Desenvolvimento de um novo conceito de implante patelo-femoral

Abstract

O joelho é uma das articulações mais importantes do corpo humano, permite a mobilidade e a estabilidade em simultâneo. Algumas patologias como a síndrome patelo-femoral podem conduzir à necessidade da realização da artroplastia patelo-femoral. Vários efeitos comprometem a longevidade desta artroplastia, sendo os mais frequentes o efeito de stress shielding, responsável pela reabsorção óssea localizada, o efeito de fadiga por sobrecarga associado à geração de microfissuras e colapso do osso de suporte, e a osteólise provocada pela fratura e libertação de micropartículas do cimento-ósseo. Os parâmetros biomecânicos associados a estes efeitos foram estudados em três implantes comerciais; Journey PFJ (Smith & Nephew Inc), Vanguard PFR (Biomet Inc) e Zimmer PFJ (Zimmer Inc). Adicionalmente foram ainda propostos seis novos modelos de implante por forma a tentar melhorar o desempenho destes, tendo sido este o principal objetivo deste trabalho. Para a análise dos parâmetros biomecânicos (deformações no osso e tensões no cimento ósseo) foram utilizados modelos de elementos finitos desenvolvidos a partir de imagens médicas de TAC de um paciente saudável. Foram simuladas as condições de carga para três atividades fisiológicas distintas; ciclo de marcha, subir escadas e agachamento profundo. Estas análises foram realizadas por forma a serem representativas de duas situações clínicas distintas, uma representativa do curto termo, em que o cimento-ósseo foi considerado rigidamente ligado ao osso e outra representativa do longo termo, em que o cimento-ósseo foi considerado apenas em contacto com atrito com o osso, ou seja uma situação de descolamento desta interface. Após a análise comparativa dos diferentes modelos implantados relativamente aos modelos intactos, verificou-se que nas regiões de bordo dos implantes comerciais os níveis de deformação no osso esponjoso são bastante elevados tendo todos os modelos apresentando um risco de falência por fadiga, devido a sobrecarga localizada, sendo o risco mais elevado associado à atividade de agachamento. O efeito stress shielding foi observado com diferentes graus, em todos os modelos na zona central do implante. O cimento ósseo apresentou várias zonas com tensões de von Mises superiores à tensão limite de fadiga para os casos da atividade de subir escadas e agachamento. Os novos modelos de implante patelo femoral propostos apresentam comportamentos comparáveis aos observados nos implantes comerciais, no entanto uma das novas propostas de implante sugere um melhor compromisso de entre todos os implantes analisados.

The knee joint is one of the most important articulations of the human body, allowing simultaneous mobility and stability. Some pathologies such as patellofemoral syndrome can lead to patellofemoral arthroplasty. The longevity of arthroplasty is compromised by various effects, being the most frequent the effect of stress shielding, responsible for the located bone reabsorption, the effect of fatigue by overcharge associated to the generation of microfissures and the collapse of the supporting bone, and the osteolysis provoked by the fracture and release of microparticle of bone cement. The biomechanical parameters associated with these effects were studied in three commercialized implants; Journey PFJ (Smith & Nephew Inc.), Vanguard PFR (Biomet Inc.) and Zimmer PFJ (Zimmer Inc). Additionally there were also proposed six new models of implants in order to try to improve their performance, being this the main goal of this work. To analyze the biomechanical parameters (bone strain and bone cement stress) there were used the finite element models developed from CT medical images of a healthy patient. Three different loading conditions for three distinct physiological activities were simulated: gait cycle, climb stairs and deep squat. These analyzes were performed to represent two distinct clinical situations, a representative of the short term, were the bone cement was considered rigidly connected to the bone and another representative of the long term, were the bone cement was found only in frictional contact with the bone, in other words, a state of detachment of this interface. After comparative analysis of the different models implanted with the intact models, it was found that in the edge regions of the commercialized implants the levels of deformation in the cancellous bone are quite high with all models presenting a risk of fatigue failure due to localized overload, and the higher risk is associated with the squatting. The stress shielding effect was observed with varying degrees, in all models in the central area of the implant. The bone cement showed several areas with von Mises stresses above the fatigue limit stress for cases climbing stairs and squatting. The new models of patellofemoral implant proposed exhibit behaviors similar to those seen in commercial implants, however one of the new proposed implants suggests a best compromise amongst all implants analyzed.