BIOMECANICA Y DESARROLLO DE PROTESIS

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: prcarbonell@yahoo.com.ar