas del cráneo. Se describe un modelo de reacción-difusión de dos moléculas (BMP y Noggins) cuyo comportamiento es del tipo activador-sustrato y su solución produce patrones de Turing, que representan los centros primarios de osificación. Una vez más, el uso de ecuaciones de este tipo posibilita la explicación de fenómenos de morfogénesis antes no dilucidados por otro tipo de teorías, en este caso, teorías de osificación del cráneo. Este tema es de constante investigación, especialmente en la medicina ortopédica y pediátrica...

The paper deals with the development of a model for the appearance and location of primary ossification centers in the calvaria. This is the first computational model intended to determine the location of these cranial bone structures. A reaction-diffusion model is described of two molecules (BMP y Noggin) which behave as substrate activators. The solution produces Turing patterns representing primary ossification centers. Once again the use of these equations makes it possible to explain morphogenesis phenomena not elucidated by other theories, in this case cranial ossification theories. The topic is under permanent research, especially in the fields of orthopedic and pediatric medicine...

Aplicación de sistemas reacción-difusión en el diseño de la geometría interna de matrices para regeneración ósea / Implementation of reaction-diffusion systems in the design of the internal geometry of matrices for bone regeneration

Una de las áreas de la ingeniería de tejidos es la investigación de alternativas para la formación de nuevo tejido óseo y el reemplazo de su función. Para cumplir este requerimiento se han desarrollado las matrices que permiten la migración celular, el crecimiento del tejido óseo, el transporte de factores de crecimiento y nutrientes y la renovación de las propiedades mecánicas de los huesos. Las matrices se manufacturan mediante diversas técnicas que, en algunos casos, no permiten el control total sobre el tamaño y orientación de los poros que las caracterizan. Desde esta perspectiva se propone un sistema reacción-difusión para diseñar las especificaciones geométricas de las matrices óseas. Para evaluar la hipótesis se realizan simulaciones en dos y tres dimensiones del sistema reacción-difusión en conjunto con el biomaterial que conformará la matriz. Los resultados obtenidos muestran la efectividad de la metodología para controlar aspectos como el porcentaje de porosidad, el tamaño del poro, la orientación y la interconectividad de estos en matrices óseas fabricadas según la hipótesis propuesta

One of the different areas of textile Engineering is the search of alternatives to create a new bone tissue and the replacement of its function. To fulfill this requirement different matrices have been developed allowing the cellular migration, the growth of bone tissue, the transportation of growth factors and nutrients, as well as the renewal of bone mechanical properties. Matrices are manufactured through different techniques that in some cases, to obstruct the total control on the size and orientation of characteristic pores. From this perspective, authors propose a reaction-diffusion system to design the geometrical specifications of bone matrices. To assess the hypothesis simulations are performed in two or three dimensions of reaction-diffusion system together with the biomaterial to create the matrix. Results obtained show the effectiveness of the methodology to control the following features: porosity percentage, pore size, orientation and interconnection of these bone matrices manufactured according the proposed hypothesis

Modelamiento matemático de la enfermedad de Legg-Calvé-Perthes / Mathematical modeling of Legg-Calvé-Perthes disease

La enfermedad de Legg-Calvé-Perthes es un desorden caracterizado por la necrosis avascular de la cabeza femoral del esqueleto en desarrollo. Aunque la enfermedad fue descrita hace un siglo, aún existe gran controversia respecto a su etiología y al tratamiento que se le debe dar. Tanto la etiología como el tratamiento tienen una fuerte relación con eventos biológicos y mecánicos. Un entendimiento de dichos eventos y de su acción combinada, podría dar lugar a una mejor comprensión y manejo de la enfermedad. Este trabajo propone un acercamiento a esta comprensión mediante el uso del modelamiento computacional, el cual debe tener en cuenta, entre otros factores, la patogénesis de la enfermedad y los diferentes resultados en dependencia de la edad a la cual esta se manifieste en el niño

The Legg-CalvÚ-Perthes disease is a disorder characterized by the avascular necrosis of femoral head of developing skeleton. Although this disease was described a century ago still there is a significant controversy on its etiology and its treatment. Between etiology and treatment there is a close relation with biological and mechanical events. The knowledge of such events and of its combined action, could give rise to a better understanding and management of this disease. Present paper proposes a approach to this understanding by means of the use of a computer modeling, which must to has into account among other factors, the disease pathogenesis and the different results depending on age of appearance in the child