Analisi della pressione di contatto in un modello 3D del duale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3564 (2023) Citare questo articolo

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Le protesi dell'articolazione dell'anca vengono utilizzate per sostituire la funzione dell'articolazione dell'anca nel corpo umano. L'ultima protesi dell'articolazione dell'anca a doppia mobilità ha un componente aggiuntivo di un rivestimento esterno che funge da copertura per il componente del rivestimento. La ricerca sulla pressione di contatto generata sull’ultimo modello di protesi dell’articolazione dell’anca a doppia mobilità durante un ciclo del passo non è mai stata condotta prima. Il modello è realizzato in polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) sul rivestimento interno e acciaio inossidabile 316L (SS 316L) sul rivestimento esterno e sulla coppa acetabolare. La modellazione di simulazione utilizzando il metodo degli elementi finiti è considerata un carico statico con un solutore implicito per lo studio della progettazione dei parametri geometrici delle protesi dell'articolazione dell'anca a doppia mobilità. In questo studio, la modellazione di simulazione è stata effettuata applicando angoli di inclinazione variabili di 30°, 40°, 45°, 50°, 60° e 70° al componente della coppa acetabolare. Sono stati posizionati carichi tridimensionali sui punti di riferimento della testa femorale con variazioni del diametro della testa femorale utilizzate a 22 mm, 28 mm e 32 mm. I risultati sulla superficie interna dell'inserto interno, sulla superficie esterna dell'inserto esterno e sulla superficie interna della coppa acetabolare hanno mostrato che le variazioni dell'angolo di inclinazione non hanno un effetto importante sul valore massimo della pressione di contatto sul componente dell'inserto , dove la coppa acetabolare con un angolo di inclinazione di 45° può ridurre la pressione di contatto più delle altre variazioni dell'angolo di inclinazione studiate. Inoltre, si è riscontrato che il diametro di 22 mm della testa femorale aumenta la pressione di contatto. L'uso di una testa femorale di diametro maggiore con una configurazione della coppa acetabolare con un'inclinazione di 45° può ridurre al minimo il rischio di fallimento dell'impianto dovuto all'usura.

È stata introdotta una protesi d'anca a doppia mobilità per ridurre il rischio di lussazione fino a un tasso di lussazione dello 0,9% per 10 anni di utilizzo1 e aumentare la stabilità complessiva e l'ampiezza di movimento2,3. È stato creato per aumentare la libertà di movimento se utilizzato quotidianamente4. Un range di movimento esteso può evitare il conflitto nella protesi dell’articolazione dell’anca. Due interazioni generali che si verificano in un modello convenzionale di protesi dell'articolazione dell'anca a doppia mobilità sono la coppa acetabolare con l'inserto e l'inserto con la testa del femore, causando usura in due diverse posizioni5,6.

Il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) è un materiale ampiamente utilizzato, soprattutto come materiale di supporto per la chirurgia di sostituzione dell'articolazione dell'anca7,8. La tipologia di UHMWPE utilizzata in campo medico ha un peso molecolare che varia da 3,5 a 6 milioni di g/mol e presenta un grado di cristallinità che varia dal 50 al 55%9. Inoltre i metalli trovano largo impiego in campo ortopedico, sia nelle apparecchiature temporanee che permanenti. L'uso del metallo nelle apparecchiature ortopediche permanenti (protesi) non può essere separato dalla considerazione delle reazioni chimiche che possono verificarsi quando i detriti metallici interagiscono con i tessuti corporei, in particolare le ossa10,11,12.

Adam et al.13 hanno scoperto che esistono due tipi di usura. L'usura derivante dall'interazione della superficie convessa ha un valore maggiore rispetto a quella che si verifica su una superficie concava. L'osteolisi e la metallosi sono causate da detriti derivanti dall'usura che si verifica sui componenti della protesi dell'articolazione dell'anca a doppia mobilità14,15. Per ridurre la quantità di detriti dovuti all'usura del polietilene, al rivestimento è stato aggiunto un componente di copertura in metallo in modo che la superficie convessa del polietilene non subisse un'usura maggiore. Inoltre, il modello di protesi dell'articolazione dell'anca a doppia mobilità di Saputra et al.16 ha un ulteriore componente di rivestimento esterno che copre l'intero rivestimento in polietilene.

I test sperimentali e clinici per valutare l'usura delle protesi articolari dell'anca a doppia mobilità richiedono costi più elevati, apparecchiature sofisticate e tempi più lunghi17,18,19. Per evitare gli ostacoli incontrati dagli studi sperimentali e clinici, le simulazioni computazionali basate sul metodo degli elementi finiti possono rappresentare un'opzione strategica20,21. Questo approccio può anche essere la base per la ricerca iniziale sullo sviluppo di una protesi dell'articolazione dell'anca a doppia mobilità con vari parametri in modo che possa valutare i costi e l'energia sprecata in tentativi di tentativi ed errori prima di continuare con test sperimentali e clinici in ulteriori ricerca. La simulazione computazionale gioca un ruolo chiave nel prevedere la pressione di contatto e gli sforzi per ridurla con vari parametri studiati in una protesi dell'articolazione dell'anca a doppia mobilità. La pressione di contatto è un aspetto importante perché ha una relazione lineare con l'usura, che è una delle cause del fallimento dell'impianto22,23.