El problema mecánico de los vasos sanguíneos

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

 

El cuerpo humano es un prodigio de ingeniería y una constante fuente de inspiración por la forma en que trata y resuelve muchos problemas ingenieriles. Cuando pensamos en el comportamiento mecánico del cuerpo solemos centrarnos siempre en los huesos, que son los materiales biológicos duros encargados de resolver cómo soportar las cargas de nuestro peso y permitir el movimiento.

Pero hay más… Por ejemplo: ¿cómo soportar las presiones generadas por esa bomba pulsátil que es el corazón, y hacer además que el flujo de sangre que sale a borbotones llegue a nuestros órganos en el régimen suave y estacionario que necesitan para su funcionamiento? ¿y cómo soportar eso durante cien años y cerca 3.000 millones de latidos? No es un problema mecánico sencillo y, a día de hoy, lo que podemos decir es que no disponemos de materiales artificiales que lo resuelvan de forma tan óptima como lo ha logrado la naturaleza.

¿Cuáles son las solicitaciones mecánicas que soportan nuestras arterias durante su funcionamiento?

Aunque a menudo se suele considerar que las arterias únicamente están sometidas a una presión interior, el estado tenso-deformacional en la pared de un vaso sanguíneo es complejo, ya que al efecto del fluido se le superponen las cargas impuestas por la interacción con el fluido y con el resto de tejidos circundantes:

- La presión interior: La presión sanguínea interior varía de forma importante a lo largo del sistema cardiovascular, alcanzando sus valores más elevados a la salida del ventrículo izquierdo del corazón. En un hombre sano la presión interior que soportan sus arterias oscila aproximadamente entre 80 y 120 mmHg. Las venas transportan sangre a una presión menor y sensiblemente constante, cuyo valor se sitúa entre 5 y 15 mmHg.

- Tensiones tangenciales: el flujo sanguíneo, además de la presión, produce tensiones tangenciales. No es fácil conocer el nivel de las tensiones tangenciales en el endotelio dada la imposibilidad de medida directa, pero algunos autores citan valores entre 1.5 y 3Pa. Pese a moverse siempre dentro de valores muy pequeños, la tensión tangencial -a través del efecto producido en las células endoteliales- se considera un factor directamente relacionado con el desarrollo de procesos ateroscleróticos y de remodelación arterial.

- Alargamiento longitudinal: los vasos sanguíneos se encuentran estirados longitudinalmente en el interior del cuerpo durante su funcionamiento normal. Esto se confirma observando su contracción cuando son extraídos. El valor del alargamiento axial in vivo depende del tipo de vaso, de la edad y la patología, entre otros factores. Este alargamiento puede llegar a generar en el vaso tensiones tan importantes como las producidas por la presión interna.

La respuesta mecánica de las arterias

Ante esta solicitación mecánica compleja, las arterias tienen una respuesta caracterizada por las siguientes propiedades:

- Incompresibilidad: Los tejidos que componen la pared vascular contienen cantidades importantes de agua, entre el 70 y el 80% en peso. Por ello es habitual considerar el material (como la mayoría de los materiales blandos) incompresible.

- Elasticidad no-lineal: El comportamiento mecánico de las arterias es altamente no-lineal. La pared arterial está formada, fundamentalmente, por músculo liso, elastina y colágeno. La respuesta del vaso desde las presiones bajas o moderadas, hasta los valores correspondientes al rango fisiológico, es muy flexible y está gobernada fundamentalmente por las fibras elásticas que entran en funcionamiento incluso con pequeños valores de la deformación. La rigidización para deformaciones mayores sucede por el reclutamiento y alineamiento de las fibras de colágeno, que a medida que se deforma el vaso se alinean y orientan, perdiendo sus ondulaciones.

Figura 1: Contribución de las fibras elásticas (elastina) y del colágeno al comportamiento mecánico de la pared vascular

- Grandes deformaciones: Los vasos sanguíneos están sometidos habitualmente a grandes deformaciones tanto en la dirección longitudinal (alargamientos longitudinales) como en la circunferencial (fruto de la presión interior), que en muchos casos pueden superar el 50% de deformación.

- Anisotropía: Debido a la diferente disposición y distribución de las fibras elásticas y de colágeno y las células musculares, el comportamiento de un vaso sanguíneo en dirección circunferencial difiere del que tiene en la dirección longitudinal.

- Dependencia del tiempo: La respuesta mecánica del tejido vascular varía en función de la velocidad y duración de la carga aplicada, y de si ésta es monótona o cíclica, lo que tiene gran importancia para el funcionamiento en el interior del organismo ya que la mayor parte de las cargas actuantes son pulsátiles. Al someter un elemento de pared vascular a solicitaciones cíclicas la curva tensión-alargamiento describe un ciclo de histéresis más o menos amplio en función del tipo de vaso. El área entre los dos caminos representa la energía disipada en el ciclo y da idea de la capacidad de amortiguación de la pared vascular.

Figura 2: Histéresis de la curva carga-descarga de la pared arterial

En conjunto, estas cinco propiedades definen un material tremendamente complejo desde el punto de vista mecánico pero óptimo para el funcionamiento de nuestro cuerpo. La flexibilidad y el amortiguamiento que presenta la respuesta mecánica de las arterias son claves para nuestro sistema circulatorio. De hecho, muchas enfermedades cardiovasculares están relacionadas con el deterioro de esta respuesta.

¿Cómo logra la pared arterial ese comportamiento? Mejor lo dejamos para otro post, pero lo cierto es que aún no lo tenemos del todo claro. Comprender el comportamiento mecánico de la pared arterial resulta imprescindible para entender la fisiología de nuestro sistema vascular, así como para el desarrollo de los tratamientos y técnicas para enfrentarse a los distintos problemas cardiovasculares. Pero aún estamos lejos de tener un modelo capaz de tener en cuenta factores tan importantes como el comportamiento dinámico, la influencia de la edad o los efectos de las diferentes enfermedades.

La complejidad del problema y su trascendencia para la salud justifican, cada vez más, la colaboración interdisciplinar de médicos, biólogos e ingenieros. Y, en este contexto, la Ciencia e Ingeniería de Materiales está demostrando ser una herramienta útil para aportar luz sobre el comportamiento mecánico de los materiales biológicos y tratar de crear biomateriales capaces de reemplazarlos cuando se deterioren. Dentro de esta colaboración interdisciplinar es fundamental que cada uno ocupe y sea consciente del lugar que le corresponde. Los problemas médicos y biológicos son tremendamente complejos, afectan muchas variables y funciones que sólo los médicos pueden entrever en su totalidad. El papel de los Ingenieros de Materiales no es, desde luego, resolverlos, sino apoyar a los médicos, utilizando sus conocimientos y sus herramientas para dar luz sobre una pequeña, pero importante, parte del problema.

 

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