Biomecânica da articulação tibiotársica - nativa versus artroplástica

Abstract

A artrodese, operação cirúrgica que consiste na imobilização de uma articulação através da fusão óssea, era a solução preferida para reparar lesões graves na articulação do tornozelo. No entanto, esta solução apresenta uma grande limitação relacionada com falta de mobilidade na articulação, o que limita fortemente o aspeto da mobilidade e qualidade de vida dos pacientes. Assim, surge mais recentemente a artroplastia da articulação tibiotársica como uma solução para manter a mobilidade da articulação. No entanto, apesar de os primeiros modelos de implantes para a articulação tibiotársica terem surgido há mais de 30 anos, e ter existido uma evolução contínua do seu design e materiais continuam a existir problemas associados a artroplastia desta articulação normalmente associada a elevados níveis de insucesso. Assim, o objetivo da presente dissertação foi realizar uma caracterização biomecânica do ponto de vista estrutural da articulação nativa e protésica com um dos implantes de última geração, por forma a melhor conhecer o comportamento das estruturas ósseas adjacente e identi car possíveis riscos para o sucesso deste procedimento tais como; sobrecarga localizada associada ao efeito de fratura óssea por fadiga ou efeito de stress-shielding normalmente associado à reabsorção óssea a termo em torno de implantes. Foram assim desenvolvidos modelos geométricos da articulação tibiotársica a partir de imagens de ressonância magnética de um paciente com a articulação saudável. Posteriormente com base nesta informação geométrica foram desenvolvidos modelos de elementos nitos da articulação nativa primeiramente e depois da protésica após reconstrução geométrica dos componentes do implante Salto Talaris ® Total Ankle Prosthesis. Com base nestes modelos foram analisadas duas condições de ligação do implante ao osso; uma em atrito representativa de uma condição pós operatória, e rigidamente ligado ao osso representativa de uma situação clinica de longo termo. A estes modelos foram aplicadas condições de carga e fronteiras representativas do ciclo de marcha e da corrida para três posições angulares distintas da articulação. Os resultados obtidos evidenciam que nem a tíbia nem o tálus são imunes a introdução do implante, pois ambas as estruturas ósseas exibem alterações signi cativas nos níveis de deformação óssea aquando da artroplastia. Na situação pós-operatória os níveis de deformação no osso esponjoso e cortical foram em determinadas localizações bastantes superiores aos níveis de deformação da articulação intacta. Este aumento do nível de deformação por sobrecarga localizada pode ser associado a um risco de fratura óssea por efeito de cargas cíclicas ou seja de fadiga. Assim, será de todo conveniente nesta situação pós operatória que o paciente realize apenas carga parcial sobre a articulação por forma a reduzir o risco identi cado, isto pode ser feito com a utilização de muletas. Ainda na situação pós-operatória, para o ciclo de marcha do caminhar os micromovimentos entre o implante e os osso foram bastante reduzidos e inferiores ao limite para a promoção da adesão óssea, evidenciado o favorável design do implante, Durante a corrida, no tálus o valor dos micromovimentos está acima do valor limite para o risco de não osteointegração, o que poderá levar à migração do implante. Já na situação de longo termo, em que é suposto uma ligação rígida do implante ao osso, foram identi cadas regiões em que os níveis de deformação no osso foram inferiores aos observados na articulação intacta, estando portanto associado um efeito de stress-shielding e logo de reabsorção óssea. No entanto a magnitude das reduções de deformação observadas não parecem por si só sufi cientes para que este fenómeno possa apresentar um risco real. Igualmente os níveis das tensões de vonMises identi cados nos diferentes componentes do implante foram sempre inferiores às tensões limite de fadiga dos respetivos materiais, pelo que o risco de dano do implante é reduzido. Podemos assim concluir que do ponto de vista estrutural os riscos associados à artroplastia tibiotársica com este implante perecem reduzidos, apesar de estes resultados necessitarem de uma validação complementar ao nível experimental.

Arthrodesis, surgical immobilization of a joint by a bone fusion, was the favorite solution to repair serious injuries of the ankle joint. However this solution results in to a terrible limitation related to lack of the joint?s mobility, restricting the mobility and the patient?s quality of life. Therefore, it was from this problem that the arthroplasty of the ankle joint emerged, becoming the best solution to maintain the joint?s mobility. However, and despite of the rst implant models have appeared more than 30 years ago and that there has been a continuous evolution of its design and materials, there are still some problems related to ankle?s arthroplasty, usually associated to high levels of failure. So, the purpose of this dissertation was to do a biomechanical characterization from a structural point of view of the native and prosthetic joint with one of the last generations? implant, in order to know the adjacent bones structure behavior and to identify possible risks for the success of this procedure, such as: the localized overload related to the effect of the bone fracture by fatigue or effect of stress-shielding, usually associated to the bone reabsorption around implants. This way, were therefore performed geometric models of the tibiotarsal articulation obtained from a CT scan images of a patient with a healthy joint. Subsequently, and based upon this geometric information, there were developed nite element models of the native joint initially, and then of the prosthetic joint after geometric reconstruction of the Salto Talaris® Total Ankle Prosthesis implant? components. Based upon these models, there were analyzed two conditions of connection of the implant to the bone: one in friction representative of a postoperative condition, the other rigidly connected to the bone representative of a clinical situation in a long-term. To these models it was applied load conditions and representative boundary conditions to the gait cycle and to the running phase for three distinct angular positions of the joint. The obtained results showed up that not even the Tibia or even Talus are immune to introduction of the implant, since both bone structures show signi cant modi cations in the levels of bone deformation in the presence of the arthroplasty. In the post-op, the deformation levels on the spongy and cortical bone were in certain locations much higher to the deformation levels of the intact joint. This increase of the deformation level by located overload can be associated to a risk of bone fracture by e ect of the cyclical loads, in other words, of fatigue. So, it will be appropriate in this post-operative situation that the patient only does partial weight-bearing on the joint to reduce the identi ed risk. For that, the patient should use crutches or others walking aids to help him with mobility and protect the implant and the joint. Still in the postoperative situation, for the walking gait cycle the micromovements between the implant and the bones very reduced and inferior to the limit for a promotion of bone adhesion. During the run, in the talus, the value of micromovements is above the limit value for the risk of nonosseointegration, which may lead to implant migration. In the long-term situation, where a rigid bone-to-bone connection is assumed, regions where bone deformation levels were lower than those observed in the intact joint were associated with a stress-shielding effect and, soon after, bone resorption. However, the magnitude of the deformation reductions observed does not in itself appear su cient to present a real risk. Equally, the tensions of Von Mises levels identi ed in the different components of the implant were always lower to the tensions limit of fatigue of the respective materials, which can be concluded that the risk of implant damage is reduced. So, we can conclude that from the structural point of view, the risks associated to the tibiotarsal arthroplasty with this implant seems reduced, despite of these results need a complementary validation at the experimental level.