Scopul lucrării…. [303378]

Cuprins

Scopul lucrării………………………………………………………………………….

Capitolul 1- Introducere……………………………………………………………………….

Istoric………………………………………………………………………………..…….

Termeni medicali utilizați în lucrare………………………………………………………

Anatomofiziologia și patologia articulației genunchiului………………………………….

1.3.1. Generalități………………………………………………………………………….

1.3.2. Aspecte privind anatomia articulației genunchiului……………………………..….

1.3.3. Structura articulațiilor; cartilajele articulare și ligamente aferente genunchiului………………………………………………………………………………..

Aspecte privind dinamica și cinematica articulară…………………………………………

1.4.1. Elemente ale mecanicii articulare…………………………………………………..

1.4.2. Aspecte privind stabilitatea articulară……………………………………………..

1.4.3. Condiții biologice umane care conduc la protezare…………………………..……

1.4.4. Aspecte chirurgicale și medicale ale implanturilor protetice………………………

1.4.5. [anonimizat]………………………………………………………………….

1.4.5.1. Osul……………………………………………………………………………

1.4.5.2. Cartilajul articular…………………………………………………………….

1.4.5.3. Ligamentele, tendoanele și fasciile…………………………………………..

Modalități de protezare a genunchiului. Generalități. Tipuri de proteze …………….….

1.5.1. Clasificarea protezelor de genunchi……………………………………………….

1.5.2. Protezele unicompartimentale sau protezele parțiale………………………………

1.5.3. Protezele totale………………………………………………………………….…

1.5.4. Durabilitatea sau durata de viață a protezelor de genunchi…………………….…

1.5.4.1. Rezultatele funcționale ale protezării genunchiului………………………….

Capitolul 2 – Aspecte și modalități de prelucrare/ realizare………………………………….

Materiale propuse și biocompatibilitatea acestora…………………………….…………

2.1.1. Generalități…………………………………………………………………………

2.1.2. Titanul………………………………………………………………………………

2.1.3. Materialele ceramice……………………………………………………………….

2.1.4. Polimerii……………………………………………………………………………

2.1.4.1. Aspecte generale……………………………………………………………..

2.1.4.2. Politetrafluoretilena (PTFE)……………………………………………….…

2.1.4.3. Polimerii acrilici………………………………………………………………

2.1.4.3.1. Polietilena…………………………………………………………..

2.1.4.3.2. Polietilena cu greutate moleculară foarte mare………………….…

Capitolul 3. [anonimizat], modelarea geometrică…………….…..…

3.1 Generalități…………………………………………………………………………

3.2 Studiu de formă/ funcționalitate………………………………………………….

3.3 Aspecte privind componentele protezei………………………………………….

3.3.1 Dimensionare……………………………………………………………

3.3.2 Categorie componente fixe / mobile / grade de libertate / restricții…….

3.4 Schița de design a conceptului……………………………………….………..…

3.5 Design – [anonimizat] – producție………………………………….….…

3.6 Realizarea modelului 3D în Catia V5…………………………………………….

Capitolul 4. [anonimizat]…………………..…….…..

4.1 Studiul eforturilor ce acționează în timpul perioadei de recuperare…………….

4.2 Studiul eforturilor ce acționează în viața de zi cu zi………………………….….

4.3 Rezultatele artroplastiei de genunchi………………………………..………..….

Capitolul 5. Analiza structurală (determinarea stării de tensiune și/sau de deformație dintr-o structură solicitată)……………………………………………………………………………………………………….

5.1 Generalități…………………………………………………………………………

5.2 Generarea analizei structurale………………………………………………………

5.2.1 Analiza platoului tibial……………………………………………………..

5.2.2 Analiza platoului mobil……………………………………………………………………

5.2.3 Analiza condilului femural……………………………………………………………..

5.3 Calcul de masă și volum……………………………………………..………………..

Capitolul 6. Calcul economic/studiu de piață…………………..…….……………………………….

6.1 Calculul economic de realizare/achiziție……………………………………………………..

6.2 Utilizarea pe scară largă a protezelor………………………………………………………….

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………….

Scopul lucrării

O evoluție sustenabilă a colaborării dintre inginerie și medicină prin inovarea și adaptarea tehnologiilor are un aport considerabil ce stă la baza îmbunatățirii calității vieții.

Protezarea genunchiului implică înlocuirea articulației naturale a genunchiului cu un implant artificial, compus dintr-o piesă femurală, una tibială, un insert (platou) și patelă. Esențială în artroplastia genunchiului este atingerea unei congruențe perfecte a acestor componente, iar în acest caz proiectarea implantului are un impact covârșitor.

Dacă tratamentele ne-chirurgicale precum medicația și utilizarea unor elemente ajutătoare de mers ( cadru de sprijin, cârje, baston ) nu mai dau rezultate, va trebui să luăm în considerare intervenția chirurgicală cu protezarea genunchiului. Operația de înlocuire a articulației genunchiului este o procedură sigură și eficientă pentru eliminarea durerii, corectarea deformării piciorului și care facilitează reluarea activităților obișnuite.

Succesul montării unui implant este determinat de designul protezei, de materialele utilizate pentru confecționarea componentelor sale, de tehnică și acuratețea chirurgicală, de recuperarea, de utilizarea protezei în limitele admise, fără solicitări excesive. Designul implantului trebuie să se conformeze mecanismelor funcționale normale articulare. Tehnicile chirurgicale sunt de preferință cele minim invazive și în general trebuie să permită conservarea țesuturilor, în cazul genunchiului a sistemelor ligamentare, asigurând tot odată aliniamentul articular normal. Acuratețea chirurgicală este asigurată prin evitarea delabrărilor, a distructiilor tisulare și a sângerării.

O condiție principală pe care trebuie să o îndeplinească materialele utilizate în confecționarea de proteze este bio-compatibilitatea. Sunt necesare numeroase alte condiții pentru a asigura o funcționare cât durabilă, a unui implant articular. Comportarea lor în diverse medii biologice, similare mediului real în care funcționează o proteză le recomandă ca biomateriale de viitor. Validarea posibilității de utilizare a materialelor propuse pentru confecționarea protezelor articulare s-a realizat pe un model al protezei unicompartimetale de genunchi.

În concluzie, în această lucrare se analizează sub diferite aspecte posibilitatea utilizării unor noi materiale, care să elimine unele dintre dezavantajele celor folosite în prezent.

CAPITOLUL 1- INTRODUCERE

Istoric

Prima intervenție de artroplastie de genunchi a avut loc în anul 1968. De atunci, inovațiile în domeniul materialelor și tehnicilor chirurgicale au contribuit semnificativ la îmbunătățirea performanțelor acestei intervenții, artroplastia totală de genunchi reprezentând una dintre cele mai de succes proceduri în toată medicina.

Artroplastia (termen care înseamnă „formarea unei articulații”) reprezintă o procedură chirurgicală utilizată pentru a reface integritatea și funcția unei articulații. Acest lucru se poate face fie prin înlocuirea suprafețelor degradate ale cartilajului cu unele sintetice, fie prin înlocuirea completă a articulației cu una artificială (proteză). Prima tehnică prezintă marele avantaj de conservare a osului.

În ultimii 45 de ani cel mai utilizat tip de artroplastie este artroplastia endoproteica, adică înlocuirea articulației cu o proteză articulată numită endoproteză. De exemplu, articulația șoldului poate fi înlocuita total sau parțial cu o endoproteză de șold. Această înseamnă că sunt înlocuite atât acetabulul, cât și capul și colul femural. Acest lucru ameliorează durerea, reface mobilitatea articulară, redă pacientului abilitatea de a merge, crescând astfel și forță musculară.

Cea mai mare contribuție în dezvoltarea acestei operații o are chirurgul englez John Insall care i-a dat formă pe care proteza o are, cu mici modificări, până în ziua de astăzi. În România a fost introdusă la sfârșitul anilor 90 dar sa extins ca număr și centre medicale unde este efectuată, mai cu seamă în ultimii 10 ani.

Termeni medicali utilizați în lucrare

Artroplastie – (termen care înseamnă „formarea unei articulații”) reprezintă o procedură chirurgicală utilizată pentru a reface integritatea și funcția unei articulații. Acest lucru se poate face fie prin înlocuirea suprafețelor degradate ale cartilajului cu unele sintetice, fie prin înlocuirea completă a articulației cu una artificială (proteză). Prima tehnică prezintă marele avantaj de conservare a osului.

Proteza – reprezintă un dispozitiv ce are ca scop înlocuirea sau îmbunătățirea funcției unei părți a corpului unui om sau animal.

Cuplă:. Dispozitiv (demontabil) ce asigură legarea a două elemente ale unui sistem tehnic. Pentru protezele articulare: ”cuplă de materiale de fricțiune”.

Menisc articular: Fibrocartilaj interarticular-structură fibroasă situată în interiorul articulațiilor care permite o mai bună adaptare a suprafețelor articulare.

Cinematica articulară: Ramură a biomecanicii mecanicii care se ocupă cu studiul mișcării segmentelor articulației.

Anatomofiziologia și patologia articulației genunchiului

1.3.1. Generalități

Corpul uman este un edificiu biologic deosebit de complex, alcătuit dintr-o multitudine de sisteme morfofuncționale auto-reglabile și adaptabile la schimbările de mediu. Aceste sisteme se schimbă în funcție de volumul de muncă, modificându-și continuu necesarul de energie.

Genunchiul este cea mai mare și cea mai complexă articulație a corpului uman. Este însă și cea mai vulnerabilă articulație, din cauza solicitărilor mari cărora le este supusă, fără să fie protejată în același timp de jur împrejur, prin mase mari musculare, asemenea articulației șoldului.

În funcție de activitățile desfășurate, genunchii sunt supuși unor solicitări mai mici sau mai mari, uneori considerabile. Astfel, fiecare genunchi suportă în mers greutatea corpului x 1.5, urcarea unei scări multiplică presiunea exercitată de greutatea corpului de 3 – 4 ori, iar săriturile o pot multiplica de 8 ori !!

Genunchiul este integrat într-un sistem unitar, format din bazin, coapsă, gambă și porțiunea posterioară a piciorului. Toate aceste componente acționează într-o strânsă dependentă .

Cele trei articulații ce intră în componența genunchiului acționează sincron, asemenea unei balamale puțin modificate. Edificiul articular nu permite mișcări de înclinare laterală și nici hiper-extensia. Mișcările de rotație sunt posibile, dar în mică măsură și în anumite circumstanțe.

Ingineri, biologi și chirurgi se confruntă cu o sarcină deosebită, atunci când proiectează proceduri, componente și sisteme pentru înlocuirea țesutului vătămat peste limite, de boală sau traumă. Selecția corectă a materialului pentru proteze și a altor dispozitive folosite în chirurgia de împlântare are un aspect critic și reprezintă o adevărată provocare.

1.3.2. Aspecte privind anatomia articulației genunchiului

Articulațiile sunt structuri anatomice prin care se realizează joncțiunea dintre două sau mai multe oase. Cele mai multe dintre articulațiile corpului uman sunt articulații mobile sau diartroze și permit efectuarea de mișcări mai mult sau mai puțin complexe.

Articulația mobilă este alcătuită din:

– suprafețe articulare ale oaselor acoperite de cartilaje articulare;

– cavitatea articulară redusă la un spațiu aproape virtual;

– fibrocartilaje interarticulare;

– capsulă articulară completată cu un sistem ligamentar de unire (solidarizare a oaselor articulației);

– membrană sinovială ce căptușește capsula, produce lichidul sinovial și asigură alunecarea cartilajelor articulare.

Articulația genunchiului. Caracterizare, componente

Articulația genunchiului unește coapsa cu gamba. Este o articulație complexă, supusă unor solicitări funcționale deosebite și, implicit, unor tensiuni apreciabile. Suprafețele articulare aparțin unui număr de trei oase: femurul, tibia, patelă (rotulă).

Fig. 1.1 Oasele articulației genunchiului

Femurul este cel mai lung os al corpului uman și corespunde topografic, coapsei. Femurul se termină distal (spre gambă) prin condili (două proeminențe osoase) .Aceștia sunt separați posterior printr-o incizură adâncă, numită incizura intercondiliană. Anterior, extremitatea inferioară a femurului prezintă o depresiune – trohleea, ce se află în contact cu rotula.

Condilul femural intern este mai lung și se reliefează (proemină) înspre anterior, ceva mai mult decât condilul extern. Cei doi condili nu sunt paraleli, iar axul transversal al articulației este mai mare în porțiunea sa posterioară decât în cea anterioară.

Tibia si peroneul sunt cele două oase ale gambei. Sub aspectul lungimii, tibia ocupă locul al doilea printre oasele scheletului, după femur. Tibia se articulează cu femurul prin intermediul a doi condili care alcătuiesc extremitatea sa proximală (denumită și platou tibial). Peroneul nu contribuie la constituirea articulației genunchiului.

Condilul tibial medial, cel mai mare, proemină înspre anterior, în mai mare măsură decât cel lateral. Fețele superioare ale condililor tibiali sunt ușor concave, de formă ovală, cu axul mare antero-posterior. Marginile exterioare ale condililor sunt rotunjite.

Suprafețele condililor sunt puțin mai ridicate în zona centrală a platoului tibial, delimitând spațiul intercondilian tibial. Spațiul intercondilian tibial corespunde incizurii intercondiliene femurale. În spațiile intercondiliene sunt inserate ligamentele încrucișate. Spinele tibiale internă și externă – două proeminențe situate și ele în spațiul intercondilian tibial, realizează un veritabil pivot conic, în jurul căruia se rotesc condilii femurali.

Patela (rotula) este un os sesamoid (asemănător unei semințe de susan), situat la nivelul feței anterioare a genunchiului. Rotula se află în grosimea ligamentului distal (opus extremității cefalice) al mușchiului cvadriceps femural.

Fața anterioară a rotulei, de formă convexă, se află imediat sub piele, de care este separată printr-o bursă (prelungire de forma unui buzunar) a sinovialei, membrană care căptușește capsula articulară .

Fața posterioară a rotulei, plană în porțiunea superioară, este separată printr-o mică creastă mediană în două fațete articulare. Porțiunea cea mai distală a rotulei se află în contact cu tibia externă fiind mai mare și mai concavă. Fiecare fațetă a rotulei ia contact cu câte un condil femural. Doar cincimea inferioară a rotulei nu se află în contact cu condilii femurali. În flexie extremă ,gamba se află pe același ax cu coapsa.

1.3.3. Structura articulațiilor; cartilajele articulare și ligamente aferente genunchiului

Genunchiul reprezintă joncțiunea a trei oase și, prin urmare, este compus din trei articulații:

articulația femuro-rotuliană, articulație de tip trohlean;

două articulații femuro-tibiale, articulații condiliene prevăzute cu meniscuri.

Continuitatea suprafețelor articulare face ca cele trei articulații să fie reunite, în ultimă instanță, într-una singură: extremitatea distală a femurului ia contact cu patela, iar pe de altă parte cu suprafețele glenoide ale platoului tibial.

Suprafețele articulare ale oaselor au forme diferite: sferică, eliptică, clindrică, plană.

Suprafețele osoase sunt acoperite de cartilajele articulare de grosimi diferite, între 0.5 și 6 mm, în funcție de presiunile pe care le suportă. Învelișul cartilaginos al suprafețelor articulare ale condililor tibiali atinge o grosime de 4 – 5 mm .Cartilajul articular este mai gros la nivelul spinelor tibiale și se subțiază înspre periferia condililor. Cartilajele articulare sunt foarte elastice. Au rolul de tampon și de protejare a suprafețelor articulare față de efectele șocurilor la care sunt supuse în mod curent oasele articulației în timpul activităților. Cartilajele sunt foarte netede, pentru a reduce cât mai mult frecarea și a facilita mișcările articulare.

Nu există o corespondență perfectă între suprafețele condililor femurali și suprafețelor omonime ale condililor tibiali. Suprafața articulară a condilului femural intern fiind mai mare, parcursul său pe suprafața condilului tibial omonim în timpul unei mișcări de flexie este cu aproximativ 2 cm mai lung decât al condilului extern.

Mișcările de flexie și de extensie se fac prin rularea și alunecarea simultană a suprafețelor articulare, una asupra celeilalte. Condilii femurali fiind ușor divergenți, articulația este mai largă în porțiunea sa posterioară decât în cea anterioară, fapt ce imprimă unele particularități deplasării lor. Pe parcursul mișcărilor de flexie și de extensie, suprafețele articulare ale femurului și ale tibiei intră în contact în puncte diferite. Punctele de contact sunt mai îndepărtate pe suprafața condililor femurali decât pe condilii tibiali. Mișcarea urmează o curbă în spirală, a cărei rază de curbură se micșorează progresiv dinspre anterior spre posterior, de la valori de 55 mm până la 17 mm.

Fibrocartilajele intrarticulare sau meniscurile sunt structuri fibroase, situate în interiorul articulațiilor. Măresc suprafața articulară și permit o adaptare perfectă a suprafețelor osoase, iar prin structura lor elastică au rolul de amortizor, protejând cartilajul.

Genunchiul dispune de două meniscuri, intern și extern, de formă semilunară, ce se inserează prin marginile lor pe capsula articulară. Prin cele două extremități (cornuri), meniscurile aderă puternic la suprafețele corespunzătoare ale condililor tibiali.

Marginile laterale ale meniscurilor cu care acestea aderă la capsula articulară prezintă o grosime de 6 – 8 mm. Grosimea lor scade treptat înspre interiorul articulațiilor. Meniscurile prezintă maleabilitate, suplețe și mobilitate, modificându-și permanent forma în timpul mișcărilor executate în articulație.

Ligamentele articulației sau mijloacele de unire sunt formațiuni fibroase, foarte rezistente, inextensibile, ce asigură contactul permanent, perfect, al suprafețelor articulare.

Capsula articulară (capsula fibroasă) unește oasele artriculare, formând un veritabil manșon articular. Capsula articulară a genunchiului are o structură complicată și este totodată incompletă. Prezintă porțiuni îngroșate ligamentare și porțiuni subțiri, alcătuite dintr-un număr redus de fibre conjunctive. Există și porțiuni ale capsulei înlocuite prin expansiuni puternice ale unor tendoane, aparținând mușchilor ce asigură mobilitatea articulației, iar anterior, prin rotulă.

Principalele structuri ligamentare ale capsulei articulației genunchiului sunt:

– tendonul rotulian (ligamentul anterior), care este de fapt puternicul tendon al mușchiului cvadriceps, mușchiul extensor al gambei. Tendonul rotulian se inseră pe muchia proximală a rotulei și se continuă distal de la marginea inferioară a acesteia, până la inserția lui tibială.

– ligamentele laterale, extern și intern. Ligamentul extern se inseră proximal pe condilul femural extern, iar distal pe apofiza stiloidă a osului peroneu. Ligamentul lateral intern se inseră pe condilul femural intern, iar distal pe tibie. Ligamentele dublează în exterior capsula fibroasă articulară.

Ligamentul posterior este o structură fibroasă, inegală din punct de vedere al rezistenței, ce acoperă proeminențele condiliene ale celor două oase articulare.

În porțiunea sa anterioară, capsula articulației genunchiului este întărită de alte câteva structuri fibroase aponevrotice, de expansiuni fibroase ale unor mușchi ai coapsei și de aripioarele rotuliene

În interiorul articulației genunchiului există două ligamente încrucișate care se intersectează în traiectul lor, cum arată de altfel însăși denumirea care le-a fost atribuită. Sunt structuri ligamentare scurte, groase, extrem de puternice. Se inseră proximal în șanțul intercondilian femural, fiecare pe câte un condil, iar distal în spațiul intercondilian tibial.Ligamentele încrucișate contribuie la asigurarea stabilității articulare.

Mijloacele de „alunecare” sunt reprezentate de membranele sinoviale și de lichidul sinovial. Sinovialele sunt membrane subțiri, netede și lucioase, ce tapisează în interior capsula articulară la care aderă intim, fără să acopere cele două meniscuri. Secretă lichidul sinovial (sinovia), de culoare gălbuie, vâscos, unsuros. Lichidul sinovial conține acid hialuronic, un polimer dizaharidic a cărui concentrație este de 3 – 4mg / ml și lubricină, o glicoproteină polidispersă. Acidul hialuronic crește vâscozitatea și elasticitatea cartilajelor articulare realizând totodată lubrifierea suprafeței acestora. Lubricina este, în mod particular, responsabilă de lubrifierea menită să reducă frecarea

Din punct de vedere mecanic, principalele roluri ale lichidului sinovial sunt:

reducerea frecării articulare;

absorbția efectului de șoc.

Lichidul sinovial își crește vâscozitatea în momentul în care survine un eventual șoc mecanic.

1.4. Aspecte privind dinamica și cinematica articulară

1.4.1. Elemente ale mecanicii articulare

Sunt descrise mai multe tipuri de articulații mobile (diartroze), în funcție de mișcările pe care le permit. Genunchiul face parte din categoria trohleartrozelor (articulațiilor trohleene), cu un singur grad de libertate a mișcărilor, asemenea celor pe care le permite o balama.

Pe suprafețele celor doi condili femurali a căror formă este asemănătoare unui scripete (trohlea în limba latină), alunecă suprafețele articulare ale tibiei. Gamba execută în articulația genunchiului, în principal, mișcări de flexie – extensie, în planul antero – posterior (sagital).

În cursul mișcării de flexie, unghiul dintre coapsă și gambă se micșorează progresiv, reducerea unghiului fiind limitată la un moment dat de către părțile moi. În extensie, prin îndreptarea gambei de coapsă unghiul tinde să se apropie de 180ș. Mișcările au loc în jurul unui ax ce trece prin condilii femurali, perpendicular pe planul de flexie – extensie.

Pe lângă mișcările de flexie și de extensie, articulația genunchiului permite efectuarea unor mișcări limitate de rotație. Rotația internă este mai amplă de 30ș- 40°, iar cea externă mult mai redusă, de cel mult 10°. Datorită asimetriei extremităților osoase articulare, survin rotații automate a genunchiului: în flexie gamba execută automat o mișcare de rotație internă, iar în extensie, o rotație externă. Poziția funcțională a articulației genunchiului (în poziția verticală a corpului uman) este cu gamba în extensie. Dacă genunchiul se află în extensie completă, mișcările de rotație nu sunt posibile, ligamentele aflându-se în tensiune maximă.

Dacă este depășită limita de rezistență la întindere, ligamentele se rup sau sunt smulse din inserțiile lor. Articulația genunchiului nu permite mișcările de lateralitate, acestea presupunând punerea în foarte mare tensiune a ligamentelor laterale și încrucișate, alungirea și lezarea lor.

Amplitudinea mișcărilor, apreciată prin mărimea unghiului pe care gamba îl formează cu coapsa, este:

– în cazul flexiei, de până la 140° – 150°;

– în extensie, în ortostatism (în picioare) unghiul gambei cu coapsa este în mod normal de 0°; superextensia apare doar în cazul laxității ligamentare;

– în cazul rotației interne și externe, de până la 30°. în condițiile unei semi-flexii de a genunchiului, amplitudinea rotației poate atinge 70 °- 80ș.

1.4.2. Aspecte privind stabilitatea articulară

S-a menționat mai sus că articulația genunchiului nu se comportă întru totul asemenea unei balamale, genunchiul permițând efectuarea, pe lângă mișcările de flexie și de extensie proprii unei articulații trohleene și a unor mișcări limitate de rotație.

Protezele de genunchi, chiar și cele moderne, limitează parțial mișcările pe care în mod normal le execută o articulație sănătoasă. Totuși, posibilitatea realizării unei extensii de până la 0° este foarte importantă, pentru a se asigura funcția articulară normală a genunchiului în timpul mersului. Flexia însă, în activitățile cotidiene curente, nu este necesar să depășească 95°.

Genunchiul protezat trebuie să permită, teoretic, efectuarea fără restricții a tuturor mișcărilor posibile într-o articulație normală. În același timp, proteza trebuie să confere stabilitate perfectă corpului.

Protezarea presupune înlocuirea suprafețelor articulare degradate cu două sau trei piese din metal și polietilenă. Stabilitatea genunchiului protezat este asigurată la fel ca pentru o articulație “normală” de către ligamente, mușchi și capsula articulară.

1.4.3. Condiții biologice umane care conduc la protezare

Artroza genunchiului reprezintă principala indicație a protezării genunchiului. Artroza genunchiului (AG), gonartroza sau osteoartrita genunchiului a devenit în ultimele decenii o problemă importantă de sănătate în întreaga lume, datorită frecvenței mari cu care survine chiar de la vârsta de 40 – 45 de ani și a creșterii continue a speranței de viață.

Odată cu înaintarea în vârstă apar modificări articulare involutive, inerente: decalcifierea osoasă, atrofia musculaturii periarticulare și uzura cartilajelor. Există o pre-dispoziție ereditară iar obezitatea reprezintă un factor favorizant al artrozei .

În societatea de azi, oamenii sunt tot mai predispuși traumatismelor genunchilor, în special prin accidente rutiere sau datorate sporturilor. Chiar dacă pentru moment, sistemul osteo-articular nu este grav compromis, printr-o vindecare vicioasă el este fragilizat și expus în timp instalării artrozei.

În prezent, artroza genunchiului afectează 25 – 30% din persoanele cu vârste între 45 și 64 de ani, și aproximativ 60% dintre persoanele de peste 65 de ani.

Stadiul IV al AG, stadiu invalidant, se caracterizează prin durere severă chiar în repaus, deformări, instabilitate articulară. Spațiu articular este mult redus, apare scleroza osoasă în zona de sprijin, osul subcondral este dezgolit pe zone întinse. În acest stadiu, artroplastia genunchiului reprezintă soluția finală de tratament.

Pe lângă leziunile artrozice avansate, protezarea genunchiului are și alte indicații cum sunt poliartrita reumatoidă sau distrucțiile articulare traumatice .

În aceste condiții, cererile pentru înlocuirea articulațiilor continuă să crească exponențial. De exemplu, in Franța, se aplică aproximativ 40.000 de proteze de genunchi anual. În SUA cifra anuală de implanturi de proteze de genunchi ajunsese la 277.000 (la nivelul anului 1997). Creșterea anuală a numărului de protezați este, în medie, de 10%.

În consecință, industria implantelor articulare reprezintă un context economic important. În Franța, 80.000 de proteze de șold, alături de cele 40.000 de proteze de genunchi implantate in fiecare an, constituie o piață de 500 de milioane de euro, piața mondiala fiind de opt ori superioară. In ciuda numeroaselor eforturi pentru a dezvolta materiale noi, destinate confecționării implantelor articulare, durata de viață in vivo a protezelor este adesea foarte dezamăgitoare, în raport cu extrapolările rezultate în urma simulărilor ex vivo. De asemenea, la nivel mondial, în jur de 10% din numărul total al pacienților supuși intervențiilor de artroplastie necesită o operație de revizie, în cursul primilor doi ani de la implantare.

1.4.4. Aspecte chirurgicale și medicale ale implanturilor protetice

Maladiile inflamatorii cronice și degenerative ale articulațiilor sunt in mare parte favorizate de îmbătrânire și/sau de traumatisme. Evoluția artrozelor determină uzarea progresivă a cartilajelor, ce se traduce prin handicap funcțional sever și durere. In momentul actual, nici un tratament nu permite reparația țesutului cartilaginos, singura soluție reprezentând-o înlocuirea lui prin implant articular

Intervenția chirurgicală care își propune să restabilească mobilitatea articulației realizând un nou spațiu articular este artroplastia.

– Artroplastia simplă constă in suprimarea articulației bolnave, fără a o înlocui cu o proteză. Este utilizată rar și doar la degetele picoarelor.

– Artroplastia complexă presupune înlocuirea parțială sau totală a articulației bolnave cu o proteză .

Fig. 1.4 Artroplastii și osteosinteze ce implică diverse componente ale scheletului uman

1) Artroplastie a articulației degetului mare de la picior (halucelui) cu osul metatarsian; 2) Artroplastie a gleznei – a articulației tibio-tarsiene; 3) Osteosinteza osului peroneu cu broșă centromedulară sau cu placă; 4) Artroplastia genunchiului; 5) Artroplastia șoldului – a articulației coxo-femurale; 6) Artroplastia discului intervertebral lombar cu disc artificial, ertebroplastie prin injectare de ciment poliacrilic; 7) Osteosinteză cu placă în fracturi costale; 8) Artroplastie a umărului; 9)  Artroplastie a genunchiului; 10) Artroplastie a articulației pumnului; 11) Artroplastie a articulațiilor interfalangiene – a degetelor mâinii; 12) Implanturi dentare; 13) Osteosinteze cranio-maxilo-faciale.

Proteza de genunchi reprezintă un implant articular intern, care înlocuiește suprafețele articulare compromise, având drept scop asigurarea unui sprijin stabil, posibilitatea realizării mișcărilor de flexie și de extensie și a unor condiții bune de mers.

Progresele realizate permit ca, în prezent, protezarea genunchiului să presupună înlocuirea doar a cartilajelor degradate. Structurile osoase și ligamentare articulare sunt conservate cât mai mult posibil. Atitudinea conservatoare a devenit posibilă odată cu imaginarea unor noi forme și tipuri de proteze, a perfecționării instrumentarului chirurgical și a tehnicilor operatorii.

Opțiunea pentru proteza cea mai adecvată unui pacient va ține seama de particularitățile articulației genunchiului său și de leziunile artrozice pe care le prezintă.

1.4.5. Principalele proprietăți fizice ale componentelor articulațiilor, care asigură buna funcționalitate articulară

Din punct de vedere anatomic o articulație este formată din totalitatea elementelor care realizează unirea a două sau mai multe oase. Articulațiile prezintă suprafețe osoase, părți moi interosoase și părți moi adiacente oaselor articulare.

1.4.5.1. Osul

Osul face parte din categoria țesuturilor conjunctive. Țesutul conjunctiv este alcătuit dintr-o substanță fundamentală cu aspect gelatinos, în care se află celule și fibre. Fibrele conferă țesutului conjunctiv rezistență și elasticitate. Există două tipuri de fibre, de colagen (proteină fibroasă insolubilă, preponderentă în derm, tendoane, oase) și de reticulină sau elastină.

Osul cortical este constituit din hidroxiapatită, colagen, apă, diverse alte materiale organice necolagenice și anorganice. Colagenul reprezintă aproximativ 50% din greutatea țesutului osos, restul materialelor organice fiind reprezentate de proteoglicani și material celular. Cu cât osul este mai mineralizat, cu atât conține mai puțin material organic. În starea de hidratare totală, apa reprezintă 60% – 80% din greutatea țesutului osos.

Compoziția osului cortical brut

Tabelul 1.1

Proprietățile mecanice ale osului cortical sunt funcție de:

a) Tratamentul aplicat epruvetelor. Prin uscare și din nou udare, survin mici modificări , cum se întâmplă în cazul fixării in formol. Testarea osului uscat conferă rezultate diferite față furnizate de osul ud. Osul uscat este mai rigid, mai puternic și mai fragil. Valorile rigidității și ale rezistenței sunt mai reduse pe probele mici.

b) Vârsta și sănătatea diferite ale donorilor. Vârsta poate afecta proprietățile intrinseci. Osul osteoporotic al bătrânilor poate diferi de osul normal și în alte moduri decât prin prezența porozităților. Colagenul diferă la “subiecții” de aceeași vârsta și în absența osului osteoporotic.

c) Diferențele între diversele oase și porțiunile diferite ale aceluiaș os. Structura și proprietățile oaselor lungi diferă de-a lungul și în jurul circumferinței lor. Femurul distal este mai puțin mineralizat și mai puțin rezistent sub incărcare de tracțiune și compresiune statică. Porțiunea posterioară a femurului este, de asemenea, mai puțin mineralizată și mai slabă, la oricare nivel al lui.

1.4.5.2. Cartilajul articular

Suprafețele articulare sunt acoperite cu un cartilaj articular hialin, care se mulează perfect pe osul subiacent. Cartilajul hialin este alb-sidefiu, foarte lucios, nu are vase sanguine și se hrănește din lichidul sinovial. Numărul redus de fibre colagene din substanța fundamentală a cartilajului hialin îl face să fie puțin rezistent la factorii mecanici de încovoiere (îndoire). Se fisurează destul de frecvent și se vindecă foarte greu. Calitatea funcțională principală a cartilajului hialin o constituie rezistența la presiune: cu cât este mai mare presiunea, cu atât în zona respectivă cartilajul este mai gros. Celulele cartilaginoase sunt dispuse în șiruri, formând ”resorturi microscopice”, care-l cresc rezistent la presiune.

Cartilajul articular este un țesut cu proprietăți mecanice și tribologice excepționale. În aticulațiile mobile, cartilajul hialin formează veritabile suprafețele de rulare. Din punct de vedere mecanic, cartilajul articular normal intact se comportă ca un solid vâscoelastic linear. Acest comportament este rezultatul mișcării vâscoase a fluidului prin țesut, în concordanță cu proprietățile intriseci ale matricei extracelulare.

Proprietățile mecanice ale cartilajului articular

Testele de compresiune limitată sau nelimitată folosesc epruvete de țesut cilindrice, de la baza osului, diferind deci de condițiile reale. Proprietățile de rezistența la tracțiune pentru cartilajul articular uman au fost determinate pe epruvete din suprafețele de cartilaj, tăiate standard. Testele sunt puternic influențate de concentrația volumică a colagenului și de orientarea fibrelor lui, nefiind influențate de conținutul de proteoglicani. Conținutul procentual volumic de colagen și orientarea acestuia sunt mai mari in straturile de suprafață și mai mici, în straturile profunde ale cartilajului (Tabelul 1.2).

Proprietățile cartilajului articular solicitat la tracțiuni

Tabelul 1.2

Comportamentul la forfecare al cartilajului articular

Studiile de forfecare dinamică și de rezistență, pe epruvetele de cartilaj dreptun-ghiulare au fost efectuate pe țesut animal, datorită dificultăților de realizare a epruvetelor pe cartilajul uman. La valori mici ale tensiunilor de forfecare, proprietățile cartilajului articular sunt independente de fenomenul de curgere. Curgerea fluidului fiind neglijabilă, comportamentul vâscoelastic poate fi atribuit matricii extracelulare de colagen / proteoglican (Tabelul 1.3).

Proprietățile cartilajului articular solicitat la forfecare

Tabelul 1.3

Coeficientul lui Poisson

Coeficientul lui Poisson a fost calculat direct, prin teste de tracțiune (s-a obținut valoarea: ν = 0.37-0.5) și indirect, prin prelucrarea datelor obținute in urma forfecării la torsiune și compresiune, limitate de cedarea țesutului (ν = 0.37-0.47).

Permeabilitatea și proprietățile tribologice ale cartilajului articular

Matricea solidă, poroasă, a cartilajului articular permite mișcarea interstițială a apei ca răspuns la gradientul de presiune, conferind cartilajului caracterul vâscoelastic. Cartilajul articular sănătos prezintă proprietăți tribologice remarcabile. În condiții de încărcare mare, coeficienții de frecare sunt foarte mici, iar uzura practic nulă. Atât filmul fluid, cât și regimul de ungere joacă un rol principal în lubrificația articulației, iar importanța unuia sau a celuilalt depinde de încărcare și de condițiile de viteza. Cartilajul fiind un material vascoelastic relativ moale, se poate considera că există o ungere hidrodinamică.

1.4.5.3. Ligamentele, tendoanele și fasciile

Toate trei sunt țesuturi moi, compuse in principal din fibre de colagen. Fibrele sunt organizate în ligamente și tendoane sub formă de pachete, orientate aproape paralel, pentru a transmite forțele de tracțiune între două oase (ligamentele), sau între mușchi și os (tendoanele).

În tendoane, pachetele de fibre sunt orientate de-a lungul axei lor lungi. Și în ligamente, care sunt mai scurte ca tendoanele, pachetele sunt organizate în lungul axei, excepție făcând îndoirile și întorsurile la locurile de inserție pe os (ex. ligamentul anterior încrucișat al genunchiului).

Fasciile sunt foițe cu o structură conjunctivă, ce acoperă mușchii sau alte regiuni anatomice, inclusiv articulațiile. Prin testele de tracțiune, se stabilește o curbă incărcare- deformație, ce reprezintă de fapt proprietățile structurale ale complexului os – ligament – os (sau mușchi – tendon – os).

Tendoanele și ligamentele sunt adesea testate ca un complex de tip os – ligament – os și mușchi – tendon – os, pentru înlesnirea prinderii. Valorile incărcării maxime, ale rigidității și ale alungirii, reprezintă proprietățile medii ale compozitului și sunt variabile. Depind de comportamentul materialului, a osului în speță, de mărimea, forma și orientarea specimenului testat.

Datorită geometriei complexe a ligamentelor, tendoanelor și fasciilor, încărcarea uniformă a unui specimen în timpul unui test de tracțiune nu poate fi intodeauna posibilă.

1.5. Modalități de protezare a genunchiului, generalități, tipuri de proteze

1.5.1. Clasificarea protezelor de genunchi

Proteza trebuie să reproducă de o manieră cât mai reală acțiunea articulației pe care o înlocuiește (ca biomecanism și ergonomie) și să fie cât mai bine tolerată de către organism. Pentru a îndeplini aceste deziderate, au fost imaginate foarte multe tipuri de proteze ale genunchiului. Dintre tipurile utilizate în prezent menționăm:

1. Proteze care înlocuiesc parțial sau în totalitate articulația:

– parțial, proteze parțiale (uni- și bicompartimentale);

– în totalitate, proteze complete (proteze tricompartimentale), cele mai utilizate în momentul de față .

2. Proteze care conservă într-o măsură mai mare sau mai mică ligamentele incrucișate:

– protezele superstabilizate “in balama”;

– care nu conservă ligamentele incrucișate ;

3. Proteze fixate sau nu la os: :

– proteze cimentate ;

– proteze necimentate.

Fixarea se face cu ajutorul unui ciment, un polimer – metacrilatul de metil. Dacă proteza nu se cimentează, pe osul respectiv se aplică plasma – titan (Porous plasma spray) și hidroxiapatită în strat subțire. Unii ortopezi recurg la o tehnică “hibrid”, ce presupune cimentarea doar a componentei tibiale nu și a celei femurale.

4. După gradul de mobilitate a pieselor componente:

– proteze cu platou tibial fix ;

– proteze cu platou tibial mobil.

În cazul protezelor ”fixe”, componenta tibială este prevăzută cu o tijă dispusă pe suprafața ce se aplică pe os, în care va fi înfiptă în momentul inserției.

5. După numărul axelor de mișcare:

– proteze cu un singur ax de miscare (proteza “in balama”);

– proteze cu două axe de miscare (indicate în artrozele cu diformități severe și deficiențe mari ale sistemului ligamentar);

– proteze cu trei axe de mișcare (cele mai utilizate în prezent).

1.5.2. Protezele unicompartimentale sau protezele parțiale

Conceptul de proteză unicompartimentală de genunchi este introdus doar din anii '80. Proteza poate fi aplicată la nivelul compartimentului intern, sau la nivelul celui extern. Hemiplatoul tibial este inlocuit cu material plastic – polietilenă rezistentă la frecare, iar pe condilul femural corespondent se aplică fără nici o rezecție osoasă, o piesă din metal care reproduce forma anatomică a condilului femural.

Protezele unicompartimentale sunt utilizate din ce în ce mai frecvent, datorită rezultatelor clinice și funcționale foarte bune și a duratei de viață crescute. Recurgerea pe scară tot mai largă la protezările parțiale a devenit posibilă prin diagnosticarea precoce a artozelor, înainte ca leziunile să se fi extins la întreaga articulație. Ameliorările succesive aduse tehnicilor chirurgicale, reducerea costului protezelor și larga informare a pacienților au contribuit la extinderea aroplastiilor genunchiului cu proteze unicompartimentale.

Conceptul de proteză unicompartimentală a stat la baza dezvoltării protezelor femuro-patelare. Trohleea (portiunea dintre condilii femurali) este inlocuită cu o piesă metalică care îi reproduce forma, iar pe fața posterioară a rotulei se aplică un “buton” de polietilenă, destinat să preia funcția cartilajului uzat.

Protezele parțiale unicompartimentale sunt prin urmare destinate să înlocuiască suprafețele articulare doar ale unuia din compartimentele articulației genunchiului: femurotibial intern (cel mai adesea), femuro-tibial extern sau femuropatelar. Protezele parțiale bicompartimentale înlocuiesc două din cele trei compartimente.

Protezele parțiale sunt alcătuite din trei părți componente:

– partea femurală metalică, ce urmează să fie cimentată sau nu;

– partea intermediară de polietilenă;

– un “platou” fixat la nivelul tibiei pe care se sprijină piesa de polietilenă.

Protezele parțiale conferă un confort deosebit la mers, asigură o mobilitate articulară de mare amplitudine și determină dispariția completă a durerilor.

Inserția protezelor parțiale presupune întrunirea următoarelor condiții:

– artroza să fi afectat doar un singur compartiment al articulației genunchiului și să nu existe riscul evoluției artrozei înspre compartimentului sănătos;

– ligamentele incrucișate să nu fi suferit deteriorări artrozice sau traumatice;

– să nu existe deformări și devieri axiale (varum, valgus), iar dacă sunt totuși prezente să fie mici și perfect corectabile chirurgical.

Eșecul instituirii protezelor parțiale rezidă din neîntrunirea dezideratelor de mai sus. Dacă artroza va avansa și în compartimentul neprotezat, va fi necesară reintervenția chirugicală pentru completarea protezării.

Deformările importante nu permit protezei să funcționeze în condiții mecanice favorabile și din acest motiv proteza se va uza prematur. În condițiile lipsei integrității ligamentelor incrucișate proteza va functiona defectuos, se va uza rapid sau se va luxa.

Fig. 1.5 Proteză unicompartimentală femurotibială internă (schemă)

1.5.3. Protezele totale

Protezele totale (tricompartimentale) sunt în prezent protezele de genunchi cele mai frecvent utilizate. Acest tip de proteze au fost concepute după studii aprofundate ale fiziologiei genunchiului, și în mod particular, ale fenomenelor de rulare, alunecare și rotație tibială în timpul mișcărilor articulare de flexie – extensie.

Tipurile vechi proteze, cu un singur grad de libertate (protezele “in balama”) au fost abandonate în favoarea protezelor totale care respectă sistemele ligamentare ale genunchiului și care necesită rezecții osoase minime.

Protezele totale sunt formate din două componente distincte:

– componenta tibială confecționată parțial sau în totalitate din polietilenă cu greutate moleculară mare.

– componenta condiliană femurală metalică realizată din cobalt, crom, titan, vanadiu sau aliaje. Piesa femurală include adeseori și o trohlee metalică ce se articulează cu rotula, prin sau fără intermediul unui buton de polietilenă.

Protezele au dimensiuni diferite, ortopedul putând opta pentru mărimea adecvată anatomiei genunchiului pacientului respectiv.Spre deosebire de protezele unicompartimentale, protezele totale sunt indicate în orice afectiune artrozică a genunchiului, indiferent dacă afectează unul, două, sau toate cele trei compartimente ale articulației.

Protezele totale pot fi utilizate chiar dacă ligamentele incrucisate sunt afectate și chiar dacă pacientul prezintă deformări artrozice sau diformități (varus, valgum) congenitale preexistente artrozei.

Unele proteze conservă ambele ligamente incrucisate, altele doar ligamentul încrucișat posterior sau nici unul. În această ultimă eventualitate, proteza prin forma componentelor ei este cea care compensează stabilitatea articulației (protezele posterostabilizate).

Cimentarea permite montarea protezei indiferent de starea osului. Se consideră totuși că în timp, prin liberarea de particule, cimentul ar scădea durata de viață a protezei. Pentru fixarea fără cimentare, interfața aflată în contact cu osul este ușor rugoasă. Micile denivelări ale suprafeței protezei favorizează în timp, fixarea biologică directă a protezei la os.

Fig. 1.6 Proteza totala (schemă)

Fig. 1.8 Tehnică operatorie

Aspecte functionale comparative ale protezelor totale și parțiale

Tabelul 1.4

1.5.4. Durabilitatea sau durata de viață a protezelor de genunchi

În prezent se estimează ca durata medie de “viață” a protezelor de genunchi (anduranța) este de circa 12 ani. Respectarea cu strictețe a indicațiilor și a condițiilor de inserție a protezei, cât și asigurarea acurateței tehnice chirurgicale conferă o durată de “viață” semnificativ crescută. La pacienții de 60 – 65 de ani, care depun o activitate fizică adecvată vârstei lor, durata de viață a protezelor de genunchi este cuprinsă în medie între 16 și 20 de ani.

Prevenirea uzurii protezelor de genunchi presupune îndeplinirea mai multor deziderate:

– a). Realizarea unor congruențe cât mai bune între componentele protezei, în toate cele trei planuri în care au loc mișcările articulare. Congruența scade presiunea statică și prin aceasta reduce uzura polietilenei. Pentru adaptarea la diferențele de rotație în plan orizontal existente între componenta femurală și componenta tibială, și pentru asigurarea mișcărilor de rotație a componentei polietilenice, s-a recurs la utilizarea de platouri mobile.

– b) Calitatea polietilenei este esențială pentru a preveni uzura protezei. Polietilena cu greutate moleculară foarte mare (Ultra High Molecular Weight Polyethylen: UHMW) prezintă o uzură mai redusă comparativ cu polietilena industrială [68].

– c). Cimentarea protezelor poate influența durata lor de viață.

Orice proteză trebuie să răspundă și altor cerințe, legate de uzura sa în timp, care să-i confere o durată lungă de viață (anduranța).Trebuie avută în vedere degradarea chimică prin coroziune, factor important, ce poate determina ieșirea prematură din uz a unei proteze.

Fenomenul de fretting duce la uzură prin acumularea unor produși rezultați prin frecare la nivelul suprafețelor de contact. Pot să se formeze granuloame de corp străin, în urma răspândirii produșilor de degradare a materialelor din care este confecționată proteza, în proximitatea implantului. Granuloamele, prin fenomenul de osteoliză periprotetică duc la resorbția osului pe care au fost fixate componentele protetice. Survine o fragilizare a ancorajului și în timp, necesitatea înlocuirii protezei.

1.5.4.1. Rezultatele funcționale ale protezării genunchiului

Modelele de proteze totale și unicompartimentale utilizate în prezent de marea majoritate a ortopezilor se montează de peste 20 de ani. Prin urmare s-a acumulat o suficientă experiență, ce relevă că rezultatele funcționale ale protezelor de genunchi depășesc pe cele conferite de protezele de șold, ce sunt utilizate de mult mai mult timp .

Rezultatele funcționale excelente sunt înregistrate în 90% din cazuri. Durerea dispare complet în 60% din cazuri. La 30% din pacienți persistă însă, este episodică, moderată, în relație cu modificările meteorologice și nu necesită tratament antalgic. Doar 10% din pacienți, la care persistă durerile deși proteza este corect implantată, este necesară administrarea de analgezice uzuale.

Protezele de genunchi permit o flexie bună a genunchiului, în cazul protezelor unicompartimentale în medie de 1200 și chiar mai mult.

CAPITOLUL 2 – ASPECTE ȘI MODALITĂȚI DE PRELUCRARE /

REALIZARE

2.1. Materiale propuse și biocompatibilitatea acestora

2.1.1. Generalități

Materialele utilizate pentru confecționarea implanturilor de genunchi trebuie să indeplineascã condiții de rezistență superioarã și de biocompatibilitate. Trebuie să combine rezistența mecanicã mare cu rezistența la coroziune, frecarea mică și uzura, cu biocompatibilitatea țesut / metal.

Biomaterialele sunt materiale sintetice utilizate pentru înlocuirea unei părți din corpul uman, sau pentru realizarea unei funcțiuni a corpului uman, intrând în contactul direct cu țesuturile vii.

O serie de metale și aliaje dispun în proporții mai mari sau mai mici de calitățile impuse de utilizarea în confecționarea de proteze ortopedice. Rezultatele în timp, au relevant pentru diferitele materiale folosite și diferitele tipuri de proteze articulare, defecțiuni și impedimente în utilizarea lor în implantologia umană în general, și în ceea ce privește articulațiile mari ale piciorului în special. Au apărut după montarea implantelor deficiențe în funcționarea neoarticulației, compromiterea protezelor printr-o rezistență mecanică mică, fenomene de respingere prin insuficientă biocompatibilitate, iar la modul general, durată de viață limitată.

Au existat și există din motivele enumerate preocupări continue de a se obține materiale și modele de proteze care să răspundă cât mai bine cerințelor pe care le implică realizarea de proteze, alături pe preocupările de ameliorare a tehnicilor chirurgicale. Pe parcursul ultimelor decenii au fost obținute progrese importante în realizarea de biomateriale, noi metale și noi aliaje metalice, de ceramici, polietilene cu greutate moleculară foarte mare.

Principalele proprietăți pe care trebuie să le îndeplinească biomaterialele

Biomaterialele utilizate în implantologia umană trebuie să prezinte o serie de proprietăți și să îndeplinească o serie de condiții obligatorii:

Proprietăți mecanice – biomaterialele să poată fi supuse fără la forțe de întindere, compresiune, forfecare, inconvoiere sau la o combinare între aceste forțe și care provoca deformarea materialelor. Aplicații ale materialelor vascoelastice sunt întâlnite în cazul protezelor vasculare sau a implanturilor polietilenice din protezele totale articulare;

Proprietăți termice – temperaturile de topire si de solidificare sunt cei mai importanți parametrii din punct de vedere termic; Temperaturile de transformare fazică depind de energia legăturilor interatomice, de exemplu: cu cât este mai mare forța de legătură, cu atât mai va fi mare temperatura de topire;

Proprietăți electrice – polimerii și ceramicele sunt buni izolatori electrici. Prezintă prin urmare o rezistivitate electrică foarte mare;

Proprietăți optice – materialele transparente se utilizează ca biomateriale în oftalmologie pentru realizarea lentilelor de contact sau lentilelor intraoculare. Pentru lentilele intraoculare se utilizează PMMA;

Proprietăți de suprafață – se caracterizează prin tensiunea superficială care apare la limita interfazică, unde aranjamentul atomic de echilibru este dispus printr-un exces de energie, sau prin proprietatea de a atrage atomi din materie diferite. Cea mai mică tensiune superficială a unui lichid în contact cu suprafața unui material solid, cu unghiul de contact mai mare de zero se numește tensiune superficială critică;

Proprietăți de difuzie – sunt importante in aplicațiile medicale, transportul biologic al unor ioni putându-se afla la originea unor interacțiuni nedorite cu țesuturile organismului.

Biocompatibilitatea materialelor și a aliajelor utilizate în construcția protezelor de genunchi

Articulațiile sinoviale umane din care fac parte și șoldul, genunchiul sau umărul sunt structuri complexe,ce includ componente delicate, capabile sã funcționeze și în condiții critice. Performanța este asigurată prin combinația optimă realizată de cartilajul articular, de rezistența sub presiune a țesutului osos diafizar și de lichidului sinovial, fluid nutritiv secretat în cavitatea articularã (fig. 2.9).

Fig. 2.1 Reprezentarea articulației genunchiul sub sarcinã

Articulațiile umane pot să prezinte boli degenerative și inflamatorii dureroase, care le compromit mobilitatea. Osteoartrita primarã și secundarã, atrita reumatoidă (cu inflamarea membranelor sinoviale), sau condromalacia (ramoliția cartilajului articular) determină procese degenerative, care alături de imbãtrânirea normală a cartilajului articular afectează funcționalitatea articulațiilor sinoviale. 90% din populația în vârstă peste 40 de ani suferã de o formă degenerativã a bolii articulare.

Degenerescența articulațiilor ce suportã greutãți importante cum este genunchiul, necesitã adesea pentru diminuarea durerii și refacerea mobilității articulare, intervenția chirurgicală de protezare. Chirurgia artroscopică, cel mai frecvent utilizatã în cazul genunchilor este o metodă terapeutică eficientã, care permite înlocuirea minim invazivă a suprafețelor articulare compromise. Durerea dispare practic, iar funcția articulară este restabilită.

Uzura protezelor presupune efectuarea unei “operații de revizie”, de înlocuire a vechii proteze. Intervenția este mai dificilã și poate să se soldeze cu leziuni adiționale ale țesuturilor periarticulare. Costurile intervenției și ale îngrijirilor postoperatorii sunt cu pânã la de 3 ori mai, în comparație cu o primă operație de protezare totalã.

Impactul mediului biologic asupra materialelor metalice

Fluidul uman este o soluție salinã (0,9% NaCl), ce conține în condiții normale aminoacizi, proteine, glucoză, ioni ai diverse metale, compuși endogeni mai mult sau mai puțin complecși etc. Principalele forme circulante ale fluidului uman sunt sângele și limfa. Sângele este constituit din elemente celulare – eritocite, leucocite, limfocite, trobocite, macrofage – și din plasmă. PH-ul fluidului biologic normal este de 7.30 – 7.45. pH-ul poate scădea local în inflamații cauzate de infecții, de leziuni tisulare sau de intervenții chirurgicale. Temperatura normalã a corpului este de 37°C, iar presiunea de o atmosferã.

Pentru metale, mediul biologic al corpului uman este extrem de ostil. Principala agresiune o reprezintă coroziunea, datorată în principal ionului clorid din soluțiile clorurosodice și proteinelor din lichidele extracelulare, ce acționează la nivelul structurii cristaline a metalului. Rata coroziunii prezintă un nivel acceptabil doar în cazul metalelor nobile (Au), al unor metale din clasa platinelor și în cazul metalelor pasive (Ti, Cr).

Aliajele titanului sau cromului pot fi utilizate pentru confecționarea de implante, datorită formării pe suprafața lor a filmelor oxidice pasive, care le protejează împotriva coroziunii. Este cazul oxidului de crom din oțelurile inoxidabile și a dioxidului de titan în cazul aliajelor din titan. Stratul molecular absorbit este dependent de stratul de oxid format, care protejeazã materialul de bazã împotriva coroziunii. Presiunea parțialã scazutã a oxigenului tinde să reducă viteza de regenerare a filmului pasiv de oxid de pe suprafața implantelor.

Răspunsul advers al țesuturilor gazdei la particulele generate prin uzurã sau prin oboseala materialelor componente ale protezei reprezintã un mecanism natural de apărare al corpului uman. Particulele de uzurã determină un răspuns inflamator și imunologic. Leucocite, macrofage iar în cazuri severe celulele gigant, se deplaseazã în vecinătatea particulelor de uzurã formate la interfața dintre implant și țesutul – gazdã. Survin reacții biochimice care modifică mediul local – crește aciditatea locală (pH<3), sunt eliberați superoxizi și peroxizi cum ar fi – având menirea de a degrada cât mai rapid implantul.

În ipoteza cã particulele de uzurã nu sunt toxice pot surveni următoarele eventualități:

a). Celulele tind să ”digere” enzimatic particulele strãine. Odată dizolvate adsorbite trec în sânge sau limfă, fiind apoi eliminate prin rinichi sau ficat;

b). Dacă particulele strãine nu pot fi ”digerate”, se va încerca eliminarea lor prin înglobarea în căptușeli fibroase celulare care le izolează de țesuturile gazdei. Solidaritatea dintre implant și țesutul “gazdã” va scădea drastic;

c). În caz că niciunul dintre mecanismele menționate nu funcționeazã, gazda va recurge la un tip special celule – osteoclastele – implicate in procesul de resorbtie osoasă. Osul înconjurător se va demineraliza, ducând la cedarea implantului.

Unele materiale sunt inerte față de țesuturile umane, neavând nici asupra osului vreo influență. Alte materiale sunt bioactive, inducând formarea unui os nou pe suprafața lor – osteogeneza de la interfața cu țesutul inițial lipsit de os. În al treilea rând există materiale ce permit creșterea osului pe suprafața lor, în zona de contact direct os – material component al implantului (proces de osteointegrare).

Un implant va fi osteointegrat dacă îndeplinește câteva condiții:

– este confecționat dintr-un material suficient de biocompatibil;

– designul implantului permite un contact intim imediat cu osul și o bună repartiție a forțelor:

– textura superficială a implantului permite declanșarea de reacții pozitive ale țesuturilor înconjurătoare;

– intervenția chirurgicală nu determină leziuni traumatice ireversibile la nivelul osului și al țesuturilor moi;

– cicatrizarea se realizează în absența oricărei solicitări mecanice.

Suprafețele implanturilor influențează integrarea tisulară. Textura superficială a implanturilor permite declanșarea de reacții pozitive ale țesuturilor. Suprafețele rugoase și texturate acționează ca substraturi naturale, determinând o rată crescută a sintezei colagenului (matricea extracelulară), cu mineralizare consecutivă.

Majoritatea interacțiunilor țesuturi – implant se desfășoară in straturile de suprafațã sau aflate imediat sub implant. Componentele biologice vor alcătui imediat după inserția implantului un strat celular ce va face legătura intre țesutul “gazdã” și biomaterial. În această situație biomaterialul interacționează cu implantul , iar dacã acesta nu este biocompatibil, se produce avalanșa de reacții biochimice menite să îl îndepărteze.

Dacã stratul deformat este rezistent la compresiune cum ar fi cazul unui oțel inoxidabil, probabilitatea inițierii unei rupturi este redusă iar rezistența la obosealã a materialului este ridicatã.

Fig. 2.2 Deformațiile sub sarcina ciclică

2.1.2. Titanul

Titanul este un metal de tranziție, de asemenea, fierului sau a nichelului, având numărul atomic 22. A fost descoperit în 1794 de către William Gregor, iar procedeul industrial de obținere a titanului a fost pus la punct în 1939 de către Kroll.

Este un metal de culoare alb-argintie, rezistent la solicitări mecanice și la coroziune. Se utilizează mai ales sub formă de aliaje, și ele ușoare și rezistente. Titanul este ductil și prezintă o deosebită biocompatibilitate.

Proprietăți fizice de bază

Titanul are o masă volumetrică relativ mică, echivalând doar cu 60% din cea a oțelului. Prezintă o rezistență excepțională la coroziune și la acțiunea fluidului uman, explicată prin formarea pe suprafața sa a unui strat de oxidul de titan, extrem de aderent care îl protejează. Titanul își conservă proprietățile mecanice în condițiile unei game largi de temperaturi, de la 0ș până la 600ș C. Prezintă un coeficient de dilatație de 10,5 x 10­6 K­1, ușor mai mic decât cel al oțelului și cu 50% mai mic decât al aluminiului. Rezistența specifică a titanului (raportul tracțiune / denistate) este mai mare decât al aluminiului sau a oțelului.

Anduranța titanului reprezintă aproximativ 70% din rezistența sa la tracțiune.

Modulul de elasticitate este relativ mic, cuprins între 100.000 și 110.000 Mpa, mai apropiat de cel al oaselor (de 20.000 Mpa), decât cel al oțelului inoxidabil (de 22.000 Mpa).

Biocompatibilitatea

Titanul este unul din metalele cele mai biocompatibile, alături de aur și platină.

Elasticitatea mai apropiată de cea a osului favorizează osteogeneza și remodelajul osos. Osul este obligat să „lucreze”, fiind astfel prevenit fenomenul de osteoporoză din jurul implantului – stress shielding.

Centru internațional de studiu al cancerului (CIRC) a încadrat dioxidul de titanul în clasa de risc 2B, neexistând încă studii suficiente în sensul excluderii sau al susținerii efectului lui cancerigen.

Domenii de utilizare biomedicală

Titanul este utilizat în domeniul medical de peste 3 decenii. În prezent titanul sub formă de aliaje este metalul cel mai utilizat pentru confecționarea de proteze articulare. Se utilizează de asemenea, în stomatologie, în implantologie și în ortodonție, pentru confecționarea de arcuri destinate să corijeze poziția vicioasă a dinților. Ttanul mai este utilizat pentru confecționarea de instrumentar chirurgical. Spre deosebire de oțel este mai ușor, mai rezistent, și datorită biocompatibilității, particulele formate prin uzură nu favorizează infecțiile postoperatorii.

Aserțiunea de „biocompatibilitate perfectă „a titanului este pusă totuși în dubiu pe baza unor constatări. Au fost comunicate cazuri de osteoliză aseptică, soldate cu compromiterea protezei articulare din titan. În proporție de aproximativ 4% există și persoane care pot prezenta reacții alergice la titan.

2.1.3. Materialele ceramice

Ceramicele sunt materiale în compoziția cărora intră materialele metalice și nemetalice, legate prin legături ionice sau covalente.

Legăturile ionice sau covalente fac din ceramică un material cu o duritate mare dar cu fragilitate ridicată. Prezintă o sensibilitate particulară, prin apariția a fisurilor sau altor defecte. Legăturile ionice covalente ale materialelor ceramice au o mare influență asupra comportamentului chimic al acestora. Ceramicele prezintă o bună comportare la coroziune. Sunt izolatoare din punct de vedere electric și termic.

Ca biomateriale, materialele ceramice sunt clasificate în următoarele categorii mari:

bioinerte sau neabsorbabile;

absorbabile;

bioactive.

Bioceramicele bioinerte nu sunt toxice, cancerigene sau alergice, nu determină reacții inflamatorii. Din cadrul acestor ceramice fac parte: alumina, zirconia, silicon nitrida și carbonul. Sunt folosite pentru confecționarea unor componente ale endoprotezelor de sold și a valvelor artificiale ale inimii.

Bioceramicele absorbabile se folosesc pentru realizarea de implanturi degradabile, absorbite de corpul uman. Acestei categorii îi aparțin o serie de fosfați (calciu, tricalciu, aluminiu-calciu, zinc sulfat de calciu), de oxizi (zinc-calciu-fosforor, feric-calciu-fosforos) și coralii (carbonat de calciu).

Clasa bioceramicelor bioactive este reprezentată de: biosticla, hidroxiapatitele și ceravitatul (un amestec de oxid de silicon, calciu, sodiu, fosfor, magneziu si potasiu). O aplicație importantă a acestor bioceramice este aceea de „îmbrăcare” a protezelor metalice, în special a celor de șold, pentru a permite țesutului uman să adere la suprafața protezei. Bioceramicele reactive sunt folosite și la confecționarea protezele dentare, a unor tije și șuruburi de fixare a fracturilor.

Bioceramicele nu sunt afectate de coroziunea chimică, cum este cazul materialelor metalice, dar sunt sensibile la alte forme de degradare în condițiile expunerii la acțiunea mediului fiziologic. Mecanismul și gradul de degradare depind de tipul bioceramicii.

Alumina (Al2O3), considerată în general un material bioinert, suferă modificări ale rezistenței mecanice, atunci când intră în contact cu un mediu salin.

Bioceramicele și materialele sticloase sunt degradabile în organismul uman. Indiferent dacă degradarea este lentã sau rapidã, bioceramicele sunt resorbite de cãtre osteoclaste (celulele ce distrug în permanență țesutul osos), datorită asemănării particulelor de fosfat de calciu cu componentele minerale ale țesutului osos.

Proprietățile de extensibilitate scăzute și fragilitatea mare, fac materialele bioceramice mai puțin utilizabile în aplicațiile medicale.

Rezistența la încovoiere, a bioceramicelor este foarte mică, dar comportarea lor la compresiune, relativ bună (vezi tabelul 2.1).

Proprietățile mecanice a celor mai folosite bioceramice.

Tabelul 2.1

Alumina prezintă pe lângă rezistența excelentă la coroziune, cele mai bune proprietăți mecanice pe care le implică realizarea unui implant. Alungirea este scăzută, în comparație cu cea suferită de biomaterialele metalice. Un alt avantaj al aluminei îl reprezintă coeficientul de frecare scăzut și o rezistență mare la uzură. Datorită acestor proprietăți, alumina se folosește cu precădere pentru confecționarea suprafețelor de alunecare (în endoprotezele de șold de exemplu).

Proprietățile mecanice scăzute ale fosfatului de calciu (hidroxiapatita) și ale sticlei bioactive, fac ca acestea să nu poată fi folosite în realizarea unor componente ale articulațiilor artificiale.

Ceramicele sunt utilizate pentru realizarea de interfețe protetice de tip ceramică-polietilenă sau ceramică-ceramică. Ceramicele cele mai utilizate in ortopedie sunt alumina și zirconiul. interfeței de frecare (metal-polietilena, ceramica-polietilena, ceramica-ceramica sau metal-metal). Cramicele cele mai utilizate in ortopedie sunt alumina și zirconiul.

În implantologia ortopedică alumina se folosește de peste 20 de ani. Prima proteză ceramică din alumină realizată în Japonia de către Kyocera Corp a fost implantată în 1979, rămânând funcțională timp de 23 de ani.

Hidroxiapatita (HAp), o altă ceramic㸠pe bază de fosfat de calciu este folosita de peste 20 de ani în stomatologie. Hidroxiapatita mai este folosită ca material de „umplutură” în defectele osoase (ale osului urechii mijlocii, septului nazal) sau pentru formare a unui strat pe implanturile metalice, menit să amplifice procesul de osificare.

Aliajul zirconiului cu niobiul, Zr-2.5 Nb, printr-un procedeu tehnologic special de oxidare, descoperit în 2006, formează o suprafață ceramică dură, cu indice de fricțiune scăzut și rezistență mare la abraziune. Pentru acest considerent, este inclus în categoria ceramicelor.

2.1.4. Polimerii

2.1.4.1. Aspecte generale

Polimerii sunt materiale organice constituite dintr-un număr mare de macromolecule, care formează legături covalente între atomi. Datorită naturii covalente a legăturilor intermoleculare, electronii sunt localizați între atomii constituenți, iar polimerii tind să aibă proprietăți termice și electrice scăzute. Polimerii au diverse aplicații medicale.

Polietilenele au numeroase aplicații medicale. Sunt utilizate în confecționarea de implanturi cardiovasculare, implanturi ortopedice (polietilena, polimetacrilatul), producerea de țesuturi artificiale și în industria farmaceutică.

Comportamentul mecanic și termic al polimerilor este influențat de factori cum sunt: compoziția chimică, structura lanțurilor polimerice, masa atomică a moleculelor. Forțele de acțiune mecanică produc alunecarea staturilor componente unul față de celălalt și conduc la apariția deformației plastice.

Schimbările în structura polimerilor menite să îmbunătățească rezistența la alunecare dintre straturi, determină o creștere a rezistenței mecanice a materialului, însă îi scad plasticitatea. Creșterea numărului de macromolecule componente, induce o mobilitate scăzută între straturi.

Mecanismul de degradare a polimerilor cu o structură semicristalină comport trei mari etape. În prima etapă, părțile amorfe sunt dizolvate de apă (această dizolvare nu afectează rezistența mecanică a polimerilor). În cea de-a doua etapă survin atacuri ale unor enzime asupra polimerului, iar pe parcursul celei de-a treia se produce eroziunea materialului. Factorii acceleratori ai fenomenului de degradare a polimerilor sunt: factorul hidrofilic, factorul de cristalinitate și factorul de mărime.

Polimerii conțin o mare varietate de aditivi, urme ale catalizatorilor, inhibitorilor,cât și ale altor componenți chimici necesari pentru sintetizrea lor. La fel ca în cazul coroziunii materialelor metalice, într-un mediu fiziologic, în timp, sunt eliberate în organism componente chimice ale polimerilor, ce pot să inducă reacții adverse din partea țesuturilor umane.

Degradările de material nu sunt un fenomen dorit, îndeosebi în cazul polimerului acrilic (un ciment de oase folosit în general la fixarea implanturilor ortopedice de țesutul osos, în endoprotezele de șold sau de genunchi), datorită schimbărilor structurale pe care le produc.

Polimerii au o rezistență mecanică mai mică, un modul de elasticitate mai mic, dar prezintă o alungire mai mare în comparație cu materialele metalice și bioceramicele.

Proprietățile mecanice ale materialelor polimerice depind de compoziția și structura lanțurilor macromoleculare și de masa atomică a acestora. Tabelul 2.13 prezintă câteva din cele mai importante proprietăți mecanice ale biomaterialelor polimerice.

Proprietăți mecanice ale biomaterialelor polimerice

Tabelul 2.2

2.1.4.2. Politetrafluoretilena (PTFE)

Politetrafluoretilena (PTFE) face parte din clasa polimerilor fluorurați. Una din denumirile sale comerciale este cea de teflon.

Este un material termoplastic translucid – opac dur, având aspectul fildeșului. Atomii de fluor formează un înveliș protector în jurul scheletului format din atomii de carbon, ce apără PTFE de atacul agenților chimici. Grupele fluor-carbon și carbon-carbon, cele mai puternice legături organice cunoscute până în prezent, conferă PTFE caracteristici remarcabile, neexistând practic nici o substanță care să dizolve PTFE la o temperatura sub 300°C.

Calități ale PTFE cum sunt duritatea, flexibilitatea, adeziunea, rezistența la șoc, la tracțiune sau rupere, coeficientul de frecare redus (ce fac să funcționeze ca factor de lubrifiere), îi permit să fie folosit pe scară largă, în toate domeniile de activitate. PTFE prezintă aplicații medicale în chirurgia cardio-vasculară, chirurgia plastică, ortopedie.

În anii '50 ai secolului trecut teflonul a fost utilizat o perioadă scurtă de timp la confecționarea protezelor de șold. Rezultatele imediate au fost foarte bune, dar necroza osoasă survenită ulterior a făcut să se renunțe la politetrafluoretilenă.

2.1.4.3. Polimerii acrilici

Un reprezentant important al polimerilor acrilici, metacrilatul de metil (PMMA) prezintă aplicații biomedicale oftalmologice. Claritatea, transparența excelentă, proprietățile mecanice foarte bune, fac din PMMA un biomaterial optim pentru fabricarea lentilelor de contact dure și a lentilelor intraoculare.

Cimenturile acrilice (PMMA autopolimerizabile) sunt utilizate în ortopedie din anii '60 ai secolului trecut, pentru fixarea protezelor. Cimenturile acrilice realizează doar o fixare mecanică, atât la os cât și la implant (metalic sau polimeric), fără a fi însă adezivi veritabli.

Mai recent s-a propus utilizarea de cimenturi acrilice compozite, cu componente ceramice, pentru obținerea de cimenturi bioactive, care să permită refacerea structurii osoase și o mai bună interfață cu osul.

2.1.4.3.1. Polietilena

Polietilena (polietena) este o rășină termoplastică ce aparține familiei poliolefinelor. Este un polimer simplu și ieftin, utilizat în prezent pe scară foarte largă.

Denumire, aspect macroscopic, proprietăți

Polietilena este principalul polimer de sinteză utilizat în prezent, cu o producție mondială ce a atins în 2003, cantitatea totală de 40 de milioane de tone. Este obținută prin polimerizarea monomerilor de etilenă (CH2 = CH2), într-o structură complexă, cu formula generică: − (CH2 − CH2) n −.

Au fost realizate mai multe tipuri de polietilenă, însă majoritatea nu au aplicații medicale, nerezistând la solicitări mecanice puternice (cum este cazul articulațiilor artificiale ale șoldului, genunchiului și gleznei). În ortopedie este utilizată polietilena cu greutate moleculară foarte mare (ultra-high molecular weight polyethylene – UHMWPE. A se vedea și lista de abrevieri.

2.1.4.3.2. Polietilena cu greutate moleculară foarte mare

Ultra-High Molecular Weight Polyethylen (UHMW ) este cunoscută în țara noastră sub denumirile de polietilenă cu greutate / masă moleculară foarte mare, polietilena de foarte inaltă masă moleculară, polietilena compactă / densă.

Polietilena UHMW a fost sintetizată în 1953 de către chimistul german Karl Ziegler. Este un polimer termoplastic, translucid, inert chimic (mai rezistent decât polipropilena la acțiunea oxidanților puternici), maniabil și rezistent la temperaturi scăzute. Natura parafinică a polietilenei explică marea sa inerție chimică.

Polietilena UHMW este un polimer de forma [C2H4]n, unde “n” reprezintă gradul de polimerizare. UHMWPE sau polietilena „dură” obținută prin procedeul Ziegler, are o densitate 0,97 g / cm3 și este formata din macromolecule liniare cu puține ramificații. UHMWPE, polimer liniar semi- cristalin este un compozit cu 2 faze, cristalină și amorfă. Dispunerea liniară permite compactarea macromoleculelor, creșterea conținutului în faza cristalina până la 94% și îmbunătățirea considerabilă a proprietăților mecanice.

Conform Organizației Internaționale a Standardelor (ISO), UHMWPE se caracterizează printr-o greutate moleculară de cel puțin un milion g/mol, adică un grad de polimerizare de aproximativ 36.000. Societatea Americă de Testare a Materialelor (ASTM) stabilește pentru UHMWPE o greutate moleculară mai mare de 3,1 milioane g/mol și un grad de polimerizare de 110.000.

Proprietățile mecanice ale UHMWPE depind de procentul de cristalinitate al polimerului și de morfologia regiunilor cristaline.

Ultra High Molecular Weight Polyethylen (UHMWPE ) este cel mai solid polimer existent în momentul de față în întreaga lume. Prezintă o mare rezistență la abraziune ca de altfel și la impact. Este rezistentă chimic și are un coeficient de fricțiune mic .

Principalele caracteristici ale UHMWPE:

Greutate mică, încât plutește în apă (1" x 12" x 12" = 5 pounds);

Este virtual incasabilă și imposibil să fie zgâriată;

Nu pot fi aplicate marcaje pe suprafața sa și nu este abrazivă (Este de 6 ori mai rezistentă la abraziuni decât oțelul);

Coeficientul de frecare redus, permite alunecarea constant bună pe suprafața sa.

Nu devine sfărâmicioasă la temperaturi scăzute;

Poate fi curbată la rece sau la cald, pentru a i se imprima forma dorită. Este ușor de montat și nu necesită o întreținere specială

Nu este conductibilă, nu se magnetizează și nu este fibroasă

Nu absoarbe apa și este impermeabilă pentru numeroși compuși chimici

Nu poate fi așchiată, jupuită, ruptă și nu se descompune. Nu poate fi perforată cu burghiul sau cu cleștele;

Nu poluează mediul ambiant, neconținând substanțe chimice dăunătoare

Polietilena UHMW este utilizată în industria echipamente sportive (pentru schiuri, surf, snowboard-uri etc.), a materiale de protecție, în industria moto, pentru realizarea de plăci destinate să înlocuiască gheața patinoarelor și pentru confecționarea de implante medicale.

UHWPE utilizate pentru confecționarea protezelor ortopedice au greutăți specifice de 2 – 6 milioane g/mol. și un grad de polimerizare cuprins între 71.000 și 214.000. Se utilizează două rășini, GUR 1020 (3,5 milioane g/mol ) și GUR 1050 (5,5-6 milioane g/mol). În confecționarea de proteze, s-a renunțat la cuplele metal – metal în 1958, în favoarea cuplelor metal – ceramică. Prima ceramică utilizată a fost din 1962 cu un material material mult mai rezistent – polietilena cu greutate moleculară mare. Coeficientul de frecare al polietilenei UHMW cu oțelul este de 5 ori mai mare decât al teflonului, însă rezistența la uzură a cuplelor UHMWPE – metal este de 500 – 1000 de ori mai mare

Uzura polietilenei UHMW survine la suprafața de contact dintre componentele protezei. În cazul polietilenei există mulți factori care conduc la uzura sa și a fluidului articular:

degradarea polietilenei, ca rezultat al compactării incomplete;

procesul de sterilizare prin adeziune și oboseală;

suprafață zgâriată conduce la uzura abraziva;

alterarea volumului, compoziției, a proprietăților mecanice și a fluidului articulației reduc efectului de lubrifiere, favorizând uzura adezivă și abrazivă;

Uzura, principala complicație a protezării genunchiului pe termen lung este limitată de ameliorarea calității polietilenei (puritate, densitate foarte mare proprii UHMW) și grosimea suficientă (> 8 mm) a componentei din polietilenă.

Necesitățile clinice și considerațiile de design au reprezentat un aspect critic în ameliorarea comportamentului la uzură a UHMWPE, obiectiv al cărui îndeplinire presupune minimizarea tensiunile de contact. Astfel, cupla Ti-6Al-4V / UHMWPE prezintă un comportament mai bun la uzură decât cupla Co-Cr-Mo / UHMWPE.

Proprietățile mecanice ale UHMWPE

Tabelul 2.3

CAPITOLUL 3. STUDIUL GENERAL, DESIGN ÎN PROTEZARE, MODELAREA GEOMETRICĂ

3.1 Generalități

Protezarea genunchiului implică înlocuirea articulației naturale a genunchiului cu un implant artificial, compus dintr-o piesă femurală, una tibială, un insert (platou) și patelă. Esențială în artroplastia genunchiului este atingerea unei congruente perfecte a acestor componente, iar în acest caz proiectarea implantului are un impact covârșitor.

După cum se știe, tehnologia avansează odată cu timpul, se va ajunge în acel moment în care va apărea fenomenul de stagnare, apoi se va trece la o altă etapa, alt proces, altă concepție.

În urma unor cercetări amănunțite am ales ca model îndrumător, proteza totală de genunchi mc2.

Proteza totală de genunchi mc2 permite refacerea capabilităților fiziologice ale articulației genunchiului afectate de gonartroză. Soluția platoului mobil asigură atât creșterea duratei de viață a protezei prin reducerea uzurii componentelor sale, cât și recâștigarea mobilității naturale pe toate axele de rotație ale articulației, eliminând durerea articulară. În premieră, proteza mc2 reunește sub acest concept avantajele unui platou mobil cu posibilitatea obținerii unei flexii de 150°. Mai mult, proteza mc2 se adresează atât persoanelor tinere – în varianta necimentată, cat și persoanelor în vârstă – în varianta cimentată.

Platoul mobil – o componentă ce se interpune între cele două piese metalice (femurală si tibială) – asigură pe de o parte minimizarea stresului la nivelul tuturor interfețelor, reducând uzura componentelor și deci prelungind viața implantului, iar pe de altă parte permite refacerea mobilității naturale pe toate axele de mișcare a genunchiului;

Concepția inovatoare a componentelor implantului conferă genunchiului protezat o flexiune echivalentă cu cea normală pentru un genunchi sănătos (150°) prin replicarea rollback-ului femural fiziologic.

În scopul reducerii considerabile a uzurii elementelor implantului, acestea sunt proiectate astfel încât să asigure creșterea suprafețelor de contact în cazul flexiei moderate (mers) dar mai ales în cazul flexiei accentuate (ridicarea de pe scaun, urcatul/coborâtul scărilor, ghemuire).

Protezele de genunchi mc2 sunt de două tipuri, varianta cimentată (se fixează cu biociment osos), cât și ca implanturi necimentate, acestea din urmă având suprafața de contact cu osul acoperită cu titan poros si hidroxiapatita, pentru o osteointegrare rapidă. Protezele de genunchi necimentate asigură o fixare naturala mai durabilă și se recomandă în general pacienților tineri.

Fig. 3.1: Proteza totală model mc2

3.2 Studiu de formă/ funcționalitate

În prezent există suficiente date care să demonstreze că proteza de genunchi este fiabilă pentru tratamentul gonartrozei. Proteza de genunchi nu este o simplă balama care să înlocuiască articulația genunchiului, ci înlocuiește doar cartilajul acolo unde este uzat (artroza), conservând la maxim restul.

Legat de forma geometrică cât și de funcționalitate din timpuri străvechi până în prezent, se deosebesc mai multe tipuri de proteze:

1 Caracterul lor parțial (unicompartimentală) sau complet (proteza tricompartimentală)

2 După sistemul de stabilizare, cu conservarea sau nu a ligamentelor încrucișate, protezele superstabilizate “în balama, etc.

3 După sistemul de fixare la os: cimentate sau necimentate

4 După mobilitatea pieselor protezei: proteze cu platou tibial fix sau mobil

După numărul gradelor de libertate însușite se deosebesc următoarele tipuri de proteze:

Proteze cu un singur ax de mișcare ( ,,în balama”) descrie un mecanism simplu, mecanism balama, având o formă oarecum primitivă, simplă, dar care prezintă o durată de viață îndelungată, având un dezavantaj important în utilizarea acesteia, și anume numărul de restricții fiind 5 din 6 maxime.

Fig. 3.2: Proteză balama

Proteze cu doua / trei axe de mișcare

Proteze cu doua axe de mișcare Actual acest tip de proteza se folosește in artrozele genunchiului cu diformitate mare si cu un sistem ligamentar deficitar.

Proteza cu trei axe de mișcare fiind cea mai utilizată în prezent, oferă mobilitatea unui genunchi obișnuit, cu o precizie definită. Datorită studiilor efectuate se vor găsii materiale noi cu proprietăți biocompatibile organismului uman astfel se va putea evolua în acest domeniu.

Fig. 3.3: Proteză 3 axe de mobilitate

3.3 Aspecte privind componentele protezei

3.3.1 Dimensionare

Odată cu forma protezei care urmează funcția acesteia, și dimensionarea este un proces important.

În general există proteze de genunchi de aceeași formă, cu aceleași proprietăți și funcții, dar de dimensiuni diferite. Ele sunt realizate de la cea mai mică dimensiune, vârsta minimă pe care un pacient trebuie sa o aibă, la una avansată, de la persoane cu greutate scăzută până la persoane cu greutate ridicată.

Se realizează și în funcție de greutatea genunchiului pacientului dar și de nivelul de amputație, de cat de ușor / dificil se poate ajunge în locul deteriorat.

Bineînțeles ca sunt și cazuri în care această proteză va trebui realizată strict la o dimensiune anume și anume se va recurge la:

Evaluarea ortopedica constă în:

Chirurgul ortoped va face o evaluare completa care constă în:

Istoricul medical – medicul ortoped va solicita informații despre starea generala de sănătate, despre nivelul de durere resimțit si mobilitate.

Examenul clinic – examinarea clinica va stabili gradul de mobilitate, stabilitate, forța de mișcare a genunchiului și modul de aliniere generală a oaselor piciorului.

Radiografii – imaginea oferită de radiografii contribuie la stabilirea gradului de deteriorare și deformare a genunchiului.

Alte teste – ocazional, imagistica avansata precum RMN-ul poate fi necesar pentru a stabili starea în care se afla osul și țesuturile moi din jurul genunchiului.

Chirurgul ortoped va prezenta rezultatele evaluării și va explica daca artroplastia totală de genunchi este cea mai buna metoda pentru îndepărtarea durerii și îmbunătățirea mobilității genunchiului dumneavoastră. Vor fi luate de asemenea în considerare și alte opțiuni de tratament – inclusiv medicația, injecțiile, fizioterapia, sau alte tipuri de intervenții chirurgicale.

Gradul de mobilitate este și el un factor important în alegerea dimensiunilor deoarece există unele restricții de mobilitate și forma protezei.

Privind partea de cost a unei proteze de genunchi, nu sunt mari diferențe între cele potrivite la mărime și cele realizate la comandă deoarece în acest nu se pune un accent important pe cantitatea de material utilizată la fabricarea acesteia cât procesul în sine.

3.3.2 Categorie componente fixe / mobile / grade de libertate / restricții

Fig. 3.4: Ansamblu proteză de genunchi Fig. 3.5: Condil femural Fig. 3.6: Sistemul de referință

Fig. 3.7: Platou fix Fig. 3.8: Platou mobil

Baza protezei de genunchi o reprezintă acest suport din Fig. 3.7.

Este un element fix al ansamblului, prezentând striații pe suprafața de contact cu osul pentru a împiedica răsucirea platoului fix și tot odată a protezei, iar de asemenea a fost conceput cu mici orificii prezente pe elementul care se introduce in interiorul osului, acestea ajutând în timp ca osul să se dezvolte și prin acele spații pentru o fixare a platoului (Fig. 3.7) cat mai bună. Acesta fiind un element fix, nu prezintă grade de libertate.

Platoul mobil – o componentă ce se interpune între cele două piese metalice (femurală și tibială) – asigură pe de o parte minimizarea stresului la nivelul tuturor interfețelor, reducând uzura componentelor și deci prelungind viața implantului, iar pe de altă parte permite refacerea mobilității naturale pe toate axele de mișcare a genunchiului. Componenta este una mobila prezentând un grad de libertate, și acela de răsucire în jurul axei suportului sau a însăși proteză.

A treia piesă din ansamblu, gheara care se va fixa pe femur este însăși o piesa fixă fața de os (femur), dar este și o componentă mobilă fața de restul pieselor din ansamblu.

Nefiind fixat pe platoul mobil, și având libertate de mișcare ea va imprima aceleași mișcări tangente la platou ca femurul în sine, îi conferă 2 grade de libertate, și anume, translația pe axa Z a protezei și o rotație în jurul axei Y.

3.4 Schița de design a conceptului

Fig. 3.9: Concept proteza genunchi

3.5 Design – model CAD – cost – producție

Există o strânsă legătură între concept, viziunea unui produs, costul acestuia de realizare și producția în sine.

Putem spune că fără design nu ar exista „ frumosul’’, fără modelul concret nu ar exista siguranță și ar exista mai multe pierderi, fără cost nu ar exista produs, producător, client, piață, iar fără producție nu ar exista produsul în sine.

Nu orice design de produs poate fi și aplicat pe un produs real, deoarece designul implică una din cele mai importante aspecte ale unui produs, și anume, forma acestuia care nu întotdeauna poate fi realizată din punct de vedere tehnologic. De aceea există o legătură strânsă între un concept si produsul final.

Modelul CAD este o unealtă potrivită în orice domeniu al dezvoltării de produs / proces, având o serie de avantaje, precum:

Siguranța realizării unui produs din punct de vedere estetic, funcțional, tehnologic;

Posibilitatea simulării proceselor de producție, simulări mecanice, termice, etc.

Vizualizarea produsului final înainte ca acesta să existe;

Poate fi realizat un model la o scară, 1:1 cu produsul real;

Costuri de execuție reduse;

Precizie de execuție extrem de mare;

Este posibilă dimensionarea cât și calculul volumic al piesei;

Platoul mobil este confecționat din foi de polietilenă, prin turnare și compresie, de asemenea piesele metalice sunt realizate prin turnare gravitațională, iar pentru o precizie înaltă fără prea multe defecte în material se realizează prin așchiere.

Prelucrarea titanului necesită dezvoltarea unor forțe așchietoare net superioare celor utilizate la prelucrarea oțelurilor. În același timp, caracteristicile metalurgice ale aliajelor de titan fac prelucrarea lor mult mai dificilă decât cea a oțelurilor cu duritate echivalentă.

Titanul are modulul de elasticitate relativ redus. Altfel spus, este mai elastic decât oțelul, se comportă ca un arc și are tendința să se îndepărteze de scula așchietoare. De aceea, pentru a fi menținut în așchiere, fie utilizăm regimuri așchietoare intensive, fie reușim să aducem în sistem forțe suplimentare de împingere, care să contracareze reacția naturală a materialului.

3.6 Realizarea modelului 3D in Catia V5

Programele 3D în prezent au un impact major asupra designului unui produs, modalității lui de realizare fizică, de asemenea aceste tipuri de programe pot simula în virtual obiectul dorit într-un anumit mediu de funcționare.

Este o unealtă care poate fi utilizată în aproximativ toate domeniile chiar și cele care au și cea mai mică legătură cu un produs finit.

Pentru realizarea unui model 3D a unei proteze de genunchi vom pleca de la un design preliminar după o scurtă cercetare de piață și alegerea unui design de început dar care să îndeplinească cu succes toate funcțiile acesteia.

Fig. 3.1.0: Design preliminar

Vom începe prin a desena schiță de revoluție a întregului corp al platoului tibial (fix), după o dimensiune universală deoarece majoritatea protezelor se vor realiza în funcție de vârsta pacientului, starea de sănătate a acestuia și cel mai important în funcție de dimensiunea genunchiului.

Fig. 3.1.1: Schiță de revoluție

Pe această schiță se va utiliza comanda de revoluție la 360 grade și se va obține întregul corp al platoului tibial. Partea care va fi introdusă în tibie va prezenta o multitudine de orificii pentru a permite ca măduva osului sa se dezvolte și să intre în acele canale pentru o mai bună fixare a protezei și pentru a împiedica această componentă să se rotească liber.

În partea care vine în contact cu tibia se vor realiza striații pentru o mai bună aderență între componentă si cimentul biomedical care se va folosi pentru fixarea piesei.

Fig. 3.1.2: Platoul tibial

Platoul mobil (piesa de legătură) se va crea dintr-un cilindru și la capătul acestuia un sfert de sferă. Pentru a obține forma dorită, aceasta va fi secționată de două schițe de formă ovală și o curbă de ghidare sub forma unui arc de cerc iar la final se va utiliza comanda de rotunjire a muchiilor ascuțite.

Fig. 3.1.3: Platou mobil

Componenta femurală se va realiza dintr-o sferă si o multitudine de decupări din aceasta. Aceste scoateri de material sunt pe principiul (forma și traseu).

Pentru cei doi ‚stâlpi’ din interiorul componentei femurale se va utiliza comanda Bump pe un cerc care va reprezenta capătul de sus a stâlpului și un pătrat care va reprezenta baza stâlpului sau se va folosi comanda Multi-Section Solid pe aceleași două schițe. În final se va utiliza comanda Edge Fillet pentru rotunjirea tuturor muchiilor.

Am ales acești pași de realizare deoarece aceste componente se pot realiza pe o mașina cu comandă numerică (CNC) pe lângă modalitatea clasica și anume, procedeul de turnare.

Rezultatul final diferă de la caz la caz și in funcție de experiența utilizatorului.

Fig. 3.1.4: Componenta femurală

Pentru împiedicarea alunecării componentei din polimer după suportul platoului fix, am conceput un orificiu de menținere a poziției in platoul mobil iar platoul fix a fost prevăzut cu o formă cilindrică cu rol de ghidare care va intra în orificiul platoului mobil. Aceasta nu va împiedica rotirea componentei din polimer pe platoul fix, iar ca soluție împotriva desprinderii pe direcția Z ( ↑ ) se vor utiliza legături exterioare care vor ține în contact cele trei piese ale protezei.

Fig. 3.1.5: Ansamblu proteza de genunchi

CAPITOLUL 4. STUDIU EFORTURI GENERALE, REZULTATE PE TERMEN LUNG

4.1 Studiul eforturilor ce acționează în timpul perioadei de recuperare

Primele zile sunt consacrate tratamentului durerii, a tratamentului plăgii operatorii, schimbării pansamentelor și a începutului kinetoterapiei. Tratamentele actuale împotriva durerii au făcut progrese remarcabile și aceasta a permis evoluția semnificativa a chirurgiei articulare. Dacă protocolul tratamentului este bine condus este posibil ca pacientul să nu prezinte dureri postoperatorii. Reeducarea începe după ce se extrag tuburile de dren și dacă tratamentul împotriva durerii este eficace. Kinetoterapia constă în mobilizarea blândă a genunchiului și manuală de către kinetoterapeut, asociata mișcărilor pasive efectuate de către mașini electrice (kinetek). Reluarea mersului se face la intervale variabile, de obicei în prima săptămână postoperatoriu, cu ajutorul a două cârje, cu sprijin complet pe genunchiul operat. Mobilizarea genunchiului este destinată să câștige progresiv amplitudinea flexiei.

În perioada imediat post-operatorie, rigiditatea genunchiului poate fi combătută cu ajutorul unui dispozitiv de mișcare pasivă continuă (kinetec).

Pentru reluarea mobilității genunchiului și piciorului, chirurgul poate utiliza un aparat care mișcă ușor genunchiul în timp ce pacientul stă in pat. Dispozitivul, cunoscut sub numele de kinetec reduce tumefierea piciorului prin ridicarea acestuia și îmbunătățește circulația sangvină prin antrenarea mușchilor de la picioare.

Recuperarea (kinetoterapia) începe a doua zi după intervenție și constă în :

– contracții izometrice cvadricepsului, din oră în oră;

– imobilizări ale piciorului;

– ridicări pasive ale piciorului cu genunchiul întins, începând după 3-4 zile de la operație;

– exerciții de flexiune ale genunchiului la marginea patului, după scoaterea bandajelor;

– mers cu baston din a 10-a zi de la operație.

4.2 Studiul eforturilor ce acționează în viața de zi cu zi

În această parte se vor studia cazuri diferite de eforturi simțite de către organismul uman.

Se consideră o situație în care un corp, în cazul nostru o persoană se află în poziție fixă.

Fig. 4.1: Poziție corp, direcție forțe

Să se afle care este forța de reacțiune notată în figura de mai sus cu (GRF) a solului când corpul stă pe loc:

M=65Kg (masa corpului)

G=9,81 N/Kg sau m/s2 (accelerația gravitațională)

-G x M + GRF = 0 de unde,

-9,8 x 65 = -GRF rezultă,

GRF = 65 x 9,8 = 637 N care poate fi interpretat ca și 63,7 Kg/ F

Să se determine poziția centrului de greutate al unui corp cu formă neregulată (membrul inferior), luând în considerare următoarele date:

Tabel 4.1: Date de problemă

Fig. 4.2: Poziția piciorului pe axele (x,y)

Pentru început se vor localiza pe figura de mai sus centrele de greutate pentru fiecare segment în parte, și se va folosi o riglă gradată, măsurătoarea se va realiza în milimetri, ea se va face pe axele X și respectiv Y.

Poziția centrelor de masă sunt următoarele:

Laba piciorului : Xp = 30mm Yp = 7,5mm

Gamba : Xg = 40mm Yg = 27,5mm

Coapsă : Xc = 33mm Yc = 55mm

Pentru calcularea centrului de masă a întregului corp (X0 ; Y0 ) se va folosi următoarea relație de calcul:

X0 = rezultă:

X0 = 34,8mm

Y0 = 42,8mm

Să se calculeze componentele X, Y, Z ale momentului în jurul articulației (J), aplicat forțelor ilustrate în următoarele imagini:

Fig. 4.3: Flexiune interioară Fig. 4.4: Flexiune exterioară

În acești parametri, se va simula simpla mișcare de flexiune a piciorului, practicată în toate cazurile de recuperare.

Cazul a) flexiune interioară

Mx = My = 0

Mz = -150 · 120 · sin 60° = -15588 N · mm

Cazul b) flexie exterioară

Mx = My = 0

Mz = 200 · 150 · sin 50° = 19283 N · mm

4.3 Rezultatele artroplastiei de genunchi

Rezultatele sunt evaluate prin cuantificarea unor parametrii:

Rezultatul asupra ameliorării durerii și în special prin raportarea la durerile preoperatorii

Rezultatul funcțional asupra activității generale a pacientului

Rezultatul in funcție de complicațiile postoperatorii

Durata de viață a protezei.

Actual reculul protezelor de genunchi este de 20 de ani în cazul protezele unicompartimentale și pentru protezele totale. Riscul deteriorării protezei este proporțional cu timpul, ca și cu greutatea corporală a pacientului operat.

Această deteriorare se manifestă prin uzura implantului sau prin defixarea protezei de la suprafața osoasă. Studii statistice demonstrează ca după 10 ani, 80-90% dintre proteze sunt încă în stare de funcționare. Aceasta înseamnă deci ca nu toate protezele durează 20 de ani, dar rezecțiile osoase economice efectuate în timpul primei operații permit schimbarea protezei de genunchi cu o alta proteză ( proteza de revizie), în condiții tehnice bune.

Mai mult de 90% din pacienții care au optat pentru artroplastia totală de genunchi au confirmat dispariția durerii de genunchi și o creștere a calității vieții prin ușurarea efectuării activităților zilnice. De reținut că, artroplastia totală de genunchi nu va permite sa faceți mai multe decât înainte de a fi dezvoltat această afecțiune.

Activitățile cu efecte realist benefice după artroplastia totală de genunchi includ mersul pe jos, înotul, golful, șofatul, mersul pe bicicleta, dansul, și alte sporturi cu impact mic.

Cu ajutorul unei modificări adecvate a programului de activități fizice, implantul de genunchi poate dura mulți ani.

Fig. 4.5: Rezultat final de protezare

CAPITOLUL 5. ANALIZA STRUCTURALĂ (DETERMINAREA STĂRII DE TENSIUNE ȘI/SAU DE DEFORMAȚIE DINTR-O STRUCTURĂ SOLICITATĂ)

5.1 Generalități

Analiza statică se utilizează pentru a determina deplasările, tensiunile, etc. în condiții statice de încărcare, atât în condiții de analiza statică liniara cât și în condttii neliniare. Neliniaritățile pot include plasticitatea, ecruisarea, deformații mari, rotații mari, hiperelasticitate, contact de suprafețe și fluaj.

O analiză statică calculează efectele condițiilor staționare de încărcare asupra structurii. O analiză statică poate, totuși include sarcini de inerție staționare ( ca de exemplu greutatea și viteza de rotație), orice sarcini care variază în timp și care pot fi aproximate ca sarcini echivalente static ( ca de exemplu sarcina statică echivalentă produsă de vânt sau de solicitările seismice).

Procedura pentru analiza statică consta în trei etape importante:

– construcția modelului;

– aplicarea sarcinilor și obținerea soluțiilor;

– vizualizarea rezultatelor.

Un utilizator este pus în situația rezolvării unei anumite probleme. Programul de calcul aplicat metodei nu rezolvă problema ci doar un model al acesteia, pe care în general îl concepe utilizatorul. Rezultatele pot fi confirmate sau nu, funcție de modul în care a fost ales modelul de calcul.

Discretizarea reprezintă o structură (un domeniu) poate fi împărțită în diverse moduri, cu mai mult sau mai puține noduri și elemente. Nodurile sunt așa-numitele “puncte de lipici”, “piuneze”, care mențin elementele într-un ansamblu unitar.

Există tipuri de elemente finite care pentru început pot fi clasificate în:

– Unidimensionale

– Bidimensionale

– Tridimensionale

Aceste elemente la rândul lor pot fi împărțite în elemente:

– Liniare;

– Parabolice (cuadratice);

– Cubice.

Tipul elementelor finite se aleg în funcție de tipul problemei și de domeniul de analiza, de precizia dorită, de variația mărimii necunoscute etc.

Elementele parabolice sunt de preferat celor liniare, întrucât la același număr de noduri, soluția discretizarii cu elemente parabolice este mai precisă decât cea cu elemente liniare.

Mărimea și numărul elementelor finite influențează convergenta soluției. Se observă că la un număr mai mare de elemente rezultatul se apropie către soluția exactă, dar și o creștere excesivă poate conduce la un “colaps” datorită efectului erorii de mașină la un volum mare de calcule.

Se vor avea în vedere următorii parametri:

– Geometria corpului;

– Proprietățile materialelor;

– Domeniul de variație al principalelor mărimi de câmp investigate;

– Regimul de funcționare (static, dinamic)

Fig. 2: Discretizarea platoului tibial/ Reprezentare noduri și elemente

5.2 Generarea analizei structurale

5.2.1 Analiza platoului tibial

În această parte de cercetare se va realiza o analiză amănunțită din punct de vedere structural pe fiecare piesă componentă a protezei de genunchi în parte.

Primul pas în a realiza o analiză structurală după ce modelul a fost creat în trei dimensiuni este să atribuim material piesei pentru a lua toate proprietățile necesare în comportarea materialului pe parcursul întregii simulări.

Fig. 3: Atribuire de material/ Incastrare piesă

În următoarea fază se va încărca piesă cu o forță uniform distribuită pe suprafața de contact dintre platoul fix și cel mobil, forța acționând în sensul forței gravitaționale, spre material.

Se va testa piesa componenta la o valoare de 1000N, cu aproximație 100Kg/F.

În acest mod se va simula analiza structurală bazată pe o ipoteză reală, o greutate sub 100Kg a pacientului purtător, în timpul recuperării și după aceasta când va reveni la un stil de viața normal dar cu unele restricții, nu va fi necesară o forță de acționare asupra protezei mai mare de 1000N.

Fig. 4: Aplicare forțe uniform distribuite/ Discretizare

Scopul principal al acestei analize structurale este de a putea afișa într-o imagine/tabel de valori cât mai multe cazuri ca de exemplu:

– Deformarea materialului după aplicarea și retragerea forțelor

– Tensiunile acumulate în material după aplicarea și retragerea forțelor

– Deplasarea/translația componentelor

– Energia deformării locale

Fig. 5: Deformarea rețelei (Deformed mesh)

Fig. 6: Tensiunile acumulate (Von Mises Stress)

Fig. 7: Deplasarea/translația componentelor (Translational displacement component)

Fig. 8: Energia deformării locale sau energia elasică (Local strain energy)

Pe tot parcursul analizei structurale s-au constatat deformări minore de material, ele poziționându-se spre marginea exterioară a piesei, de asemenea tensiunile din material cresc în intensitate din interiorul piesei spre exteriorul acesteia.

Se pot observa deformările locale doar pe suprafața de așezare a platoului mobil, însă la baza piesei deformațiile sunt nule.

S-a constatat o deplasare asimetrică a materialului component al piesei.

Stocarea de energie în material se realizează numai în partea superioară a piesei acolo unde forța distribuită acționează.

Ca o scurtă interpretare a datelor rezultate din analiza structurală, piesa supusă este suficient de rezistență pentru o asemenea forță deformatoare, având în vedere că materialul din care este realizată este unul cu proprietăți mecanice foarte bune, temperatura mediului de utilizare variază în limitele a câtorva grade Celsius neinfluențând rezistenta materialului la diferite solicitări.

5.2.2 Analiza platoului mobil

După cum a fost menționat în prima parte a lucrării de cercetare, platoul fix și contilul femural, componente ale protezei de genunchi sunt realizate din Titan pe când piesa de legătură dintre acestea, platoul mobil este realizat din Polietilena cu greutate moleculară înaltă (UHMW-PE).

Pentru a realiza analiza structurală cât mai amănunțită va trebui ca această piesă să își însușească acest tip de material.

Cum acest program nu are în baza lui de date acest material, va trebui să concepem unul cu proprietățile mecanice și termice identice cu ale materialului dorit.

Fig. 9: Proprietăți material (UHMW-PE)

În cazul acestei piese de legătură se vor realiza două analize de structură, una dintre ele folosind o forță de presiune uniform distribuită pe toată suprafața superioară și pentru cealaltă analiza se va aplica o forță distribuită în puncte de intersecție a condilului femurat cu piesa testată.

Se va proceda în același mod privind incastrarea piesei și aplicarea de forțe uniform distribuite ca în primul exemplu, platoul tibial.

Fig. 10: Deformarea rețelei (Deformed mesh)

Fig. 11: Tensiunile acumulate (Von Mises Stress)

Fig. 12: Deplasarea/translația componentelor (Translational displacement component)

Fig. 13: Energia deformării locale sau energia elasică (Local strain energy)

Pentru aplicarea forțelor în puncte predefinite, acestea trebuiesc create, ele făcând parte din zonele de contact dintre condilul femural și platoul mobil.

Fig. 14: Zona de contact/aplicare forțe

Fig. 15: Deformarea rețelei/aplicare forță în puncte predefinite (Deformed mesh)

Fig. 16: Tensiunile acumulate în punctele de contact (Von Mises Stress)

Fig. 17: Deplasarea/translația componentelor (Translational displacement component)

Fig. 18: Energia deformării locale sau energia elasică (Local strain energy)

Pe tot parcursul analizei structurale s-au constatat deformări minore de material, ele poziționându-se pe suprațata de separație dintre condilul femural și platoul mobil, de asemenea tensiunile din material cresc în intensitate la baza piesei atunci forța este uniform distribuită pe toată suprafața superioară a piesei pe când forțele sunt distribuite în anumite zone, tensiunile apar doar în jurul acelor zone de contact.

Se pot observa deformările locale atât la baza piesei cât șip e suprafața superioară a acesteia.

S-a constatat o deplasare asimetrică a materialului component al piesei atât în cazul dispunerii forțelor în puncte cât și în cel al uniformității acestora.

Ca o scurtă interpretare a datelor rezultate din analiza structurală, piesa supusă este suficient de rezistență pentru o asemenea forță deformatoare, având în vedere că materialul din care este realizată (UHMW-PE) este unul cu proprietăți mecanice foarte bune, având un coeficient de elasticitate mai înalt decât al titanului, nu este ușor casant, o densitate ridicată iar din punct de vedere al rezistenței termice este cu mult sub limita de curgere/topire.

5.2.3 Analiza condilului femural

Procedeul de realizare a analizei structurale se va repeta și pentru ultima piesă din ansamblul protezei de genunchi. Piesa va fi încastrată în partea superioară a acesteia iar încărcarea cu forțe se va face în locul de contact dintre piesă și femur.

Fig. 19: Deformarea rețelei/aplicare forță (Deformed mesh)

Fig. 20: Tensiunile acumulate (Von Mises Stress)

Fig. 21: Deplasarea/translația componentelor (Translational displacement component)

Fig. 22: Energia deformării locale sau energia elasică (Local strain energy)

Se pot observa tensiunile din material doar pe porțiunile curbate ale piesei acolo unde materialul este mai întins sau mai comprimat, acestea având valori maxime doar în puncte de concentrație, la marginea piesei (în colțuri) în rest reprezentând valori scăzute.

Deplasarea de material s-a produs simetric pe partea pereților piesei însă asimetric la baza acesteia unde vine în contact cu osul (femurul).

În concluzie după această analiză structurală, se poate demostra că fiecare piesă din ansamblul protezei de genunchi este capabilă să susțină o greutate, un efort mare și își poate îndeplini cu succes atribuțiile pentru care a fost concepută fără ca aceasta să sufere deformații din cauza forțelor aplicate în timpul utilizării. Din punct de vedere al rezistenței termice mediul în care sunt utilizate aceste componente este unul ambiental, nu temperatura este problema ci lichidul în care acestea își îndeplinesc rolul. Ideea principală a unei proteze de genunchi este înlocuirea articulației genunchiului cu această preluând atribuțiile, nevătămând corpul uman.

După cum așa a fost lăsat să fie, orice corp străin este atacat de către organismul uman însă locul unde este amplasat este unul cu impact minor asupra unor materiale biocompatibile precum titanul și polietilenă cu masa moleculară foarte înaltă.

5.3 Calcul de masă și volum

Acest calcul se referă strict obiectelor cu masă deci și cele volumice. Consider acest calcul benefic deoarece unul din cele mai importante aspecte ale unei proteze totale de genunchi este greutatea, dar și dimensiunea acesteia. Aceste două aspecte, greutatea și dimensiunea trebuie să fie corelate cu cele ale organului înlocuit, acesta fiind cazul ideal.

De asemenea prin acest calcul se poate afla:

Aria unei suprafețe

Densitatea materialului

Volumul unui obiect

Centrul de gravitație exprimat în sistemul global de axe

Fig. 23: Măsurarea inerției – platoul fix

Fig. 24: Măsurarea inerției – platoul mobil

Fig. 25: Măsurarea inerției – condilul femural

CAPITOLUL 6. CALCUL ECONOMIC/STUDIU DE PIAȚĂ

6.1 Calculul economic de realizare/achiziție

Făcând referire către piața românească pot exista mai multe posibilități de achiziționare a unei proteze totate de genunchi.

După o scurtă cercetare de piață am aflat ca aceste proteze pot fi decontate de stat sau de casa de sănătate de care aparține fiecare individ. Însă există alte cheltuieli aferente procesului de protezare cum ar fi „ghidurile de tăiere” specifice fiecărui pacient în parte.

Proteza personalizată de genunchi, mărimile componentelor fiind bine stabilite preoperator cu ajutorul tomografiei computerizate. Imaginile tomografice sunt trimise producatorului care reconstruieste 3D genunchiul pacientului, fabricand apoi “ghiduri de taiere” specifice genunchiului dorit a se înlocui. Acest proces poate dura pana la 6-8 saptamani și poate ajunge la un cost de 1000 € (4500 RON)

Pentru a putea fi „montată” această proteză este nevoie de o operație chirurgicală care și aceasta necesită un cost suplimentar dacă nu există posibilitatea unei decontări/ajutor financiar.

O operație de înlocuire totală de genunchi poate costa în jur de 2000 € (9000 RON) iar prețul poate varia în funcție de spital/clinică dar și de cât de complicată poate fi această intervenție.

În ceea ce privește costul de realizare fizică a unei proteze totale de genunchi acesta poate varia de la un producator la altul dar cu o diferență minoră.

După o cercetare amănunțită asupra pieții interne și internaționale am urmărit costul materialelor din care este realizată proteza, și anume:

Titan: 15-45$/Kg (achiziționat sub forma unui bloc/cub)

Polietilenă cu greutate moleculară foarte înaltă (UHMW-PE): 1-3$/Kg (achiziționat sub forma unui bloc/cub/granule)

În acest caz pentru platoul tibial și condilul femural ca și proces de realizare se va alege prelucrarea pe mașină comandată numeric (CNC).

Costul prelucrării pe unu CNC poate varia intre 10-500 €/piesă din titan depinzând de complexitatea geometrică și mărimea acesteia.

Platoul tibial se poate realiza fizic prin printare 3D/injecție în matriță. Realitatea certă este că procesul de printare a evoluat destul de mult încât sa ajungă la nivelul procesului de injecție în matriță și cel mai important aspect este costul de producție care este cu mult mai scăzut la procesul de printare decât la cel prin injecție deoarece pentru printarea 3D nu este nevoie de realizarea fizică a unei matrițe de injecție.

6.2 Utilizarea pe scară largă a protezelor

Artroplastia totală de sold este una dintre cele mai de succes operații pe care chirurgii ortopezi le efectuează. Protezarea șoldului este o intervenție chirurgicală electivă, ceea ce înseamnă că pacienții decid dacă și când să aibe loc procedura.

Articulația șoldului este de tip minge-cavitate. Mingea este reprezentată de capul femural și cavitatea de acetabul. Protezarea șoldului implică îndepărtarea capului femural și înlocuirea acestuia cu o bila metalica sau de ceramica. Cartilajul articular de la nivelul acetabulului este îndepărtat cu un instrumentar specific și este înlocuit de o componentă metalică hemisferică acoperită de un plastic special (polietilenă) sau ceramică. Astfel se formează o nouă articulație de sold care permite de cele mai multe ori o mobilitate și o libertate de mișcare mai mare. Componentele care formează proteza de sold pot fi sau nu atașate la os cu ajutorul unui ciment medical. De obicei incizia pe care o fac are o lungime de circa 12-15cm.

Proteza dentară este un element fix sau mobilizabil care înlocuiește dinții absenți.

Cele fixe (punțile dentare) pot fi realizate integral din materiale acrilice, metalice, din ceramică sau din zirconiu, pot fi semifizionomice sau pot fi total fizionomice.

Protezele mobile sunt realizate din rășini acrilice și pot încorpora ceramică pentru o estetică mai bună sau metal pentru un sprijin structural adițional.

Există doua tipuri de proteze dentare mobile: parțială și totală. Proteza va avea un aspect natural și va restabili funcțiile aparatului dento-maxilar și zâmbetul, mai ales atunci când sunt corect îngrijite. Acestea sunt câteva exemple de tipuri de protezare, această metodă fiind raspandită în întreaga lume și cel mai des întalnită la pacienți sunt pe membrele superioare/inferioare și protezele dentare.

ANEXĂ

Desen de execuție – Platou tibial

Desen de execuție – Platou mobil

Desen de execuție – Condil femural

BIBLIOGRAFIE

– Articole de specialitate sub îndrumarea profesorului coordonator Gina Florica-Stoica

– Manualul de informații ‚CORPUL UMAN’ ghid ilustrat de anatomie, fiziologie și afecțiuni ale organismului ediția Litera.

-http://www.doctorortoped.ro/genunchi-si-gamba/tratamente/genunchi-si-gamba/proteza-de-genunchi.html

-http://www.creeaza.com/referate/chimie/INTRODUCERE-IN-BIOMATERIALE551.php

-http://www.clinicco.ro/blog/implantul-protezei-de-sold-sau-genunchi?gclid=Cj0KEQiAn8i0BRDur-HV1PCTy4UBEiQAPuFr9I9sSuWt10Lb3WPO-Y5uuGmTmAgeWEtyfPmiA5gdAygaAgVo8P8HAQ

– https://ro.wikipedia.org/wiki/Artroplastie

-www.google.com

– http://ortopediaonline.ro/content/view/41/44/

http://ortopediaonline.ro/content/view/41/44/#7

http://www.doctorortoped.ro/genunchi-si-gamba/tratamente/genunchi-si-gamba/proteza-de-genunchi.html

https://www.google.ro/

https://ro.wikipedia.org/wiki/Artroplastie

http://www.biotechnic.ro/proteze-de-genunchi/

http://www.scritub.com/stiinta/fizica/Analiza-structurala441181917.php

www.resist.pub.ro/Cursuri_master/MNMSD/MASTER_SIM.ppt

http://www.dielectriccorp.com/downloads/thermoplastics/uhmw.pdf

Proteza Totală de Genunchi

Proteza Totală de Şold

https://draristide.ro/proteza-dentara/

– Studiul de piață privind costul materialelor/procese de realizare fizică:

https://www.alibaba.com/?src=sem_ggl&cmpgn=678190955&adgrp=34276573373&fditm=&tgt=kwd-14739453&locintrst=&locphyscl=1011795&mtchtyp=e&ntwrk=g&device=c&dvcmdl=&creative=148007444330&plcmnt=&plcmntcat=&p1=&p2=&aceid=&position=1t1&gclid=Cj0KEQjwmIrJBRCRmJ_x7KDo-9oBEiQAuUPKMswIxbBMhA16oxudsUPvDWEAWH5edXCxiXn3OQeHT1waAqDd8P8HAQ

– Surse imagini:

Program de proiectare CATIA V5

http://www.doctorortoped.ro/genunchi-si-gamba/tratamente/genunchi-si-gamba/proteza-de-genunchi.html

https://www.google.ro/search?q=rezultatele+artroplastiei+de+genunchi&biw=1440&bih=763&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjSvorx_fLOAhWJnRoKHV28BEYQ_AUIBigB#imgrc=zI7UGP5S2d0-GM%3A

https://www.google.ro/

http://www.ortopedchirurg.ro/chirurgie-artroplastica~artroplastia-de-genunchi~15