BIOMECANICA Y DESARROLLO DE PROTESIS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 1
¿Características de la articulación?
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 2
¿Como está compuesta la articulación?
Tejido fibroso denso: Matriz sólida de colágeno y elastina
Fluído sinovial compuesto mayormente por un concentrado de agua y ácido hialurónico (prop. de lubricación).
Cápsula sinovial Tejido Oseo: tejido conectivo embebido en una matriz sólida de minerales de calcio y fósforo
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 3
Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE VISCOELASTICIDAD: Matemáticamente representable como comportamiento simultaneo de un fluido viscoso y un sólido elástico EL CARTILAGO PRESENTA DOS PROPIEDADES PRINCIPALES
FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP FENOMENO DE RELAJACION DE
TENSIONES Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 4
Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP Aplicación CARGA CONSTANTE en el tiempo => DEFORMACION VARIABLE en el tiempo
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 5
Propiedades del cartílago articular FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONES Aplicación DEFORMACION CONSTANTE en el tiempo => CARGA VARIABLE en el tiempo
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 6
Características biomecánicas del hueso
Sus medidas no son homogéneas
Grandes desvíos standard y gran diferencia entre rangos
Variación en la densidad
ESTOS FACTORES OBLIGAN A LOS FABRICANTES A REALIZAR ESTUDIOS ANATOMICOS Y BIOMECANICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 7
¿Que es la BIOTRIBOLOGIA?
La tribología es la ciencia que estudia la fricción, lubricación y desgaste de las superficies en contacto.
Se aplica tanto al estudio de las superficies articulares como al desarrollo de las superficies de contacto en los implantes
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 8
¿Que es la BIOTRIBOLOGIA? ROZAMIENTO
F=μxN Rozamiento de superficie Rozamiento seco Rozamiento límite Rozamiento hidrodinámico
Rozamiento interno
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 9
¿Que es la BIOTRIBOLOGIA? DESGASTE Perdida de material debido a factores químicos o mecánicos •Adhesivo: material que se adhiere al otro •Abrasivo:material que se desprende del otro •Por fatiga: material que supera limites de rotura y se desprende •Por corrosión: material que se desprende por factores químicos Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 10
¿Que es la BIOTRIBOLOGIA? LUBRICACION Existe lubricación cuando entre dos superficies sólidas se interpone una película líquida y el fenómeno de fricción se dan entre las superficies sólidas y líquidas Lubricación Hidrostática: Presión ejercida por medios externos
Lubricación Hidrodinámica: Presión ejercida por el propio fluido
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 11
¿Que es la BIOTRIBOLOGIA? LUBRICACION ... ¿qué ocurre en la superficie articular ? LUBRICACION ELASTO-HIDRODINAMICA
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 12
APLICACIÓN DE LOS PRINCIPIOS BIOMECANICOS AL DISEÑO DE IMPLANTES PROTESICOS TRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 13
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Los fenómenos vistos anteriormente se utilizan en.... ... EL DISEÑO DE IMPLANTES PARA REEMPLAZO ARTICULAR E IMPLANTES PARA OSTEOSINTESIS •Cadera •Interfalanges •Rodilla •Humero •Tobillo
•Placas, clavos y tornillos •Elem. p/columna Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 14
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Para el diseño de implantes traumatológicos se siguen los siguientes pasos: •Estudio biomecánico de la articulación •Estudio cinemático: ejes y planos de movimiento, fuerzas y momentos actuantes •Estudio cinético: elementos individuales actuantes y su contribución al movimiento Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 15
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Las herramientas comúnmente utilizadas son: •Método de elementos finitos •Técnicas estéreo-fotogramétricas •Ensayos mecánicos de partes blandas o de articulaciones en cadáveres •Pruebas de biocompatibilidad en modelos •Pruebas de funcionalidad en cadáveres
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 16
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Las herramientas comúnmente utilizadas son:
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 17
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS ¿Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? •Estado de tensiones de la
articulación sana - Magnitud y dirección de las cargas - Resistencia del hueso cortical y esponjoso - Puntos de máxima carga y ubicación en el espacio Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 18
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS ¿Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? •Estado de tensiones buscado de
los componentes protésicos implantados - Transmisión de cargas y puntos de aplicación - Comparación con las cargas aplicadas en la articulación sana - Puntos de concentración de tensiones que puedan conducir al fallo del material - Productos del desgaste: volumen y tamaño de las partículas Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 19
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS ¿Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? •Otros factores - Tipo de paciente al que se implantará - Técnica quirúrgica utilizada - Patología previa presentada por el paciente - Factores particulares
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 20
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS ¿Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular? Teniendo en cuenta los puntos anteriores se definen los siguientes criterios: • Biomateriales a utilizar • Forma de los componentes protésicos • Método de anclaje • Procesos utilizados en la fabricación: Normas, tecnología aplicada, herramientas de control del proceso, etc. Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 21
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
BIOMATERIALES Material
Polímeros Silicona Nylon UHMWPE PMMA
Metales Acero AISI 316L Co-Cr Ti6Al4V
Cerámicas Alúmina Carbón pirolítico Hidroxiapatita
Tejidos Piel Hueso (fémur) Diente (dentina)
Módulo Elástico (MPa)
Resistencia (MPa)
Deformación máxima (%)
Densidad (g/cm3)
1-10 2800 1500 3000
6-7 76 34 60
350-360 90 200-250 1-3
1.12-1.23 1.14 0.93-0.94 1.10-1.23
200000 230000 110000
540-620 900 900
55-60 60 10
7.9 9.2 4.5
363000 280000 120000
490 517 150
<1 <1 <1
3.9 1.5-2.0 3.2
0.34/38 17200 13800
7.6 121 138
60 1 <1
1.0 2.0 1.9
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
DISEÑO DE LOS COMPONENTES
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 23
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS METODO DE ANCLAJE DE LOS COMPONENTES
•Cemento óseo polimetilmetacrilato PMMA •Método PRESS-FIT (ajuste mecánico) •Método recubrimiento poroso (ajuste biológico) Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 24
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS PROCESOS UTILIZADOS PARA LA FABRICACION •Normas técnicas de producto y de calidad, disposiciones legales •Tecnología utilizada para la fabricación: CAD-CAMCAE / Relevam. de datos por RMN / utilización de maquinaria a CNC •Control del proceso: control estadístico de procesos, medición del Cp y Cpk, utilización de herramientas de control como FMEA, arbol de fallas, etc.
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 25
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
El resultado final son las siguientes características que presentan diferentes tipos de implantes comercializables actualmente....
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
PROTESIS PARA CADERA A) Implantes para REEMPLAZO PARCIAL B) Implantes para REEMPLAZO TOTAL B1) Implantes Total CEMENTADO: Ambos componentes se cementan al hueso B2) Implantes Total HIBRIDO: El comp. Acetabular ancla sin cemento y el femoral se cementa B3) Implantes total NO CEMENTADO Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 27
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO
Alojam. para LCA / LCP
Superficies menos congruentes
No requiere base de anclaje
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 28
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO Leva de estabilización que proporciona el mov. de rototraslación
Requiere base de anclaje
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 29
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
PROTESIS PARA RODILLA CARACTERISTICAS DE DISEÑO Cajón de estabilización que proporciona el mov. de rototraslación y estabilidad en abducción-aducción Leva de estabilización que proporciona el mov. de rototraslación Vástagos intramedulares que proporcionan mayor estabilidad y distribución de cargas ante inestabilidades Corrección de varo-valgo mediante cuñas Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 30
DISEÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS Finalmente... los componentes deben ser implantados con instrumentales específicos. El diseño del instrumental es parte del diseño integral del implante y debe asegurar: • Rápido acceso a la articulación mediante una técnica depurada. • Asegurar ángulos y posiciones de cortes precisos • Mínimo tiempo de exposición del paciente • Inserción precisa de los componentes protésicos • Fácil limpieza y esterilización de los Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 31 instrumentos
Bibliografí Bibliografía consultada - Biomecánica articular y sustituciones protésicas - M.Comín, R. Dejoz, C.Atienza, J.Prat, J.L. Peris, P.Vera, A.Gil, C.Reig. - Instituto de Biomecánica de Valencia (1998). - Bearing Surfaces in Total Hip Replacements - State of the Art and Future Development - Harry A. McKellop, Ph.D. (2000) - Artículos del JBJS - American Issues. Sitios web consultados -
Zimmer Inc. (USA) Joint Replacement (Johnson & Johnson - DePuy - USA) Exactech (USA) Biomet (USA) Google Images
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 2009 32
MUCHAS GRACIAS
CONSULTAS:
[email protected]
