Análise numérica da influência da rigidez de próteses femorais no processo de remodelação óssea associado à técnica cirúrgica de artroplastia total de quadril

Abstract

Resumo: O tecido ósseo é um material anisotrópico e heterogêneo, capaz de alterar sua estrutura interna e se adaptar aos esforços a que está submetido. Este processo é denominado remodelação óssea. Sua adaptação pode ser exemplificada quando da colocação de uma prótese, visto que os esforços passam a ser transmitidos predominantemente pelo componente. Para a articulação do quadril, a necessidade da utilização da prótese dá-se devido a doenças que afetam os tecidos ósseo e cartilaginoso da articulação. Para sua correção, uma das cirurgias realizadas pode ser a Artroplastia Total de Quadril. A prótese é produzida com um material biocompatível, mas que possui uma maior rigidez quando comparado osso. Assim, grande parte dos esforços mecânicos não são mais transmitidos ao tecido, levando a um processo de reabsorção óssea adaptativa. A importância do estudo das alterações causadas por uma prótese é refletida no número de procedimentos realizados por ano na população. Só no Brasil foram realizados 14.773 procedimentos cirúrgicos entre de janeiro de 2013 e setembro de 2014, resultando em um aumento de 42% em relação a 2012. No corrente estudo, objetiva-se avaliar o comportamento deste processo após a instalação de próteses junto ao fêmur humano, sendo estas confeccionadas com materiais metálicos e um material virtual. São utilizados dois componentes. O primeiro é o de Chanrley com cabeça femoral de 22 mm de diâmetro, haste com 160 mm de comprimento e seção transversal circular. A segunda prótese possui cabeça femoral de mesmo diâmetro, porém com haste de 70 mm de comprimento e seção transversal variável. Visto que a rigidez do material da prótese é de fundamental importância no processo, três materiais são avaliados. Dois são metálicos e frequentemente utilizados, sendo as ligas de cromo-cobalto F90 e de titânio F136. O terceiro material é denominado virtual e é mais flexível quando comparado aos dois primeiros. Outro aspecto fundamental é quanto a fixação da prótese, a qual poder ser através da cimentação ou da osseointegração. Este modo considera o crescimento e adesão do tecido ósseo no interior da superfície da haste da prótese. A interface osso/prótese é considerada com adesão total, portanto uma osseointegração completa. Para simular a adaptação óssea em torno da prótese é utilizado o Método dos Elementos Finitos acoplado aos modelos de remodelação anisotrópico e isotrópico de Stanford. Um carregamento tridimensional é utilizado, o qual simula um passo de uma caminhada. Para avaliação dos resultados utiliza-se o método de imagem de Gruen. Ambos os modelos de remodelação óssea apresentam sinais radiológicos que são visualizados em radiografias de fêmures com próteses, o que possibilita a sua utilização. Os materiais com maior flexibilidade facilitam a transmissão de carregamentos ao tecido hospedeiro, o que possibilita menores níveis de reabsorção óssea ao longo da interface osso/prótese. A geometria é outro fator importante na adaptação óssea e transmissão de carregamento. Quanto maior o comprimento e seção transversal, maior será a absorção de carregamentos, podendo gerar reabsorção demasiada ao longo do osso. PALAVRAS-CHAVE: Remodelação Óssea Adaptativa, Método dos Elementos Finitos, Próteses de quadril, Modelo Isotrópico de Stanford, Osseointegração.

Abstract: Bone tissue is an anisotropic and heterogenic material that is able to change its internal structure and adapt itself to the efforts that is subject. This process is call bone remodeling. This adaptation process may be exemplified by installing a prosthesis, because the efforts are transmitted by the component. For a hip joint, a prosthesis is necessary when illness happen in bone and cartilaginous tissues that compose the joint. The surgery to repair the joint is call Total Hip Arthroplasty. A biocompatible material used in prostheses, but with a higher stiffness than bone tissue, and due it, bone tissue does not receive the greater part of the effort and then, is not stimulated like before. This start an adaptive bone resorption process. The importance of the study of the changes caused by a component inserted is reflected in number of surgical procedures performed per year. In Brazil 14.773 procedures were performed between January 2013 and September 2014. This number results in an improve of 42% compared to 2012. This study aims to evaluate the behavior of adaptive bone resorption process after the installation of prostheses in bone tissue. Metallic and a virtual materials used in prostheses. Two kind of components are used. The first is Chanrley prosthesis with a 22 mm femoral head, 160 mm stem and circulate transverse section. The second prosthesis also has a 22 mm femoral head, but a 70 mm stem and a variable transverse section. An aspect very important in this process is the material stiffness of the prosthesis, thus, three materials are used. Two are metallic materials and are very used, being a cobalt chrome (F90) and titanium (F136) alloy. Other material is call virtual and is more flexible than first two materials. Another fundamental aspect is the method to attach the prosthesis in bone tissue, which can be through a cement layer or via an osseointegrated bone/prosthesis interface. This method considers bone growth and accession in stem surface. A total accession used in interface, therefore, a complete osseointegration process. Finite Element Method coupled with Stanford isotropic and anisotropic bone remodeling models simulate the bone adaptive around the prosthesis. A three-dimensional load case is used, which simulate a step of a walk. The Gruen zones method is utilized to evaluate the results. Both bone remodeling models present radiologic signals that can be viewed in a total hip arthroplasty radiography, and then, they can be utilized for this kind of analysis. More flexibility materials improve the load transmission to the host tissue, and this allows lower levels of bone resorption in bone/prosthesis interface. The geometry is other important factor in bone adaptation and load transmission. Prosthesis with big length and cross section, absorb more loads than others ones, and this can produce high levels of resorption over the whole bone. KEYWORDS: Adaptive Bone Remodeling, Finite Element Method, Hip prosthesis, Stanford Isotropic and anisotropic Models, Osseointegration.