Controlo de temperatura na artroplastia cimentada da anca

Abstract

Presentemente, a maioria dos implantes ósseos são fixos ao osso recorrendo a cimento ósseo (PMMA). O processo de polimerização do PMMA inicia-se normalmente na interface PMMA-Osso, já que esta se encontra á temperatura mais elevada, sendo por esta razão a interface Implante-PMMA a última a polimerizar. Este processo conduz à existência de imperfeições tais como porosidades e microfissuras nesta interface. Tais imperfeições podem agir como núcleos de iniciação da fratura do PMMA, promovendo o fenómeno de osteólise e também a falência da ligação mecânica Implante-Osso. A polimerização do PMMA é uma reação exotérmica, com o consequente aumento de temperatura do PMMA e da sua envolvente. O aumento da temperatura no osso para além dos limites tolerados pelo organismo é apontado como uma das razões para o surgimento de necrose no osso, colocando em causa a longevidade da artroplastia. Assim, torna-se desejável melhorar a qualidade mecânica da interface Implante-PMMA através do aumento da temperatura do implante na fase inicial do processo de polimerização e na fase sequente evitar que esse acréscimo da temperatura possa contribuir para um aumento do risco de necrose de origem térmica no osso. Para alcançar estes dois objetivos foi desenvolvido um dispositivo de controlo da temperatura do componente femoral da articulação da anca, objeto de estudo da presente tese. Numa primeira etapa deste trabalho avaliou-se a diversidade de implantes, assim como o espaço livre para a utilização do novo dispositivo durante a artroplastia. De seguida procedeu-se ao desenvolvimento de modelos numéricos exploratórios para avaliar a evolução das temperaturas no osso e haste femoral durante a polimerização. Em seguida procedeu-se à avaliação experimental "in-vitro" do processo de polimerização em modelos de fémur sintético e animal, avaliando a eficiência do dispositivo desenvolvido. Os resultados evidenciaram a capacidade do dispositivo em aumentar a temperatura proximal do implante, assim como a capacidade de reduzir o potencial efeito de necrose de origem térmica no osso adjacente. Finalmente desenvolveram-se modelos numéricos que replicaram os modelos experimentais, sendo que os resultados obtidos evidenciaram uma boa correlação entre ambos os tipos de modelos. Por fim procedeu-se a uma adaptação dos modelos numéricos às condições do osso humano durante a artroplastia da anca. Os resultados obtidos nestas condições evidenciaram a capacidade de o dispositivo desenvolvido aumentar a temperatura proximal da haste femoral na fase inicial de polimerização, promovendo-a a partir da interface Implante-PMMA, assim como, na fase subsequente evitar um acréscimo da temperatura no osso adjacente ao implante. Em conclusão, o dispositivo desenvolvido contribui positivamente para o incremento da resistência mecânica da interface Implante-PMMA proximal não potencializando o efeito de necrose térmica óssea.

Nowadays, the prostheses are fixed to the bone using bone cement (PMMA). The polymerisation process usually begin on bone-cement interface once this edge are in a higher temperature, this is also the reason to cement-steam interface be the last to polymerises. The polymerisation process has some problems such as porosity and microcracks on cement-steam interface. These problems could act as initiation nuclei to PMMA fracture, promoting osteolysis and implant loosening. The PMMA polymerisation is an exothermal reaction with temperature increase on PMMA and their neighbourhood. The temperature increase on bone beyond the body limits is identified as the reason of thermal necrosis, wondering the arthroplasty longevity. Therefore, is pretended improve the mechanical properties of cement-steam interface by heating the implant before the polymerisation reaction and cooling after that to prevent the occurrence of thermal necrosis. In order to achieve these goals, was developed a temperature control device of femoral steam. Firstly, was checked the implants diversity and the free space to use the device during the surgery. Secondly, was developed exploratory numerical models to estimate the bone and steam temperatures during the PMMA polymerisation. After that, was made “in-vitro” experimental evaluation on synthetic and animal femur bone, evaluating the efficiency of developed device. The results showed the device ability to increase the proximal temperature on implant as also to decrease the potential thermal damage on bone. Finally, was developed numerical models to replicate the experimental models and these showed good correlation between them. On last was proceeded to an adaptation of numerical models to human bone and arthroplasty surgery condition. In these conditions, the obtained results indicated the device ability to increase the proximal temperature of implant on first step promoting the initiation on steam-bone interface of polymerisation reaction as well as on subsequent step avoid the increase of bone temperature. In conclusion, the developed device contributes positively to increase mechanical strength on proximal cement-steam interface not potentiating the effect of thermal necrosis on bone.