Desenvolvimento de um simulador universal para ensaio de desgaste em próteses de quadril

Abstract

Ao longo das últimas décadas a artroplastia total do quadril com componentes fabricados em ligas metálicas apoiados sobre polietileno de ultra-alto peso molecular revolucionou o tratamento da osteoartrose avançada ao reduzir os problemas relacionados a infecções e fixação da prótese. Entretanto, as partículas geradas pelo desgaste do polietileno contra a cabeça metálica no par articulado e as consequentes reações biológicas adversas disparadas pelo organismo correspondem atualmente um dos mais relevantes problemas clínicos associado a esta cirurgia ortopédica. Neste sentido, toda nova tecnologia de par articulado metal-UWMHPE deve ser submetida a rigorosos e precisos testes in vitro de modo a comprovar que o projeto da prótese atenda de forma segura e eficaz as demandas das condições in vivo a que se destina. A realização destes ensaios laboratoriais pré-clínicos pressupõe o desenvolvimento, a fabricação e a validação de simuladores de força e movimento, ou seja, máquinas que mecanicamente buscam replicar a biomecânica das articulações humanas. O objetivo maior destes ensaios é estabelecer avaliações das características tribológicas da estrutura articular das próteses de modo a subsidiar a avaliação da segurança e eficácia dos projetos de próteses. Deste modo, os resultados de desgaste obtidos pelos simuladores devem indicar o desempenho satisfatório das superfícies de contato do par articulado. A revisão da literatura indica que os diferentes modelos de simuladores existentes fornecem resultados de desgaste distintos mesmo quando são testados os mesmos pares tribológicos. Esta dispersão de resultados origina questionamentos sobre a real relevância clínica dos ensaios realizados por diferentes tipos de simuladores e impede a comparação objetiva do desempenho tribológico de próteses de quadril. O presente trabalho apresenta o projeto preliminar de um simulador universal capaz de atender a uma ampla gama de protocolos de dinâmica e cinemática que reproduzam o campo de movimento e intervalo de forças da articulação do quadril em diferentes condições. A avaliação das trajetórias de deslizamento geradas na interface de contato da prótese pelo simulador universal indica que o mesmo é capaz de reproduzir os resultados de outros simuladores existentes, além de ser capaz de simular padrões cinemáticos e de força específicos que podem aportar maior relevância clínica ao teste.

Over the past decades, the total hip arthroplasty, with metal/polymer (UHMWPE) articulating surface has revolutionized the treatment of advanced osteoarthritis by reducing the problems related to infection and aseptic loosening of the prosthesis. However, the wear debris against metal head and the subsequent adverse biological reactions are the most important clinical problem associated with these procedures. In this sense, new technologies for articulating surface must undergo rigorous and accurate in vitro testing to evaluate the safety and effectiveness of the hip joint replacement. The wear of total hip prostheses can be evaluated using hip joint simulators where total hip prostheses are tested in conditions resembling as closely as possible those prevailing in the human body, usually in walking. The main purpose of designing the hip simulator is to reproduce the complex 3D articulations of walking. The main objective of these tests is the evaluation of articulating surfaces and measurement of the wear. The literature indicates that the wear results of simulators greatly differ from each other when testing the same prosthesis. The variation in results raises questions about the actual clinical relevance of the tests performed by different simulators and does not allow the comparison of hip prostheses tribological performance. The objective of this investigation is to develop a universal simulator able to meet a wide range of motion, load and lubrication that reproduce the kinematics of hip joint under different conditions. The slide tracks analysis of the prosthesis contact interface by the universal simulator proved that the system is capable of reproducing the results of different simulators and to assess the relationship between the kinematics of the test and clinical results.