Desenvolvimento e Análise por Elementos Finitos de uma Estrutura Multi-Reticulada em Hastes Femorais de Prótese da Anca para Redução do Efeito de Stress Shielding

Mustafa Guven Gok

Full text link: https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/14644207211046200

Desenvolvimento e Análise por Elementos Finitos de uma Estrutura Multi-Reticulada em Hastes Femorais de Prótese da Anca para Redução do Efeito de Stress Shielding

1. Referência Científica

• Título do estudo: Desenvolvimento e Análise por Elementos Finitos de uma Estrutura Multi-Reticulada em Hastes Femorais de Prótese da Anca para Redução do Efeito de Stress Shielding
• Autor: Mustafa Güven Gök
• Revista científica: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part L: Journal of Materials: Design and Applications
• Ano de publicação: 2022
• DOI: 10.1177/14644207211046200

2. Contexto Científico

A durabilidade das próteses da anca depende não apenas da biocompatibilidade dos materiais utilizados, mas também da forma como as cargas mecânicas são transmitidas entre o implante e o osso envolvente. Quando a rigidez do implante é significativamente superior à do tecido ósseo, ocorre uma distribuição desigual das tensões mecânicas, reduzindo a estimulação fisiológica do osso.

Este fenómeno, designado por stress shielding, está associado à perda progressiva de massa óssea e constitui um dos fatores que podem comprometer a estabilidade a longo prazo dos implantes ortopédicos. O desenvolvimento recente da manufatura aditiva permitiu criar estruturas porosas complexas capazes de modificar as propriedades mecânicas dos biomateriais metálicos.

As estruturas reticuladas tridimensionais surgem como uma solução promissora para reduzir a rigidez dos implantes, aproximando o seu comportamento mecânico ao do osso natural. Neste contexto, o presente estudo investiga a utilização de diferentes arquiteturas multi-reticuladas em hastes femorais de próteses da anca com o objetivo de melhorar a transferência de carga para o fémur.

3. Objetivo do Estudo

O principal objetivo desta investigação foi desenvolver e avaliar diferentes configurações de hastes femorais incorporando estruturas multi-reticuladas na região proximal do implante.

Os autores procuraram determinar se a combinação de diferentes geometrias reticuladas poderia reduzir a rigidez do implante, aumentar a transferência de carga para o osso e minimizar o efeito de stress shielding quando comparada com uma haste femoral convencional.

4. Metodologia

Trata-se de um estudo pré-clínico baseado em simulações computacionais através do método dos elementos finitos (Finite Element Analysis – FEA).

Foi inicialmente desenvolvido um modelo convencional de haste femoral em liga de titânio Ti6Al4V, utilizado como referência. Posteriormente, foram criados três modelos alternativos:

• Design 1: estrutura cúbica simples (Simple Cubic – SC)
• Design 2: estrutura cúbica centrada no corpo (Body-Centered Cubic – BCC)
• Design 3: estrutura cúbica centrada nas faces (Face-Centered Cubic – FCC)

A região proximal da haste foi dividida em três secções, às quais foram adicionados reforços internos horizontais e verticais.

Os modelos foram virtualmente implantados num fémur reconstruído a partir de imagens de tomografia computorizada. As simulações reproduziram condições de carga correspondentes à marcha normal de um indivíduo com peso equivalente a 700 N. Foram avaliadas tensões de Von Mises, densidade de energia de deformação, deslocamentos e sinais de stress shielding em diferentes regiões do fémur.

Não foram incluídos pacientes, animais ou avaliações clínicas.

5. Principais Resultados

A introdução das estruturas multi-reticuladas modificou significativamente o comportamento mecânico das hastes femorais analisadas.

A haste convencional apresentou uma tensão máxima de Von Mises de aproximadamente 289 MPa. Nos modelos com estruturas reticuladas, os valores máximos observados situaram-se entre aproximadamente 189 MPa e 221 MPa.

Além disso, verificou-se uma redução do peso dos implantes:

• Design 1: redução aproximada de 25,9%
• Design 2: redução aproximada de 18,8%
• Design 3: redução aproximada de 18,3%

A análise dos sinais de stress shielding revelou uma melhoria da transferência de carga para as regiões proximais do fémur. Comparativamente ao modelo convencional, algumas zonas apresentaram aumentos dos sinais biomecânicos associados à carga óssea que atingiram um máximo de 150,47%.

Entre os três modelos estudados, o Design 1, baseado numa estrutura cúbica simples, demonstrou o desempenho biomecânico mais favorável.

6. Análise Clínica

Embora esta investigação seja exclusivamente baseada em modelação computacional, os seus resultados fornecem informações relevantes para o desenvolvimento de implantes ortopédicos mais eficientes do ponto de vista biomecânico.

Os resultados sugerem que a redução controlada da rigidez do implante pode favorecer uma distribuição mais equilibrada das cargas entre o implante e o osso. Esta abordagem é particularmente importante porque o stress shielding continua a ser considerado um dos principais mecanismos associados à reabsorção óssea peri-implantar.

Um dos aspetos mais interessantes do estudo é a demonstração de que a geometria da estrutura reticulada influencia significativamente o comportamento mecânico do sistema. Os resultados indicam que não é apenas a porosidade que determina a eficiência da transferência de carga, mas também a forma como os elementos estruturais estão organizados.

O melhor desempenho observado no Design 1 sugere que determinadas arquiteturas simples podem ser mais eficazes na transmissão das forças mecânicas para o osso envolvente.

Embora o trabalho se concentre em próteses da anca, os princípios biomecânicos avaliados apresentam interesse para outras áreas, incluindo implantologia dentária, reconstrução maxilofacial, engenharia de tecidos e desenvolvimento de implantes personalizados através de tecnologias CAD/CAM e fabrico aditivo.

Contudo, os resultados devem ser interpretados com prudência, uma vez que fatores biológicos como osteointegração, remodelação óssea e resposta tecidular não foram avaliados.

7. Aplicações Clínicas

Os resultados deste estudo podem ser relevantes para:

• desenvolvimento de próteses ortopédicas produzidas por manufatura aditiva;
• otimização biomecânica de hastes femorais;
• investigação de biomateriais porosos à base de titânio;
• desenvolvimento de implantes personalizados;
• sistemas de partilha de carga entre implante e osso.

Os conceitos analisados também podem inspirar futuras investigações em implantologia dentária, reabilitação implanto-suportada e reconstrução óssea avançada.

8. Nível de Evidência, Limitações e Transparência

Esta publicação corresponde a um estudo pré-clínico de simulação biomecânica por elementos finitos.

O nível de evidência é inferior ao de estudos clínicos prospetivos ou ensaios clínicos controlados, uma vez que as conclusões se baseiam exclusivamente em modelos computacionais.

As principais limitações identificáveis incluem:

• ausência de validação clínica;
• ausência de ensaios experimentais;
• dependência das premissas do modelo numérico;
• avaliação realizada sob condições específicas de carga.

O autor refere não ter recebido financiamento para a realização do estudo e não declarou conflitos de interesse relacionados com a investigação.

9. Pontos-Chave do Estudo

• Tipo de estudo: Simulação biomecânica por elementos finitos
• Nível de evidência: Estudo pré-clínico computacional
• População: Não aplicável
• Número de pacientes: Nenhum
• Tempo de seguimento: Não aplicável
• Material avaliado: Liga de titânio Ti6Al4V
• Critério principal: Stress shielding e transferência de carga
• Resultado principal: Melhoria da transmissão de cargas para o fémur proximal através de estruturas multi-reticuladas
• Melhor configuração: Design 1 (Simple Cubic)
• Melhoria máxima observada: 150,47% em determinadas regiões femorais
• Conclusão científica: As estruturas multi-reticuladas reduziram os indicadores associados ao stress shielding quando comparadas com uma haste convencional
• Limitação principal: Ausência de validação clínica

10. Impacto Científico

Este estudo contribui para a evolução do conhecimento sobre implantes ortopédicos com arquitetura otimizada. A principal inovação reside na utilização combinada de diferentes estruturas reticuladas dentro de uma única haste femoral.

Os resultados reforçam a importância do design estrutural na determinação do comportamento biomecânico dos implantes e demonstram o potencial das tecnologias de fabrico aditivo para produzir dispositivos com propriedades mecânicas ajustadas às necessidades do tecido ósseo.

Ao demonstrar melhorias na transferência de carga e na redução dos efeitos associados ao stress shielding, a investigação fornece uma base teórica sólida para futuros desenvolvimentos em próteses ortopédicas personalizadas e biomateriais avançados.

11. Conclusão Editorial

Esta análise por elementos finitos demonstra que a incorporação de estruturas multi-reticuladas em hastes femorais de Ti6Al4V pode favorecer uma transferência de carga mais eficiente para o fémur e reduzir indicadores biomecânicos relacionados com o stress shielding. Entre os modelos avaliados, a estrutura cúbica simples apresentou os resultados mais promissores. Apesar do interesse dos achados, a sua relevância clínica permanece dependente de validações experimentais e estudos clínicos futuros.