Análisis de la presión de contacto en un modelo 3D de doble

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3564 (2023) Citar este artículo

1804 Accesos

26 citas

4 altmétrico

Detalles de métricas

Las prótesis de cadera se utilizan para reemplazar la función de la articulación de la cadera en el cuerpo humano. La última prótesis de articulación de cadera de doble movilidad tiene un componente adicional de un revestimiento exterior que actúa como cubierta para el componente del revestimiento. Nunca antes se había realizado una investigación sobre la presión de contacto generada en el último modelo de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad bajo un ciclo de marcha. El modelo está fabricado de polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) en el revestimiento interior y acero inoxidable 316L (SS 316L) en el revestimiento exterior y el cotilo acetabular. El modelado de simulación utilizando el método de elementos finitos se considera carga estática con un solucionador implícito para estudiar el diseño de parámetros geométricos de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad. En este estudio, el modelado de simulación se llevó a cabo aplicando ángulos de inclinación variables de 30°, 40°, 45°, 50°, 60° y 70° al componente del cotilo. Se colocaron cargas tridimensionales en puntos de referencia de la cabeza femoral con variaciones del diámetro de la cabeza femoral utilizadas en 22 mm, 28 mm y 32 mm. Los resultados en la superficie interior del revestimiento interior, la superficie exterior del revestimiento exterior y la superficie interior del cotilo acetabular mostraron que las variaciones en el ángulo de inclinación no tienen un efecto importante en el valor máximo de presión de contacto sobre el componente del revestimiento. , donde el cotilo con un ángulo de inclinación de 45° puede reducir la presión de contacto más que las otras variaciones del ángulo de inclinación estudiadas. Además, se encontró que el diámetro de 22 mm de la cabeza femoral aumenta la presión de contacto. El uso de una cabeza femoral de mayor diámetro con una configuración de copa acetabular con una inclinación de 45° puede minimizar el riesgo de fallo del implante debido al desgaste.

Se introdujo una prótesis de cadera de doble movilidad para reducir el riesgo de luxación hasta una tasa de luxación del 0,9 % durante 10 años de uso1 y aumentar la estabilidad general y el rango de movimiento2,3. Fue creado para aumentar el rango de movimiento cuando se usa a diario4. Un rango de movimiento ampliado puede evitar el pinzamiento de la prótesis de la articulación de la cadera. Dos interacciones generales que ocurren en un modelo convencional de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad son la copa acetabular con el revestimiento y el revestimiento con la cabeza femoral, causando desgaste en dos lugares diferentes5,6.

El polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) es un material ampliamente utilizado, especialmente como material de soporte para la cirugía de reemplazo de articulación de cadera7,8. El tipo de UHMWPE utilizado en el campo médico tiene un peso molecular que oscila entre 3,5 y 6 millones de g/mol y un grado de cristalinidad que oscila entre el 50 y el 55%9. Además, los metales se utilizan ampliamente en el campo ortopédico, tanto en equipos temporales como permanentes. El uso de metal en equipos ortopédicos permanentes (prótesis) no puede separarse de la consideración de las reacciones químicas que pueden ocurrir cuando los desechos metálicos interactúan con los tejidos corporales, especialmente los huesos10,11,12.

Adam et al.13 encontraron que existen dos tipos de desgaste. El desgaste como resultado de la interacción de una superficie convexa tiene un valor mayor que el que ocurre en una superficie cóncava. La osteólisis y la metalosis son causadas por residuos resultantes del desgaste que se produce en los componentes de las prótesis de articulación de cadera de doble movilidad14,15. Para reducir la cantidad de residuos de desgaste de polietileno, se añadió al revestimiento un componente de cubierta hecho de metal para que la superficie convexa de polietileno no sufriera un desgaste importante. Además, el modelo de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad de Saputra et al.16 tiene un componente de revestimiento exterior adicional que cubre todo el revestimiento de polietileno.

Las pruebas experimentales y clínicas para evaluar el desgaste de las prótesis de articulación de cadera de doble movilidad requieren costos más altos, equipos sofisticados y plazos más prolongados17,18,19. Para evitar los obstáculos que enfrentan los estudios experimentales y clínicos, las simulaciones computacionales basadas en el método de elementos finitos pueden ser una opción estratégica20,21. Este enfoque también puede ser la base para la investigación inicial sobre el desarrollo de una prótesis de articulación de cadera de doble movilidad con varios parámetros para que pueda evaluar los costos y la energía desperdiciada en esfuerzos de prueba y error antes de continuar con pruebas experimentales y clínicas en más adelante. investigación. La simulación computacional juega un papel clave en la predicción de la presión de contacto y los esfuerzos para reducirla con varios parámetros estudiados en una prótesis de articulación de cadera de doble movilidad. La presión de contacto es un aspecto importante porque tiene una relación lineal con el desgaste, que es una de las causas del fracaso del implante22,23.

Caminar es una de las actividades humanas diarias más comunes. La articulación de la cadera sirve como soporte y centro del movimiento de la marcha humana24. El proceso de caminar humano es un patrón cíclico de movimientos de las extremidades que determinará la posición del cuerpo humano25. El ciclo de la marcha es el período entre dos eventos idénticos en el proceso de la marcha, que se utiliza como referencia para la prueba de parámetros de la marcha. Durante la marcha, los humanos generan diferentes fuerzas en las articulaciones de la cadera. Los términos ciclo de la marcha y fuerza también se utilizan ampliamente en varios estudios relacionados con prótesis de articulación de cadera26,27.

Basado en el modelo actual de prótesis de cadera de doble movilidad16, aún no se ha llevado a cabo una investigación de la presión de contacto considerando el ciclo de la marcha. La cantidad de información sobre esta condición de presión de contacto es necesaria ya que la marcha es un fenómeno cotidiano. Por lo tanto, el objetivo principal del presente estudio es investigar la presión de contacto de las prótesis de articulación de cadera de doble movilidad durante el ciclo de la marcha.

El nuevo modelo de prótesis de doble movilidad de Saputra et al.16 consta de cabeza femoral, revestimiento interior, revestimiento exterior y copa acetabular. La cabeza femoral se definió como un cuerpo rígido analítico. El revestimiento interior estaba hecho de UHMWPE con un módulo de Young de 1 GPa y una relación de Poisson de 0,428. El revestimiento exterior y el cotilo se fabricaron de acero inoxidable 316L (SS 316L) con un módulo de Young de 193 GPa y un índice de Poisson de 0,329.

Se realizaron nuevos modelos geométricos basados en la investigación de Saputra et al.16. La geometría del diseño de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad se estudió mediante el software ABAQUS CAE 2020 considerando carga estática con un solucionador implícito. Las geometrías de los componentes se enumeran en la Tabla 1 y se obtuvieron adoptando la geometría de una prótesis de articulación de cadera de movilidad única comúnmente utilizada con diámetros de cabeza femoral de 22 mm, 28 mm y 32 mm30 y luego adoptadas para el diseño de la presente. Prótesis de cadera de doble movilidad. Se definió que la cabeza femoral tenía una posición inicial según la investigación realizada por Gao et al.31. La posición inicial se utilizó para igualar el punto inicial del ciclo de marcha. El nuevo diseño de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad se muestra en la Fig. 1. Se aplicaron variaciones en el ángulo de inclinación al componente de la copa acetabular como se presenta en la Fig. 2. Según la literatura32, el ángulo de inclinación aplicado en el componente de la copa acetabular conduciría a diferentes valores de presión de contacto resultantes sobre el soporte de la prótesis de cadera. El revestimiento interior y el revestimiento exterior tienen la misma inclinación ideal en todas las variaciones del ángulo de inclinación del cotilo aplicado. Se consideraron seis variaciones del ángulo de inclinación en el modelo actual de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad que pueden ocurrir en condiciones reales, adoptado de Gao et al.31, presentado en la Tabla 2.

Modelo geométrico de la presente prótesis de articulación de cadera de doble movilidad.

Variaciones en el ángulo de inclinación del componente de copa acetabular de la nueva prótesis de articulación de cadera de doble movilidad.

En este trabajo, se utilizó el método de elementos finitos para predecir la presión de contacto del modelo de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad. El tipo de elemento hexaedro de 8 nodos con control de malla hexagonal estructurado se aplicó a todos los componentes, como se muestra en la Fig. 3a. El revestimiento interior, el revestimiento exterior y el cotilo acetabular se mallaron con tamaños de elementos de 1,5 mm, 0,5 mm y 0,5 mm, respectivamente (el revestimiento tenía aproximadamente 3800 elementos, el revestimiento exterior tenía aproximadamente 68 000 elementos y la copa tenía aproximadamente 85 000 elementos). ). El número de elementos ha sido considerado en un modelo computacional basado en un estudio de convergencia utilizando el método de refinamiento H33,34, donde se realiza generando elementos más pequeños desde el mallado inicial hasta que se obtiene un número suficiente de elementos para un resultado preciso.

(a) Malla del modelo y (b) condición de contorno para el caso de una prótesis de articulación de cadera de doble movilidad.

La condición límite de la actual prótesis de articulación de cadera de doble movilidad se refleja en la Fig. 3b. Las fuerzas resultantes del ciclo de la marcha se aplicaron en el punto de referencia de la cabeza femoral. En el presente estudio se realizó un contacto en estado estacionario entre la copa acetabular, el revestimiento exterior, el revestimiento interior y la cabeza femoral, ignorando la posibilidad de microseparación y carga en los bordes. La superficie exterior de la copa acetabular se fijó en todas las direcciones. Se consideró que la cabeza femoral podía moverse en dirección vertical sin movimiento. No se consideran los cambios de temperatura durante el contacto. La rugosidad de la superficie en la interfaz de contacto desde la superficie interior de la copa acetabular con la superficie exterior del revestimiento exterior y la superficie interior del revestimiento interior con la superficie exterior de la cabeza femoral se establece sin fricción. Entonces, la influencia del líquido sinovial está ausente en el contexto de un contacto seco.

La fuerza cuasiestática concentrada tridimensional en momentos específicos del ciclo de la marcha fue adoptada basándose en la investigación de Paul35. Para simplificar la simulación computacional, la presente simulación computacional toma seis puntos de tiempo específicos del ciclo de la marcha que representan el ciclo completo de la marcha, en referencia a la investigación previa de Ammarullah et al.33,36. Los seis puntos de tiempo específicos describen varias condiciones: 0% es el comienzo del ciclo de la marcha, 20% es el segundo pico más alto del ciclo de la marcha, 35% es la fuerza más baja antes del final del ciclo de la marcha, 50% es la mitad del ciclo de la marcha. Durante el ciclo de la marcha, el 65% es el primer pico más alto y el 100% es el final del ciclo de la marcha.

El modelo computacional establecido en el presente estudio debe verificarse con la literatura anterior para garantizar la exactitud de los resultados obtenidos. Para ello, los resultados de la simulación computacional se compararán con estudios previos realizados por Gao et al.31,37 con modelos de prótesis de articulación de cadera de movilidad simple y dual. Los valores de presión de contacto se compararán en condiciones y parámetros idénticos en términos de carga, propiedades del material y condiciones límite. Si la comparación tiene una tendencia similar con resultados relativamente similares (por debajo del 15% para cada punto de tiempo específico del ciclo de la marcha), entonces se puede decir que el modelo actual es válido con la verificación exitosa de los resultados para que se pueda realizar el análisis de datos. .

Las Figuras 4a,b muestran la comparación de los resultados de la presión de contacto entre el modelo actual y el trabajo publicado de Gao et al.31,37. Según la figura 4, los resultados en un ciclo de marcha entre el estudio actual y el de Gao et al.31,37 muestran una tendencia similar. La diferencia en la presión de contacto muestra una buena concordancia con la desviación del 6,38 al 11% para cada punto de tiempo específico del ciclo de la marcha. La diferencia relativamente pequeña en los resultados por debajo del 15% hace que el modelo actual sea válido.

Validación de la presión de contacto con Gao et al.31,37: (a) modelos de prótesis de articulación de cadera de movilidad única, (b) de movilidad dual.

Las distribuciones de contorno de la presión de contacto máxima en la superficie interior del revestimiento interior, la superficie exterior del revestimiento exterior y la superficie interior de la copa acetabular se muestran en las figuras 5a a c, respectivamente, durante el ciclo de marcha bajo varias variaciones en el ángulo de inclinación aplicado sobre el cotilo acetabular. Los revestimientos interior y exterior tienen la misma posición, mientras que la copa acetabular tiene diferentes ángulos de inclinación. Todos los datos mostrados se obtuvieron cuando el ciclo de la marcha alcanzó aproximadamente el 65% según el ciclo de la marcha de Paul35, ya que la carga máxima del ciclo de la marcha ocurre en este momento. Esto significa que la presión de contacto más alta se produce durante la carga máxima del ciclo de la marcha.

Gráfico de contorno de la presión de contacto en los componentes actuales de la prótesis de articulación de cadera de doble movilidad: (a) superficie interior del revestimiento interior, (b) superficie exterior del revestimiento exterior, (c) superficie interior de la copa acetabular.

La presión de contacto máxima generada por el revestimiento interior se representa en las figuras 6a a d, lo que muestra que la inclinación aplicada a la copa acetabular no afectó la presión de contacto máxima en la superficie interior del revestimiento interior. Cada curva representa una variación de los ángulos de inclinación aplicados en un cotilo. Hubo ligeras diferencias en la superficie interna del revestimiento interno, presión de contacto máxima de cada ángulo de inclinación aplicado sobre la copa acetabular. Se puede ver en las figuras 6a a c que todas las curvas muestran resultados coincidentes.

Presión de contacto en la superficie interna del revestimiento interior: (a) modelo con cabeza femoral de 22 mm, (b) modelo con cabeza femoral de 28 mm, (c) modelo con cabeza femoral de 32 mm, (d) comparación de presión de contacto de diferentes diámetros de cabeza en modelos con inclinación de 45°.

Las Figuras 6a a d representan la presión de contacto máxima en la superficie interna del revestimiento interno para cada variación en los diámetros de la cabeza femoral de 22 mm, 28 mm y 32 mm, respectivamente. Las presiones de contacto máximas en los modelos de diámetro de cabeza femoral de 22 mm, 28 mm y 32 mm con un avance del 65 % del ciclo de la marcha son 20,78 MPa, 15,16 MPa y 12,94 MPa, respectivamente. El modelo de 22 mm genera la presión de contacto más alta entre todas las variaciones de diámetro, seguido de los modelos de 28 mm y 32 mm. La presión de contacto máxima de cada modelo alcanza el punto máximo al 65 % de progreso del ciclo de la marcha debido a las fuerzas concentradas tridimensionales que alcanzaron su máximo en esa condición, según Paul35.

Las Figuras 7 y 8 muestran que la inclinación de la copa afectó la presión de contacto máxima generada tanto en la superficie exterior del revestimiento exterior como en la superficie interior de la copa acetabular. La curva del modelo de inclinación de 45° en ambos componentes tiene la menor fluctuación en comparación con otras curvas con diferentes ángulos de inclinación aplicados. La inclinación de 45° provocó que los tres componentes (revestimiento interior, revestimiento exterior y cotilo acetabular) estuvieran inclinados uniformemente. Tres posiciones idénticas de componentes crearon un área de contacto más grande que afectó las presiones de contacto máximas generadas durante la simulación. Korduba et al.38 afirmaron que una mayor área de contacto afectada por la posición de inclinación (abducción) de la copa dará como resultado una menor presión de contacto generada. Estos datos mostraron una concordancia similar en todos los tipos de modelos con diferentes diámetros de cabeza femoral.

Presión de contacto en la superficie exterior del revestimiento exterior: (a) modelo con cabeza femoral de 22 mm, (b) modelo con cabeza femoral de 28 mm, (c) modelo con cabeza femoral de 32 mm, (d) comparación de presión de contacto de diferentes diámetros de cabeza en modelos con inclinación de 45°.

Presión de contacto en la superficie interna de la copa acetabular: (a) modelo con cabeza femoral de 22 mm, (b) modelo con cabeza femoral de 28 mm, (c) modelo con cabeza femoral de 32 mm, (d) comparación de presión de contacto de diferentes diámetros de cabeza en el modelo de inclinación de 45°.

Las variaciones de tamaño en todos los componentes de la prótesis de articulación de cadera de doble movilidad afectaron el valor de la presión de contacto generada de cada componente. Una cabeza femoral más grande dio como resultado una presión de contacto generalmente menor en todos los componentes. Todas las comparaciones de la presión de contacto generada por los tres componentes en cada variación de tamaño se pueden ver en las Figs. 6, 7 y 8. Según los datos mostrados en las Figs. 6, 7 y 8, el mayor tamaño de la cabeza femoral generalmente condujo a generar una menor presión de contacto en los tres componentes (revestimiento interior, revestimiento exterior y copa acetabular).

Se utilizó el modelo de prótesis de articulación de cadera de movilidad dual para reducir el desgaste del implante en comparación con una prótesis de articulación de cadera de movilidad única que ha sido probada tanto desde el punto de vista mecánico39 como médico40. Según Jamari et al.29, la presión de contacto tiene una correlación lineal con el desgaste de los cojinetes de los implantes; por lo tanto, los estudios de presión de contacto pueden indicar la intensidad del desgaste de los cojinetes de los implantes. La presión de contacto máxima generada desde la superficie interior del revestimiento interior, la superficie exterior del revestimiento exterior y la superficie interior del cotilo con una inclinación de 45° mostró un valor de presión de contacto más bajo que los otros modelos de inclinación (30°, 40°, 50°, 60° y 70°) para el mismo diámetro de cabeza femoral, ya sea 22 mm, 28 mm o 32 mm. Los gráficos de presión de contacto máxima generados a partir de la superficie interna del revestimiento interior para cada diámetro de la cabeza femoral no se vieron afectados por las inclinaciones de la copa acetabular. Las curvas del gráfico que representan cada ángulo de inclinación tienden a coincidir entre sí. Estos resultados demostraron que las variaciones del ángulo de inclinación no tuvieron un efecto importante sobre la presión de contacto. Los gráficos de presión de contacto máxima de la superficie exterior del revestimiento exterior mostraron que las inclinaciones de la copa eran suficientes para afectar la presión de contacto resultante. La curva cuando el ángulo de inclinación del modelo era de 45° mostró los resultados menos fluctuantes. La diferencia entre la presión de contacto más alta y más baja durante el ciclo de marcha no es demasiado grande, donde no supera los 10 MPa en comparación con otros modelos con cada ángulo de inclinación aplicado. Esto significa que la inclinación de 45° puede minimizar el contacto del borde que causa el desgaste de la tira41. El valor de la presión de contacto en la inclinación de 45° tiene la presión de contacto más baja bajo el ciclo de la marcha en comparación con otros ángulos de inclinación en este estudio, lo que indica que puede minimizar el desgaste y extender la vida útil del implante22,29. La presión de contacto resultante en la superficie interior de la copa mostró la misma tendencia de curva que las curvas en los datos del revestimiento exterior. Las variaciones en el ángulo de inclinación causaron un efecto importante en la presión de contacto de la copa cuando el modelo fue sometido a carga. Todos los modelos, excepto los modelos de inclinación de 45°, mostraron más fluctuaciones en los gráficos de datos.

En este modelado, las variaciones en el ángulo de inclinación solo causaron un pequeño efecto en la presión de contacto resultante. El componente del revestimiento interior del modelo actual tenía una magnitud de presión de contacto más estable durante el ciclo de la marcha que el revestimiento (sin el revestimiento exterior) del modelo convencional de implante de cadera de doble movilidad de Gao et al.31. La existencia de un revestimiento exterior que cubría la superficie exterior del revestimiento interior según el diseño del implante según Saputra et al.16 afectó al valor general de presión de contacto resultante de todos los componentes, especialmente el revestimiento interior. Se puede ver en los gráficos de datos que todas las curvas que representan el modelo con una variación en el ángulo de inclinación coinciden entre sí de modo que todas las curvas parecen una sola línea.

El valor máximo de presión de contacto sobre el cotilo en comparación con el modelo de Gao et al.31 fue generalmente mayor. La presencia del componente del revestimiento exterior provocó un valor máximo de presión de contacto más bajo en el revestimiento interior en el presente modelo de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad en comparación con el revestimiento (sin revestimiento exterior) de Gao et al.31. Los modelos con un ángulo de inclinación de 45° para cada diámetro de la cabeza femoral tendieron a tener una presión de contacto menor sobre el revestimiento exterior y la copa acetabular que los modelos con otras inclinaciones. Esto podría suceder porque cuando la inclinación de la copa era de 45°, los tres componentes del modelo de implante (revestimiento interior, revestimiento exterior y copa acetabular) tendrían la misma posición e inclinación. Los tres componentes cubrirán la superficie de cada uno de modo que el área de contacto en la superficie de cada componente estará más "conectada".

La presión de contacto de la presente prótesis de articulación de cadera de doble movilidad también se comparó con un estudio previo realizado por Uddin42, que utilizó un diseño de cabeza femoral de 22,2 mm. Con variaciones en el ángulo de inclinación del componente de la copa acetabular de 45°, 50°, 55° y 60°, las presiones de contacto máximas en la superficie interna del revestimiento (sin usar el revestimiento exterior) de Uddin42 fueron 21,57 MPa, 21,27 MPa, 21,76 MPa y 22,19 MPa, respectivamente. Este resultado es mayor que el diseño actual de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad para todas las variaciones geométricas (22 mm, 28 mm y 32 mm) con la misma inclinación de la copa acetabular. Esto indica que el diseño actual demuestra un rendimiento mejorado en términos de minimizar fallas debido al desgaste. Además, debido a que el diseño actual utiliza un revestimiento exterior para cubrir el revestimiento de polietileno (como revestimiento interior), puede reducir la posibilidad de reacciones corporales negativas causadas por partículas de desgaste de polietileno. El revestimiento exterior en el presente estudio también es una ventaja de diseño que no está disponible en diseños anteriores de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad, como los establecidos por Uddin42 y Gao et al.31.

El grado de inclinación aplicado al cotilo afectará el área de contacto. Según el estudio de Korduba et al.38, un ángulo de abducción de 0° aplicado al componente dio como resultado el valor de presión de contacto más bajo sobre el componente. Una abducción (inclinación) de 0° hizo que la superficie de contacto mejorara de modo que la presión de contacto generada fuera menor. Esto también sigue los datos obtenidos en el estudio actual; cuando se aplica una inclinación de 45° al cotilo, generalmente provocará una presión de contacto máxima más baja para todos los componentes (revestimiento interior, revestimiento exterior y cotilo acetabular). Los resultados del presente estudio muestran una buena concordancia con Korduba et al.38; cuando se aplicaba 0° de abducción al componente, se obtenía una presión de contacto más baja debido a un área de contacto más grande. Un área de contacto más grande provocaría un contacto más "conectado" para cada componente del modelo de implante.

Existen varias limitaciones en la presente prótesis de articulación de cadera de doble movilidad que pueden afectar los valores de presión de contacto obtenidos. En primer lugar, el modelo actual sólo considera los componentes de soporte que consisten en la copa acetabular, el revestimiento exterior, el revestimiento interior y la cabeza femoral. Sin embargo, el modelo actual no considera la influencia del hueso pélvico ni el papel de la fijación acetabular, lo que hace que los resultados de la simulación computacional sean menos precisos porque están simplificados para lograr tiempos de finalización de la simulación computacional más rápidos43,44. En segundo lugar, en condiciones reales, los implantes de articulación de la cadera se lubrican con líquido sinovial, que es un lubricante natural para las articulaciones humanas. Desafortunadamente, el modelo actual aún mantiene el contacto seco al negar la influencia del líquido sinovial45,46. A continuación, se supone que los materiales utilizados (SS 316L y UHMWPE) son linealmente elásticos. Se debe suponer que el UHMWPE es no linealmente plástico considerando sus propiedades de deformación plástica47,48. Además, la presente predicción computacional de la presión de contacto no realiza estudios de sensibilidad. Es un paso importante para evaluar posibles imprecisiones en la estimación de los datos de entrada del modelo (como las propiedades de los materiales) que influyen en las predicciones del modelo y en las conclusiones extraídas del análisis de estas predicciones. Además, el ciclo de la marcha en el presente estudio fue adoptado de Paul35 con fuerza cuasiestática en puntos de tiempo específicos para simplificar la configuración computacional. Se requiere fuerza dinámica en el ciclo completo para obtener resultados de presión de contacto más realistas y precisos en prótesis de articulación de cadera de doble movilidad49,50. Finalmente, los presentes resultados solo fueron validados por Gao et al.31,37 en resultados de simulación computacional en prótesis de articulación de cadera de movilidad simple y dual, pero en el presente estudio no se realizó una comparación con los experimentos correspondientes. Se necesitan con urgencia investigaciones futuras sobre prótesis de articulación de cadera de doble movilidad para complementar la literatura debido a la falta actual de investigación.

Las variaciones en el ángulo de inclinación no afectaron la presión máxima de contacto del revestimiento interior durante el ciclo de marcha. Hubo ligeras diferencias en la presión de contacto máxima del revestimiento interior de cada ángulo de inclinación aplicado en la copa acetabular que provocaron gráficos de datos trazados casi coincidentes. Por otro lado, el revestimiento exterior y la copa se vieron afectados por el ángulo de inclinación aplicado, creando menos fluctuación en la curva del modelo de inclinación de 45° en cada variación del diámetro de la cabeza femoral. Se puede concluir que la presión de contacto máxima de la superficie interior del revestimiento exterior en el modelo FE actual muestra resultados más estables en comparación con la prótesis de articulación de cadera de doble movilidad convencional. Las curvas de presión de contacto del revestimiento exterior y de la copa con menor fluctuación en los modelos de inclinación de 45° fueron causadas por la misma posición de los tres componentes. Tal condición crea un área de contacto más grande para cada componente que interactúa, lo que afecta la presión de contacto máxima. El modelo actual de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad que utiliza una cabeza femoral de 32 mm de diámetro con un ángulo de inclinación de la copa acetabular de 45° tiene una mejor capacidad para reducir el desgaste.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Caton, J., Prudhon, JL, Ferreira, A., Aslanian, T. y Verdier, R. Ortopedia internacional. En t. Ortopédico. 38, 1125-1129 (2014).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Aguado-Maestro, I. et al. Copas de movilidad dual como opción de rutina en artroplastia total de cadera. Medicina (B. Aires) 58, 528 (2022).

Artículo de Google Scholar

Jamari, J., Anwar, IB, Saputra, E. y van der Heide, E. Simulación del rango de movimiento del movimiento de la articulación de la cadera durante la actividad salat. J. Artroplastia 32, 2898–2904 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Alberio, RL, Rusconi, M., Martinetti, L., Monzeglio, D. & Grassi, FA Artroplastia total de cadera (ATC) para fracturas del cuello femoral: comparación entre implantes de movilidad estándar y dual. Geriatría 6, 70 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Eko, S. El comportamiento tribológico de la prótesis de cadera de doble movilidad en relación con el pinzamiento (Universidad de Twente, 2021). https://doi.org/10.3990/1.9789036552264.

Reservar Google Académico

Grazioli, A., Ek, ETH & Rüdiger, HA Concepto biomecánico y resultado clínico de las copas de doble movilidad. En t. Ortopédico. 36, 2411–2418 (2012).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Damm, P., Bender, A., Waldheim, V., Winkler, T. & Duda, GN La colocación de la copa quirúrgica afecta el calentamiento de los reemplazos totales de cadera. Ciencia. Rep. 11, 15851 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cui, Z., Tian, YX, Yue, W., Yang, L. y Li, Q. Depósitos tribobiológicos en las superficies articuladas de implantes totales de cadera de metal sobre polietileno recuperados de pacientes. Ciencia. Representante 6, 1–8 (2016).

CAS Google Académico

Bistolfi, A. y col. Polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) para artroplastia de cadera y rodilla: el presente y el futuro. J. Orthop. 25, 98-106 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Di Laura, A. et al. La forma química de las especies metálicas liberadas de las uniones cónicas corroídas de los implantes de cadera: análisis sincrotrón del tejido del paciente. Ciencia. Rep. 7, 10952 (2017).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Scharf, B. y col. Análisis molecular de la toxicidad relacionada con el cromo y el cobalto. Ciencia. Rep. 4, 5729 (2015).

Artículo de Google Scholar

Hochgeschurz, S. et al. Corrección del autor: Reconstrucción de extremidades aviares mediante prótesis de pierna osteointegrada para una realización intuitiva. Ciencia. Rep. 11, 19231 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Adam, P., Farizon, F. y Fessy, MH Desgaste y revestimientos acetabulares retentivos de movilidad dual: análisis de superficie de 40 implantes de polietileno recuperados. Ortopédico. Traumatismo. Cirugía. Res. 100, 85–91 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Zhao, Y. et al. La progranulina suprime la osteólisis inflamatoria inducida por partículas de titanio al atacar la señalización del TNFα. Ciencia. Rep. 6, 20909 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Eger, M., Sterer, N., Liron, T., Kohavi, D. y Gabet, Y. El raspado de implantes de titanio arrastra la osteólisis inducida por inflamación. Ciencia. Rep. 7, 39612 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Saputra, E., Anwar, IB, Ismail, R., Jamari, J. y Van Der Heide, E. Estudio de elementos finitos de la distribución de la presión de contacto en el revestimiento interior y exterior de la prótesis de cadera bipolar. Conferencia AIP. Proc. 1725, 1–6 (2016).

Google Académico

Lamo-Espinosa, JM et al. Cotilo cementado de doble movilidad para artroplastia total primaria de cadera en pacientes de edad avanzada con inestabilidad de alto riesgo. Geriatría 6, 23 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Affatato, S. et al. Revisión de un cotilo monobloque metal sobre metal utilizando un componente de doble movilidad: ¿es una opción razonable?. Materiales (Basilea) 13, 2040 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Tigani, D., Banci, L., Valtorta, R. y Amendola, L. Parámetros de estabilidad de la cadera con movilidad dual, movilidad dual modular y soporte fijo en artroplastia total de cadera: una evaluación analítica. Musculoesqueleto BMC. Desorden. 23, 1-10 (2022).

Artículo de Google Scholar

Maslov, L. et al. Análisis de elementos finitos de implante acetabular personalizado y hueso después de la resección de un tumor pélvico durante todo el ciclo de la marcha. Materiales (Basilea) 14, 7066 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

González-bravo, C., Ortega, MA, Buján, J., de la Torre, B. & Barrios, L. Prevención y reducción del riesgo de desgaste en artroplastia total de cadera. Un estudio personalizado que compara técnicas de fijación con y sin cemento empleando análisis de elementos finitos. J. Pers. Medicina. 11, 1-16 (2021).

Artículo de Google Scholar

Jamari, J. y col. Predicción computacional de la presión de contacto de la cabeza femoral CoCrMo, SS 316L y Ti6Al4V contra la copa acetabular de UHMWPE en un ciclo de marcha. J. Función. Biomateria. 13, 64 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, HK, Kim, SM y Lim, HS Predicción computacional del desgaste de TKR con deformidad plana durante la marcha. Aplica. Ciencia. 12, 3698 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Basri, H. y col. El análisis de la geometría de los hoyuelos en la articulación de la cadera artificial para la realización de la lubricación. J. Física. Conf. Ser. 1198, 042012 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Tijjani, I., Kumar, S. y Boukheddimi, M. Una encuesta sobre el diseño y control de exoesqueletos de las extremidades inferiores para la marcha bípeda. Aplica. Ciencia. 12, 2395 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Valente, G., Taddei, F., Leardini, A. y Benedetti, MG Efectos del fortalecimiento de los abductores de cadera sobre la carga musculoesquelética en pacientes con displasia de cadera después de un reemplazo total de cadera. Aplica. Ciencia. 11, 2123 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Jamari, J. y col. Condición de marcha adoptada para un enfoque de simulación computacional sobre el soporte de prótesis de articulación de cadera: revisión de los últimos 30 años. Heliyon 8, e12050 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chernets, M., Chernets, Y. y Zubrzycki, J. Un estudio sobre la relación entre las presiones de contacto en un implante de cadera TDN-UHMWPE de grado 2: módulo de Young y relación de Poisson. Tríbol. Indiana 44, 334–342 (2022).

Artículo de Google Scholar

Jamari, J. y col. Presión de contacto in silico de un implante total de cadera metal sobre metal con diferentes materiales sometidos a cargas de la marcha. Metales (Basilea) 12, 1241 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Bayam, L., Drampalos, E., Nagai, H. y Kay, P. Conversión de hemiartroplastia de cadera fallida a artroplastia de baja fricción (LFA). J.Clin. Medicina. 8, 503 (2019).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Gao, Y., Chen, Z., Zhang, Z., Chen, S. y Jin, Z. Efecto de los ángulos de inclinación y anteversión sobre la cinemática y la mecánica de contacto de los implantes de cadera de doble movilidad. Clínico. Biomecánica. 57, 48–55 (2018).

Artículo de Google Scholar

Bourget-Murray, J. et al. Modelado computacional de artroplastia de rejuvenecimiento de la cadera que investiga el efecto de la versión femoral en la biomecánica de la cadera. PLoS One 16, 1-12 (2021).

Google Académico

Ammarullah, MI y cols. Estudio de estrés de Tresca en rodamientos de CoCrMo-sobre-CoCrMo basado en el índice de masa corporal mediante un modelo computacional 2D. Jurnal Tribologi 33, 31–38 (2022).

Google Académico

Amor-Martin, A. & García-Castillo, LE Técnicas adaptativas de refinamiento de mallas semiestructuradas para el método de elementos finitos. Aplica. Ciencia. 11, 3683 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Paul, JP Fuerzas transmitidas por las articulaciones del cuerpo humano. Proc. Inst. Mec. Ing. 181, 8-15 (1966).

Google Académico

Ammarullah, MI y cols. Evaluación de estrés de Tresca de la artroplastia total de cadera con metal sobre UHMWPE durante la carga máxima de la actividad normal de caminar. Madre. Hoy Proc. 63, S143-S146 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Gao, Y., Jin, Z., Wang, L. y Wang, M. Análisis de elementos finitos de la distancia de deslizamiento y la mecánica de contacto de un implante de cadera en condiciones dinámicas de marcha. Proc. Inst. Mec. Ing. Parte H J. Ing. Medicina. 229, 469–474 (2015).

Artículo de Google Scholar

Korduba, LA et al. Efecto del ángulo de abducción de la copa acetabular sobre el desgaste de polietileno de peso molecular ultra alto en pruebas con simulador de cadera. Soy. J. Orthop. (Belle Mead. Nueva Jersey) 43, 466–471 (2014).

PubMed Google Académico

Solarino, G. et al. Resultados preliminares de la artroplastia total de cadera en sujetos con riesgo de luxación utilizando una nueva copa modular no cementada de doble movilidad. Un estudio prospectivo unicéntrico. Prótesis 3, 53–60 (2021).

Artículo de Google Scholar

Moon, NH, Do, MU, Kim, JS, Seo, JS & Shin, WC La utilidad de las copas de doble movilidad en pacientes con artroplastia total primaria de cadera con riesgo de luxación. Ciencia. Rep. 12, 1–7 (2022).

Artículo de Google Scholar

Jamari, J. y col. El efecto de los hoyuelos del perfil inferior en la cabeza femoral sobre el desgaste en la artroplastia total de cadera metal sobre metal. J. Función. Biomateria. 12, 38 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Uddin, MS Contacto de implantes de doble movilidad: efectos del desgaste y la inclinación de la copa. Computadora. Métodos Biomecánicos. Biomédica. Ing. 18, 1611-1621 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Ammarullah, MI y cols. Minimizar el riesgo de fracaso de las prótesis totales de cadera cerámica sobre cerámica mediante la selección de materiales cerámicos en función de la tensión de tresca. Sostenibilidad 14, 13413 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Lipphaus, A., Klimek, M. & Witzel, U. Análisis comparativo de elementos finitos de técnicas de fijación para lesiones de pelvis a libro abierto APC II. Biomecánica 1, 321–333 (2021).

Artículo de Google Scholar

Ammarullah, MI y cols. Simulación de estrés de Tresca de artroplastia total de cadera metal sobre metal durante la actividad normal de marcha. Materiales (Basilea) 14, 7554 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Farah, H. y col. Los metabotipos diferenciales en los fibroblastos sinoviales y el líquido sinovial en pacientes con osteoartritis de cadera respaldan las respuestas inflamatorias. En t. J. Mol. Ciencia. 23, 3266 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Prado-Novoa, M., Pérez-Sanchez, L., Estebanez, B., Moreno-Vegas, S. y Pérez-Blanca, A. Influencia de las condiciones de carga en el rendimiento mecánico de las suturas multifilamento sin núcleo de UHMWPE utilizadas en cirugía ortopédica. Materiales (Basilea) 15, 2573 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, R. y col. Efecto de PEW y CS sobre las propiedades térmicas, mecánicas y de memoria de forma de UHMWPE. Polímeros (Basilea) 12, 483 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chethan, KN, Bhat, NS, Zuber, M. & Shenoy, BS Evolución de diferentes diseños y estudios de desgaste en prótesis total de cadera mediante análisis de elementos finitos: una revisión. Ing. convincente. 9, 1–30 (2022).

Google Académico

Wang, M. y col. Prótesis hemipélvica impresa en 3D combinada con un soporte de doble movilidad en pacientes con neoplasia maligna primaria que afecta el acetábulo: resultados clínicos y análisis de elementos finitos. Cirugía BMC. 22, 357 (2022).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Descargar referencias

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Diponegoro, Semarang, 50275, Java Central, Indonesia

Mohammad Tauviqirrahman, J. Jamari, Febri Dwi Kurniawan y Shidnan Amir Shiddiq

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Pasundan, Bandung, 40153, Java Occidental, Indonesia

Muhammad Imam Ammarullah

Centro de Investigación de Ingeniería Biomecánica y Biomédica, Universidad Pasundan, Bandung, 40153, Java Occidental, Indonesia

Muhammad Imam Ammarullah

Centro de Investigación e Ingeniería Biomecánica Undip (UBM-ERC), Universidad Diponegoro, Semarang, 50275, Java Central, Indonesia

Muhammad Imam Ammarullah, J. Jamari, Tri Indah Winarni, Febri Dwi Kurniawan y Shidnan Amir Shiddiq

Departamento de Ingeniería Mecánica, Politécnico Estatal de Semarang, Semarang, 50275, Java Central, Indonesia

eco saputra

Departamento de Anatomía, Facultad de Medicina, Universidad Diponegoro, Semarang, 50275, Java Central, Indonesia

Tri Indah Winarni

Centro de Investigación Biomédica (CEBIOR), Facultad de Medicina, Universidad Diponegoro, Semarang, 50275, Java Central, Indonesia

Tri Indah Winarni

Departamento de Mecánica de Sólidos, Superficies y Sistemas (MS3), Facultad de Tecnología de Ingeniería, Universidad de Twente, Postbox 217, 7500 AE, Enschede, Países Bajos

Emile van der Heide

Laboratorio de Tecnología de Superficies y Tribología, Facultad de Tecnología de Ingeniería, Universidad de Twente, Postbox 217, 7500 AE, Enschede, Países Bajos

Emile van der Heide

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

JJ y TIW realizaron la conceptualización, adquisición de fondos, FDK escribieron la preparación del borrador original, MT y MIA realizaron la redacción: revisión y edición, investigación, MT; ES realizó la curación y visualización de datos, EV-H proporcionó software y recursos, FDK y SAS realizaron la administración del proyecto, JJ propuso la metodología, TIW y EV-H; supervisión, MT, MIA y ES realizaron análisis formales. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Mohammad Tauviqirrahman.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado a los autores originales y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Tauviqirrahman, M., Ammarullah, MI, Jamari, J. et al. Análisis de la presión de contacto en un modelo 3D de prótesis de articulación de cadera de doble movilidad bajo un ciclo de marcha. Informe científico 13, 3564 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30725-6

Descargar cita

Recibido: 29 de abril de 2022

Aceptado: 28 de febrero de 2023

Publicado: 02 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30725-6

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.

Blog