Estudo de novo conceito de haste intramedular para revisão da ATJ

Mestrado em Materiais e Dispositivos BiomédicosEsta dissertação teve por objetivo estudar um novo conceito de haste intramedular para a cirurgia de revisão da artroplastia total do joelho, de modo a minimizar os efeitos negativos da sua utilização, como o efeito de stress-shielding e a dor sentida por alguns pacientes na zona da extremidade da haste, devido a sobrecarga localizada. Estes efeitos podem comprometer o sucesso da cirurgia de revisão e levar à necessidade de re-revisão. Na primeira fase deste estudo procedeu-se ao desenvolvimento de modelos numéricos de elementos finitos simples, com o intuito de avaliar como os diferentes parâmetros das hastes press-fit (comprimento, rigidez e geometria) influenciam os diferentes fatores biomecânicos associados, traduzidos pelo efeito de concentração de carga no osso adjacente à extremidade da haste, pela estabilidade e transferência de carga induzida pelo prato tibial. Em função dos resultados obtidos, foram desenvolvidos modelos de diferentes propostas de haste, sendo estas uma combinação de diferentes geometrias e materiais. Após a análise com modelos simples, foram selecionadas as melhores propostas de haste e, em conjunto com uma haste press-fit disponível comercialmente para a cirurgia de revisão, procedeu-se à avaliação experimental, através de cirurgias in-vitro, com recurso a uma tíbia em material compósito. Os resultados das extensões principais permitiram avaliar como os novos conceitos de haste press-fit podem modificar o comportamento estrutural do córtex tibial na região da extremidade da haste, assim como analisar o potencial efeito de stress-shielding, quando comparados com uma haste press-fit comercial. Estes resultados também serviram para validar os modelos numéricos da tíbia desenvolvidos na última etapa. Os modelos numéricos replicaram os modelos avaliados nos ensaios experimentais e permitiram analisar comparativamente as novas propostas de haste, em relação a parâmetros biomecânicos complementares não passíveis de análise com ensaios in-vitro. Com base nos resultados numéricos e experimentais, foi selecionado o novo conceito de haste que melhor parece assegurar um compromisso entre os diferentes parâmetros biomecânicos, referentes à redução do efeito de fulcro produzido pela extremidade da haste no osso (podendo este efeito ser associado à dor sentida pelos pacientes), à redução do efeito de stress-shielding (já que o mesmo pode estar relacionado com o problema de reabsorção óssea a termo) e à estabilidade adicional fornecida ao prato tibial (podendo este efeito estar associado à osteólise). Este modelo é a haste com núcleo em crómio-cobalto e periferia de polietileno.The main goal of this thesis is to study a new concept of intramedullary stem to apply in revision total knee arthroplasty, in order to minimize the negative effects of its use, like stress-shielding and the end-of-stem pain felt by some patients, due to fatigue bone damage. These effects can compromise the success of the surgical revision and lead to a re-revision. In the first step of this study, numerical finite-element models were developed to evaluate how the different press-fit stem parameters (length, stiffness and geometry) could influence different biomechanical factors, such as the load concentration effect in the stem tip adjacent bone, the stability and the load transfer given by the tibial tray. According to the obtained results, different stem models were developed, which are a combination of different geometries and materials. After models analysis, the best stems were selected and, together with a press-fit stem available for revision surgeries, its experimental evaluation was carried out through in-vitro surgeries using a synthetic tibia. The principal strains results allow us to evaluate how the new press-fit stem concepts can modify the structural behavior of the cortex at the end-of-stem, as well as analyze the stress-shielding effect, when compared with a commercial press-fit stem. These results are also useful to validate tibia numerical finite-element models which were developed in the last step. The numeric models replicated the experimental ones and allow the comparative analysis of the new stem proposals, when related to complementary biomechanical parameters, which are difficult to analyze through in-vitro tests. Based on experimental and numeric results, it was selected the new stem concept which seems to ensure a compromise between the different biomechanical parameters, regarding the reduction of the fulcrum effect produced by the stem in the bone (being this effect related to end-of-stem pain), the minimization of the stress-shielding effect (which can be related to bone reabsorption) and the additional stability given to the tibial tray (which may be associated to osteolysis). This model is the stem with the chrome-cobalt main body with a polyethylene coating