Dezvoltarea și analiza prin metoda elementelor finite a unei structuri multi-rețea pentru tija femurală a unei proteze de șold în vederea reducerii efectului de stress shielding

Mustafa Guven Gok

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

Dezvoltarea și analiza prin metoda elementelor finite a unei structuri multi-rețea pentru tija femurală a unei proteze de șold în vederea reducerii efectului de stress shielding

1. Referință științifică

• Titlul studiului: Dezvoltarea și analiza prin metoda elementelor finite a unei structuri multi-rețea pentru tija femurală a unei proteze de șold în vederea reducerii efectului de stress shielding
• Autor: Mustafa Güven Gök
• Revistă științifică: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part L: Journal of Materials: Design and Applications
• Anul publicării: 2022
• DOI: 10.1177/14644207211046200

2. Context științific

Compatibilitatea biomecanică dintre un implant ortopedic și osul înconjurător reprezintă un factor esențial pentru succesul pe termen lung al artroplastiei totale de șold. Atunci când rigiditatea implantului este considerabil mai mare decât cea a țesutului osos, distribuția fiziologică a forțelor poate fi modificată, ceea ce conduce la o reducere a stimulării mecanice a osului.

Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de stress shielding și este asociat cu pierderea progresivă a masei osoase în jurul implantului. În timp, aceste modificări pot afecta stabilitatea biomecanică a sistemului implant-os.

Progresele în domeniul fabricației aditive au permis dezvoltarea unor structuri poroase complexe capabile să reducă rigiditatea implanturilor metalice și să îmbunătățească transferul sarcinilor către os. Structurile reticulare tridimensionale reprezintă una dintre cele mai promițătoare direcții de cercetare în acest domeniu. Studiul de față analizează impactul utilizării unor configurații multi-rețea asupra comportamentului biomecanic al tijelor femurale utilizate în protezarea șoldului.

3. Obiectivul studiului

Scopul principal al cercetării a fost proiectarea și evaluarea unor modele de tije femurale care integrează structuri multi-rețea în regiunea proximală a implantului.

Autorul a urmărit să determine dacă utilizarea unor arhitecturi reticulare diferite poate reduce rigiditatea implantului, poate îmbunătăți transferul încărcărilor către femur și poate diminua efectul de stress shielding comparativ cu o tijă femurală convențională.

4. Metodologie

Acest studiu reprezintă o investigație preclinică bazată pe simulări numerice realizate prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA).

Ca model de referință a fost utilizată o tijă femurală convențională realizată din aliaj de titan Ti6Al4V. Au fost dezvoltate trei variante constructive:

• Design 1: structură cubică simplă (Simple Cubic – SC)
• Design 2: structură cubică centrată în volum (Body-Centered Cubic – BCC)
• Design 3: structură cubică centrată pe fețe (Face-Centered Cubic – FCC)

Regiunea proximală a implantului a fost împărțită în trei segmente, fiind adăugate elemente de rigidizare interne orizontale și verticale.

Modelele au fost implantate virtual într-un femur reconstruit pe baza imaginilor tomografice. Simulările au fost realizate pentru condiții de încărcare corespunzătoare mersului normal al unei persoane de 700 N. Au fost analizate tensiunile Von Mises, energia de deformare, deplasările și semnalele asociate fenomenului de stress shielding.

Nu au fost incluși pacienți, animale sau evaluări clinice.

5. Rezultate principale

Integrarea structurilor multi-rețea a modificat semnificativ comportamentul mecanic al tijelor femurale analizate.

Modelul convențional a prezentat o tensiune maximă Von Mises de aproximativ 289 MPa. În cazul structurilor reticulare, valorile maxime au variat între aproximativ 189 MPa și 221 MPa.

De asemenea, s-a observat o reducere a masei implantului:

• Design 1: reducere de aproximativ 25,9%
• Design 2: reducere de aproximativ 18,8%
• Design 3: reducere de aproximativ 18,3%

Analiza fenomenului de stress shielding a evidențiat o îmbunătățire a transferului de sarcină către regiunile proximale ale femurului. Comparativ cu modelul convențional, anumite zone au prezentat creșteri importante ale semnalelor biomecanice asociate încărcării osoase, valoarea maximă raportată fiind de 150,47%.

Dintre cele trei configurații analizate, Design 1, bazat pe o structură cubică simplă, a demonstrat cele mai favorabile performanțe biomecanice.

6. Analiză clinică

Deși studiul este exclusiv computațional, rezultatele sale oferă informații relevante pentru dezvoltarea viitoarelor generații de implanturi ortopedice.

Datele sugerează că reducerea controlată a rigidității implantului poate favoriza o distribuție mai fiziologică a încărcărilor între implant și os. Acest aspect este deosebit de important deoarece stress shielding reprezintă unul dintre principalii factori biomecanici implicați în resorbția osoasă periprotetică.

Un element important evidențiat de cercetare este faptul că eficiența biomecanică nu depinde exclusiv de gradul de porozitate. Geometria structurii reticulare influențează semnificativ modul în care forțele sunt transferate către os.

Performanțele superioare observate în cazul structurii cubice simple indică faptul că anumite configurații geometrice relativ simple pot oferi avantaje biomecanice importante comparativ cu modele mai complexe.

Deși lucrarea este axată pe protezele de șold, principiile analizate pot avea relevanță și pentru implantologia dentară, reconstrucția maxilo-facială, proiectarea implanturilor personalizate și tehnologiile CAD/CAM.

Rezultatele trebuie însă interpretate cu prudență, deoarece procese biologice precum osteointegrarea, remodelarea osoasă și comportamentul clinic pe termen lung nu au fost evaluate.

7. Aplicații clinice

Rezultatele acestui studiu pot fi relevante pentru:

• dezvoltarea implanturilor ortopedice fabricate prin tehnologii aditive;
• optimizarea biomecanică a tijelor femurale;
• cercetarea biomaterialelor poroase pe bază de titan;
• proiectarea implanturilor personalizate;
• dezvoltarea sistemelor de transfer fiziologic al încărcărilor între implant și os.

Principiile prezentate pot reprezenta, de asemenea, o sursă de inspirație pentru cercetările din implantologia orală și reconstrucția osoasă avansată.

8. Nivel de evidență, limitări și transparență

Publicația reprezintă un studiu biomecanic preclinic bazat pe simulări prin metoda elementelor finite.

Nivelul de evidență este inferior celui oferit de studiile clinice prospective sau de studiile randomizate controlate, deoarece concluziile sunt fundamentate exclusiv pe modele numerice.

Principalele limitări identificate sunt:

• lipsa validării clinice;
• absența testelor experimentale;
• dependența de ipotezele modelului computațional;
• evaluarea realizată în condiții specifice de încărcare.

Autorul a declarat că nu a beneficiat de finanțare pentru realizarea studiului și nu a raportat conflicte de interese.

9. Puncte-cheie ale studiului

• Tipul studiului: analiză prin metoda elementelor finite
• Nivel de evidență: studiu biomecanic preclinic
• Populație: nu se aplică
• Număr de pacienți: niciunul
• Perioadă de urmărire: nu se aplică
• Material analizat: aliaj de titan Ti6Al4V
• Criteriul principal evaluat: stress shielding și transferul încărcărilor
• Rezultatul principal: îmbunătățirea transferului de sarcină către femurul proximal prin utilizarea structurilor multi-rețea
• Cel mai performant design: Design 1 (Simple Cubic)
• Îmbunătățire maximă observată: 150,47% în anumite regiuni femurale
• Concluzie științifică: structurile multi-rețea au redus indicatorii biomecanici asociați fenomenului de stress shielding comparativ cu designul convențional
• Limitare principală: lipsa validării clinice

10. Impact științific

Acest studiu contribuie la dezvoltarea cunoștințelor privind implanturile ortopedice optimizate biomecanic. Originalitatea cercetării constă în evaluarea mai multor arhitecturi reticulare integrate în cadrul aceluiași implant.

Rezultatele evidențiază importanța designului structural în determinarea comportamentului mecanic al implantului și susțin potențialul tehnologiilor de fabricație aditivă pentru realizarea unor dispozitive medicale cu proprietăți personalizate.

Prin demonstrarea unei îmbunătățiri a transferului de sarcină și a reducerii efectelor asociate fenomenului de stress shielding, studiul oferă o bază teoretică pentru dezvoltarea viitoare a implanturilor ortopedice avansate.

11. Concluzie editorială

Analiza prin metoda elementelor finite prezentată în această lucrare arată că integrarea structurilor multi-rețea în tijele femurale din aliaj Ti6Al4V poate îmbunătăți transferul încărcărilor către os și poate reduce indicatorii biomecanici asociați fenomenului de stress shielding. Dintre variantele evaluate, structura cubică simplă a demonstrat cele mai promițătoare rezultate. Cu toate acestea, validarea experimentală și clinică rămâne necesară înainte de orice aplicare în practica medicală.