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 superficie 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 allora le due cartilagini andranno in contatto e continuando a strofinarsi

la cartilagine si rovinerà e poi la cartilagine è a diretto contatto con l’osso. Dolore. Le

cellule della cartilagine non si dividono e non arrivano vicino ai capillari, quindi, non

arrivano componenti cellulari che la rinnovano. Sfregamento di osso contro osso.

Quando il danno si propaga al tessuto osseo il paziente potrebbe anche essere

immobilizzato. Incidenza molto alta negli anziani anche se c’è una predisposizione

genetica. Dimensione enorme del problema clinico. I costi sono molto elevati e sono

legati all’ospedalizzazione, alla terapia farmacologica, alla riabilitazione e poi alla

necessità di assistenza.

Opzioni terapeutiche. Inizialmente il medico consiglia di aumentare l’attività fisica,

perdita di peso e 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.

Infiltrazione. Farmaco che allevia dolore o che, modifica la lubrificazione. Acido

ialuronico 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’emi artroplastica. 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 mi

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 sto togliendo 3 gradi di libertà.

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 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 superfice 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 dio

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

da 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 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 d 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 scaricale

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 esser

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 particolari 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 ino 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 &