{"id":501,"date":"2012-06-04T17:04:43","date_gmt":"2012-06-04T16:04:43","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/?p=501"},"modified":"2012-06-13T11:45:56","modified_gmt":"2012-06-13T10:45:56","slug":"el-problema-mecanico-de-los-vasos-sanguineos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/2012\/06\/04\/501\/","title":{"rendered":"El problema mec\u00e1nico de los vasos sangu\u00edneos"},"content":{"rendered":"

Por\u00a0Jos\u00e9 Miguel Atienza<\/a> <\/strong>(Universidad Polit\u00e9cnica de Madrid)<\/p>\n

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El cuerpo humano es un prodigio de ingenier\u00eda y una constante fuente de inspiraci\u00f3n por la forma en que trata y resuelve muchos problemas ingenieriles. Cuando pensamos en el comportamiento mec\u00e1nico del cuerpo solemos centrarnos siempre en los huesos, que son los materiales biol\u00f3gicos duros encargados de resolver c\u00f3mo soportar las cargas de nuestro peso y permitir el movimiento.<\/p>\n

Pero hay m\u00e1s\u2026 Por ejemplo: \u00bfc\u00f3mo soportar las presiones generadas por esa bomba puls\u00e1til que es el coraz\u00f3n, y hacer adem\u00e1s que el flujo de sangre que sale a borbotones llegue a nuestros \u00f3rganos en el r\u00e9gimen suave y estacionario que necesitan para su funcionamiento? \u00bfy c\u00f3mo soportar eso durante cien a\u00f1os y cerca 3.000 millones de latidos? No es un problema mec\u00e1nico sencillo y, a d\u00eda de hoy, lo que podemos decir es que no disponemos de materiales artificiales que lo resuelvan de forma tan \u00f3ptima como lo ha logrado la naturaleza.<\/p>\n

\u00bfCu\u00e1les son las solicitaciones mec\u00e1nicas que soportan nuestras arterias durante su funcionamiento?<\/strong><\/p>\n

Aunque a menudo se suele considerar que las arterias \u00fanicamente est\u00e1n sometidas a una presi\u00f3n interior, el estado tenso-deformacional en la pared de un vaso sangu\u00edneo es complejo, ya que al efecto del fluido se le superponen las cargas impuestas por la interacci\u00f3n con el fluido y con el resto de tejidos circundantes:<\/p>\n

– La presi\u00f3n interior: La presi\u00f3n sangu\u00ednea interior var\u00eda de forma importante a lo largo del sistema cardiovascular, alcanzando sus valores m\u00e1s elevados a la salida del ventr\u00edculo izquierdo del coraz\u00f3n. En un hombre sano la presi\u00f3n interior que soportan sus arterias oscila aproximadamente entre 80 y 120 mmHg. Las venas transportan sangre a una presi\u00f3n menor y sensiblemente constante, cuyo valor se sit\u00faa entre 5 y 15 mmHg.<\/p>\n

– Tensiones tangenciales: el flujo sangu\u00edneo, adem\u00e1s de la presi\u00f3n, produce tensiones tangenciales. No es f\u00e1cil 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 peque\u00f1os, la tensi\u00f3n tangencial -a trav\u00e9s del efecto producido en las c\u00e9lulas endoteliales- se considera un factor directamente relacionado con el desarrollo de procesos ateroscler\u00f3ticos y de remodelaci\u00f3n arterial.<\/p>\n

– Alargamiento longitudinal: los vasos sangu\u00edneos se encuentran estirados longitudinalmente en el interior del cuerpo durante su funcionamiento normal. Esto se confirma observando su contracci\u00f3n cuando son extra\u00eddos. El valor del alargamiento axial in vivo depende del tipo de vaso, de la edad y la patolog\u00eda, entre otros factores. Este alargamiento puede llegar a generar en el vaso tensiones tan importantes como las producidas por la presi\u00f3n interna.<\/p>\n

La respuesta mec\u00e1nica de las arterias<\/strong><\/p>\n

Ante esta solicitaci\u00f3n mec\u00e1nica compleja, las arterias tienen una respuesta caracterizada por las siguientes propiedades:<\/p>\n

– 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 mayor\u00eda de los materiales blandos) incompresible.<\/p>\n

– Elasticidad no-lineal: El comportamiento mec\u00e1nico de las arterias es altamente no-lineal. La pared arterial est\u00e1 formada, fundamentalmente, por m\u00fasculo liso, elastina y col\u00e1geno. La respuesta del vaso desde las presiones bajas o moderadas, hasta los valores correspondientes al rango fisiol\u00f3gico, es muy flexible y est\u00e1 gobernada fundamentalmente por las fibras el\u00e1sticas que entran en funcionamiento incluso con peque\u00f1os valores de la deformaci\u00f3n. La rigidizaci\u00f3n para deformaciones mayores sucede por el reclutamiento y alineamiento de las fibras de col\u00e1geno, que a medida que se deforma el vaso se alinean y orientan, perdiendo sus ondulaciones.<\/p>\n

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Figura 1: Contribuci\u00f3n de las fibras el\u00e1sticas (elastina) y del col\u00e1geno al comportamiento mec\u00e1nico de la pared vascular<\/figcaption><\/figure>\n

– Grandes deformaciones: Los vasos sangu\u00edneos est\u00e1n sometidos habitualmente a grandes deformaciones tanto en la direcci\u00f3n longitudinal (alargamientos longitudinales) como en la circunferencial (fruto de la presi\u00f3n interior), que en muchos casos pueden superar el 50% de deformaci\u00f3n.<\/p>\n

– Anisotrop\u00eda: Debido a la diferente disposici\u00f3n y distribuci\u00f3n de las fibras el\u00e1sticas y de col\u00e1geno y las c\u00e9lulas musculares, el comportamiento de un vaso sangu\u00edneo en direcci\u00f3n circunferencial difiere del que tiene en la direcci\u00f3n longitudinal.<\/p>\n

– Dependencia del tiempo: La respuesta mec\u00e1nica del tejido vascular var\u00eda en funci\u00f3n de la velocidad y duraci\u00f3n de la carga aplicada, y de si \u00e9sta es mon\u00f3tona o c\u00edclica, lo que tiene gran importancia para el funcionamiento en el interior del organismo ya que la mayor parte de las cargas actuantes son puls\u00e1tiles. Al someter un elemento de pared vascular a solicitaciones c\u00edclicas la curva tensi\u00f3n-alargamiento describe un ciclo de hist\u00e9resis m\u00e1s o menos amplio en funci\u00f3n del tipo de vaso. El \u00e1rea entre los dos caminos representa la energ\u00eda disipada en el ciclo y da idea de la capacidad de amortiguaci\u00f3n de la pared vascular.<\/p>\n

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Figura 2: Hist\u00e9resis de la curva carga-descarga de la pared arterial<\/figcaption><\/figure>\n

En conjunto, estas cinco propiedades definen un material tremendamente complejo desde el punto de vista mec\u00e1nico pero \u00f3ptimo para el funcionamiento de nuestro cuerpo. La flexibilidad y el amortiguamiento que presenta la respuesta mec\u00e1nica de las arterias son claves para nuestro sistema circulatorio. De hecho, muchas enfermedades cardiovasculares est\u00e1n relacionadas con el deterioro de esta respuesta.<\/p>\n

\u00bfC\u00f3mo logra la pared arterial ese comportamiento? Mejor lo dejamos para otro post, pero lo cierto es que a\u00fan no lo tenemos del todo claro. Comprender el comportamiento mec\u00e1nico de la pared arterial resulta imprescindible para entender la fisiolog\u00eda de nuestro sistema vascular, as\u00ed como para el desarrollo de los tratamientos y t\u00e9cnicas para enfrentarse a los distintos problemas cardiovasculares. Pero a\u00fan estamos lejos de tener un modelo capaz de tener en cuenta factores tan importantes como el comportamiento din\u00e1mico, la influencia de la edad o los efectos de las diferentes enfermedades.<\/p>\n

La complejidad del problema y su trascendencia para la salud justifican, cada vez m\u00e1s, la colaboraci\u00f3n interdisciplinar de m\u00e9dicos, bi\u00f3logos e ingenieros. Y, en este contexto, la Ciencia e Ingenier\u00eda de Materiales est\u00e1 demostrando ser una herramienta \u00fatil para aportar luz sobre el comportamiento mec\u00e1nico de los materiales biol\u00f3gicos y tratar de crear biomateriales capaces de reemplazarlos cuando se deterioren. Dentro de esta colaboraci\u00f3n interdisciplinar es fundamental que cada uno ocupe y sea consciente del lugar que le corresponde. Los problemas m\u00e9dicos y biol\u00f3gicos son tremendamente complejos, afectan muchas variables y funciones que s\u00f3lo los m\u00e9dicos pueden entrever en su totalidad. El papel de los Ingenieros de Materiales no es, desde luego, resolverlos, sino apoyar a los m\u00e9dicos, utilizando sus conocimientos y sus herramientas para dar luz sobre una peque\u00f1a, pero importante, parte del problema.<\/p>\n

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