Las redes de colágeno de los tejidos blandos determinan su mecánica no lineal: primero el tejido es flexible y luego se endurece de golpe. En el útero, el colágeno se orienta sobre todo en dirección circunferencial y a lo largo del eje, y su remodelación con el envejecimiento, las enfermedades o la exposición a toxinas cambia el funcionamiento del órgano. Sin embargo, hasta ahora era difícil vincular la microestructura con la mecánica del órgano: la histología muestra la composición, pero no las consecuencias mecánicas. En torno a este trabajo ya existen estudios de inflado de otros órganos huecos (arterias, vagina, vejiga, intestino), pero para el útero de ratón es la primera vez que se combina el inflado con un análisis inverso de los parámetros del material. Los trabajos vecinos del archivo siguen la misma línea general: también usan el inflado o el análisis inverso para tejidos blandos, pero no los unen para el útero.
Seis ratones de la cepa CD-1 de 6 meses de edad proporcionaron 12 segmentos de cuernos uterinos de 15 mm de longitud. La mitad de los segmentos se mantuvo 4 horas en una solución de glutaraldehído al 0,04% a 4°C para entrecruzar el colágeno. Cada segmento se montó sobre un catéter de balón de 1 mm de diámetro y se infló a una velocidad de 0,02 ml/min, aumentando el volumen por pasos de 0 a 0,20 ml con incrementos de 0,025 ml. Tras cada paso se tomó una imagen en el microtomógrafo Rigaku CTLab GX130 con una resolución de 10 µm. La presión se midió con un sensor diferencial respecto a un balón vacío, para restar la resistencia del propio catéter. De las imágenes se extrajeron los contornos interno y externo de la pared uterina, se convirtieron a coordenadas polares y se compararon con los contornos calculados por el modelo de elementos finitos. El modelo describía la pared como un material homogéneo con dos familias de fibras de colágeno según el modelo de Gasser-Ogden-Holzapfel. Los parámetros se ajustaron con una optimización en dos etapas: primero evolución diferencial y luego el método simplex de Nelder-Mead, minimizando el error cuadrático medio entre los radios medidos y calculados de los contornos en cuatro niveles de inflado.
El inflado mostró una relación no lineal entre presión y volumen: primero el tejido es flexible y luego se resiste con fuerza. Los segmentos tratados con glutaraldehído requerían más presión en todos los niveles. El trabajo de inflado aumentó, y la rigidez lineal en el tramo de 0,10 a 0,20 ml y la resistencia máxima a 0,20 ml crecieron de forma significativa (p < 0,001). El análisis inverso dio los parámetros del modelo: para los tejidos no tratados, la rigidez de la matriz C10 = 14,6 ± 2,1 kPa, la rigidez de las fibras k1 = 381,9 ± 18,3 kPa y el parámetro de no linealidad k2 = 9,1 ± 0,6. Tras el tratamiento, C10 creció 9,2 veces hasta 133,8 kPa, k1 creció 2,0 veces hasta 773,2 kPa y k2 creció 2,7 veces hasta 24,3. La dispersión entre muestras fue pequeña: el coeficiente de variación de k1 fue de solo 4,8%. El error de ajuste de los contornos no superó el 3% para todas las muestras y niveles. El análisis de sensibilidad mostró un único mínimo de la función objetivo, sin mínimos secundarios, lo que indica que la estimación de los parámetros es fiable.
El trabajo se distingue de los estudios vecinos porque por primera vez combina el inflado del útero de ratón con un análisis inverso de elementos finitos para estimar los parámetros del material. Los trabajos anteriores de inflado del tracto reproductivo se limitaban a la teoría de pared delgada y a la tensión media, y el análisis inverso para el útero humano solo se había hecho con datos de indentación y tracción uniaxial. Aquí, en cambio, los parámetros se obtienen de un régimen de carga fisiológico, la presión desde dentro, y se demuestra que el método es sensible al entrecruzamiento del colágeno. Esto abre el camino a cuantificar las consecuencias mecánicas de la remodelación del tejido, que antes solo se veían en la histología.
El método puede extenderse al estudio de la remodelación natural durante el envejecimiento, las enfermedades y la exposición a toxinas, donde los cambios del colágeno pueden ser menores que con el tratamiento con glutaraldehído. El siguiente paso será comprobar qué cambios mínimos de la mecánica es capaz de detectar el método. También conviene tener en cuenta la estratificación de la pared uterina, la contracción activa del músculo liso y la viscoelasticidad, para acercar el modelo al tejido vivo.
Los resultados serán útiles en biomecánica reproductiva, toxicología y el desarrollo de métodos de diagnóstico del estado del útero a partir de parámetros mecánicos.
Probar el método con grados menores de entrecruzamiento y en tejidos tras la exposición a toxinas reales, además de evaluar la influencia del parámetro fijo de dispersión de las fibras en los resultados.
En la biomecánica de los tejidos blandos sigue abierta la pregunta de cómo los cambios microestructurales del colágeno se reflejan en la función del órgano. El trabajo muestra que el análisis inverso del inflado puede conectar esos niveles, pero para resolverlo del todo hay que considerar la estratificación, la actividad muscular y los efectos temporales.
El catéter de balón con el que se infló el útero del ratón tiene 1 mm de diámetro, más o menos como la mina de un lápiz.
No publicado en arXiv. Aquí están su página, el PDF y la formalización: puede comprobarlo usted mismo, no solo leer nuestro análisis.