Progettazione CAD delle protesi dell'anca
La scelta di biomateriali naturali o sintetici ha reso possibile la sostituzione di ossa e articolazioni, che è oggi una pratica corrente. Queste protesi, una volta impiantate, ridanno mobilità e sollievo a migliaia di pazienti; tuttavia continuano ad essere basate su materiali selezionati con la prassi dell'ingegnerizzazione. Combinando la tollerabilità da parte del corpo umano con le proprietà meccaniche sufficienti a sopportare lo stress fisiologico previsto, le protesi offrono una soluzione immediata efficiente. Il progetto europeo BIOGRAD ha dimostrato l'impiego di ceramiche funzionalmente graduate per migliorare le prestazioni a lungo termine, riducendo lo stress sulle articolazioni sostituite. Con la variazione della composizione, da un nucleo duro ricco di zirconia a uno strato superficiale di allumina duro, dotato di resistenza chimica e all'usura, è stato possibile offrire una combinazione unica di proprietà. Il particolare interesse verso questi materiali si deve essenzialmente all'elevata durezza ed alla resistenza chimica dell'allumina, che è troppo fragile per molte applicazioni strutturali. D'altro canto la zirconia è uno dei più duri materiali ceramici, che tuttavia non conserva le sue eccellenti proprietà meccaniche in presenza d'acqua e alle alte temperature. Per compensare la tendenza della ceramica a cedere improvvisamente con una deformazione plastica locale, i partner italiani del progetto hanno cercato di identificare l'accoppiamento conico ottimale tra stelo femorale e testa del femore. Per studiare gli effetti del mutamento dei parametri, delle proprietà dei materiali e della geometria di contatto sull'evoluzione delle sollecitazioni critiche di superficie entro la testa di femore ceramica è stato usato il metodo degli elementi finiti. Queste analisi numeriche integrano i principi della meccanica newtoniana e vengono applicate per modellizzare e animare il comportamento realistico della testa del femore accoppiata con l'elemento acetabolare della protesi nella pelvi del paziente. Le sollecitazioni residue sviluppate nelle differenti parti dell'intera struttura ceramica graduata sono state implementate nei successivi processi di rettifica e d'assemblaggio per simulare l'intero ciclo di fabbricazione. I risultati hanno indicato l'importanza della fissazione tra la testa e lo stelo per sopportare la torsione trasmessa alla protesi durante l'uso. Delle definizioni delle condizioni operative dei materiali funzionalmente graduati contribuiranno in futuro a proprietà meccaniche superiori e una migliore resistenza alle sollecitazioni dei componenti delle protesi.
