Biomecânica da articulação interfalângica proximal-nativa versus artroplástica

Abstract

A presente dissertação teve como principal objetivo o estudo de aspetos biomecânicos da articulação interfalângica proximal da mão, mais precisamente as alterações induzidas pela artroplastia, quando comparado com a articulação no estado nativo. Numa primeira etapa realizou-se uma análise detalhada dos aspetos anatómicos, biomecânicos, patológicos e respetivos tratamentos da articulação com especial enfoque no processo artroplástico desta. Posteriormente, desenvolveram-se os modelos geométricos das estruturas ósseas envolvidas e respetivos implantes com base na digitalização destas estruturas físicas. Na fase posterior desenvolveram-se os modelos numéricos de elementos finitos da condição da articulação nativa e protésica. Os modelos representativos da condição protésica simularam duas situações de interface entre o implante e o osso, por forma a representar duas condições cirúrgicas distintivas, uma representativa de um estado pós cirúrgico e a outra de um estado de médio-longo termo, onde é suposto uma boa ancoragem do implante ao osso. Nestes modelos foram analisados e comparados os estados de deformação no osso, estabilidade do implante e os níveis de tensão no implante para as diferentes condições de carga. De seguida, desenvolveram-se modelos experimentais da articulação com recursos a modelos ósseos especificamente desenvolvidos para o efeito, constituídos por um corpo interior em espuma, replicando a estrutura de osso esponjoso, e uma casca externa em resina epóxi reforçada com fibra de vidro, replicando a estrutura de osso cortical. Estes modelos foram instrumentados com extensómetros nas suas superfícies por forma a avaliar os estados de deformação na sua condição nativa e artroplástica para duas condições de carga distintas representativas de atividades diárias da mão, avaliando-se assim a alterações de transferência de carga no córtex. Os resultados dos modelos numéricos foram comparados com os experimentais, obtendo-se uma boa correlação entre estes. As deformações nas falanges quer nos modelos numéricos, quer experimentais, demonstram uma clara alteração na transferência de carga entre o modelo nativo e o artroplástico. Observou-se um aumento das deformações no osso esponjoso na condição pós-cirúrgica, alterações que estão diretamente relacionadas ao risco de falência do osso por sobrecarga localizada associada a um efeito de fadiga por ação de cargas cíclicas. Na condição de médio-longo termo, o risco identificado está associado a uma redução das deformações nas regiões ósseas vizinhas do implante, relativamente à condição nativa, e pode associar-se este efeito de stressshielding a um potencial risco de reabsorção óssea a termo. Conclui-se assim que a artroplastia da articulação interfalângica proximal altera de forma relevante o comportamento biomecânico das falanges, aportando riscos de origens distintas que eventualmente podem ser minorados por um otimização da geometria e materiais do implante e limitação da condições de carga a impor à articulação num estado pós-cirúrgico.

The main objective of this work was the study of biomechanical aspects of the proximal interphalangeal joint of the hand, specifically the changes induced by arthroplasty, when compared with the joint in the native state. The first step was the accomplishment of a detailed a detailed analysis of the anatomical aspects, biochemical, pathological and respective treatments of the joint with special focus on artroplastic process. After, iwere developed the geometric models of the bone structures involved and their respective implants based on the scanning of these physical structures. Posteriorly, were developed the numerical finite element models of the condition of native and prosthetic joint. Representative models of the prosthetic condition simulate two interface conditions between the implant and the bone in order to represent two distinctive surgical conditions, one refers to a post-surgical state and the other refers to a state of medium to long term, in which is supposed a good anchorage of the implant to the bone. In these models were analyzed and compared deformation states of the bone, the implant stability and the implant voltage levels for different load conditions. Then, were developed experimental models of the joint, through the resource of bone models developed specifically for this purpose, constituted by an inner foam body, replicating the cancellous bone structure, and an outer shell epoxy resin reinforced with fiberglass, replicating cortical bone structure. These models were instrumented with strain gauge on their surfaces, in order to evaluate the deformation states in its native condition and in its arthroplasty condition for two different load conditions that represents daily activities using the hand, evaluating thus the charge transfer changes in the cortex.. The results of numerical models were compared with the experimentals, yielding a good correlation between them. The deformation of the phalanges in the numerical models and in the experimental models, shows a clear change in charge transfer between the native and the artroplastic. There was an increase of deformations in the cancellous bone in post-surgical condition, these changes are directly related to the risk of failure of bone through a located overhead associated with a fatigue effect of the cyclic loading action. In the condition of medium-long term, the identified risk is associated with a reduction of the deformations in the surrounding bone regions of the implant relative to the native condition, and this stress-shielding effect can be associated with the potential risk of bone resorption term. It is therefore concluded that the arthroplasty proximal interphalangeal joint changes the biomechanical behavior of the phalanges, bringing risks of different origins that can possibly be alleviated by optimizing the geometry and implant materials and limiting loading conditions to the joint in a postsurgical state.