Appunti di Dispositivi medicali e diagnostici

Ortopedia/traumatologia protesi articolari e dispositivi per la sintesi ossea

Riguarda il sistema muscolo scheletrico, in particolare ci interessa il sistema scheletrico. Dispositivi che devono permettere di sostituire o vicariare la funzione. Protesi per sostituire articolazioni in particolare anca e ginocchio. Dispositivi per la sintesi ossea, per la fissazione delle fratture.

Osteoartrosi

Meccanismo di usura: le due superfici scorrono una sull'altra e per farle scorrere dovrebbero essere lisce e dovrebbe esserci un lubrificante. Il nostro sistema è costituito da una cuffia all'interno del quale vi è il liquido sinoviale. Superficie sferica inserita in una superficie concava. Durante la patologia, trauma o danneggiamento, sulle superfici durante il passo e la corsa si trasmette una pressione da un osso all'altro grazie al liquido che va in pressione tra femore e bacino. In questo caso, con un trauma, le due superfici si schiacciano e potrebbero frantumarsi. Se vi è una zona di discontinuità, le due cartilagini andranno in contatto e, continuando a sfregare, la cartilagine si rovinerà e sarà a diretto contatto con l'osso.

Le cellule della cartilagine non si dividono e non arrivano vicino ai capillari, quindi non arrivano componenti cellulari che la rinnovano. Si verifica sfregamento di osso contro osso. Quando il danno si propaga al tessuto osseo, il paziente potrebbe anche essere immobilizzato. L'incidenza è molto alta negli anziani, anche se c'è una predisposizione genetica. La dimensione del problema clinico è enorme. I costi sono molto elevati e sono legati all'ospedalizzazione, alla terapia farmacologica, alla riabilitazione e alla necessità di assistenza.

Opzioni terapeutiche

Inizialmente, il medico consiglia di aumentare l'attività fisica, la perdita di peso e la fisioterapia. Se la cartilagine sta ferma si danneggia perché le cellule, cioè i condrociti, producono matrice extracellulare quando sentono l'azione della compressione dovuta al passo. Per questo, bisogna fare una certa quantità di passi al giorno, altrimenti la cartilagine si assottiglia. Farmaci che migliorano la lubrificazione e infiltrazione. Farmaco che allevia il dolore o che modifica la lubrificazione. Acido ialuronico è una molecola che permette di creare una maggiore lubrificazione del liquido sinoviale. Effetti transitori.

Infine, intervento chirurgico. Interventi di conservazione come trapianto di cartilagine, prendendola da un'altra zona, solo per danneggiamento locale per trauma, artroscopia o osteotomia. Intervento che non risolve la patologia e i risultati non sono mai soddisfacenti. Poco usati. Artroplastica: sostituzione dell'articolazione con materiale artificiale. Altre tecniche sono il resurfacing e l'emiartroplastica per anca e ginocchio.

Articolazione dell'anca

Processo degenerativo come di tutta la struttura biologica, va cambiata la parte interna presente nel bacino e sostituita la parte del tessuto che costituisce la testa del femore. Geometria della testa del femore e della struttura dell'osso. La forma permette il movimento relativo tra bacino e femore mediante la regolazione del movimento relativo delle due, limitare i gradi di libertà del sistema, cioè la possibilità di spostarsi in una certa direzione o una certa rotazione.

Un'asta generale ha un estremo e un corpo. Per determinare la posizione del punto nel piano, servono tre coordinate. Il numero di gradi di libertà deve essere limitato perché non vogliamo movimenti relativi che non possano essere gestiti dal sistema biologico. Giunto sferico, sfera con una sede anch'essa sferica, io posso ruotare la sfera senza muovere il centro. Sto applicando al sistema dell'asta con 6 gradi di libertà, togliendone 3. Se blocchiamo un punto dell'asta determiniamo 3 reazioni vincolari. Bloccando la posizione del centro, togliamo 3 gradi di libertà, ne restano 3, che sono i 3 angoli che determinano la posizione dell'asta.

Il sistema dovrà gestire la movimentazione del femore rispetto al bacino nelle tre direzioni. Struttura sferica che determina il centro di rotazione. Significa che la sfera si può considerare ferma con centro fisso e l'asta ruota. I movimenti rotatori hanno angoli limitati. Si riesce a vincolare il movimento grazie ai legamenti e ai muscoli che tengono in posizione la sfera nell'articolazione. Se si sposta, si ha una lussazione. Presenza coordinata di osso, legamento e muscolo che permette la funzionalità richiesta dell'articolazione.

L'acetabolo della descrizione anatomica non è una forma sferica estesa, quindi non permetterà una perfetta rotazione per angoli molto ampi, ma permette di raggiungere tutti i movimenti necessari dell'arto. L'articolazione potrà funzionare se sono adeguatamente collegati i legamenti.

Il movimento è dovuto alla contrazione dei muscoli scheletrici, forze applicate in diverse direzioni. Grande trocantere e piccolo, dove si inseriscono i muscoli e quindi le forze scambiate col sistema. Il movimento relativo permette la movimentazione dell'astro inferiore. Accoppiamento sferico dovuto all'adattamento del tessuto alla situazione più favorevole. Una superficie che scorre sull'altra senza urti e con lubrificante, cioè liquido sinoviale.

Forze che si scambiano femore e bacino. Appoggio bipodalico, distribuzione simmetrica di forze, dipendono dalla forza peso del tronco posizionabile nel baricentro del corpo sull'asse di simmetria. Peso corporeo meno arti inferiori, 2 forze dello stesso modulo che non danno luogo a momenti sulle articolazioni. Equilibrio in direzione verticale. Spostandoci sul femore, la forza dà luogo a momenti. Durante l'appoggio monopodalico, cioè durante il passo, tutte le forze devono scaricarsi sull'arto in appoggio.

Avremo un aumento delle forze sull'arto legato alla resistenza dell'articolazione. Le forze che si scaricano passano tutte dalla testa del femore. La nostra forza peso è sbilanciata rispetto alla resistenza offerta dalla testa del femore. L'articolazione non può trasmettere momenti perché è sferica, può trasmettere solo reazioni, vettori che passano per il centro della sfera. Unica forza che passa per il centro della sfera.

Per far scaricare la forza peso in quella direzione, applichiamo un'altra forza R che tira il corpo nell'altra direzione, forza data dal muscolo che sposta la forza C all'interno della sfera. Se applico una forza R, applico un momento aggiuntivo. Il momento della forza R deve essere uguale ad M, quindi la forza R deve essere molto maggiore della forza C, se riesco l'articolazione scambia una forza con la linea d'azione nel centro della sfera. Posso calcolare la forza se conosco la geometria del paziente. F raggiunge da 5 a 10 volte il peso corporeo.

Assi dell'arto inferiore

Il femore è a contatto con la tibia, collegati dal ginocchio considerato come una cerniera. Non può sopportare momenti. La retta d'azione deve passare per il centro della cerniera. La testa del femore deve essere in posizione verticale rispetto al ginocchio. Asse meccanico e asse anatomico hanno un angolo di circa 7 gradi. Radiografia presa in appoggio monopodalico. Spostando il corpo verso la testa del femore, diminuisce il braccio degli abduttori e quindi la forza resistente dei muscoli. Forza sfasata rispetto alla direzione assiale e necessità di resistere al momento flettente.

L'osso per resistere sviluppa trabecole che sono in grado di dividersi queste sollecitazioni e più queste sono dirette nella direzione dello sforzo, più l'osso resisterà. Le trabecole sono disposte come necessario, longitudinalmente allo sforzo. L'osso ha nella parte corticale una matrice molto compatta mentre all'interno matrice spugnosa e midollo osseo. Metal back fissato nell'osso del bacino, cotile calotta sferica che ospita la testina del femore come acetabolo. Rimuovo il tessuto che va dall'osso del bacino all'osso del femore attraverso un'operazione invasiva che deve permettere tempi brevi e per pazienti anziani.

Materiali: metallici metal back e lo stelo perché sono a diretto contatto con l'osso, cotile polimerico o metallico o ceramico. Il materiale deve resistere agli sforzi funzione della protesi come dell'articolazione è mantenere in posizione e permettere il movimento. Interazione con materiali artificiali. Problema della resistenza meccanica di una struttura allungata caricata come una mensola inclinata e dobbiamo caratterizzare le azioni interne e vedere come si propagano nella struttura. La zona più soggetta agli sforzi è quella dello stelo e del collo del femore. Sulla superficie della testina e del cotile forze di attrito gestite mediante apposite superfici.

Lo stelo andrà dimensionato per non superare lo sforzo di snervamento. La sollecitazione sarà periodica. Il numero di cicli è alto. Requisiti per funzionalità. Lista. Stelo fissato nella zona midollare del femore, resezione precisa fatta in modo tale che la posizione sia quella che vogliamo per far combaciare perfettamente le parti. Il foro deve essere ben posizionato.

Fissare il materiale artificiale all'osso senza colla/cemento, semplice incastro meccanico fra lo stelo femorale e il canale creato nel femore. Per fissare una superficie sull'altra creando una superficie porosa della protesi che interagisce con la parte spugnosa dell'osso, le cellule si infiltrano e depongono matrice creando dunque il collegamento, fissaggio senza altri materiali. Incastro meccanico che deve scaricare le forze e l'aderenza permette di distribuire la forza in modo uniforme. Se le forze si scaricano in modo non uniforme, si hanno zone a sforzo maggiore.

Se il tessuto dell'osso si demineralizza, la protesi perde la stabilità meccanica. Per sfruttare le proprietà dei materiali e le forme geometriche per evitare di usare il cemento. Strategie con rivestimenti di idrossiapatite detto l'osso artificiale dove le cellule possono infiltrarsi, superfici porose o rugose. Serve aderenza tra le due superfici per ridurre lo sforzo di entrambe. Non devono andare incontro a corrosione anche con acqua, sali e temperatura di 37 gradi che la favoriscono.

Se non si riesce a bloccare la testa del femore nell'osso, allora bisogna usare protesi cementate. Collante, inserire lo stelo, aspettare che indurisca e procedere con l'intervento. Resine acriliche simili al polimetilmetacrilato. Possono essere fatte polimerizzare al momento. Tempo di mescolamento e di indurimento devono essere brevi ma devono anche permettere al chirurgo di riposizionare il sistema. Il ritiro volumetrico deve essere il minimo. Riscaldamento dovuto alla polimerizzazione c’è però non deve danneggiare le cellule a contatto. Protesi cementate per casi più complicati.

La testa del femore è fatta essenzialmente in metallo o materiali polimerici o ceramica. Combinare una superficie metallica e una polimerica per diminuire l'attrito e usura. Lo stesso materiale su entrambe causano più attrito. Solitamente polimero per cotile e metallo per testina. Polietilene con alta densità per cotile. Scopo di ridurre usura e attrito. Resistenza all'usura calcolabile. Tabella con coefficienti di attrito. Mi permette di calcolare la forza che devo applicare in direzione tangenziale.

Lo sforzo a rottura del metallo è più alto di quello dell'osso. Necessità di controllare che il peso delle strutture è sfavorevole mentre l'osso è leggero. Il modulo di Young indica lo sforzo tangenziale. Il materiale artificiale resisterà ma risponderà in modo diverso perché ha diversi valori di elasticità e sforzo tangenziale.

Fallimento dell'impianto

• Modificazione geometrica e cinematica
• Dislocamento o lussazione dell'articolazione
• Produzione di detriti per usura a 3 corpi, attivazione cellulare e sfaldamento dell'osso

Formazione di microparticelle che possono dar luogo ad una attivazione cellulare. Macrofagi e cellule per fagocitare che producono fattori di crescita cellulare che attivano la risposta cellulare delle cellule dell'osso, situazione di infiammazione. Usura a tre corpi. Processo patologico che porta anche alla necessità di sostituire la protesi. Stelo e meta back devono essere ben solidali all'osso. Cotile in UHMWPE. Soluzione consolidata e dispositivo semplice ma necessità di far sì che sia molto funzionale resistente nel tempo.

Grafico di benefici e costi di diverse operazioni in particolare la sostituzione totale dell'articolazione dell'anca. Rapporto tra il costo e la qualità della vita. QALY trasformati in dollari, hanno quantificato la qualità della vita migliorata. Artroplastica totale, costo basso e aumento della qualità della vita importante.

Protesi del ginocchio

Nel movimento si ha una rotazione e uno scorrimento e si vede nel diagramma dove si va da A a B con una rotazione e poi uno scorrimento fino a C. Superfici soggette non solo a rotazione o scorrimento è dato grazie ai muscoli flessori ed estensori, muscoli attivi. Le due superfici devono essere molto lisce per dare poco attrito.

La rotazione avviene mediante un quadrilatero articolato, costituito da 3 aste con le cerniere. Due legamenti fanno da collegamento tra tibia e femore. Legamenti sono strutture particolarmente resistenti di fibre di collagene. Il legamento AD crociato posteriore quello anteriore determinano come l'osso si può muovere. È importante la manualità del chirurgo che deve applicare la protesi nella giusta posizione. Prima indagini radiografiche. La tecnologia che ci sta dietro continua ad aumentare. Il perno permette all'inserto polimerico di muoversi leggermente, pochi gradi sono necessari per non farlo caricare troppo in alcune operazioni.

Intervento. Resezione dell'osso e posizionamento della protesi nella posizione adeguata perché la distanza tra le due estremità è fondamentale soprattutto per i legamenti. Materiali. Geometria derivata dalla forma naturale dell'epifisi del femore. Complicanze: delaminazione per usura nel polietilene, frattura dell'osso in prossimità della protesi e infezioni. Si instaurano colonie di batteri e il materiale non è compatto.