Preliminary Design Review Disco Cervical Bryan Introdução O Preliminary Design Review tem como objetivo apresentar o projeto em questão que é o desenho de um disco cervical, e respetivas simulações de desempenho, que substitui os discos intervertebrais cervicais existentes na coluna vertebral humana. O disco apresentado trata-se do modelo Bryan da Medtronic, já comercializado em todo o mundo. Disco Cervical Bryan O disco cervical Bryan é comercializado pela Medtronic e a sua utilização é recomendada para pacientes com doenças degenerativas do disco cervical, que podem ser várias como por exemplo hérnias discais e mielopatia espondilótica, e pode ser colocado entre as posições C3 a C7 (figura 1), através de uma cirurgia onde é feita uma incisão na garganta. Figura 1: Coluna Cervical - C1 a C7 O disco é constituído (figuras 2 e 3) por duas tampas de titânio (liga de titânio ASTM), cada uma coberta com uma camada de titânio granulado para promover a ligação do disco às vertebras adjacentes, um núcleo de poliuretano rígido para aguentar as pressões exercidas sobre ele e uma parte central, que tapa o núcleo, também feita de poliuretano mas flexível para permitir que o disco se deforme até um certo limite. Apresenta ainda, nas tampas superior e inferior, uma asa perpendicular para fixar o disco ao osso, no entanto, não são usados parafusos. É comercializado com vários diâmetros (de 14mm a 18mm), mas o usado tem cerca de 16mm. É ainda de referir que as tampas contêm buracos que servem para colocar uma solução salina, antes da cirurgia, que serve para impedir o crescimento de tecidos biológicos junto às partes do disco que se movimentam.
Figura 2: Constituintes do Disco Cervical Bryan Figura 3: Disco Cervical Bryan Partes constituintes e montagem Uma vez conhecidas as partes que constituem o disco e os seus materiais, foram desenhadas as peças que o constituem (figuras 4 a 7) e foram juntas de modo a obter o desenho final do disco (figura 8). Foi também desenhado um modelo de uma vértebra cervical e de um disco cervical humano para que as simulações pudessem ser realizadas (figuras 9 e 10). O SolidWorks não possui como materiais osso e cartilagem para estes 2. Então, na vertebra utilizou-se uma camada exterior de titânio com uma parte interior oca, para tentar aproximar ao máximo às características do osso. Para a cartilagem pensou-se utilizar poliuretano, mas de modo a facilitar as simulações foi utilizado polietileno de ligação cruzada.
A tabela 1 mostra um resumo das diferentes partes usadas, a quantidade de cada parte e os materiais que as constituem. É de referir que as tampas são cobertas de titânio granulado, cobertura essa que teve de ser substituída por uma liga de titânio. Novamente, por questões de simplificação das simulações os materiais do núcleo (poliuretano rígido) e da parte central exterior (poliuretano flexível) tiveram que ser substituídos por resina de melamina e por polietileno de ligação cruzada, respetivamente, devido aos valores do módulo de elasticidade. Figuras 4 a 7: Partes constituintes do disco Figura 8: Duas vistas do disco já montado Figuras 9 e 10: Disco cervical humano e vértebra cervical
Constituinte Quantidade Material original Material da simulação Cobertura 2 Titânio ASTM F136 - Granulado TIMETAL 35A CP Titanium Tampa 2 Titânio ASTM F136 (ASTM Grade 1) 99.1 Ti Núcleo 1 Poliuretano Rígido Melamine resin Parte exterior central 1 Poliuretano Flexível Polyethylene Cross - Disco cervical humano 3/4 Cartilagem fibrosa Linked Vértebra cervical 5 Osso Titanium Tabela 1: Características das peças desenhadas Simulações de desempenho Figura 11: Duas vertebras cervicais com o modelo obtido do disco cervical de Bryan entre si; As seguintes simulações representam uma situação normal, em que o sujeito está a olhar em frente e mantém uma postura correta. Neste caso, na coluna cervical está sujeita na uma força de 5kg o que corresponde a, mais ou menos, 45N. A primeira simulação tinha como parâmetros a força descendente e tinha a tampa inferior do disco como uma superfície fixa, de modo a que o disco não se movesse durante a aplicação da força. Na segunda, aplicou-se a mesma força ao modelo da Figura 11, no topo de uma das vertebras, fixando-se o fim da outra vertebra. Figura 12: Simulação de deformação do disco quando sujeito a uma força de 45N e respectiva legenda Figura 13: Simulação de deformação do disco entre duas vertebras cervicais quando sujeito a uma força de 45N e respectiva legenda
Através da observação e análise da figura 12 verifica-se que houve deformação da parte exterior central o que se deve ao facto de esta parte ser constituída por um material que é flexível e que resiste à deformação sem quebrar. Na segunda simulação observamos uma falha do disco, em que este fica espalmado entre as vertebras, o que não se deveria verificar. Seria expectável que o disco possuísse alguma deformação semelhante à da primeira simulação, mantendo a sua estrutura. A explicação para esta falha reside no facto dos materiais não serem os especificados para as diferentes componentes. Constata-se, ainda nas duas simulações, que a tampa do disco, por ser de titânio, é muito resistente não apresentando praticamente nenhuma deformação. É de referir que apenas foram apresentadas duas simulações devido ao facto de as restantes serem do mesmo género apenas mudando a força a que a coluna cervical está sujeita, força essa que depende do ângulo de inclinação do pescoço. Através destes resultados pode concluir-se que o desenho do disco apresentado resistiu as forças aplicadas sem quebrar, sendo ainda necessário fazer algumas alterações ao modelo para que este possa ser completamente viável. No futuro espera-se realizar simulações com o disco numa posição entre as vértebras C4 e C5, simulações feitas variando a força exercida na coluna cervical consoante o ângulo de inclinação do pescoço. Será usado um modelo da coluna cervical com os 4 discos normais/humanos e outro com 3 normais e 1 artificial, para ser possível fazer uma comparação. Pretende-se também averiguar materiais que respondam de modo mais semelhante ao esperado. Figuras 14 e 15: Colunas cervicais com 3 discos normais e 1 artificial, e com 4 discos normais;