BIOMECANICA Y DESARROLLO DE PROTESIS. Ing. Pablo R. Carbonell Octubre

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1 BIOMECANICA Y DESARROLLO DE PROTESIS 1

2 Características de la articulación? 2

3 Como está compuesta la articulación? Tejido fibroso denso: Matriz sólida de colágeno y elastina Fluído sinovial compuesto mayormente por un concentrado de agua y ácido hialurónico (prop. de lubricación). Cápsula sinovial Tejido Oseo: tejido conectivo embebido en una matriz sólida de minerales de calcio y fósforo 3

4 Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE VISCOELASTICIDAD: Matemáticamente ticamente representable como comportamiento simultaneo de un fluido viscoso y un sólido s elástico EL CARTILAGO PRESENTA DOS PROPIEDADES PRINCIPALES FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONES 4

5 Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP Aplicación CARGA CONSTANTE en el tiempo => DEFORMACION VARIABLE en el tiempo 5

6 Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONES Aplicación DEFORMACION CONSTANTE en el tiempo => CARGA VARIABLE en el tiempo 6

7 Características biomecánicas del hueso Sus medidas no son homogéneas Grandes desvíos standard y gran diferencia entre rangos Variación en la densidad ESTOS FACTORES OBLIGAN A LOS FABRICANTES A REALIZAR ESTUDIOS ANATOMICOS Y BIOMECANICOS 7

8 Que es la BIOTRIBOLOGIA? La tribología es la ciencia que estudia la fricción, lubricación y desgaste de las superficies en contacto. Se aplica tanto al estudio de las superficies articulares como al desarrollo de las superficies de contacto en los implantes 8

9 Que es la BIOTRIBOLOGIA? ROZAMIENTO F = μ x N Rozamiento de superficie Rozamiento seco Rozamiento límite Rozamiento hidrodinámico Rozamiento interno 9

10 Que es la BIOTRIBOLOGIA? DESGASTE Perdida de material debido a factores químicos o mecánicos Adhesivo: material que se adhiere al otro Abrasivo:material que se desprende del otro Por fatiga: material que supera limites de rotura y se desprende Por corrosión: material que se desprende por factores químicos 10

11 Que es la BIOTRIBOLOGIA? LUBRICACION Existe lubricación cuando entre dos superficies sólidas se interpone una película líquida y el fenómeno de fricción se dan entre las superficies sólidas y líquidas Lubricación Hidrostática: Presión ejercida por medios externos Lubricación Hidrodinámica: Presión ejercida por el propio fluido 11

12 Que es la BIOTRIBOLOGIA? LUBRICACION... qué ocurre en la superficie articular? LUBRICACION ELASTO-HIDRODINAMICA 12

13 APLICACIÓN N DE LOS PRINCIPIOS BIOMECANICOS AL DISEÑO O DE IMPLANTES PROTESICOS TRAUMATOLOGICOS 13

14 Cadera DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Los fenómenos vistos anteriormente se utilizan en EL DISEÑO DE IMPLANTES PARA REEMPLAZO ARTICULAR E IMPLANTES PARA OSTEOSINTESIS Interfalanges Rodilla Humero Tobillo Placas, clavos y tornillos Elem. p/columna 14

15 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Para el diseño de implantes traumatológicos se siguen los siguientes pasos: Estudio biomecánico de la articulación Estudio cinemático: ejes y planos de movimiento, fuerzas y momentos actuantes Estudio cinético: elementos individuales actuantes y su contribución al movimiento 15

16 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Las herramientas comúnmente utilizadas son: Método de elementos finitos Técnicas estéreo-fotogramétricas Ensayos mecánicos de partes blandas o de articulaciones en cadáveres Pruebas de biocompatibilidad en modelos Pruebas de funcionalidad en cadáveres 16

17 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Las herramientas comúnmente utilizadas son: 17

18 Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? Estado de tensiones de la articulación sana - Magnitud y dirección de las cargas - Resistencia del hueso cortical y esponjoso DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS - Puntos de máxima carga y ubicación en el espacio 18

19 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? Estado de tensiones buscado de los componentes protésicos implantados - Transmisión de cargas y puntos de aplicación - Comparación con las cargas aplicadas en la articulación sana - Puntos de concentración de tensiones que puedan conducir al fallo del material - Productos del desgaste: volumen y tamaño de las partículas 19

20 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? Otros factores - Tipo de paciente al que se implantará - Técnica quirúrgica utilizada - Patología previa presentada por el paciente - Factores particulares 20

21 Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? Teniendo en cuenta los puntos anteriores se definen los siguientes criterios: Biomateriales a utilizar Forma de los componentes protésicos Método de anclaje DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Procesos utilizados en la fabricación: Normas, tecnología aplicada, herramientas de control del proceso, etc. 21

22 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS BIOMATERIALES Material Módulo Elástico (MPa) Resistencia (MPa) Deformación máxima (%) Densidad (g/cm3) Polímeros Silicona Nylon UHMWPE PMMA Metales Acero AISI 316L Co-Cr Ti6Al4V Cerámicas Alúmina Carbón pirolítico Hidroxiapatita <1 <1 < Tejidos Piel Hueso (fémur) Diente (dentina) 0.34/ <

23 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS DISEÑO DE LOS COMPONENTES 23

24 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS METODO DE ANCLAJE DE LOS COMPONENTES Cemento óseo polimetilmetacrilato PMMA Método PRESS-FIT (ajuste mecánico) Método recubrimiento poroso (ajuste biológico) 24

25 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROCESOS UTILIZADOS PARA LA FABRICACION Normas técnicas de producto y de calidad, disposiciones legales Tecnología utilizada para la fabricación: CAD-CAM- CAE / Relevam. de datos por RMN / utilización de maquinaria a CNC Control del proceso: control estadístico de procesos, medición del Cp y Cpk, utilización de herramientas de control como FMEA, arbol de fallas, etc. 25

26 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS El resultado final son las siguientes características que presentan diferentes tipos de implantes comercializables actualmente...

27 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROTESIS PARA CADERA A) Implantes para REEMPLAZO PARCIAL B) Implantes para REEMPLAZO TOTAL B1) Implantes Total CEMENTADO: Ambos componentes se cementan al hueso B2) Implantes Total HIBRIDO: El comp. Acetabular ancla sin cemento y el femoral se cementa B3) Implantes total NO CEMENTADO 27

28 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO Alojam. para LCA / LCP Superficies menos congruentes No requiere base de anclaje 28

29 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO Leva de estabilización que proporciona el mov. de rototraslación Requiere base de anclaje 29

30 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO Cajón de estabilización que proporciona el mov. de rototraslación y estabilidad en abducción-aducción Leva de estabilización que proporciona el mov. de rototraslación Vástagos intramedulares que proporcionan mayor estabilidad y distribución de cargas ante inestabilidades Corrección de varo-valgo mediante cuñas 30

31 DISEÑO O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Finalmente... los componentes deben ser implantados con instrumentales específicos. El diseño del instrumental es parte del diseño integral del implante y debe asegurar: Rápido acceso a la articulación mediante una técnica depurada. Asegurar ángulos y posiciones de cortes precisos Mínimo tiempo de exposición del paciente Inserción precisa de los componentes protésicos Fácil limpieza y esterilización de los instrumentos 31

32 Bibliografía a consultada - Biomecánica articular y sustituciones protésicas - M.Comín, R. Dejoz, C.Atienza, J.Prat, J.L. Peris, P.Vera, A.Gil, C.Reig. - Instituto de Biomecánica de Valencia (1998). - Bearing Surfaces in Total Hip Replacements - State of the Art and Future Development - Harry A. McKellop, Ph.D. (2000) - Artículos del JBJS - American Issues. Sitios web consultados - Zimmer Inc. (USA) - Joint Replacement (Johnson & Johnson - DePuy - USA) - Exactech (USA) - Biomet (USA) - Google Images 32

33 MUCHAS GRACIAS CONSULTAS:

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