Controlo de temperatura do cimento ósseo na artroplastia cimentada

Abstract

Actualmente, a maioria dos implantes ´osseos utilizados na reconstru¸c˜ao articular s˜ao fixos ao osso recorrendo a cimento ´osseo designado comercialmente por polimetilmetacrilato (PMMA). No processo de polimeriza¸c˜ao do PMMA d´a-se uma reac¸c˜ao exot´ermica com liberta¸c˜ao de calor e o consequente aumento de temperatura. O aumento da temperatura (45 -80 ) para al´em dos limites tolerados pelo organismo ´e apontado como uma das raz˜oes para o surgimento de necrose no osso, conduzindo `a impossibilidade/ dificuldade de regenera¸c˜ao do mesmo, colocando em causa a longevidade da artroplastia. O processo de polimeriza¸c˜ao, inicia-se normalmente na interface cimento-osso j´a que esta se encontra `a temperatura mais elevada (corpo humano), promovendo-se assim a polimeriza¸c˜ao, ao longo da espessura do manto de cimento, no sentido do osso para o implante. O facto da interface cimento-implante ser a ´ultima a polimerizar conduz `a existˆencia de imperfei¸c˜oes na mesma. Tais imperfei¸c˜oes podem agir como n´ucleos de inicia¸c˜ao de fissura¸c˜ao do cimento ´osseo originando a sua fractura posterior e conduzindo ao fen´omeno de oste´olise. Pelos motivos apontados torna-se interessante, de forma a melhorar a qualidade mecˆanica da interface cimento-implante, aumentar da temperatura do implante na fase inicial de polimeriza¸c˜ao do cimento ´osseo e simultaneamente evitar que a temperatura de polimeriza¸c˜ao origine necrose de origem t´ermica no osso. Para alcan¸car estes dois objectivos foi desenvolvido um dispositivo de controlo da temperatura do cimento ´osseo, objecto de estudo da presente tese. A primeira etapa deste estudo consistiu na constru¸c˜ao e desenvolvimento do dispositivo electr´onico utilizado. Este desenvolvimento passou pela constru ¸c˜ao f´ısica do dispositivo adaptado `a artroplastia tibial do joelho e pelo processo de programa¸c˜ao do seu software de controlo. Numa segunda etapa procedeu-se `a avalia¸c˜ao experimental da eficiˆencia do dispositivo no aquecimento do prato tibial assim como na temperatura m´axima desenvolvida no cimento ´osseo, utilizando para isso osso fresco bovino. Numa terceira fase desenvolveram-se modelos num´ericos que simularam o processo de polimeriza ¸c˜ao do cimento ´osseo na t´ıbia proximal humana de forma a quantificar nestas condi¸c˜oes a eficiˆencia deste dispositivo, avaliando-se tamb´em a distribui ¸c˜ao de temperaturas no osso. Os resultados obtidos evidenciaram a capacidade de o dispositivo desenvolvido aumentar a temperatura do implante na fase inicial de polimeriza¸c˜ao do cimento ´osseo, promovendo-a a partir da interface cimento-pr´otese, assim como, reduzir a temperatura m´axima do cimento ´osseo, evitando o efeito de necrose t´ermica no osso. Em conclus˜ao, o dispositivo desenvolvido contribui positivamente para o incremento da resistˆencia mecˆanica da interface cimento-implante e reduz o efeito de necrose t´ermica ´ossea.

At present, most of the orthopaedic implants used in articular reconstruction are fixed to the bone using bone cement commercially known as polymethylmetacrylate (PMMA). The PMMA polymerization process leads to an exothermic reaction with heat release and the consequent temperature rise. The increase of the temperature (45ºC-80ºC) beyond the tolerated limits for the organism is pointed as one of the reasons with respect to the arise of necrosis in the bone, leading to the impossibility/difficulty of its regeneration, compromising the arthroplasty longevity. The polymerization process normally initiates at the cement-bone interface due to its highest temperature (human body), promoting the polymerization, throughout the cement mantle thickness, in the bone-implant direction. The fact of the cement-implant interface being the last one to polymerize leads to the existence of imperfections in this area. Such imperfections can initiate the fissuration process of the bone cement originating its posterior fracture and leading to ostheolysis. For the mentioned reasons, it becomes interesting, in order to improve the mechanical quality of the cement-implant interface, to increase the temperature of the implant in the initial phase of cement bone polymerization and simultaneously to prevent thermal bone necrosis originated by polymerization temperature. To achieve these two objectives, a cement bone temperature control device was developed - subject of study of the present thesis. The first stage of this study was the construction and development of this electronic device. This development involved the physical construction of the device adapted to the tibial knee arthroplasty and the programming process of its control software. In a second stage, it was proceeded the experimental evaluation of device efficiency in its tibial plate heating function as well as in the reduction of maximum temperature developed in the cement bone using, for this, bovine fresh bone. In the last phase, numerical models were created simulating the bone cement polymerization process in the human proximal tibia in order to quantify, in these conditions, the efficiency of this device, evaluating also the temperatures distribution in the bone. The results showed the capacity of the developed device to increase the implant temperature at the initial bone cement polymerization phase, promoting it from the cement-implant interface, as well as, to reduce the maximum temperature of the bone cement, preventing the effect of thermal necrosis in the bone. In conclusion, the developed device contributes positively for the increment of the mechanical resistance of the cement-implant interface and reduces the effect of thermal bone necrosis.