Estudo numérico e experimental de uma nova componente femoral da prótese de anca cimentada

Abstract

O ciclo de desenvolvimento de uma prótese de anca envolve diversas fases, culminando na sua experimentação clínica para posterior aprovação pelos organismos competentes para assim ser comercializada e aplicada em cirurgia ortopédica rotineira. O trabalho apresentando nesta tese consistiu na concepção e desenvolvimento de uma nova componente femoral de uma prótese de anca cimentada. Para o efeito, a nova geometria da prótese foi parcialmente concebida tendo por base os resultados analisados de um modelo de elementos finitos simplificado da prótese de anca cimentada. Foram analisadas 12 secções transversais do implante e obtidas as distribuições das tensões equivalentes de von Mises no manto de cimento e as tensões principais máximas e mínimas nas interfaces prótese-cimento e osso-cimento. Depois de gerada inicialmente a nova geometria, esta foi objecto de alterações ao nível da sua parte distal, na zona de transição para a localização de um centralizador e no ângulo de inclinação do colar na direcção anterior-posterior. O desempenho da nova componente femoral foi comparado com os mesmos das próteses Lubinus SPII, Stanmore e Charnley Roundback, estas referenciadas como as de melhores taxas de sucesso nos registos ortopédicos suecos. No mesmo estudo também se analisou o comportamento da prótese Müller Straight, esta por ser a mais utilizada em Portugal. Concebeu-se modelos numéricos de elementos finitos usados nas simulações, que foram feitos com base em tomografias axial computadorizadas de "artroplastias" in vitro realizadas com fémures estandardizados de material compósito. O estudo foi finalizado com o fabrico de protótipos pelo método de fundição por cera perdida e a realização de ensaios in vitro de fadiga. Para a realização das cirurgias in vitro com a nova prótese, foi desenvolvido um instrumental adequado. Foram ensaiadas 3 próteses de cada, tendo sido feita a correlação numérica e experimental entre os padrões de fissuras no manto de cimento e os níveis de descolamentos nas interfaces resultantes do processo de fadiga. Todas as próteses foram sujeitas à fadiga com uma carga sinusoidal de força máxima de 2.5 kN e mínima de 1 kN (estas forças variavam em função do tipo de prótese) a uma frequência de 2.5 Hz. Todos os fémures foram depois seccionados em 12 níveis ao longo da haste da prótese e foi utilizada a técnica de líquidos penetrantes para salientar as fissuras e os descolamentos. Determinou-se as tipologias dos campos de fissuração no manto de cimento e descolamentos nas interfaces prótesecimento e cimento-osso, que foram comparados com os resultados das simulações numéricas: tensões equivalentes de von Mises e tensão e direcção principal máxima, obtendo-se boa concordância. A prótese Müller Straight foi das quatro próteses a que evidenciou pior desempenho; a prótese Stanmore provocou baixa intensidade de fissuras e menores descolamentos. A nova componente femoral desenvolvida, em todas as análises realizadas, apresentou excelente comportamento e, aparentemente, poderá ter desempenho in vivo semelhante às próteses cimentadas usadas nesta tese.

The development cycle of a hip prosthesis involves different phases, finalizing with its clinical testing to be approved by the competent organizations and be commercialised and used in daily orthopaedic surgery. The work presented in this thesis aimed the conception and development of a new femoral component for a cemented hip prosthesis. For this purpose, the new geometry was partially designed based on the numerical results of finite element models of a simplified cemented hip prosthesis. For 12 geometry sections studied the equivalent von Mises stresses at the cement mantle and the minimum and maximum principal stresses at the prosthesis-cement and bone-cement interfaces were analysed and compared. After the initial geometry developed, some changes were performed at the distal tip of the stem, namelly the geometry for the centraliser and the slope angle of the collar at the anteriorposterior direction. The performance of the new femoral component was compared with the same of the Lubinus SPII, Stanmore and Charnley Roundback, these referenced as the ones with the highest success rates in the Swedish Orthopaedic Register. In the same study, the performance of the Müller Straight was also assessed since this design is the most used in Portugal. Finite element numerical models were generated based on computer axial tomography of in vitro arthroplasties made with composite synthetic femurs. The study was finalized with the manufacturing of prototypes using wax loss foundry technology and fatigue testing. To make the in vitro surgeries with the new stems, dedicated instrument was designed and manufactured. Three stems of each of the prostheses used within the study were tested in fatigue and the level of cracking of the cement mantle and interface debonding were compared with the numerical results. All prostheses were loaded in fatigue with a sinusoidal load of maximum load 2.5 kN and a minimum load of 1 kN (these loads were variable and dependent of the prosthesis design) at a frequency of 2.5Hz. All femurs were sectioned at 12 levels and penetrate liquids was used to evidence the cracking and debonding. The typology of the crack patterns of the cement mantle and interface debonding at the stem-cement and bone-cement interfaces were compared with the von Mises stresses and the maximum principal stress directions and good correlations were obtained. The Müller Straight was of all prostheses the one which evidenced the worst performance; the Stanmore prosthesis provoked less cracking and interfaces debonding. The new designed developed evidenced excellent performance and, apparently, can possibly perform as well as the cemented prostheses used in this thesis.