A new concept model for instrumented active orthopaedic implants

Abstract

Total hip replacement (THR) is one of the most performed surgical procedures around the world. Millions of THR are carried out worldwide each year. Currently, THR revision rates can be higher than 10%. A significant increase of the number of primary and revision THRs, mainly among patients less than 65 years old (including those under 45 years old) has been predicted for the forthcoming years. A worldwide increase in the use of uncemented fixation has also been reported, incidence caused mainly by the significant increase of more active and/or younger patients. Besides the significant breakthroughs for uncemented fixations, they have not been able to ensure long-term implant survival. Up to date, current implant models have shown evidences of their inability to avoid revision procedures. The performance of implants will be optimized if they are designed to perform an effective control over the osseointegration process. To pursue this goal, improved surgical techniques and rehabilitation protocols, innovative bioactive coatings (including those for controlled delivery of drugs and/or other bio-agents in the bone-implant interface), the concepts of Passive Instrumented Implant and Active Instrumented Implant have been proposed. However, there are no conclusive demonstrations of the effectiveness of such methodologies. The main goal of this thesis is to propose a new concept model for instrumented implants to optimize the bone-implant integration: the self-powered instrumented active implant with ability to deliver controlled and personalized biophysical stimuli to target tissue areas. The need of such a new model is demonstrated by optimality analyses conducted to study the performance of instrumented and non-instrumented orthopaedic implants. Promising results on the potential of a therapeutic actuation driven by cosurface-based capacitive stimulation were achieved, as well as for self-powering instrumented active implants by magnetic levitation-based electromagnetic energy harvesting.

A artroplastia total da anca (THR) é um dos procedimentos cirúrgicos mais realizados à escala global. Milhões de THRs são realizadas todos os anos em todo o mundo. Atualmente, as taxas de revisão destas artroplastias podem ser superiores a 10%. O número de THRs primárias e de revisão têm aumentado e estima-se que cresçam acentuadamente nos próximos anos, principalmente em pacientes com idades inferiores a 65 anos (incluindo aqueles com menos de 45 anos). Também se tem verificado uma tendência generalizada para o uso de fixações não cimentadas, incidência principalmente causada pelo aumento significativo de pacientes mais jovens e/ou activos. Embora se tenham realizado avanços científicos no projeto de implantes não cimentados, têm-se verificado o seu insucesso a longo-prazo. Encontram-se evidências da ineficácia dos modelos de implantes que têm sido desenvolvidos para evitar procedimentos de revisão. O desempenho dos implantes será otimizado se estes foram projetados para controlarem eficazmente o processo de osseointegração. Para se alcançar este objetivo, têm sido propostas a melhoria das técnicas cirúrgicas e dos protocolos de reabilitação, a inovação dos revestimentos (onde se incluem os revestimentos ativos projetados para a libertação controlada de fármacos e/ou outros bio-agentes) e os conceitos de Implante Instrumentado Passivo e Implante Instrumentado Ativo. Contudo, não existem demonstrações conclusivas da eficácia de tais metodologias. O principal objetivo desta tese é propor um novo modelo de conceito para implantes instrumentados para se otimizar a integração osso-implante: o implante instrumentado ativo, energeticamente auto-suficiente, com capacidade de aplicar estímulos biofísicos em tecidos-alvo de forma controlada e personalizada. A necessidade de um novo modelo é demonstrada através da realização de análises de otimalidade ao desempenho dos implantes instrumentados e não-instrumentados. Foram encontrados resultados promissores para o controlo otimizado da osseointegração usando este novo modelo, através da atuação terapêutica baseada na estimulação capacitiva com arquitetura em co-superfície, assim como para fornecer energia elétrica de forma autónoma por mecanismos de transdução baseados em indução eletromagnética usando configurações baseadas na levitação magnética.