Os engenheiros da Rice University esperam tornar a vida melhor para aqueles com articulações substitutas, modelando como os quadris artificiais podem esfregá-los da maneira errada.

O estudo computacional do laboratório da Brown School of Engineering do engenheiro mecânico Fred Higgs simula e rastreia como os quadris evoluem, incorporando de forma exclusiva a dinâmica dos fluidos e aspereza das superfícies articulares, bem como fatores que os médicos normalmente usam para prever como os implantes ficarão em pé durante sua vida útil esperada de 15 anos.

O objetivo imediato da equipe é avançar no design de próteses mais robustas.

Em última análise, eles dizem que o modelo pode ajudar os médicos a personalizar as articulações do quadril para pacientes, dependendo do sexo, peso, variações de idade e marcha.

Higgs e a co-autora Nia Christian, um estudante de pós-graduação da Rice, e Gagan Srivastava, professor de engenharia mecânica na Rice e agora cientista pesquisador na Dow Chemical, relataram seus resultados em Biotribologia.

Os pesquisadores viram a necessidade de olhar além das limitações de estudos mecânicos anteriores e práticas clínicas padrão que usam caminhada simples como base para avaliar quadris artificiais sem incorporar atividades de maior impacto.

"Quando falamos com cirurgiões, eles nos dizem que muitas de suas decisões são baseadas em sua riqueza de experiência, "Disse Christian." Mas alguns expressaram o desejo de melhores ferramentas de diagnóstico para prever quanto tempo um implante vai durar.

"Quinze anos parece muito tempo, mas se você precisar colocar um quadril artificial em alguém que é jovem e ativo, você quer que dure mais tempo para que eles não tenham várias cirurgias, " ela disse.

O Laboratório de Tribologia e Fluxo de Partículas de Higgs foi convidado pelo mecânico e bioengenheiro de Rice B.J. Fregly, para colaborar em seu trabalho para modelar o movimento humano para melhorar a vida de pacientes com deficiências neurológicas e ortopédicas.

"Ele queria saber se poderíamos prever quanto tempo durariam as melhores articulações do quadril, "disse Higgs, John e Ann Doerr, Professor de Rice em Engenharia Mecânica e professor adjunto de Bioengenharia, cujo próprio pai substituiu o joelho parcialmente inspirou o estudo. "Portanto, nosso modelo usa o movimento de andar de pacientes reais."

Simuladores físicos precisam executar milhões de ciclos para prever pontos de desgaste e falha, e pode levar meses para obter resultados. O modelo de Higgs busca acelerar e simplificar o processo analisando dados de captura de movimento real, como os produzidos pelo laboratório Fregly, juntamente com dados de implantes de quadril "instrumentados" estudados por Georg Bergmann na Universidade Livre de Berlim.

O novo estudo incorpora os quatro modos distintos de física - mecânica de contato, dinâmica de fluidos, desgaste e dinâmica de partículas - em jogo no movimento do quadril. Nenhum estudo anterior considerou todos os quatro simultaneamente, de acordo com os pesquisadores.

Uma questão que outros não consideraram foi a mudança da composição do lubrificante entre os ossos. As articulações naturais contêm líquido sinovial, um líquido extracelular com consistência semelhante à clara do ovo e secretado pela membrana sinovial, tecido conjuntivo que reveste a articulação. Quando um quadril é substituído, a membrana é preservada e continua a expressar o fluido.

"Em articulações naturais saudáveis, o fluido gera pressão suficiente para que você não tenha contato, então todos nós caminhamos sem dor, "Higgs disse." Mas uma articulação artificial do quadril geralmente sofre contato parcial, que desgasta e deteriora cada vez mais a articulação implantada com o tempo. Chamamos esse tipo de lubrificação mista de fricção. "

Essa fricção pode levar ao aumento da geração de resíduos de desgaste, especialmente do material plástico - um polietileno de peso molecular ultra-alto - comumente usado como encaixe (o copo acetabular) em articulações artificiais. Essas partículas, estimado em até 5 mícrons de tamanho, mistura com o líquido sinovial às vezes pode escapar da articulação.

"Eventualmente, eles podem afrouxar o implante ou causar a quebra do tecido circundante, "Disse Christian." E muitas vezes são carregados para outras partes do corpo, onde podem causar osteólise. Há muito debate sobre onde eles vão parar, mas você quer evitar que irritem o resto do seu corpo. "

Ela observou que o uso de soquetes de metal em vez de plástico é um tópico de interesse. "Houve um forte impulso em direção aos quadris de metal sobre metal porque o metal é durável, "Christian disse." Mas alguns desses causam a quebra de aparas de metal. À medida que se acumulam com o tempo, eles parecem ser muito mais prejudiciais do que as partículas de polietileno. "

Outra inspiração para o novo estudo veio de dois trabalhos anteriores de Higgs e colegas que não tinham nada a ver com bioengenharia. O primeiro examinou o polimento químico-mecânico de wafers semicondutores usados ​​na fabricação de circuitos integrados. A segunda impulsionou sua modelagem preditiva de interfaces em escala micro para escala completa de wafer.

Os pesquisadores observaram que as iterações futuras do modelo incorporarão mais materiais novos sendo usados ​​na substituição da articulação.