Este proyecto de investigación financiado por la AEI supone un esfuerzo coordinado de tres grupos de investigación pertenecientes a las Universidades de Granada (UGR), Jaén (UJA) y Carlos III de Madrid (UC3M) en una línea de investigación de aplicación de la mecánica de fluidos al campo biomédico, relacionada con el movimiento del Líquido Cefalorraquídeo en el canal Espinal.
El líquido cefalorraquídeo (LCR) es un líquido incoloro que llena los ventrículos del cerebro, así como los espacios subaracnoideos craneales y espinales (Fig. 1a). A temperaturas corporales normales, el LCR es un fluido newtoniano de propiedades similares a las del agua. Sus funciones mecánicas primarias son amortiguar el cerebro dentro del cráneo, sirviendo así de colchón para el sistema nervioso central, y reducir la compresión ejercida por el cerebro sobre el tallo de la médula espinal por efectos de flotabilidad. También desempeña una importante función fisiológica al mantener el entorno electrolítico, transportar hormonas, hacer circular nutrientes y sustancias químicas filtradas de la sangre y eliminar productos de desecho del metabolismo celular del cerebro y el sistema nervioso central. Por lo tanto, generalmente se acepta que la circulación anormal del LCR puede comprometer las funciones fisiológicas normales. El LCR se secreta continuamente desde el plasma sanguíneo en el plexo coroideo de los ventrículos cerebrales (Fig. 1b). Se reabsorbe en la circulación venosa en proyecciones de la membrana aracnoidea llamadas vellosidades, y también puede drenar en los vasos linfáticos alrededor de la cavidad craneal. El espacio subaracnoideo espinal (ESAE), lleno de líquido cefalorraquídeo, es un canal anular delgado limitado internamente por la piamadre, que rodea la médula espinal, y externamente por la membrana deformable de la duramadre (Fig. 1a y 1d). La geometría del canal se complica aún más por la presencia de características anatómicas locales, como trabéculas, raíces nerviosas y ligamentos dentados (Fig. 1c).
La descripción del flujo del LCR en el ESAE es de especial interés a la hora de diseñar protocolos de tratamiento de enfermedades neurológicas, en particular el conocimiento del flujo en la región de entrada al ESAE es de particular interés en el contexto de la siringomielia asociada a la malformación de Chiari tipo 1. Se sabe que el líquido cefalorraquídeo en el ESAE experimenta dos tipos de movimiento: un movimiento oscilatorio rápido con velocidades del orden de unos pocos cm/s, y un movimiento lento y constante con una velocidad asociada mucho menor, del orden de un cm/min. El grupo proponente, compuesto por investigadores de las Universidades de Granada, Jaén y Carlos III de Madrid, en colaboración con investigadores de la Universidad de California en San Diego, neurocirujanos y radiólogos, pretende en el presente proyecto desarrollar modelos matemáticos que permitan describir fidedignamente el movimiento completo del LCR en el canal espinal de un paciente. El objetivo final es generar y probar modelos fiables capaces de describir con suficiente precisión el flujo de líquido cefalorraquídeo en el espacio subaracnoideo espinal y cuantificar las tasas de dispersión de fármacos en aplicaciones de administración intratecal, y arrojar luz sobre los problemas comunes asociados con el flujo anómalo de LCR. Para ello se plantea llevar a cabo estudios teóricos y numéricos del problema, guiados por experimentos de modelos in-vitro en laboratorio y medidas in-vivo en equipos de Resonancia Magnética Nuclear Funcional.
Carlos Martínez Bazán es catedrático de Universidad en el Área de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Granada. Es ingeniero Industrial por la Universidad de Zaragoza y doctor en Ingeniería Aeroespacial por la Universidad de california en San Diego (EE. UU.). Sus áreas de especialización incluyen estudios experimentales y numéricos de flujos con burbujas. Así, ha contribuido a mejorar el entendimiento de los fenómenos de la rotura turbulenta de gotas y burbujas, de gran interés en procesos industriales y medioambientales, proponiendo modelos de rotura de burbujas que actualmente se están implementado en códigos numéricos aplicados en ingeniería química, industria petroquímica y oceanografía, entre otros. También está investigando la estabilidad de estelas de cuerpos con base roma con el objetivo de diseñar sistemas eficientes de control pasivo y dispositivos de reducción de resistencia de vehículos pesado. Por otro lado, aprovechando su experiencia en el estudio de problemas fundamentales de la Mecánica de Fluidos, ha iniciado una nueva línea de investigación en la caracterización de flujos biológicos, en particular el flujo del líquido cefalorraquídeo (LCR), en colaboración con investigadores de las Universidades de Jaén, Carlos III de Madrid y Universidad de California en San Diego.
Cándido Gutiérrez Montes es catedrático de Universidad en el Área de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Jaén. Es ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica de Cartagena, donde también obtuvo el grado de doctor. Sus áreas de especialización incluyen estudios numéricos y experimentales de dinámica y propagación incendios o flujos multifase, centrados en el desarrollo de procedimientos y sistemas para la formación masiva y controlada de burbujas de tamaño micrométrico, de interés en procesos industriales (farmacéuticas y químicas) o en medicina. Asimismo, trabaja en el estudio del flujo turbulento alrededor de vehículos y la caracterización de la estela de cuerpos con base roma, focalizado en la mejora aerodinámica de los mismos y reducción del coeficiente de arrastre. Desde el año 2016, desarrolla estudios de flujos de interés biomédico, donde colabora con investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid, Universidad de Granada, Universidad de California San Diego y de la Universidad de Madison-Wisconsin, EE. UU.
José Ignacio Jiménez González es catedrático del Área de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la Universidad de Jaén y miembro del Grupo de Investigación de Mecánica de Fluidos e Interacción Fluido-Estructura de Jaén. Ingeniero Industrial (Premio Extraordinario) y Doctor por la misma Universidad, defendió en 2013 su Tesis Doctoral centrada en el estudio de la aerodinámica de cuerpos romos y el control de estelas y chorros. Durante la etapa de formación predoctoral y postdoctoral ha adquirido sólidos conocimientos de técnicas experimentales de visualización y anemometría, estabilidad hidrodinámica y simulación numérica, que ha aplicado a problemas de interacción fluido-estructura en aerodinámica y flujos biomédicos, en el marco de la coordinación de proyectos competitivos nacionales y autonómicos. Es miembro del Comité Director del Grupo Especial “Estelas 3D” de la European Research Community on Flow, Turbulence and Combustion (ERCOFTAC).
Wilfried Coenen es Profesor Titular de Universidad en el Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la Universidad Carlos III de Madrid. Es físico por la Universidad Técnica de Eindhoven y Doctor en Ingeniería Matemática por la Universidad Carlos III de Madrid. Sus áreas de especialización incluyen aplicaciones biomédicas de la mecánica de fluidos, estudios de flujos reactivos y dinámica de fuegos y el análisis de estabilidad hidrodinámica.
Mariano Rubio Rubio es profesor visitante en el departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la Universidad Carlos III de Madrid (uc3m), y miembro del Grupo de Mecánica de Fluidos uc3m. Ingeniero Aeronáutico por la Universidad Politécnica de Madrid, cursó en la uc3m estudios de Máster en Ing. Térmica y de Fluidos (premio mejor expediente académico), y Doctorado Interuniversitario en Mecánica de Fluidos (premio extraordinario). Tiene amplia experiencia en el manejo de diversas técnicas experimentales, tanto para el análisis de la dinámica de flujos, ya sean de origen natural, industrial o biológico, como para la caracterización de fluidos de reología simple o compleja. Su investigación incluye, además, modelado y técnicas numéricas, siendo responsable de proyectos de investigación competitivos a nivel tanto nacional como regional, así como de contratos de transferencia.
REFERENCIA: PID2020-115961RB-C31, PID2020-115961RB-C32, PID2020-115961RA-C33
PROGRAMA: Programa Estatal de Generación de Conocimiento y Fortalecimiento Científico y Tecnológico del Sistema de I+D+i – Agencia Estatal de Investigación (AEI)
TÍTULO: Proyecto I+D+i 2020 «Generación de Conocimiento»: Dinámica del movimiento de líquido cefalorraquídeo en el canal espinal.
INVESTIGADOR: PID2020-115961RB-C31: Carlos Martínez Bazán. PID2020-115961RB-C32: José Ignacio Jiménez González y Cándido Gutiérrez Montes. PID2020-115961RB-C33: Wilfried Coenen y Mariano Rubio Rubio.
ENTIDAD BENEFICIARIA: PID2020-115961RB-C31: Universidad de Granada. PID2020-115961RB-C32: Universidad de Jaén. PID2020-115961RB-C33: Universidad Carlos III de Madrid
ÁREA TEMÁTICA: Producción industrial, ingeniería civil e ingenierías para la sociedad (PIN)
DURACIÓN: 3 años