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Increasing the performance of total hip replacement prostheses through functionally graded material innovation and design

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Diseño asistido por ordenador para prótesis de cadera

Una esperanza de vida más larga, una población cada vez más activa y los avances científicos están alimentando una increíble demanda de dispositivos biomédicos nuevos y mejorados. Conforme va evolucionando la tecnología, los investigadores y fabricantes del proyecto BIOGRAD se enfrentaron a la perdurable tarea de conseguir biomateriales que combinen una elevada calidad con un rendimiento de gran duración.

Tecnologías industriales

La elección entre biomateriales naturales o sintéticos ha hecho posible las prótesis de huesos y articulaciones que se usan en la actualidad. Estas prótesis implantadas permiten recuperar la movilidad y alivian las molestias que padecen miles de pacientes. Sin embargo, generalmente se basan en materiales seleccionados a partir de la ingeniería práctica. Combinando la capacidad para ser toleradas por el cuerpo humano con propiedades mecánicas suficientes para resistir el estrés fisiológico anticipado, estas prótesis representan una solución inmediata eficaz. El proyecto europeo BIOGRAD demostró que el uso de elementos de cerámica de funcionalidad gradual mejora el rendimiento a largo plazo, al tiempo que reduce la tensión sobre las prótesis de cadera. Con la variación de la composición desde un núcleo resistente con alto contenido en zirconia hasta una superficie de alúmina resistente al desgaste, podría ofrecerse una combinación única de propiedades. El interés particular por estos materiales se debe en buena medida a la gran dureza y resistencia química de la alúmina, que es demasiado frágil para muchas aplicaciones estructurales. Por otro lado, la zirconia es uno de los materiales cerámicos más resistentes, aunque no mantiene sus excelentes propiedades mecánicas en el agua y a temperatura elevada. Para compensar la tendencia de los elementos cerámicos a fallar de repente por la deformación plástica local, los socios del proyecto de Italia intentaron identificar el acoplamiento cónico óptimo entre la copa y la cabeza femoral. Se utilizaron métodos de elementos finitos para investigar los efectos de parámetros cambiantes, como las propiedades del material y la geometría de contacto, sobre la evolución de las tensiones de corte en la superficie con la cabeza femoral de cerámica. Estos análisis numéricos incorporan los principios de la mecánica de Newton. Se aplican a modelos y animan el comportamiento realista de la cabeza femoral acoplada al componente acetabular de la prótesis en la pelvis del paciente. Se aplicaron tensiones residuales desarrolladas en diferentes partes de la estructura cerámica plenamente graduada en procesos consecutivos del rectificado y el montaje para simular todo el ciclo de fabricación. Los resultados indicaron la importancia de la fijación entre la cabeza y la copa a la hora de resistir la torsión que probablemente se transmite a través de la prótesis en uso. Unas definiciones específicas de las condiciones de funcionamiento de los materiales de funcionalidad gradual contribuirán en el futuro a conseguir unas propiedades mecánicas superiores y a mejorar la resistencia al desgaste de los componentes de las prótesis.

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