Análise da pressão de contato em um modelo 3D de dual

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3564 (2023) Citar este artigo

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Próteses de articulação do quadril são usadas para substituir a função da articulação do quadril no corpo humano. A mais recente prótese de articulação do quadril com dupla mobilidade possui um componente adicional de revestimento externo que atua como cobertura para o componente do revestimento. A pesquisa sobre a pressão de contato gerada no modelo mais recente de uma prótese de articulação do quadril com dupla mobilidade sob um ciclo de marcha nunca foi feita antes. O modelo é feito de polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) no revestimento interno e aço inoxidável 316L (SS 316L) no revestimento externo e na taça acetabular. A modelagem de simulação usando o método de elementos finitos é considerada carga estática com um solucionador implícito para estudar o projeto de parâmetros geométricos de próteses de articulação de quadril de dupla mobilidade. Neste estudo, a modelagem de simulação foi realizada aplicando ângulos de inclinação variados de 30°, 40°, 45°, 50°, 60° e 70° ao componente da cúpula acetabular. Cargas tridimensionais foram colocadas nos pontos de referência da cabeça femoral com variações do diâmetro da cabeça femoral utilizadas em 22 mm, 28 mm e 32 mm. Os resultados na superfície interna do liner interno, na superfície externa do liner externo e na superfície interna do copo acetabular mostraram que as variações no ângulo de inclinação não têm um efeito importante no valor máximo da pressão de contato no componente do liner , onde a cúpula acetabular com ângulo de inclinação de 45° pode reduzir a pressão de contato mais do que as demais variações de ângulo de inclinação estudadas. Além disso, constatou-se que o diâmetro de 22 mm da cabeça femoral aumenta a pressão de contato. A utilização de uma cabeça femoral de maior diâmetro com configuração de cúpula acetabular com inclinação de 45° pode minimizar o risco de falha do implante devido ao desgaste.

Uma prótese de quadril de dupla mobilidade foi introduzida para reduzir o risco de luxação em até 0,9% durante 10 anos de uso1 e aumentar a estabilidade geral e a amplitude de movimento2,3. Foi feito para aumentar a amplitude de movimento quando usado no dia a dia4. Uma amplitude de movimento estendida pode evitar o impacto na prótese da articulação do quadril. Duas interações gerais que ocorrem em um modelo convencional de prótese de articulação do quadril com dupla mobilidade são a cúpula acetabular com o liner e o liner com a cabeça femoral, causando desgaste em dois locais diferentes5,6.

O polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) é um material amplamente utilizado, especialmente como material de suporte para cirurgia de substituição da articulação do quadril7,8. O tipo de UHMWPE utilizado na área médica possui peso molecular que varia de 3,5 a 6 milhões de g/mol e possui grau de cristalinidade que varia de 50 a 55%9. Além disso, os metais são amplamente utilizados na área ortopédica, tanto em equipamentos temporários quanto permanentes. A utilização de metal em equipamentos ortopédicos permanentes (próteses) não pode ser separada da consideração das reações químicas que podem ocorrer quando detritos metálicos interagem com tecidos corporais, especialmente ossos10,11,12.

Adam et al.13 descobriram que existem dois tipos de desgaste. O desgaste resultante da interação da superfície convexa tem um valor maior do que aquele que ocorre em uma superfície côncava. A osteólise e a metalose são causadas por detritos resultantes do desgaste que ocorre nos componentes da prótese da articulação do quadril com dupla mobilidade14,15. Para reduzir a quantidade de detritos de desgaste do polietileno, um componente de cobertura feito de metal foi adicionado ao revestimento para que a superfície convexa do polietileno não sofresse grande desgaste. Além disso, o modelo de prótese de articulação do quadril com dupla mobilidade de Saputra et al.16 possui um componente de revestimento externo adicional que cobre todo o revestimento de polietileno.

Testes experimentais e clínicos para avaliar o desgaste em próteses articulares de quadril com dupla mobilidade requerem custos mais elevados, equipamentos sofisticados e prazos mais longos17,18,19. Para evitar os obstáculos enfrentados pelos estudos experimentais e clínicos, simulações computacionais baseadas no método dos elementos finitos podem ser uma opção estratégica20,21. Esta abordagem também pode ser a base para pesquisas iniciais sobre o desenvolvimento de uma prótese de articulação do quadril de dupla mobilidade com vários parâmetros, para que possa avaliar os custos e a energia desperdiçada em esforços de tentativa e erro antes de continuar com testes experimentais e clínicos em futuras etapas. pesquisar. A simulação computacional desempenha um papel fundamental na previsão da pressão de contato e nos esforços para reduzi-la com vários parâmetros estudados em uma prótese de articulação do quadril com dupla mobilidade. A pressão de contato é um aspecto importante porque tem uma relação linear com o desgaste, que é uma das causas da falha do implante22,23.