Desafios, Investigação e Desenvolvimentos no âmbito da Biomecânica. josé antónio simões
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- Ruth Raíssa Padilha Domingos
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1 josé antónio simões grupo de investigação em biomecânica departmento de engenharia mecânica universidade de aveiro
2 Constituição do Grupo de Investigação em Biomecânica da Universidade de Aveiro - 7 alunos de doutoramento - 4 alunos de mestrado - 3 bolseiros - 1 pós-doutoramento Doutoramentos (a decorrer) - desenvolvimento de um novo sistema de implante dentário (Lídia Carvalho) - concepção e desenvolvimento de uma prótese de anca cimentada (António Ramos) - controlo in vivo de extensões em próteses de anca através de sensores de Bragg em fibra óptica (André Vieira) - próteses de anca anatomicamente adaptadas por obtenção in situ da geometria do canal femoral (Carlos Relvas) - cultura in vitro de tecido ósseo através de células estaminais em próteses de anca personalizadas (Joana Margarida) - prótese de joelho: relação entre factores clínicos e biomecânicos (António Completo) - efeitos de fadiga e necrose térmica no tecido ósseo induzidos pela prótese de anca (Catarina Violeta)
3 Mestrados (concluídos) - projecto de próteses articulares da anca em materiais compósitos (André Vieira) - caracterização do comportamento mecânico de cimentos ósseos e osso trabecular bovino (Marina Gomes) - desenvolvimento de próteses para artroplastias de animais domésticos (Joana Margarida) - estudo numérico e experimental da biomecânica do fémur intacto e com prótese de anca inserida (José Américo) - estudo da influência do método de fixação na interface osso-prótese e sua relação com o mecanismo de migração da prótese de anca (Rui Pirraco) - estudo dos factores de influência na selecção das próteses de anca (Maria de Lurdes) - design de equipamento para pacientes asmáticos (Vasco Grão) Mestrados (a decorrer) - concepção e desenvolvimento de dispositivo exp. para ensaios de desgaste em próteses de anca (João Sobral) - integridade estrutural de placas de osteossíntese metálicas e compósitas para fixação óssea (Pedro Talaia) - transferência de carga em implantes dentários usando redes de fibra óptica de Bragg (Pedro Silva) - materiais inteligentes para próteses de anca (Paulo Cardoso)
4 Projectos concluídos/em curso POCTI/EME/44644/ Análise não linear por elementos finitos, contendo propriedades viscoelásticas do cimento e do osso esponjoso, de uma nova prótese de anca cimentada POCTI/CVT/42718/ Sistema integrado para o fabrico rápido de próteses femorais de caninos anatomicamente adaptadas e estudo da estabilidade da fixação óssea POCTI/EME/42474/ Estudo e desenvolvimento de um novo sistema de implante dentário POCTI/EME/36345/ Desenvolvimento de um ensaio pré-clínico para previsão da migração inicial e consequentemente a laxação asséptica tardia de próteses de anca Submetidos recentemente - Engenharia de tecidos para a fixação e osteointegração de implantes ósseos: Caracterização mecânica e respostas biológicas - Mecanismo de diferenciação de tecidos no processo de consolidação de fracturas ósseas: Estudo numérico e in vivo - Concepção e avaliação de implantes biomecânicos instrumentados com tecnologias de fibra óptica - Optimização e fabrico rápido de engineering scaffolds para crescimento ósseo - Implantes estuturais metálicos para osteopenetração bioactiva - Análise de vibrações na avaliação da integridade estrutural de artroplastias totais da anca - Dynabone Avaliação da eficiência de próteses de anca utilizando análise pseudo-dinâmica - Processamento por fusão de polietileno de alta densidade refroçado por nanotubos de carbono para implantes ortopédicos
5 Acções integradas concluídas/em curso Acção Nº F34/04 - Estudo e desenvolvimento de um implante para a restauração funcional da Articulação Temporo-Mandibular (ATM) Acção Nº 14/00 - Desenvolvimento de uma técnica para medição do campo de deformações na interface prótese/osso Acção Nº B41/96 - Desenvolvimento de uma técnica para medir o campo das deformações em materiais porosos e osso esponjoso Acção Nº 62 - Modelação do Comportamento de Implantes Ortopédicos em Materiais Compósitos
6 PRÓTESE DE ANCA
7 conceito/projecto
8 prótese de anca_considerações - tema de investigação de longa data, mas contínua actual e de enorme interesse - anualmente realizam-se em todo o mundo cerca de 1,000,000 de artroplastias da anca - Portugal: estima-se que seja mais de artroplastias da anca (cerca de artroplastias do joelho) - duas áreas distintas de investigação: biológica _ biomecânica (mecanobiologia) - biológica: caracterização da resposta do tecido ósseo ao implante - biomecânica: análise estrutural (forças, tensões, deformações, deslocamentos, energia, )
9 prótese de anca_etiologias Etiologia artrose degenerativa 65% artrite reumatóide 9% transtornos pós-traumáticos 9% necroses avasculares da cabeça femoral 9% pseudartrose da cabeça femoral 2% subluxação ou luxação congénita da anca 2% espondilite anquilosante 2% tumores ósseos 1% tuberculose óssea 1% processo degenerativo da cartilagem: artrose Simões, J. A., Lurdes, M., Marques, A. T., Trigo Cabral, A., 2000, Factores de selecção de próteses de anca, Rev Port Ortop Traum, 8(1), pp
10 prótese de anca_factores de revisão da artroplastia primária descolamento na interface cimento-osso 84% osteólise 72% deslocamento na interface prótese-cimento 64% ossificação heterotópica 63% infecções 60% afundamento femoral e/ou protrusão acetabular 60% desgaste dos componentes protésicos 45% luxação e subluxação 45% dismetrias do membro inferior 39% fracturas 31% fémur rotura da haste 21% lesões vasculares 18% lesões nervosas 13% Simões, J. A., Lurdes, M., Marques, A. T., Trigo Cabral, A., 2000, Factores de selecção de próteses de anca, Rev Port Ortop Traum, 8(1), pp
11 prótese de anca_osso interface implante (componentes acetabular e femoral) interface osso pélvico músculos acetabular fémur interface componente femoral
12 a prótese de anca
13 prótese de anca_factores de insucesso mecânico projecto - numérico versus experimental versus experiência clínica biomecânica da anca (forças musculares e da articulação: sistema hiperestático) material e geometria: rigidez versus resistência propriedades mecânicas (fluência, fadiga, viscoelasticidade ); outras fixação: cimentada versus não cimentada colar versus ausência de colar curvatura no plano medial, ângulo de anteversão, comprimento offset anatómica, semi-anatómica ou recta modular versus não modular abordagem cirúrgica características físicas do paciente sorte
14 prótese de anca_fixação - cimentada versus não cimentada
15 prótese de anca_fixação transferência de tensões interferência (press-fit) cimentada (colada)
16 prótese de anca_desenvolvimento de uma nova prótese de anca cimentada holografia laser fixo solto RESINA OSSO CORTICAL OSSO ESPONJOSO CARGA
17 prótese de anca_fixação transferência de tensões τ σ FIXO AXIAL TRANSVERSAL SOLTO
18 prótese de anca_fixação transferência de tensões TENSÕES NORMAIS δx~0 δx>0 Cimentada (fixa ou colada) δy PRESS-FIT δy FIXO implant implant cancellous bone cancellous bone PRESS-FIT
19 prótese de anca_factores de insucesso mecânico de acordo com Rik Huiskes*: dano acumulado reacções aos corpos estranhos desgaste tribológico rotura da fixação (fixação deficiente) stress shielding strain shielding soluções de projecto conflituosas!!! *R. Huiskes, 1993, Acta Orthop Scand, 64(6), pp. 699
20 prótese de anca_factores incompatíveis de projecto baixa rigidez (isoelastica) elevadas tensões na interface elevada mobilidade, elevada migração elevada transferência de carga baixo stress shielding baixa reabsorção óssea elevada rigidez (liga de Cr-Co) baixas tensões na interface baixa mobilidade, baixa migração baixa transferência de carga elevado stress shielding elevada reabsorção óssea stress shielding tensões na interface zona de projecto? que rigidez estrutural? rigidez (EI)
21 prótese de anca_material e geometria - rigidez versus resistência P E liga titânio E liga Cr-Co deformação 0,25 0,2 0,15 0,1 Liga Cr-Co (200 GPa) Liga titânio (100 GPa) Liga de Cr-Co (200 GPa) 0, posição axial na viga
22 prótese de anca_rigidez constante versus rigidez variável rigidez constante distal proximal rigidez controlada energia da deformação elástica distal proximal variabilidade de rigidez tensões na interface osso-implante
23 prótese de anca_stress shielding reabsorção óssea
24 prótese de anca_stress shielding reabsorção óssea (prótese fixa)
25 prótese de anca_stress shielding reabsorção óssea (prótese press-fit)
26 prótese de anca_tensões no osso esponjoso prótese fixa 6 distal 7,22 stresses above the fatigue threshold limite of cancellous bone 4 2 co-cr titanium composite cemented prosthesis axial position ( mm )
27 prótese de anca_tensões no osso esponjoso prótese press-fit 6 stresses above the fatigue threshold of cancellous bone 4 2 composite (8.09 MPa) 0 distal co-cr (5.60 MPa) titanium ( prosthesis axial position (mm)
28 prótese de anca_tensões no osso esponjoso prótese fixa versus prótese solta bonded cemented debonded co - cr titanium composite minimum principal stresses (MPa)
29 prótese de anca_fabrico de protótipo
30 prótese de anca_comprovação do conceito de rigidez controlada (gradativa)
31 prótese de anca_material e geometria - rigidez versus resistência deformação axial do periósteo do fémur (lateral-medial) técnica experimental de extensómetria fémur intacto prótese compósita prótese liga Cr-Co prótese Cr-Co - alumínio alumínio alumínio - poliuretrano
32 DESENVOLVIMENTO DE UMA NOVA PRÓTESE CIMENTADA DE ANCA
33 prótese de anca_desenvolvimento de uma nova prótese de anca cimentada
34 prótese de anca_modelo numérico (simplificado) 12 secções geométricas ensaiadas cimento com espessura uniforme de 2 mm RESINA OSSO CORTICAL OSSO ESPONJOSO CARGA
35 Desafios, Investigação e Desenvolvimentos no âmbito da Biomecânica prótese de anca_ordenação das secções em função da tensão na interface do implante-cimento
36 prótese de anca_material e geometria - rigidez versus resistência tensões na prótese tensões nas interfaces
37 prótese de anca_zonas de compressão (verde) tracção (vermelho)
38 prótese de anca_desenvolvimento de uma nova prótese de anca cimentada próteses usadas para comparação e geração da nova geometria RESINA OSSO CORTICAL OSSO ESPONJOSO CARGA
39 prótese de anca_cirurgias virtuais RESINA OSSO CORTICAL OSSO ESPONJOSO CARGA
40 prótese de anca_desenvolvida pelo GIB
41 prótese de anca_desenvolvida pelo GIB
42 prótese de anca_desenvolvida pelo GIB
43 prótese de anca_desenvolvida pelo GIB (tensão von Mises no cimento_aspecto medial) Tensão Cimento-Medial Charnley Lubinus SPII Stanmore Muller Straight E_E 5.00 Tensão Von Mises Posição proximal-distal
44 prótese de anca_desenvolvida pelo GIB (tensão von Mises no cimento_aspecto lateral) Tensão Cimento-Lateral Charnley Lubinus SPII Stanmore Muller Straight E_E 3.00 Tensão Von Mises Posição proximal-distal
45 prótese de anca_percentagem de elementos finitos abaixo de 3 MPa Tensão elementos <3 Mpa % de elementos Lubinus Charnley Stanmore Mull. Straight A-A B-B E-E E-A-1 E-1 Modelo numérico
46 prótese de anca_percentagem de elementos finitos e sua intensidade Modelos Tensão Lubinus Charnley Stanmore Mull. Straight E-E nós elementos d.o.f elem-cimento % elementos <3 Mpa Mpa Mpa Média Desv. Padrão
47 prótese de anca_percentagem de elementos finitos e sua intensidade 100 Registos Ortopédicos da Suécia 2003 (5 anos) Percentagem de manto de cimento com tensões abaixo de 3 MPa taxas de sucesso da prótese desenvolvida (?)
48 prótese de anca_frequência dos níveis de tensão ao longo do manto de cimento
49 Desafios, Investigação e Desenvolvimentos no âmbito da Biomecânica prótese de anca_zonas potencialmente sujeitas a descolagem (vermelho ligadas)
50 PRÓTESES COMPÓSITAS DE PEEK/CARBONO: ESTUDO EM OVELHAS
51 prótese de anca_testes em animais (ovelhas) - material PEEK/Carbono
52 prótese de anca_testes em animais (ovelhas) - material PEEK/Carbono
53 prótese de anca_testes em animais (ovelhas) - análise de osteointegração A B C D A alguma remodelação no sistema primário de Havers (1); formação de novo osso com base no osso endosteal (2); reacção forte do periósteo (setas) (3) córtex (4) e osso neoformado
54 prótese de anca_testes em animais (ovelhas) - análise de osteointegração A B C D B micro fracturas em reparação; tecido fibroso (1 mm em média) C remodelação óssea adaptativa formação, com base em osso endosteal, de novo osso similar a osso cortical D um anel de novo osso formado
55 PRÓTESE DE JOELHO
56 Prótese de joelho_porque é que os joelhos falham?
57 Prótese de joelho_que soluções clínicas a medicina dispõe?
58 Prótese de joelho_algumas patologias -Dor -Infecção -Desgaste -Descolamento / Instabilidade Porquê o estudo biomecânico da prótese do joelho? O estudo mecânico da interacção entre a prótese do joelho e os tecidos envolventes procura encontrar, nos esforços envolvidos assim como nos seus movimentos relativos, a razão para algumas destas patologias Assim, conhecendo o comportamento mecânico deste conjunto, podemos agir sobre os materiais, as formas e as técnicas, afim de optimizar o desempenho mecânico da prótese do joelho e melhorar a qualidade de vida do paciente
59 Prótese de joelho_simulação numérica como ferramenta da biomecânica
60 Prótese de joelho_campo de tensões equivalentes de von Mises na haste tibial
61 Prótese de joelho_campo de tensões no componente de polietileno e no manto de cimento do prato
62 Prótese de joelho_campo de tensões equivalentes de von Mises no osso esponjoso
63 PLACAS DE OSTEOSSÍNTESE
64 Placas de osteossíntese_fracturas de ossos
65 Placas de osteossíntese_concepção e projecto (ASTM F )
66 Placas de osteossíntese_modelo CAD do dispositivo de ensaios (ASTM F )
67 Placas de osteossíntese_ensaio mecânico
68 Placas de osteossíntese_resultados de rigidez e resistência 3.5 Teste 3, v = 15mm.s -1 4 Teste 3, v = 15mm.s F[kN] F[kN] t[s] t[s]
69 Placas de osteossíntese_novos materiais para estimular formação de calo ósseo PEEK/Carbono Aço Inoxidável 316L Epóxido/Carbono
70 Placas de osteossíntese_numérico versus experimental
71 SISTEMA DE IMPLANTE DENTÁRIO
72 Desenvolvimento de um novo sistema de implante dentário_considerações
73 Desafios, Investigação e Desenvolvimentos no âmbito da Biomecânica implante dentário_diferença de estruturas viva versus amorfa factores biológicos do paciente processo cirúrgico biocompatibilidade e biofuncionalidade dos materiais fixação bioquímica do implante transferência de carga na interface osso-implante remodelação óssea frequência e intensidade das forças de oclusão
74 implante dentário_ligamento periodontal o dente é fixo pelo osso circundante e ligamento periodontal ligamento periodontal tem comportamento viscoelástico adaptação do dente às forças de oclusão (campo de tensões fisiológico) permite mobilidade necessária ao dente minimiza cargas excessivas, evitando a fractura das trabéculas mecanismo de remodelação óssea:osteointegração as deformações dinâmicas ou a energia de deformação controlam a actividade do tecido ósseo a gama de deformações que permite o equilíbrio da densidade óssea depende do tipo de osso, da sua qualidade, da sua localização no corpo e da natureza das cargas a que é submetido a interface entre o implante e o osso determina o sucesso clínico - mecanismo de transferência de carga
75 implante dentário_interface osso-implante o implante dentário é muito mais rígido transferidas cargas elevadas ao osso alveolar circundante campo de tensões-deformações não é fisiológico fenómenos de reabsorção óssea e laxação do implante ausência de osteopercepção objectivo conceptual do novo sistema de implante implante que possa replicar o efeito mecânico do ligamento periodontal
76 implante dentário_conceito de barreira elastomérica conceito: inclusão de barreira elastomérica para replicar o funcionamento do ligamento periodontal implante dentário convencional - Nobel Biocare, sistema Brånemark, modelo estandardizado - dimensões: Ø = 3,75 mm ; comprimento = 15 mm sistema de implante em estudo - Nobel Biocare, sistema Brånemark, modelo estandardizado - dimensões: Ø = 3,75 mm ; comprimento = 15 mm - inclusão de uma membrana de silicone de 0,5 mm de espessura
77 implante dentário_conceito de barreira elastomérica mandíbula cadavérica humana 4 extensómetros (LY41 3/350, HBM) cargas de oclusão de impacto: massa de 25g a 700mm altura
78 implante dentário_conceito de barreira elastomérica uso de sensores de fibra óptica para medição de deformações
79 implante dentário_conceito de barreira elastomérica dinâmico_estático (sensores de Bragg e extensómetros) STRAIN (a.u.) 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 TIME (s) STRAIN GAGE FBG STRAIN (µ m/m) LOAD (N) STRAIN GAUGE FBG
80 implante dentário_conceito de barreira elastomérica campo de deformações (máxima e média) 0.4 Conventional implant , ,8-0.8 External Gauge -1,2 External Strain Gauge Internal Gauge Conventional implant Novel implant -1.2 Time (ms) Non-conventional implant External Gauge Internal Strain Gauge Internal Gauge -0.8 Time (ms)
81 implante dentário_conceito de barreira elastomérica simulação numérica EM FLEXÃO com elastómero sem elastómero EM FLEXÃO
82 implante dentário_simulação ligamento periodontal tensões de corte e tensões de von Mises Lei de comportamento: σ= A (e Bγ 1) A, B constantes determinadas experimentalmente com ligamento sem ligamento com ligamento sem ligamento
83 implante dentário_simulação ligamento periodontal distribuição das tensões de corte nas interfaces carga de compressão carga de compressão + flexão PDL-tooth PDL-bone No PDL PDL-tooth PDL-bone No PDL Distance (mm) Distance (mm)
84 implante dentário_determinação das forças musculares em oclusão localização dos sensores em fibra óptica
85 implante dentário_determinação das forças musculares em oclusão
86 implante dentário_determinação das forças musculares em oclusão
87 implante dentário_determinação das forças musculares em oclusão Carregamento_1 Experimental Numéric Deformação(um/m) FB1 FB2 FB3 FB Sensores
88 implante dentário_determinação das forças musculares em oclusão (REACÇÃO NO INCISIVO) 1000 numérico_molar experimental sensor_1 sensor_2 sensor_3 sensor_
89 implante dentário_determinação das forças musculares em oclusão (REACÇÃO NO CANINO) numérico_canino experimental sensor_1 sensor_2 sensor_3 sensor_
90 implante dentário_determinação das forças musculares em oclusão (REACÇÃO NO MOLAR) 1000 numérico_molar experimental sensor_1 sensor_2 sensor_3 sensor_
91
92 muito obrigado agradecimentos: Alunos pós-graduação Carlos Relvas, Rui Moreira, Lídia Carvalho, Pedro Talaia, António Ramos, Pedro Silva, António Completo, Marina Gomes, André Vieira, José Américo Guedes, Pedro Pirraco, Jean Silva, Orlando Frazão, Joana Margarida, Marco António Gomes, Maria de Lurdes Pinto e Hernâni Lopes Colegas Mário Vaz, Rui Guedes, Fernando Ferreira, Jaime Monteiro, Francisco Queirós de Melo, Mark Taylor, George Jeronimidis, António Torres Marques, Jos van der Sloten, Fernando Capela, Rafael Claramunt, Joaquim Morais, José Dias Rodrigues e Michael Santare, Alex Ballu, Michele Ortopedistas Veterinários Fernando Fonseca, Abel Trigo Cabral, João Salgado, Mr. Mark Freeman e José Caeiro Potes, Michiel Mulier Empresas Institutos Departamentos Fundações DePuy da Johnson&Johnson, LA Medical, Salgado Orthopaedics, CRPG - Centro de Reabilitação Profissional de Gaia de Arcozelo, DentalPraxis Clínica Dentária de Matosinhos, Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial da Universidade do Porto, Department of Mechanical Engineering da Universidade de Delaware dos EUA, Department of Mechanical Engineering da Universidade de Southampton, Departamento de Física da Universidade de Aveiro, Departamento de Higiene e Sanidade Animal e Vegetal, Universidade de Évora, Designatpt Gabinete de Design e Arquitectura de Matosinhos, Division of Biomechanics and Engineering Design, Katholieke Universiteit Leuven da Bélgica, Engineering Department da Universidade de Reading, Escola Superior Saúde Norte da Gandra, Instituto Nacional de Engenharia e Gestão Industrial do Porto, IRC de Queen Mary and Westfield College da London University, INESC Porto Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto, NORCAM - Engenharia e Design Industrial do Porto, Protosys, Prestação de Serviços de Engenharia e Design Industrial do Porto, Serviço de Ortopedia do Hospital de Aveiro de Aveiro, Serviço de Ortopedia do Hospital de S. João do Porto, Serviço de Ortopedia A dos Hospitais da Universidade de Coimbra de Coimbra, Zollern & Comandita da Maia, Fundação para a Ciência e a Tecnologia e Fundação Calouste Gulbenkian
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