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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo D5 - Caracterización de Materiales Biológicos
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:3340
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Ensayo mecánico uniaxial
¿Cómo se obtienen rigidez y resistencia a fractura desde tracción/compresión?
Grupo 2: Grupo 2: Alineamiento de colágeno en tejido blando
¿Cómo cambia la rigidez del tejido blando al alinearse sus fibras?
Grupo 3: Grupo 3: Viscoelasticidad temporal
¿Cómo dependen fuerza y deformación del tiempo y de la historia de carga?
Grupo 4: Grupo 4: Modelo viscoelástico de tres parámetros
¿Qué parámetros condensan la respuesta viscoelástica?
Grupo 5: Grupo 5: Nanomecánica del colágeno
¿Cómo se caracteriza la rigidez de fibrillas individuales a escala nanométrica?
Grupo 6: Grupo 6: Mineralización y rigidez ósea
¿Cómo se estima la rigidez del hueso desde su contenido mineral?
Grupo 7: Grupo 7: Fatiga y degradación acumulativa
¿Cómo degrada la carga cíclica la rigidez y cuándo se vuelve clínicamente significativa?
ID:1138
Grupo 1: Grupo 1: Ensayo mecánico uniaxial
Descripción
¿Cómo se obtienen rigidez y resistencia a fractura desde tracción/compresión?
Pregunta clave: ¿Cómo se obtienen rigidez y resistencia a fractura desde tracción/compresión?
Las propiedades mecánicas de estos tejidos se determinan mediante ensayos de tracción y compresión en una sola dirección, que generan una curva que relaciona la fuerza aplicada con la deformación resultante: de esa curva se extraen la rigidez del tejido en su tramo recto y la resistencia a la fractura, es decir, la tensión máxima que el tejido soporta antes de romperse. El carácter viscoelástico de estos tejidos, mencionado al comienzo, se cuantifica con dos tipos de ensayo complementarios: en el ensayo de relajación se mantiene fija la deformación del tejido y se observa cómo la fuerza necesaria para sostenerla decae progresivamente hasta un valor de equilibrio; en el ensayo de fluencia, en cambio, se mantiene fija la carga aplicada y se observa cómo la deformación del tejido sigue creciendo con el tiempo. Dentro de cada fibra de colágeno de las que se alinean durante la carga, mencionadas en el ensayo mecánico anterior, hay a su vez fibrillas de colágeno individuales que se pueden caracterizar por separado, a escala nanométrica, con un microscopio capaz de sentir la fuerza de contacto de su propia punta: presionando esa punta contra fibrillas de colágeno individuales se obtienen valores de rigidez de entre uno y cinco gigapascales, muy por encima de la rigidez que el mismo colágeno muestra cuando se lo mide como parte del tejido completo. La caracterización de materiales biológicos aplica la mecánica de sólidos y la reología para determinar las propiedades mecánicas de los tejidos que forman el sistema locomotor —hueso, cartílago, tendón, ligamento, músculo y fascia—, los materiales estructurales sobre los que se apoya el movimiento. En el tejido blando, esa curva muestra primero un tramo inicial de baja rigidez, en el que las fibras de colágeno todavía desalineadas se van alineando en la dirección de la carga, y solo después, una vez alineadas, entra en el tramo recto de alta rigidez.
ID:6060
Grupo 2: Grupo 2: Alineamiento de colágeno en tejido blando
Descripción
¿Cómo cambia la rigidez del tejido blando al alinearse sus fibras?
Pregunta clave: ¿Cómo cambia la rigidez del tejido blando al alinearse sus fibras?
En el tejido blando, esa curva muestra primero un tramo inicial de baja rigidez, en el que las fibras de colágeno todavía desalineadas se van alineando en la dirección de la carga, y solo después, una vez alineadas, entra en el tramo recto de alta rigidez. Las propiedades mecánicas de estos tejidos se determinan mediante ensayos de tracción y compresión en una sola dirección, que generan una curva que relaciona la fuerza aplicada con la deformación resultante: de esa curva se extraen la rigidez del tejido en su tramo recto y la resistencia a la fractura, es decir, la tensión máxima que el tejido soporta antes de romperse. Dentro de cada fibra de colágeno de las que se alinean durante la carga, mencionadas en el ensayo mecánico anterior, hay a su vez fibrillas de colágeno individuales que se pueden caracterizar por separado, a escala nanométrica, con un microscopio capaz de sentir la fuerza de contacto de su propia punta: presionando esa punta contra fibrillas de colágeno individuales se obtienen valores de rigidez de entre uno y cinco gigapascales, muy por encima de la rigidez que el mismo colágeno muestra cuando se lo mide como parte del tejido completo.
ID:6061
Grupo 3: Grupo 3: Viscoelasticidad temporal
Descripción
¿Cómo dependen fuerza y deformación del tiempo y de la historia de carga?
Pregunta clave: ¿Cómo dependen fuerza y deformación del tiempo y de la historia de carga?
El carácter viscoelástico de estos tejidos, mencionado al comienzo, se cuantifica con dos tipos de ensayo complementarios: en el ensayo de relajación se mantiene fija la deformación del tejido y se observa cómo la fuerza necesaria para sostenerla decae progresivamente hasta un valor de equilibrio; en el ensayo de fluencia, en cambio, se mantiene fija la carga aplicada y se observa cómo la deformación del tejido sigue creciendo con el tiempo. Las propiedades mecánicas de estos tejidos se determinan mediante ensayos de tracción y compresión en una sola dirección, que generan una curva que relaciona la fuerza aplicada con la deformación resultante: de esa curva se extraen la rigidez del tejido en su tramo recto y la resistencia a la fractura, es decir, la tensión máxima que el tejido soporta antes de romperse. Dentro de cada fibra de colágeno de las que se alinean durante la carga, mencionadas en el ensayo mecánico anterior, hay a su vez fibrillas de colágeno individuales que se pueden caracterizar por separado, a escala nanométrica, con un microscopio capaz de sentir la fuerza de contacto de su propia punta: presionando esa punta contra fibrillas de colágeno individuales se obtienen valores de rigidez de entre uno y cinco gigapascales, muy por encima de la rigidez que el mismo colágeno muestra cuando se lo mide como parte del tejido completo.
ID:6062
Grupo 4: Grupo 4: Modelo viscoelástico de tres parámetros
Descripción
¿Qué parámetros condensan la respuesta viscoelástica?
Pregunta clave: ¿Qué parámetros condensan la respuesta viscoelástica?
Un modelo que combina un componente puramente elástico con un componente que combina elasticidad y viscosidad ajusta ambos comportamientos con solo tres parámetros: la rigidez instantánea del tejido, su rigidez de equilibrio una vez relajado, y el tiempo característico que tarda en pasar de una a la otra. El carácter viscoelástico de estos tejidos, mencionado al comienzo, se cuantifica con dos tipos de ensayo complementarios: en el ensayo de relajación se mantiene fija la deformación del tejido y se observa cómo la fuerza necesaria para sostenerla decae progresivamente hasta un valor de equilibrio; en el ensayo de fluencia, en cambio, se mantiene fija la carga aplicada y se observa cómo la deformación del tejido sigue creciendo con el tiempo. En el caso particular del hueso, la rigidez estructural no se mide directamente mediante un ensayo mecánico sino que se estima a partir de su contenido mineral: la densitometría ósea mide cuánto mineral contiene el hueso y cómo se distribuye ese mineral dentro de él, y esa densidad mineral se relaciona con el módulo elástico del hueso mediante una relación de potencia obtenida empíricamente, de modo que huesos con mayor densidad mineral resultan estructuralmente más rígidos.
ID:6063
Grupo 5: Grupo 5: Nanomecánica del colágeno
Descripción
¿Cómo se caracteriza la rigidez de fibrillas individuales a escala nanométrica?
Pregunta clave: ¿Cómo se caracteriza la rigidez de fibrillas individuales a escala nanométrica?
Dentro de cada fibra de colágeno de las que se alinean durante la carga, mencionadas en el ensayo mecánico anterior, hay a su vez fibrillas de colágeno individuales que se pueden caracterizar por separado, a escala nanométrica, con un microscopio capaz de sentir la fuerza de contacto de su propia punta: presionando esa punta contra fibrillas de colágeno individuales se obtienen valores de rigidez de entre uno y cinco gigapascales, muy por encima de la rigidez que el mismo colágeno muestra cuando se lo mide como parte del tejido completo. Las propiedades mecánicas de estos tejidos se determinan mediante ensayos de tracción y compresión en una sola dirección, que generan una curva que relaciona la fuerza aplicada con la deformación resultante: de esa curva se extraen la rigidez del tejido en su tramo recto y la resistencia a la fractura, es decir, la tensión máxima que el tejido soporta antes de romperse. En el tejido blando, esa curva muestra primero un tramo inicial de baja rigidez, en el que las fibras de colágeno todavía desalineadas se van alineando en la dirección de la carga, y solo después, una vez alineadas, entra en el tramo recto de alta rigidez. Un modelo que combina un componente puramente elástico con un componente que combina elasticidad y viscosidad ajusta ambos comportamientos con solo tres parámetros: la rigidez instantánea del tejido, su rigidez de equilibrio una vez relajado, y el tiempo característico que tarda en pasar de una a la otra. El comportamiento esperado, a lo largo de toda esta caracterización de materiales biológicos, es que la degradación mecánica de tendones y cartílagos avanza siguiendo una relación de potencia con la cantidad acumulada de ciclos de carga que el tejido ha soportado: al principio la rigidez cae despacio, pero la caída se acelera a medida que se acumulan más ciclos.
ID:6064
Grupo 6: Grupo 6: Mineralización y rigidez ósea
Descripción
¿Cómo se estima la rigidez del hueso desde su contenido mineral?
Pregunta clave: ¿Cómo se estima la rigidez del hueso desde su contenido mineral?
En el caso particular del hueso, la rigidez estructural no se mide directamente mediante un ensayo mecánico sino que se estima a partir de su contenido mineral: la densitometría ósea mide cuánto mineral contiene el hueso y cómo se distribuye ese mineral dentro de él, y esa densidad mineral se relaciona con el módulo elástico del hueso mediante una relación de potencia obtenida empíricamente, de modo que huesos con mayor densidad mineral resultan estructuralmente más rígidos. La caracterización de materiales biológicos aplica la mecánica de sólidos y la reología para determinar las propiedades mecánicas de los tejidos que forman el sistema locomotor —hueso, cartílago, tendón, ligamento, músculo y fascia—, los materiales estructurales sobre los que se apoya el movimiento. El comportamiento esperado, a lo largo de toda esta caracterización de materiales biológicos, es que la degradación mecánica de tendones y cartílagos avanza siguiendo una relación de potencia con la cantidad acumulada de ciclos de carga que el tejido ha soportado: al principio la rigidez cae despacio, pero la caída se acelera a medida que se acumulan más ciclos.
ID:6065
Grupo 7: Grupo 7: Fatiga y degradación acumulativa
Descripción
¿Cómo degrada la carga cíclica la rigidez y cuándo se vuelve clínicamente significativa?
Pregunta clave: ¿Cómo degrada la carga cíclica la rigidez y cuándo se vuelve clínicamente significativa?
El comportamiento esperado, a lo largo de toda esta caracterización de materiales biológicos, es que la degradación mecánica de tendones y cartílagos avanza siguiendo una relación de potencia con la cantidad acumulada de ciclos de carga que el tejido ha soportado: al principio la rigidez cae despacio, pero la caída se acelera a medida que se acumulan más ciclos. Cuando esa caída del módulo elástico supera el treinta por ciento del valor original del tejido sano, la reducción deja de ser una variación menor y se vuelve clínicamente significativa. En el caso particular del hueso, la rigidez estructural no se mide directamente mediante un ensayo mecánico sino que se estima a partir de su contenido mineral: la densitometría ósea mide cuánto mineral contiene el hueso y cómo se distribuye ese mineral dentro de él, y esa densidad mineral se relaciona con el módulo elástico del hueso mediante una relación de potencia obtenida empíricamente, de modo que huesos con mayor densidad mineral resultan estructuralmente más rígidos. La caracterización de materiales biológicos aplica la mecánica de sólidos y la reología para determinar las propiedades mecánicas de los tejidos que forman el sistema locomotor —hueso, cartílago, tendón, ligamento, músculo y fascia—, los materiales estructurales sobre los que se apoya el movimiento.
ID:6066