Valutazione progettuale di un nuovo cotile monoblocco per protesi d'anca

Prosthetic hip replacement is the most widespread intervention in orthopedic surgery. The diseases that afflict this joint are frequent, painful and severely disabling. The record is consolidated by the fact that this intervention has undergone numerous advances, both for what concerns the surgical technique and from the technological point of view and the materials used. Thanks to these innovations, the implant is often recommended to ever younger patients and research is continuously studying the development of solutions and materials that allow a more active life and a greater saving of bone tissue during the joint replacement surgical procedure. In this regard, resurfacing prostheses are a valid alternative to the common hip arthroplasty. The advantages are different: there is a saving of the bone tissue, a greater stability associated with a better range of movement, a more physiological gait with the possibility of returning to a sport activity, reduced stress shielding and a simpler revision surgery. On the other hand, the surgery presents a risk of neck fracture and its possible bone resorption; moreover, it presents a more complex implant surgery, the release of metal ions and the possibility of an adverse local tissue reaction (ALTR). The coupling used by most of the devices is metal on metal (MoM), which has the best compromise between strength and wear properties. Initially, aseptic femoral failures were the main cause of the revision, but thanks to the improvement in patient selection and surgical technique, the problem has shifted to failures due to wear, whose key factors are precisely the high level of metal ions and the ALTR. In this thesis, a monoblock acetabular cup, under development at the Swiss company Medacta International SA, was studied. This acetabular cup consists of an outer metal layer (Ti6Al4V) and an inner layer of cross-linked polyethylene (XLPE), exploiting a different joint coupling with respect to the known metal on metal. The manufacturing process of XLPE creates a lattice between the PE chains and improves the wear resistance characteristics of the polyethylene. The aim of this thesis is to analyze this acetabular cup from a mechanical point of view to evaluate the parameters that most influence its mechanical strength and its response to deformations. This research was conducted using two tests developed with finite element models. The first one aims to reproduce the configuration of an experimental fatigue mechanical test, simulating the scenario of a critical case, in which the acetabular cup presents a poor support on the upper wall region. The second test aims to evaluate the cup response, in terms of deformation, at the end of a simulation that aims to reproduce the positioning of the latter in the acetabular cavity. This analysis, included in the design phase of the component, was designed to maximize or minimize the thickness of the materials involved, to combine plant safety parameters with the needs dictated by the device and the surgical technique, all in a perspective of innovation of the resurfacing prosthetic system. For both tests, the behavior was analyzed as a function of key project parameters: the size of the cup and the thickness of the metal layer. In parallel, a new solution has been proposed and observed that presents a change in geometry of the metal layer. The results obtained show how the metal layer and its thickness have a preponderant weight on stiffness and mechanical strength of the studied acetabular cup. The extrapolated values from analysis finite element are lower than the critical limits of the individual materials, allowing a continuation in this direction for the development of the monoblock acetabular cup.

La sostituzione protesica dell’anca è l’intervento maggiormente diffuso in chirurgia ortopedica. Le patologie che affliggono questa articolazione sono frequenti, dolorose e gravemente invalidanti. Il primato è consolidato dal fatto che questo intervento è andato incontro a numerosi progressi, sia per ciò che concerne la tecnica chirurgica sia dal punto di vista tecnologico e dei materiali utilizzati. Proprio grazie a queste innovazioni, l’impianto viene spesso consigliato a pazienti sempre più giovani e la ricerca è in continuo studio sulla messa a punto di soluzioni e materiali che consentano una vita più attiva e un maggiore risparmio di tessuto osseo durante la procedura chirurgica di sostituzione dell'articolazione. A questo proposito, le protesi di rivestimento sono una valida alternativa alla comune artroprotesi di anca. I vantaggi sono diversi: si ha un risparmio del patrimonio osseo, una maggior stabilità associata a un miglior range di movimento, una deambulazione più fisiologica con possibilità di ritorno a un’attività sportiva, un ridotto fenomeno di stress shielding e una semplice chirurgia di revisione. Al contrario, questo intervento presenta un rischio di frattura del collo e un suo possibile riassorbimento osseo; inoltre, presenta una chirurgia di impianto più complessa, il rilascio di ioni metallo e la possibilità di una reazione locale tissutale avversa (ALTR). L’accoppiamento utilizzato dalla maggior parte dei dispositivi è metallo su metallo (MoM), che possiede il miglior compromesso tra le proprietà di resistenza e di usura. Inizialmente i fallimenti femorali asettici erano la causa principale che portava alla revisione, ma grazie al miglioramento nella selezione del paziente e nella tecnica chirurgica, il problema si è spostato ai fallimenti per usura, i cui fattori chiave sono proprio l’elevato livello di ioni metallo e l’ALTR. In questo lavoro di tesi si è studiato un cotile monoblocco in fase di sviluppo presso l’azienda svizzera Medacta International SA, che sviluppa, produce e distribuisce dispositivi medici ortopedici. Questa coppa acetabolare è costituita da uno strato metallico esterno (Ti6Al4V) e da uno strato interno di polietilene cross-linkato (XLPE), sfruttando un accoppiamento articolare differente rispetto al noto metallo su metallo. Il processo di fabbricazione del XLPE crea un reticolo tra le catene del PE e migliora le caratteristiche di resistenza ad usura del polietilene. Scopo di questa tesi è analizzare dal punto di vista meccanico questa coppa acetabolare per valutare quali sono i parametri che influenzano maggiormente la sua resistenza meccanica e la sua risposta alle deformazioni. Questa indagine è stata condotta mediante due test sviluppati con modelli agli elementi finiti. Il primo mira a riprodurre la configurazione di una prova meccanica a fatica sperimentale, simulando lo scenario di un caso critico, nel quale la coppa acetabolare presenta uno scarso supporto sulla regione superiore della parete. Il secondo test si pone l’obiettivo di valutare la risposta in termini di deformazione della coppa al termine di una simulazione che punta a riprodurre il posizionamento di quest’ultima nella cavità acetabolare. Questa analisi, inserita all’interno della fase di design della componente, è stata atta a massimizzare o minimizzare gli spessori dei materiali in gioco, per coniugare parametri di sicurezza dell’impianto con le necessità dettate dal dispositivo e dalla tecnica chirurgica, il tutto in un’ottica di innovazione del sistema protesi da rivestimento. Per entrambi i test si è analizzato il comportamento in funzione di parametri chiave del progetto: la taglia della coppa e lo spessore dello strato metallico. In parallelo, è stata proposta e osservata una nuova soluzione che presenta un cambio di geometria dello strato metallico. I risultati ottenuti dimostrano come lo strato metallico e il suo spessore abbiano un peso preponderante sulla rigidezza e resistenza meccanica della coppa acetabolare in studio. I valori estrapolati dall’analisi agli elementi finiti sono inferiori ai limiti critici dei singoli materiali, consentendo un proseguo in questa direzione per lo sviluppo del cotile monoblocco.