Autor(es):
Coutinho, Marco Filipe da Fonseca 
Data: 2010
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/6002
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Engenharia mecânica; Biomateriais; Implantes ortopédicos; Artroplastia; Cimento ósseo
Descrição
Actualmente, a maioria dos implantes ´osseos utilizados na reconstru¸c˜ao
articular s˜ao fixos ao osso recorrendo a cimento ´osseo designado comercialmente
por polimetilmetacrilato (PMMA). No processo de polimeriza¸c˜ao do
PMMA d´a-se uma reac¸c˜ao exot´ermica com liberta¸c˜ao de calor e o consequente
aumento de temperatura. O aumento da temperatura (45 -80 )
para al´em dos limites tolerados pelo organismo ´e apontado como uma das
raz˜oes para o surgimento de necrose no osso, conduzindo `a impossibilidade/
dificuldade de regenera¸c˜ao do mesmo, colocando em causa a longevidade
da artroplastia. O processo de polimeriza¸c˜ao, inicia-se normalmente
na interface cimento-osso j´a que esta se encontra `a temperatura mais elevada
(corpo humano), promovendo-se assim a polimeriza¸c˜ao, ao longo da
espessura do manto de cimento, no sentido do osso para o implante. O
facto da interface cimento-implante ser a ´ultima a polimerizar conduz `a
existˆencia de imperfei¸c˜oes na mesma. Tais imperfei¸c˜oes podem agir como
n´ucleos de inicia¸c˜ao de fissura¸c˜ao do cimento ´osseo originando a sua fractura
posterior e conduzindo ao fen´omeno de oste´olise. Pelos motivos apontados
torna-se interessante, de forma a melhorar a qualidade mecˆanica da interface
cimento-implante, aumentar da temperatura do implante na fase inicial
de polimeriza¸c˜ao do cimento ´osseo e simultaneamente evitar que a temperatura
de polimeriza¸c˜ao origine necrose de origem t´ermica no osso. Para
alcan¸car estes dois objectivos foi desenvolvido um dispositivo de controlo
da temperatura do cimento ´osseo, objecto de estudo da presente tese. A
primeira etapa deste estudo consistiu na constru¸c˜ao e desenvolvimento do
dispositivo electr´onico utilizado. Este desenvolvimento passou pela constru
¸c˜ao f´ısica do dispositivo adaptado `a artroplastia tibial do joelho e pelo
processo de programa¸c˜ao do seu software de controlo. Numa segunda etapa
procedeu-se `a avalia¸c˜ao experimental da eficiˆencia do dispositivo no aquecimento
do prato tibial assim como na temperatura m´axima desenvolvida no
cimento ´osseo, utilizando para isso osso fresco bovino. Numa terceira fase
desenvolveram-se modelos num´ericos que simularam o processo de polimeriza
¸c˜ao do cimento ´osseo na t´ıbia proximal humana de forma a quantificar
nestas condi¸c˜oes a eficiˆencia deste dispositivo, avaliando-se tamb´em a distribui
¸c˜ao de temperaturas no osso. Os resultados obtidos evidenciaram a
capacidade de o dispositivo desenvolvido aumentar a temperatura do implante
na fase inicial de polimeriza¸c˜ao do cimento ´osseo, promovendo-a
a partir da interface cimento-pr´otese, assim como, reduzir a temperatura
m´axima do cimento ´osseo, evitando o efeito de necrose t´ermica no osso.
Em conclus˜ao, o dispositivo desenvolvido contribui positivamente para o
incremento da resistˆencia mecˆanica da interface cimento-implante e reduz
o efeito de necrose t´ermica ´ossea. At present, most of the orthopaedic implants used in articular reconstruction
are fixed to the bone using bone cement commercially known as polymethylmetacrylate
(PMMA). The PMMA polymerization process leads to
an exothermic reaction with heat release and the consequent temperature
rise. The increase of the temperature (45ºC-80ºC) beyond the tolerated
limits for the organism is pointed as one of the reasons with respect to the
arise of necrosis in the bone, leading to the impossibility/difficulty of its
regeneration, compromising the arthroplasty longevity. The polymerization
process normally initiates at the cement-bone interface due to its highest
temperature (human body), promoting the polymerization, throughout the
cement mantle thickness, in the bone-implant direction. The fact of the
cement-implant interface being the last one to polymerize leads to the existence
of imperfections in this area. Such imperfections can initiate the
fissuration process of the bone cement originating its posterior fracture and
leading to ostheolysis. For the mentioned reasons, it becomes interesting,
in order to improve the mechanical quality of the cement-implant interface,
to increase the temperature of the implant in the initial phase of cement
bone polymerization and simultaneously to prevent thermal bone necrosis
originated by polymerization temperature. To achieve these two objectives,
a cement bone temperature control device was developed - subject of study
of the present thesis. The first stage of this study was the construction
and development of this electronic device. This development involved the
physical construction of the device adapted to the tibial knee arthroplasty
and the programming process of its control software. In a second stage, it
was proceeded the experimental evaluation of device efficiency in its tibial
plate heating function as well as in the reduction of maximum temperature
developed in the cement bone using, for this, bovine fresh bone. In the last
phase, numerical models were created simulating the bone cement polymerization
process in the human proximal tibia in order to quantify, in these
conditions, the efficiency of this device, evaluating also the temperatures
distribution in the bone. The results showed the capacity of the developed
device to increase the implant temperature at the initial bone cement polymerization
phase, promoting it from the cement-implant interface, as well
as, to reduce the maximum temperature of the bone cement, preventing the
effect of thermal necrosis in the bone. In conclusion, the developed device
contributes positively for the increment of the mechanical resistance of the
cement-implant interface and reduces the effect of thermal bone necrosis. Mestrado em Engenharia Mecânica
