Artroplastia totala de sold. Dinamica pierderii stabilitatii protezelor totale de sold
Autor: Lucian Capitanu | Liliana-Laura Badita | Gheorghe Ion Gheorghe
Editura: A.G.I.R.
Format: 17,5x24,5 cm
Nr. pagini: 1110
Coperta: legata
ISBN: 978-973-720-401-1
Anul aparitiei: 2011
CUPRINS
Introducere 15
1. Articulatia soldului uman 40
1.1. Notiuni de artrologie 40
1.1.1. Acetabulul 40
1.1.2. Capul femural 42
1.1.3. Colul femural 42
1.1.4. Sistemul trabecular 43
1.1.5. Capsula articulara 45
1.1.6. Sistemul ligamentar 46
1.1.7. Anatomia topografica (raporturi) 48
1.1.8. Vascularizatia si inervatia articulatiei soldului 49
1.2. Introducere in dinamica mersului uman 50
1.2.1. Natura tridimensionala si ciclica a mersului uman 50
1.2.2. Masuri de distanta 55
1.2.3. Parametrii mersului 56
1.2.4. Activitatea musculara 57
1.2.5. Integrarea antropometriei, deplasarilor si a fortelor de
reactie la sol 57
1.2.6. Cinematica liniara 64
1.2.7. Cinematica unghiulara 72
1.2.8. Dinamica articulatiilor 76
2. Proteza totala de sold, dispozitv medical cu esec programat 84
2.1. Cupe cimentate 85
2.2. Cupe necimentate 88
2.2.1. Cupe press fit semisferice 91
2.2.2. Cupe fixate prin suruburi 91
3. O sinteza documentara privind solicitarile mecanice, miscarile si caldura produse in protezele totale de sold 96
3.1. Solicitari mecanice si miscari in protezele totale de sold 96
3.1.1. Masuratori instrumentale ale solicitarilor 101
3.1.2. Rezultatele obtinute de G. Bergmann, G. Deuretzbracher,
M. Heller, F. Graichen, A. Rohlmann, J. Strauss si G.N. Duda [7] 111
3.1.3. Un implant de sold instrumentat, modernizat 114
3.1.4. Forte si momente masurate prin telemetrie la doua inlocuiri distale, pe durata unor activitati diferite [9] 118
3.2. Caldura produsa in protezele totale de sold 132
3.2.1. Caldura prin frecare in implanturile totale de sold 135
3.2.2. Caldura produsa in implanturile totale de sold cimentate 142
4. Stabilitatea mecanica primara, cerinta esentiala pentru asigurarea durabilitatii protezelor totale de sold 148
4.1. Stabilitatea mecanica primara a cupelor acetabulare cimentate ale protezelor totale de sold 148
4.1.1. Metode experimentale 149
4.1.2. Ruperea prin oboseala a mantalei de ciment, la un model simplificat de inlocuire acetabulara 159
4.2. Stabilitatea mecanica primara a cupelor acetabulare necimentate ale protezelor totale de sold 168
4.2.1. Rezultate experimentale 172
4.2.2. Concluzii asupra stabilitatii cupelor acetabulare fixate prin press fitting 173
4.2.3. Metoda alternativa de presare a cupei solicitare continua progresiva 174
4.2.4. O analiza experimentala a micromiscarii unei componente acetabulare modulare in artroplastia de sold: evaluarea interfetei dintre os si cupa, sub sarcini fiziologice 179
4.2.5. Pierderea contactului mecanic al protezelor acetabulare necimentate datorita solicitarii post operatorii a lagarului 182
4.2.6. Afectarea stabilitatii cupei acetabulare de catre numarul de suruburi, calitatea osului si coeficientul de frecare 190
4.3. Stabilitatea mecanica primara a tijelor cimenate ale protezelor totale de sold 197
4.3.1. Oboseala interfetei dintre os si ciment 197
4.3.2. Rezultate si comentarii 205
4.3.3. Diferentierea comportarii la pierderea fixarii protezelor totale de sold prin masuratori ale migratiei si deplsarii induse 213
4.3.4. Analiza probabilistica a influentei gradului de contact a interfetei tija - ciment asupra performantelor protezei de sold cimentate 220
4.3.5. Analiza in vitro a interfetei si a mantalei de ciment a diferitelor forme de tije femurale 236
4.3.6. Modelarea cu element finit a stabilitatii prime a tijei protezei de sold. Efectul tolerantei ajustajului presat (interference fit) 245
4.3.7. Evaluarea intra-operatorie a stabilitatii implantului de sold necimentat. Un prototip de dispozitiv bazat pe analiza vibratiilor 254
4.3.8. Masuratori ale vibratiilor osului folosind ultrasunetele. Aplicatie la detectarea pierderii fixarii protezei de sold. 264
5. Tendinte actuale pentru asigurarea stabilitatii mecanice secundare a protezelor totale de sold 271
5.1. Relatia dintre rugozitatea suprafetei si rezistenta la forfecare interfaciala, pentru implanturile ancorate in os. Un model matematic 272
5.1.1. Ipoteze 272
5.1.2. Potentialul de retentie al unei gauri - factorul de eficienta al gaurii 244
5.1.3. Rezistenta la forfecare interfaciala os-implant 278
5.1.4. Suprafata ideala a implantului 278
5.1.5. Rezultate si comentarii 278
5.2. Parametrii de rugozitate ai suprafetei, ca predictori ai fortei de ancorare in os. O analiza critica 280
5.2.1. Comentarii si concluzii 284
5.3. Despre stabilitatea secundara a protezelor de sold necimentate si parametrii care afecteaza rezistenta interfaciala 288
5.3.1. Metode matematice 289
5.4. Acoperiri poroase Plasmapore pentru tijele necimentate ale endoprotezelor de sold 297
5.4.1 Profilul necesar al stratului poros pentru contactele necimentate 300
5.4.2. Aspecte legate de materialul de acoperire in contactul implant/os 305
5.4.3. Realizarea specifica a materialului de acoperire cu plasma si caracterizarea sa 309
5.4.4. Metoda de pulverizare in vid cu plasma (VPS) si aplicarea sa la endoproteze de sold 310
5.4.5. Structura stratului depus, distributia porilor si porozitatea 311
5.4.6. Rezistenta la oboseala si testele de coroziune 312
5.4.7. Asigurarea calitatii stratului „Plasmapore“ 313
5.4.8. Rezultatele experimentelor realizate pe animale, cu implanturi
avand depuneri de straturi Plasmapore 315
5.4.9. Rezultatele testelor clinice pe proteze Plasmapore 317
5.5. Un model de contact cu control al cresterii inauntru a osului, pentru remodelarea osoasa in jurul tijelor necimentate 322
5.5.1. Metode de studiu 322
5.5.2. Rezultate si comentarii 329
5.6. Structuri din Ti poros cu rigiditate scazuta, pentru lagarele solicitate ale implanturilor 335
5.6.1. Materiale si metode 338
5.6.2. Rezultate si comentarii 341
5.7. Despre stabilitatea mecanica a implanturilor din titan cu acoperire poroasa, press-fitate (presate). Un studiu cu element finit al testului de impingere in afara (expulzare) 347
5.7.1. Materiale si metode 349
5.7.2. Modelul FE 350
5.7.3. Compararea rezultatelor calculate cu cele experimentale 352
5.7.4. Simularile FE 353
5.7.5. Rezultate si comentarii 353
5.7.6. Rezultatele optime si comentarii 354
5.8. Cresterea preferentiala a celulelor pe substraturi rugoase 357
5.8.1. Materiale si metode 358
5.8.2. Rezultate 363
5.8.3. Comentarii si concluzii 371
5.9. Structuri celulare din Ti-6Al-4V pentru implanturi in os, cu macroporozitate interconectata, fabricate prin topire selectiva cu spot de electroni 374
5.9.1. Materiale si metode 376
5.9.2. Rezultate si comentarii 379
5.10. Caracterizarea fizica a retelelor poroase din hidroxiapatita pentru ingineria tesuturilor 384
5.10.1. Materiale si metode 385
5.10.2. Rezultate si comentarii 386
5.10.3. Concluzii 389
6. Materiale uzuale in constructia protezelor totale de sold 391
6.1. Polietilena cu greutate moleculara foarte mare (UHMWPE), materialul cel mai utilizat pentru cupele acetabulare ale protezelor totale de sold 391
6.1.1 Proprietatile polietilenei reticulate cu greutate moleculara foarte mare 393
6.1.2. Rezultate din literatura 397
6.1.3. Metodologia de exprimare a valorii optime a variabilei procesului de reticulare 398
6.1.4. Stadiul actual al materialelor reticulate disponibile comercial si a componentelor pentru articulatii ortopedice 401
6.1.5. Concluzii 402
6.1.6. Compararea comportarii la uzare a diferitelor polietilene conventionale si reticulare pentru inlocuirile totale de sold 403
6.1.7. Comportarea UHMWPE la uzarea de alunecare pe materiale pentru artroplastii de sold 414
6.2. Aliajul Ti-6Al-4V 415
6.2.1. Modificarea suprafetei de titan, a aliajelor de titan si a materialelor conexe 415
6.3. Aliajul CoCr 441
6.3.1. Influenta microstructurii aliajelor biomedicale HC CoCrMo asupra comportarii la coroziune si uzare in fluidele simulate ale corpului 442
7. Uzarea protezele totale de sold - factor de pierdere a stabilitatii acestora 460
7.1. Uzarea in vivo a tijei femurale 460
7.1.1. Materiale si metode 461
7.1.2. Rezultate 465
7.1.3. Comentarii 471
7.2. Frecarea-coroziunea otelului inoxidabil AISI 316L/ciment osos si AISI 316L/PMMA: efectul rezistentei ionice asupra comportarii tribologice 476
7.2.1. Testarea materialelor si tehnica experimentala 479
7.2.2. Rezultate experimentale si comentarii 481
7.2.3. Concluzii 487
7.3. Intelegerea initierii si propagarii uzurii de fretare pe tija femurala a protezei totale de sold 488
7.3.1. Materiale si metode 489
7.3.2. Rezultate si comentarii 489
7.4. Uzarea capului femural al inlocuirii totale de sold 492
7.4.1. Identificarea mecanismelor de zgariere pe un cap femural metalic extras 492
7.4.2. Relevanta parametrilor de rugozitate utilizati la caracterizarea capetelor femurale uzate 503
7.4.3. Metoda numerica pentru calculul parametrilor curbei Abbott. O aplicatie privind uzura 513
7.4.4. Investigatii calitative si cantitative privind zgarierea capetelor femurale protetice 535
7.4.5. Caracterizarea topografica a capetelor femurale artificiale. Un studiu de evaluare comparativa 545
7.4.6. Teste de uzare intr-un simulator de sold a diferite contrafete de CoCrMo pe UHMWPE 553
7.4.7. Deteriorarea in vivo a capului femural si efectele ei asupra uzarii polietilenei 562
7.5. Caracterizarea tribologica a acoperirilor capetelor femurale ale articulatiilor artificiale de sold 569
7.5.1. Investigarea tribologica a acoperirilor pentru articulatii artificiale 569
7.5.2. Comparatie intre comportarea tribologica a acoperirilor PVD pe aliaj Ti-6Al-4V 579
7.5.3. Influenta microstructurii si texturii asupra comportarii la coroziune si tribocoroziune a aliajului Ti-6Al-4 V 595
7.5.4. Rezistenta la coroziune a aliajului Ti-6Al-4V nitrurat cu plasma, in solutie Hank 606
7.5.5 Diferitele tipuri de otel inoxidabil fara straturi depuse sau acoperite cu faza-S prin aport de azot si raspunsul uzarii UHMWPE la contactul din implanturile ortopedice 611
7.5.6. Efectul tribologic al tratamentului termic de implantare de ioni prin imersie in plasma asupra aliajului Ti-6Al-4V 625
7.6. Deteriorarea cupelor acetabulare - o problema esentiala a protezelor totale de sold 634
7.6.1. Prelucrarea imaginii digitale pentru masurarea in vivo a uzurii in artroplastiile de sold Charnley cimentate 634
7.6.2. Lubrifierea si uzarea polietilenei cu greutate moleculara foarte mare in inlocuirile totale de sold 642
7.6.3. Mecanismele de uzare ale UHMWPE in protezele totale articulare 660
7.6.4. Estimarea volumului total de uzura dupa o inlocuire totala de sold - un concept geometric simplu 671
7.6.5. Modele de uzare si formule pentru calculul volumului de uzura al cupelor acetabulare semisferice 678
7.6.6. Simularea uzarii artroplastiilor totale de sold folosind metoda elementului de contact 686
7.6.7. Polietilena puternic reticulata in inlocuirile totale de sold: cresterea rezistentei la uzare este un paradox? 700
7.6.8. Bucse acetabulare din polietilena inalt reticulata recuperate dupa patru si cinci ani, la interventia chirurgicala de revizie: un raport despre doua cazuri 708
7.6.9. Ruperea clinica a bucselor acetabulare din UHMWPE reticulata 714
7.6.10. Cauza uzarii agresive cu trei corpuri a polietilenei puternic reticulate 727
7.6.11. Cuantificarea deteriorarii cu al treilea corp si efectele sale asupra uzarii UHMWPE cu diferite tipuri de capete femurale 739
8. Particulele de uzura si lubrifierea articulatiei cap femural/cupa acetabulara 746
8.1. Predictia vitezei de uzare a polietilenei si morfologia particulelor de uzura produse de asperitatile microscopice de pe capul femural 747
8.1.1. Materiale si metode 747
8.1.2. Rezultate 751
8.1.3. Comentarii si concluzii 759
8.2. Particule de uzura din polietilena cu greutate moleculara foarte mare, de marime nanometrica, generate in vivo 762
8.2.1. Materiale si metode 763
8.2.2. Rezultate 765
8.2.3. Comentarii si concluzii 770
8.3. Distributia sistemica a particulelor de uzura dupa inlocuirea de sold 772
8.3.1. Raport de caz 773
8.3.2. Materiale si metode 774
8.3.3. Rezultate 775
8.3.4. Comentarii 781
8.4. Izolarea si analiza particulelor de uzura articulara generate in vitro 782
8.4.1. Materiale si metode 783
8.4.2. Rezultate experimentale 784
8.4.3. Concluzii 787
8.5. Intelegerea mecanismelor de uzare ale polietilenei prin modelarea distributiei marimii particulelor de uzura 787
8.5.1. Metodologia 788
8.5.2. Rezultate 791
8.5.3. Comentarii 793
8.5.4. Concluzii 797
8.6. Un model de lubrifiere elastohidrodnamica (EHL) a migratiei particulelor de uzura intr-o articulatie artificiala de sold 798
8.6.1. Metodologia de modelare 800
8.6.2. Rezultate si comentarii 809
8.6.3. Concluzii 817
8.7. Locurile problematice ale incastrarii celui de al treilea corp in polietilena pentru accelerarea uzarii soldului total 818
8.7.1. Metode 819
8.7.2. Rezultate 823
8.7.3. Comentarii 825
8.8. Imbunatatirea rezistentei la uzare a UHMWPE ortopedice prin armarea cu particule de zirconiu 827
8.8.1. Materiale si metode 829
8.8.2. Rezultate si comentarii 832
8.8.3. Concluzii 838
8.9. Cresterea rezistentei la uzare a cupelor acetabulare din UHMWPE prin
adaugarea de particule biocompatibile naturale 838
8.9.1. Materiale si metode 841
8.9.2. Rezultate si comentarii 843
8.9.3. Concluzii 848
8.10. Un nou material pentru proteza de sold, fara o eliberare considerabila de particule 849
8.10.1. Materiale si metode 849
8.10.2. Rezultate 852
8.10.3. Comentarii si concluzii 856
8.11. Efectele evenimentelor episodice de subluxatie pe al treilea corp
patruns si incastrat in suprafata lagarului THA 857
8.11.1. Metode experimentale 858
8.11.2. Rezultate 861
8.11.3. Comentarii 863
8.12. Compararea uzurii intre o proteza totala de sold cu mobilitate dubla si una modulara tipica, folosind un simulator pentru articulatii de sold 864
8.12.1. Materiale si metode 866
8.12.2. Rezultate 867
8.12.3. Comentarii si concluzii 870
9. Traseele miscarii relative de alunecare dintre capul femural si cupa acetabulara in articulatia artificiala de sold 871
9.1. Forma miscarii relative cap/cupa si uzarea 872
9.1.1. Simularea uzarii 872
9.1.2. Analiza traseelor de alunecare 877
9.1.3. Comentarii 885
10. Combinatii ceramice - o posibila solutie pentru cresterea rezistentei la uzare a protezelor totale de sold 893
10.1. Suprafete alternative de lagar pentru artroplastia de sold 893
10.1.1. Metal pe polietilena 894
10.1.2. Ceramica pe polietilena 895
10.1.3. Dezvoltari ale lagarelor din polietilena 896
10.1.4. Lagare ceramica pe ceramica (COC) 897
10.1.5. Lagare metal pe metal 898
10.1.6. Ceramica pe metal 900
10.1.7. Concluzii 900
10.2. Comportarea la uzare a UHMWPE in alunecare pe materiale pentru artroplasii artificiale de sold 901
10.2.1. Materiale si metode 902
10.2.2. Rezultate si comentarii 904
10.2.3. Concluzii 911
10.3. Rezistenta la zgariere si uzare a capetelor femurale protetice pe cupe din UHMWPE reticulara 912
10.3.1. Materiale si metode 913
10.3.2. Rezultate 914
10.3.3. Comentarii si concluzii 918
10.4. Studiu pe simulator de sold a uzarii ceramicii compozite in matrice de alumina (AMC) comparativ cu studiul sferelor din AMC recuperate dupa perioade de 1-7 ani 919
10.4.1. Metode 921
10.4.2. Rezultate 924
10.4.3. Comentarii si concluzii 929
10.5. Un mecanism propus pentru scartaitul soldurilor ceramica pe ceramica 931
10.5.1. Scartaitul de referinta in vivo al soldului COC 933
10.5.2. Teste de scartait in vitro 933
10.5.3. Ipoteza mecanismului de scartait in soldurile COC 935
10.5.4. Validarea de laborator a mecanismului de rostogolire-alunecare 940
10.5.5. Comentarii 942
10.6. Un studiu asupra unui implant recuperat de artroplastie totala de sold
ceramica pe ceramica 945
10.6.1. Comentarii 948
10.7. Modelarea tridimensionala in vitro a cinematicii soldului, in regim de
microseparare, pentru o proteza totala de sold ceramica pe ceramica 950
10.7.1. Materiale si metode 952
10.7.2. Rezultate 954
10.7.3. Comentarii si concluzii 958
10.8. Impingerea in inlocuirea totala de sold: mecanisme si consecinte 960
10.8.1. Fundamentul clinic 961
10.8.2. Studii de laborator 963
10.8.3. Impingerea in sine 964
10.8.4. Obezitatea si compromiterea tesutului moale periarticular 967
10.8.5. Dezvoltarea unui model cu element finit al luxatiei 968
10.8.6. Experienta clinica cu bucse restrictionate 976
10.8.7. Sistem servo-hidraulic pentru simularea luxatiei/impingerii 980
10.8.8. Concluzii 982
11. Reconsiderarea protezelor totale de sold metal pe metal 983
11.1. Efectul incarcarii fiziologice 3D si a miscarii asupra lubrifierii elastohidrodinamice a inlocuirilor totale de sold metal pe metal 983
11.1.1. Materiale si metode 986
11.1.2. Ecuatiile de conducere si solutiile numerice 988
11.1.3. Rezultate 994
11.1.4. Comentarii 997
11.1.5. Concluzii 999
11.2. Efectul texturarii suprafetei asupra analizei lubrifierii elastohidrodinamice a implanturilor de sold metal pe metal 999
11.2.1. Materiale si metode 1002
11.2.2. Rezultate 1008
11.2.3. Comentarii 1012
11.3. Mecanica contactului si lubrifierea elastohidrodinamica intr-un nou implant de sold metal pe metal, cu suprafata de lagar asferica 1014
11.3.1. Modelul 1016
11.3.2. Metode 1019
11.3.3. Rezultate 1019
11.3.4. Comentarii 1024
11.4. Alterarile microstructurale in diferitele zone ale suprafetelor articulate ale sistemului metal pe metal, cu cap reconditionat 1026
11.4.1. Materiale si metode 1028
10.4.2. Rezultate 1029
11.4.3. Comentarii si concluzii 1031
11.5. Efectul nanoparticulelor metalice asupra comportarii la biotribocoroziune a protezelor de sold meal pe metal 1034
11.5.1. Metode experimentale 1035
11.5.2. Rezultate si comentarii 1037
11.5.3. Concluzii 1041
11.6. Consideratii asupra conditiilor suprafetelor neportante si efectul lor potential asupra rezultatelor testelor de simulare a uzarii soldului 1042
11.6.1. Materiale si proceduri experimentale 1043
11.6.2. Rezultate si analize 1045
11.6.3. Comentarii 1047
11.7. Comportamentul tribologic si deformarea acoperirii de titan, in diferite conditii de contact de alunecare 1051
11.7.1. Experimente 1052
11.7.2. Rezultate si comentarii 1052
11.7.3. Concluzii 1059
11.8. Potentialul de rezistenta la uzare a straturilor depuse pe aliajul Ti-6Al-4V pentru suprafetele lagarului articulatiei artificiale de sold 1060
11.8.1. Procedura experimentala 1061
11.8.2. Rezultate 1065
11.8.3. Comentarii si concluzii 1074
Bibliografie 1077
PREFATA
Artroplastia cu proteza de sold este considerata astazi cel mai utilizat procedeu de reconstructie a soldului adult, constituind o solutie terapeutica de calitate pentru o serie de afectiuni degenerative, inflamatorii sau congenitale ale articulatiei coxofemurale.
Aceasta lucrare prezinta solicitarile mecanice, miscarile si caldura produse in protezele totale de sold, problemele legate de asigurarea stabilitatii mecanice primare si secundare a tijelor femurale si cupelor acetabulare, uzarea capului femural si a cupei acetabulare, preocuparile tehnologice de ultima ora pentru cresterea rezistentei la uzare a capetelor femurale si a cupelor acetabulare, reconsiderarea protezelor totale de sold metal pe metal si a combinatiilor ceramice ca solutii pentru cresterea rezistentei la uzare a protezelor totale de sold.
Toate aceste teme sunt prezentate in cadrul unei structuri clare, intre sectiuni existand o tranzitie usor de urmarit. Introducerea si concluziile sunt concentrate clar asupra obiectivelor principale. Ideile sunt explicate suficient de atent, pe baza unor referinte specifice, la un nivel adecvat pentru cititori. Acestea sunt explicate prin utilizarea unor termeni stiintifici potriviti.
Avand in vedere capacitatea de analiza si sinteza, multitudinea concluziilor si contributiilor originale ale lucrarii, apreciez ca s-a desfasurat o activitate de calitate in elaborarea cartii.
Academician GLEB DRAGAN
Sectia de Stiinte Tehnice
Academia Romana