BIOMECANICA BIOMECANICA Y Y
DESARROLLO DE PROTESISDESARROLLO DE PROTESIS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20091
¿Características de la articulación?
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20092
¿¿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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20093
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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20094
FENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEPFENOMENO DE FLUENCIA LENTA O CREEP
Aplicación CARGA CONSTANTE en el tiempo => DEFORMACION VARIABLE en el tiempo
Propiedades del cartPropiedades del cartíílago articularlago articular
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20095
FENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONESFENOMENO DE RELAJACION DE TENSIONES
Aplicación DEFORMACION CONSTANTE en el tiempo => CARGA VARIABLE en el tiempo
Propiedades del cartPropiedades del cartíílago articularlago articular
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20096
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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20097
¿¿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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20098
¿¿Que es la BIOTRIBOLOGIA?Que es la BIOTRIBOLOGIA?
ROZAMIENTO
F = μμμμ x N
� Rozamiento de superficie� Rozamiento seco
� Rozamiento límite
� Rozamiento hidrodinámico
� Rozamiento interno
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 20099
¿¿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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200910
¿¿Que es la BIOTRIBOLOGIA?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 200911
¿¿Que es la BIOTRIBOLOGIA?Que es la BIOTRIBOLOGIA?LUBRICACION
... ¿qué ocurre en la superficie articular ?
LUBRICACION ELASTO-HIDRODINAMICA
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200912
APLICACIAPLICACIÓÓN DE LOS N DE LOS PRINCIPIOS BIOMECANICOS PRINCIPIOS BIOMECANICOS AL DISEAL DISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES
PROTESICOS PROTESICOS TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200913
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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200914
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
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 200915
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
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
•Pruebas de funcionalidad en cadáveres
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200916
Las herramientas comúnmente utilizadas son:
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200917
¿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
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200918
•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
¿Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular?
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200919
•Otros factores
- Tipo de paciente al que se implantará
- Técnica quirúrgica utilizada
- Patología previa presentada por el paciente
- Factores particulares
¿Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular?
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200920
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.
¿Que factores se deben considerar para diseñar un implante para reemplazo articular?
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200921
BIOMATERIALES
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
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
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200923
METODO DE ANCLAJE DE LOS COMPONENTES
•Cemento óseo polimetilmetacrilato PMMA
•Método PRESS-FIT (ajuste mecánico)
•Método recubrimiento poroso (ajuste biológico)
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200924
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.
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200925
El resultado final son las siguientes características que presentan diferentes tipos de implantes comercializables
actualmente....
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES O DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSTRAUMATOLOGICOS
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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200927
CARACTERISTICAS DE DISEÑO
Superficies menos congruentes
Alojam. para LCA / LCP
No requiere base de anclaje
PROTESIS PARA RODILLAPROTESIS PARA RODILLA
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200928
Requiere base de anclajeLeva de estabilización que proporciona el mov. de roto-
traslación
CARACTERISTICAS DE DISEÑOPROTESIS PARA RODILLAPROTESIS PARA RODILLA
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200929
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
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200930
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
DISEDISEÑÑO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOSO DE IMPLANTES TRAUMATOLOGICOS
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200931
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
Ing. Pablo R. Carbonell – Octubre 200932
MUCHAS GRACIASMUCHAS GRACIAS
CONSULTAS: [email protected]