Desenvolvimento de modelo numérico da interface cimento-osso na artroplastia cimentada

Abstract

A taxa de incidência da artroplastia primária e de revisão na população mundial tem vindo a aumentar, principalmente associada a grandes articulações: anca, joelho e ombro. Uma das variáveis associada à artroplastia é o tipo de ligação entre o implante e o osso do paciente, pois esta estará associado ao sucesso ou insucesso de uma artroplastia a curto prazo. Assim o estudo da interface osso-cimento no caso de artroplastias cimentadas revela-se como um fator decisivo para o sucesso de qualquer artroplastia. Neste âmbito, este trabalho tem por base o desenvolvimento de um modelo que permita replicar a interface osso-cimento e cimento-haste de forma a aferir o seu comportamento a longo prazo. Para o efeito, foi desenvolvido um modelo experimental e um modelo de elementos finitos de uma secção da artroplastia cimentada, situada na epífise de um osso longo, considerando o osso cortical, o osso trabecular, o cimento ósseo e a haste do implante. Experimentalmente, a arquitetura do osso trabecular foi reproduzida através de espumas de poliuretano de três densidades distintas: 7,5, 10 e 12 PCF. As amostras foram submetidas a ensaios mecânicos de tração, em conjunto com correlação digital de imagem. Foi ainda efetuado um ensaio de extensometria de forma a obter deformações locais no cimento. Numericamente, a reconstrução da geometria do osso esponjoso baseou-se em scans de uma espuma de poliuretano de densidade 7,5 PCF, obtidos por microtomografia raio-X computorizada ( CT). Foi considerada uma simetria em relação ao eixo de revolução do implante. Calculou-se uma correlação linear de r=0,72 e uma correlação quadrática de =0,61 entre os dois modelos. Foi avaliada a influência de quatro variáveis associadas à artroplastia cimentada: acabamento da superfície da haste do implante, propriedades mecânicas e elásticas do cimento ósseo, espessura da camada de cimento (avaliadas numericamente) e densidade do osso trabecular (avaliada experimentalmente). O aumento de atrito entre a haste e o cimento demonstrou reduzir as tensões solicitadas no cimento, contudo, verificou-se convergência no efeito. Um coeficiente de 0,3 parece oferecer resultados favoráveis. O aumento do módulo de elasticidade e tensão de rotura do cimento traduziu-se na diminuição das tensões médias deste, contudo aumentam as tensões locais na interface cimento-osso. Um cimento de 2,5 GPa ofereceu resultados mais equilibrados. A espessura da camada de cimento revelou ter uma influência substancial nas tensões e deformações do osso e do cimento. O estudo indica que camadas entre 5,5 e 7,5 mm de espessura oferecem resultados mais favoráveis na resistência de ambos os componentes. Os resultados experimentais sugerem que o aumento da densidade do osso aumenta a rigidez e estabilidade da estrutura mas reduz a aposição de cimento, aumentando o risco de falha na interface cimento-osso.

The incidence rate of primary and revisision arthroplasties has been increasing, especially when associated with larger joints: hip, knee and shoulder. One of the variables associated with arthroplasty is the kind of fixation between the implant and the patient’s bone, since this will determine the short-term success or failure of the arthroplasty. Therefore, the study of the cement-bone interface, in the case of cemented arthroplasties, becomes a decisive factor to the success of any arthroplasty. Thus, this work aims to develope a model that reproduces the bone-cement and the implant-cement interfaces, in order to assess its long-term behaviour. For this purpose, an experimental and a finite element model of a section of a cemented arthroplasty located at the epiphysis of a long bone was developed, considering the cortical bone, trabecular bone, bone cement and the stem of the implant. Experimentally, the structure of the trabecular bone was reproduced as a polyurethane foam in three diferent densities: 7.5,10 and 12 PCF. The samples were subjected to a tensile test and digital image correlation simultaneously. In order to obtain local strains at the cement mantle, it was also used strain gauges. Numerically, the structure of the trabecular bone was reconstructed using computed microtomography ( CT) of a 7.5 PCF polyurethane foam. Axis symmetry along the steam revolution axis was considered. A linear correlation of r=0.72 and a nonparametric correlation of =0,61 was calculated between the two models. The influence of four variables associated with the cemented arthroplasty were evaluated: implant surface finish, bone cement’s mechanical and elastic properties, cement mantle thickness (evaluated numerically) and trabecular bone density (evaluated experimentally). The increase of friction between the implant and the cement resulted in a decrease of the latest tensions, however, there was convergence in the effect. A 0.3 friction coefficient seems to offer good results. The increase of cement elastic modulus and ultimate tensile strength have decreased the mean tensions in the cement, but in contrast, increased the local stresses. The results indicate a cement of 2.5 GPa as more suitable. A substantial influence of cement mantle thickness was observed in the cement and bone stresses and strains. The study indicates a cement mantle of 5.5-7.5 mm provides better results in both components strength. The experimental results suggest that greater bone densities provide stability and a stiffer structure. On the other hand, cement aposition decreases, increasing cement-bone interface failure risk.