Estudo e desenvolvimento de uma haste femoral de fixação combinada

Abstract

Na presente tese foi desenvolvida uma nova haste femoral mini-invasiva para a artroplastia da anca, recorrendo a um novo conceito de fixação óssea. Este conceito de fixação, designado por fixação combinada, procura simultaneamente garantir uma boa estabilidade inicial do implante através de zonas delimitadas com cimento ósseo, criando as condições de estabilidade necessárias para que o osso possa aderir directamente à superfície metálica do implante promovendo-se a longevidade desta ligação e, finalmente, delimitar a destruição óssea em caso de necessidade de revisão da artroplastia. Foi já desenvolvida uma aplicação deste conceito de fixação à haste de revisão na artroplastia do joelho. Numa primeira etapa identificaram-se as principais estruturas anatómicas da articulação da anca em termos ósseos, ligamentares e musculares, juntamente a biomecânica desta articulação. Igualmente, procurou-se identificar as principais causas da falência da articulação da anca e soluções clínicas para a sua resolução. Numa segunda etapa foi desenvolvido, com recurso a ferramentas de modelação e simulação numérica com elementos finitos, um modelo simples do implante onde o efeito da distribuição e dimensão das cavidades com cimento ósseo nas deformações impostas ao osso e tensões instaladas no cimento ósseo foram analisadas. Os resultados obtidos permitiram para as condições de cargas fisiológicas severas, como o caso da subida de escadas, identificar as regiões mais solicitadas no osso, cimento ósseo e implante, assim como uma avaliação da estabilidade inicial da interface implante osso. De seguida, com base nos resultados do modelo simplificado desenvolveu-se com recurso ao mesmo tipo de ferramentas o implante da anca optimizado em termos de forma e geometria à zona proximal do fémur, procurando-se através da sua geometria uma maximização da superfície de contacto directo entre o implante e osso, assegurar um nível de estabilidade inicial suficiente que promova a adesão do osso sobre o implante e reduzindo para níveis fisiológicos aceitáveis as deformações no osso esponjoso, mantendo as tensões no implante e cimento ósseo inferiores as tensões limite de fadiga destes materiais. Os resultados foram analisados para duas condições da interface implante-osso representativas da situação imediatamente após cirurgia e outra a médio-longo prazo pressupondo uma fixação plena da superfície do implante ao osso. Posteriormente, desenvolveram-se modelos experimentais com recurso a modelos de fémur em material compósito, tendo sido analisados na situação sem e com implante. Estes modelos experimentais foram desenvolvidos com o objectivo de validar os resultados obtidos anteriormente com os modelos numéricos de elementos finitos, quantificar experimentalmente as alterações de transferência de carga após a introdução do implante através do uso de rosetas de extensómetros aplicados proximalmente e avaliar a resistência à fadiga do implante e da sua interface implante-cimento-osso. Para a avaliação à fadiga foram realizados um milhão de ciclos de carga sobre o fémur implantado sendo a carga aplicada neste ensaio representativa de duas vezes o peso do corpo do indivíduo. Este trabalho experimental envolveu a fabricação do implante com recurso a tecnologia de CAD/CAM e máquinas de comando numérico computorizado. Para as cirurgias in-vitro foi desenvolvido e construído o instrumental necessário a geração da cavidade para introdução do implante. Os resultados obtidos experimentalmente e numericamente evidenciaram uma boa correlação, demonstrando a capacidade destes últimos replicarem o comportamento físico do modelo do fémur. Verificou-se igualmente que apesar da reduzida dimensão do implante este altera significativamente a transferência de carga no osso cortical relativamente à situação intacta em especial nos aspectos medial e anterior. Os valores das deformações impostas ao osso esponjoso revelaram- se ligeiramente elevados nas zonas das cavidades com o cimento ósseo na situação simulada imediatamente após cirurgia, reduzindo-se significativamente no caso de médio-longo prazo onde todo o implante é suposto já estar solidário ao osso. Os valores máximos de tensão no implante e cimento ósseo ficaram abaixo da tensão limite de fadiga destes materiais em ambos os cenários analisados, sendo um bom sinal para a longevidade destes materiais. Importante também é o resultado após o ensaio de fadiga de um milhão de ciclos onde implante se mostra bem fixo ao fémur sem sinais de dano na sua fixação. Estes resultados são encorajadores para o sucesso da aplicação deste tipo de fixação combinada ao implante da anca. No entanto mais trabalhos serão necessários de forma a confirmar esta viabilidade.

In the present dissertation a new femoral mini-invasive implant to the hip arthroplasty, was developed using a new bone fixation concept. This fixation concept, designed for combined fixation, seeks to ensure not only a good initial stability of the implant (through delimited areas with bone cement) but also creating the necessary stability conditions for the bone to adhere to the metallic surface of the implant allowing for the longevity of this connection. Finally, this combined fixation also avoids bone destruction if an arthroplasty revision is needed. An application for this implant’s fixation concept has already been developed for a possible knee arthroplasty revision. As a first approach, the main anatomic structures of the hip articulation were identified. In other words, bone, ligament and muscle structures, along with the biomechanical hip articulation data in terms of movement amplitude and muscular force. Using modeling and numerical simulation tools, a simple implant model of fixation was developed. This model was studied with the objective of analyzing the distribution and the cavity dimensions effect with bone cement as well as bone strain and the applied bone cement stress. The applied forces for this study were those for more extenuating activities, such as climbing a flight of stairs. This enabled an easier identification of regions on the bone, bone cement, and implant that are under most stress and/or strain. The obtained results also enabled for an evaluation of the initial stability between bone and implant. Based on the simplified models’ results and on the same numerical tools, the hip implant was optimized in terms of form and geometry in proximal area, seeking through its geometry the maximization of the contact area between the implant and bone, ensuring the sufficient initial stability level that allows the bones adherence to the implant and reducing it until acceptable physiologic levels the trabecular bone deformations, while keeping the implant and cement bone tensions inferior to the fatigue stresses limits of the used materials. The results were analyzed for two implant-bone interface conditions representing the post operative situation and other a medium-long term situation presuming a complete surface fixation of the implant to the bone. Then, and resorting to femur models made in composite material, experimental tests were developed, and both situations (with and without implant) were analyzed. These experimental models were developed with the objective of validating the previously obtained results by the numerical finite element models and experimentally quantifying the strain changes after the implant introduction through the usage of triaxial strain gages applied all over the of the proximal femur area. Finally, fatigue tests were performed on the implant in order to evaluate the implants’ and it’s interface, with bone and bone cement, resistance to strain. For the fatigue tests’ one million cycles on the femur were considered, and the loading conditions represent twice the body’s weight. This experimental work required the manufacturing of the implant resorting to CAD/CAM technology, and computed numerical command (CNC) machines. For the in-vitro surgery, the necessary tools for the creation of the implants’ cavity were developed and built. The numerical and experimental results highlighted a good correlation, showing the trustable capacity of these results to represent the physical behavior of the femur’s model. Although the implants’ dimensions are small, it does significantly alter cortical bone stress transmission when compared with the intact bone. This is particularly true for the lateral and anterior aspects of the bone. The trabecular bones’ imposed deformations revealed to be slightly higher in the areas of the cavity with the bone cement in the post-operative simulated situation. These deformations were significantly reduced in the medium-long term situation where the implant was absorbed by the bone. The maximum stress values on the implant and cement bone lowered when compared to the stress limit of these materials in both analyzed scenarios, this is a good signal for the longevity of these materials. It is also important that after one million cycle’s stress tests, the implant revealed to still be well attached to the femur, without damage signals in its attachment. These results are encouraging for the implementation success of this type of fixation for the hip implant. However, the development of future studies on this topic would be necessary to prove the viability of this study.