BIOMECANICA Y DESARROLLO DE PROTESIS Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 1 ¿Características de la articulación? Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 2 ¿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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 3 Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE VISCOELASTICIDAD: Matemáticamente representable como comportamiento simultaneo de un fluido viscoso y un sólido elástico EL CARTILAGO PRESENTA DOS PROPIEDADES PRINCIPALES FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONES Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 4 Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP Aplicación CARGA CONSTANTE en el tiempo => DEFORMACION VARIABLE en el tiempo Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 5 Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONES Aplicación DEFORMACION CONSTANTE en el tiempo => CARGA VARIABLE en el tiempo Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 6 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 7 ¿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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 8 ¿Que es la BIOTRIBOLOGIA? ROZAMIENTO F=μxN Rozamiento de superficie Rozamiento seco Rozamiento límite Rozamiento hidrodinámico Rozamiento interno Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 9 ¿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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 10 ¿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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 11 ¿Que es la BIOTRIBOLOGIA? LUBRICACION ... ¿qué ocurre en la superficie articular ? LUBRICACION ELASTO-HIDRODINAMICA Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 12 APLICACIÓN DE LOS PRINCIPIOS BIOMECANICOS AL DISEÑO DE IMPLANTES PROTESICOS TRAUMATOLOGICOS Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 13 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Los fenómenos vistos anteriormente se utilizan en.... ... EL DISEÑO DE IMPLANTES PARA REEMPLAZO ARTICULAR E IMPLANTES PARA OSTEOSINTESIS •Cadera •Interfalanges •Rodilla •Humero •Tobillo •Placas, clavos y tornillos •Elem. p/columna Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 14 DISEÑO 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 15 DISEÑO 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 16 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Las herramientas comúnmente utilizadas son: Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 17 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS ¿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 - Puntos de máxima carga y ubicación en el espacio Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 18 DISEÑO 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 19 DISEÑO 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 20 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS ¿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 • Procesos utilizados en la fabricación: Normas, tecnología aplicada, herramientas de control del proceso, etc. Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 21 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS BIOMATERIALES Material Polímeros Silicona Nylon UHMWPE PMMA Metales Acero AISI 316L Co-Cr Ti6Al4V Cerámicas Alúmina Carbón pirolítico Hidroxiapatita Tejidos Piel Hueso (fémur) Diente (dentina) Módulo Elástico (MPa) Resistencia (MPa) Deformación máxima (%) Densidad (g/cm3) 1-10 2800 1500 3000 6-7 76 34 60 350-360 90 200-250 1-3 1.12-1.23 1.14 0.93-0.94 1.10-1.23 200000 230000 110000 540-620 900 900 55-60 60 10 7.9 9.2 4.5 363000 280000 120000 490 517 150 <1 <1 <1 3.9 1.5-2.0 3.2 0.34/38 17200 13800 7.6 121 138 60 1 <1 1.0 2.0 1.9 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS DISEÑO DE LOS COMPONENTES Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 23 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS METODO DE ANCLAJE DE LOS COMPONENTES •Cemento óseo polimetilmetacrilato PMMA •Método PRESS-FIT (ajuste mecánico) •Método recubrimiento poroso (ajuste biológico) Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 24 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROCESOS UTILIZADOS PARA LA FABRICACION •Normas técnicas de producto y de calidad, disposiciones legales •Tecnología utilizada para la fabricación: CAD-CAMCAE / 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. Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 25 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS El resultado final son las siguientes características que presentan diferentes tipos de implantes comercializables actualmente.... DISEÑO 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 27 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO Alojam. para LCA / LCP Superficies menos congruentes No requiere base de anclaje Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 28 DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO Leva de estabilización que proporciona el mov. de rototraslación Requiere base de anclaje Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 29 DISEÑO 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 30 DISEÑO 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 31 instrumentos Bibliografí Bibliografía 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 Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 32 MUCHAS GRACIAS CONSULTAS: [email protected]