Diseño y Validación de un clavo intramedular humeral con gradiente de rigidez y microventanas funcionales mediante modelado paramétrico y método del elemento finito.

Ing. Carlos Uriel Castelán Sánchez

Acerca del Proyecto

El clavo intramedular humeral es un dispositivo ortopédico utilizado para el tratamiento de fracturas en el hueso húmero, principalmente en su diáfisis. Este implante se inserta dentro del canal medular del hueso para proporcionar estabilidad interna, facilitar la alineación ósea y permitir la consolidación adecuada durante el proceso de recuperación. A diferencia de las placas externas, los clavos intramedulares aprovechan la geometría natural del canal óseo para soportar las cargas axiales y de flexión.

Una de las limitaciones de los clavos convencionales es su rigidez constante a lo largo de toda su longitud, lo que puede provocar fenómenos de stress shielding (pantalla de esfuerzo), inhibiendo la estimulación mecánica necesaria para la regeneración ósea, especialmente en las zonas próximas al implante. Para abordar este problema, se han propuesto diseños con gradientes de rigidez (stiffness-gradient), los cuales distribuyen la rigidez del material de forma progresiva a lo largo del implante, permitiendo una transferencia de cargas más fisiológica y favoreciendo la integración ósea.

Justificación

Las fracturas de húmero representan un reto clínico significativo debido a su alta incidencia en adultos mayores y a la dificultad de obtener una consolidación estable en huesos osteoporóticos. El tratamiento con clavos intramedulares ha demostrado ventajas biomecánicas frente a otros métodos de fijación gracias a su capacidad de proporcionar estabilidad axial y torsional con mínima invasión quirúrgica. Sin embargo, el uso de materiales metálicos homogéneos con elevada rigidez puede inducir un fenómeno conocido como stress shielding, en el cual la transferencia de carga hacia el hueso se ve reducida, comprometiendo la remodelación ósea y retrasando la consolidación.

En este contexto surge la necesidad de desarrollar implantes que incorporen un gradiente de rigidez (stiffness-gradient), de modo que la distribución de esfuerzos se asemeje más al comportamiento fisiológico del hueso humano. Este enfoque busca no solo optimizar la resistencia estructural del implante, sino también favorecer la integración y estimulación del tejido óseo, reduciendo complicaciones asociadas como aflojamiento, refracturas o fallas mecánicas.

Metodología

1.- Adquisición y selección de datos clínicos

2.- Segmentación anatómica y modelado del hueso

3.- Modelado paramétrico del clavo intramedular

4.- Simulación mediante el método del elemento finito (FEM)

5.- Fabricación del prototipo

6.- Validación experimental

Objetivo

Diseñar un clavo intramedular humeral con gradiente de rigidez y microventanas funcionales mediante modelado paramétrico y simulación por el método del elemento finito, con el fin de optimizar la distribución de cargas, mejorar la integración ósea y reducir complicaciones clínicas asociadas a dispositivos de rigidez homogénea.

Para desarrollar este tipo de implantes avanzados, se recurre al modelado paramétrico, una metodología de diseño asistido por computadora (CAD) que permite definir geometrías complejas a partir de variables o parámetros ajustables. Esta técnica facilita la exploración sistemática de diferentes configuraciones geométricas y propiedades estructurales sin necesidad de modelar manualmente cada variante.

Una vez diseñado el modelo, se evalúa su comportamiento estructural mediante el método del elemento finito (FEM, por sus siglas en inglés). Esta herramienta de simulación computacional permite dividir un objeto complejo en pequeñas unidades llamadas elementos finitos, sobre los cuales se aplican ecuaciones físicas que describen cómo responde la estructura ante cargas, deformaciones y otros estímulos mecánicos. El análisis FEM es ampliamente utilizado en biomecánica para predecir el rendimiento de implantes ortopédicos antes de su fabricación o prueba experimental.

Por lo tanto, este trabajo se justifica en la necesidad de desarrollar y validar un implante innovador que combine estabilidad mecánica, compatibilidad biológica y potencial de integración ósea, lo cual podría traducirse en mejores resultados clínicos para pacientes con fracturas humerales, especialmente en poblaciones con hueso frágil u osteoporótico. Asimismo, la propuesta contribuye al avance del conocimiento en diseño biomédico, ofreciendo un puente entre la ingeniería mecánica, la biomecánica computacional y la ortopedia clínica.

Posicionamiento de clavos intramedulares y análisis de elementos finitos.