Biomecanica fabricaciondeprotesis

BIOMECANICA BIOMECANICA Y Y

DESARROLLO DE PROTESISDESARROLLO DE PROTESIS

Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20091

¿Características de la articulación?


¿¿Como estComo estáá compuesta la articulacicompuesta la articulacióón?n?

�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


Propiedades del cartPropiedades del cartíílago articularlago articular

EL CARTILAGO PRESENTA DOS PROPIEDADES EL CARTILAGO PRESENTA DOS PROPIEDADES PRINCIPALES PRINCIPALES

�� FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEPFENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP

�� FENOMENO DE RELAJACION DE FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONESTENSIONES

FENOMENO DE VISCOELASTICIDAD:FENOMENO DE VISCOELASTICIDAD:

MatemMatemááticamente representable como ticamente representable como comportamiento simultaneo de un fluido comportamiento simultaneo de un fluido

viscoso y un sviscoso y un sóólido ellido eláásticostico


FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEPFENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP

Aplicación CARGA CONSTANTE en el tiempo => DEFORMACION VARIABLE en el tiempo



FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONESFENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONES

Aplicación DEFORMACION CONSTANTE en el tiempo => CARGA VARIABLE en el tiempo



CaracterCaracteríísticas biomecsticas biomecáánicas del huesonicas 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


¿¿Que es la BIOTRIBOLOGIA?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



ROZAMIENTO

F = μμμμ x N

� Rozamiento de superficie� Rozamiento seco

� Rozamiento límite

� Rozamiento hidrodinámico

� Rozamiento interno


¿¿Que es la BIOTRIBOLOGIA?Que es la BIOTRIBOLOGIA?DESGASTE

Perdida de material debido a factores químicos o mecánicos

•Adhesivo: material que se adhiere al otro

•Por fatiga: material que supera limites de rotura y se desprende

•Abrasivo:material que se desprende del otro

•Por corrosión: material que se desprende por factores químicos



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


¿¿Que es la BIOTRIBOLOGIA?Que es la BIOTRIBOLOGIA?LUBRICACION

... ¿qué ocurre en la superficie articular ?

LUBRICACION ELASTO-HIDRODINAMICA


APLICACIAPLICACIÓÓN DE LOS N DE LOS PRINCIPIOS BIOMECANICOS PRINCIPIOS BIOMECANICOS AL DISEAL DISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES

PROTESICOS PROTESICOS TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS


DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS

•Cadera

•Rodilla

•Humero

•Tobillo

Los fenómenos vistos anteriormente se utilizan en....

... EL DISEÑO DE IMPLANTES PARA REEMPLAZO ARTICULAR E IMPLANTES PARA

OSTEOSINTESIS•Interfalanges

•Placas, clavos y tornillos

•Elem. p/columna



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


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


Las herramientas comúnmente utilizadas son:



¿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



•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




•Otros factores

- Tipo de paciente al que se implantará

- Técnica quirúrgica utilizada

- Patología previa presentada por el paciente

- Factores particulares




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.




BIOMATERIALES


Material MóduloElástico(MPa)

Resistencia(MPa)

Deformación máxima(%)

Densidad(g/cm3)

PolímerosSiliconaNylonUHMWPEPMMA

1-10280015003000

6-7763460

350-36090

200-2501-3

1.12-1.231.14

0.93-0.941.10-1.23

MetalesAcero AISI 316LCo-CrTi6Al4V

200000230000110000

540-620900900

55-606010

7.99.24.5

CerámicasAlúminaCarbón pirolíticoHidroxiapatita

363000280000120000

490517150

<1<1<1

3.91.5-2.0

3.2

TejidosPielHueso (fémur)Diente (dentina)

0.34/381720013800

7.6121138

601<1

1.02.01.9

DISEÑO DE LOS COMPONENTES



METODO DE ANCLAJE DE LOS COMPONENTES

•Cemento óseo polimetilmetacrilato PMMA

•Método PRESS-FIT (ajuste mecánico)

•Método recubrimiento poroso (ajuste biológico)



PROCESOS UTILIZADOS PARA LA FABRICACION

•Normas técnicas de producto y de calidad, disposiciones legales

•Tecnología utilizada para la fabricación: CAD-CAM-CAE / 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.



El resultado final son las siguientes características que presentan diferentes tipos de implantes comercializables

actualmente....


PROTESIS PARA CADERAPROTESIS PARA CADERAA) Implantes para REEMPLAZO Implantes para REEMPLAZO PARCIALPARCIAL

B) Implantes para REEMPLAZO TOTALImplantes 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

DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS


CARACTERISTICAS DE DISEÑO

Superficies menos congruentes

Alojam. para LCA / LCP

No requiere base de anclaje

PROTESIS PARA RODILLAPROTESIS PARA RODILLA



Requiere base de anclajeLeva de estabilización que proporciona el mov. de roto-

traslación

CARACTERISTICAS DE DISEÑOPROTESIS PARA RODILLAPROTESIS PARA RODILLA



Leva de estabilización que proporciona el mov. de roto-

traslación

Vástagos intramedulares que proporcionan mayor estabilidad y distribución de cargas ante

inestabilidades

Cajón de estabilización que proporciona el mov. de roto-traslación y estabilidad en abducción-aducción

Corrección de varo-valgo mediante cuñas

CARACTERISTICAS DE DISEÑOPROTESIS PARA RODILLAPROTESIS PARA RODILLA



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 instrumentos



BibliografBibliografíía consultadaa 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 consultadosSitios web consultados

- Zimmer Inc. (USA)- Joint Replacement (Johnson & Johnson - DePuy - USA)- Exactech (USA)- Biomet (USA)- Google Images


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