Autor(es):
Ramos, António Manuel de Amaral Monteiro 
Data: 2006
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/2552
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Biomecânica; Próteses; Cimento ósseo; Ortopedia
Descrição
O ciclo de desenvolvimento de uma prótese de anca envolve diversas fases,
culminando na sua experimentação clínica para posterior aprovação pelos
organismos competentes para assim ser comercializada e aplicada em cirurgia
ortopédica rotineira. O trabalho apresentando nesta tese consistiu na
concepção e desenvolvimento de uma nova componente femoral de uma
prótese de anca cimentada. Para o efeito, a nova geometria da prótese foi
parcialmente concebida tendo por base os resultados analisados de um modelo
de elementos finitos simplificado da prótese de anca cimentada. Foram
analisadas 12 secções transversais do implante e obtidas as distribuições das
tensões equivalentes de von Mises no manto de cimento e as tensões principais
máximas e mínimas nas interfaces prótese-cimento e osso-cimento. Depois de
gerada inicialmente a nova geometria, esta foi objecto de alterações ao nível da
sua parte distal, na zona de transição para a localização de um centralizador e
no ângulo de inclinação do colar na direcção anterior-posterior. O desempenho
da nova componente femoral foi comparado com os mesmos das próteses
Lubinus SPII, Stanmore e Charnley Roundback, estas referenciadas como as
de melhores taxas de sucesso nos registos ortopédicos suecos. No mesmo
estudo também se analisou o comportamento da prótese Müller Straight, esta
por ser a mais utilizada em Portugal. Concebeu-se modelos numéricos de
elementos finitos usados nas simulações, que foram feitos com base em
tomografias axial computadorizadas de "artroplastias" in vitro realizadas com
fémures estandardizados de material compósito. O estudo foi finalizado com o
fabrico de protótipos pelo método de fundição por cera perdida e a realização
de ensaios in vitro de fadiga. Para a realização das cirurgias in vitro com a nova
prótese, foi desenvolvido um instrumental adequado. Foram ensaiadas 3
próteses de cada, tendo sido feita a correlação numérica e experimental entre
os padrões de fissuras no manto de cimento e os níveis de descolamentos nas
interfaces resultantes do processo de fadiga. Todas as próteses foram sujeitas
à fadiga com uma carga sinusoidal de força máxima de 2.5 kN e mínima de 1
kN (estas forças variavam em função do tipo de prótese) a uma frequência de
2.5 Hz. Todos os fémures foram depois seccionados em 12 níveis ao longo da
haste da prótese e foi utilizada a técnica de líquidos penetrantes para salientar
as fissuras e os descolamentos. Determinou-se as tipologias dos campos de
fissuração no manto de cimento e descolamentos nas interfaces prótesecimento
e cimento-osso, que foram comparados com os resultados das
simulações numéricas: tensões equivalentes de von Mises e tensão e direcção
principal máxima, obtendo-se boa concordância. A prótese Müller Straight foi
das quatro próteses a que evidenciou pior desempenho; a prótese Stanmore
provocou baixa intensidade de fissuras e menores descolamentos. A nova
componente femoral desenvolvida, em todas as análises realizadas, apresentou
excelente comportamento e, aparentemente, poderá ter desempenho in vivo
semelhante às próteses cimentadas usadas nesta tese.
ABSTRACT: The development cycle of a hip prosthesis involves different phases, finalizing
with its clinical testing to be approved by the competent organizations and be
commercialised and used in daily orthopaedic surgery. The work presented in
this thesis aimed the conception and development of a new femoral component
for a cemented hip prosthesis. For this purpose, the new geometry was
partially designed based on the numerical results of finite element models of a
simplified cemented hip prosthesis. For 12 geometry sections studied the
equivalent von Mises stresses at the cement mantle and the minimum and
maximum principal stresses at the prosthesis-cement and bone-cement
interfaces were analysed and compared. After the initial geometry developed,
some changes were performed at the distal tip of the stem, namelly the
geometry for the centraliser and the slope angle of the collar at the anteriorposterior
direction. The performance of the new femoral component was
compared with the same of the Lubinus SPII, Stanmore and Charnley
Roundback, these referenced as the ones with the highest success rates in the
Swedish Orthopaedic Register. In the same study, the performance of the
Müller Straight was also assessed since this design is the most used in
Portugal. Finite element numerical models were generated based on computer
axial tomography of in vitro arthroplasties made with composite synthetic
femurs. The study was finalized with the manufacturing of prototypes using wax
loss foundry technology and fatigue testing. To make the in vitro surgeries with
the new stems, dedicated instrument was designed and manufactured. Three
stems of each of the prostheses used within the study were tested in fatigue
and the level of cracking of the cement mantle and interface debonding were
compared with the numerical results. All prostheses were loaded in fatigue with
a sinusoidal load of maximum load 2.5 kN and a minimum load of 1 kN (these
loads were variable and dependent of the prosthesis design) at a frequency of
2.5Hz. All femurs were sectioned at 12 levels and penetrate liquids was used to
evidence the cracking and debonding. The typology of the crack patterns of the
cement mantle and interface debonding at the stem-cement and bone-cement
interfaces were compared with the von Mises stresses and the maximum
principal stress directions and good correlations were obtained. The Müller
Straight was of all prostheses the one which evidenced the worst performance;
the Stanmore prosthesis provoked less cracking and interfaces debonding. The
new designed developed evidenced excellent performance and, apparently,
can possibly perform as well as the cemented prostheses used in this thesis. Doutoramento em Engenharia Mecânica
