Analisi numerica della resistenza a fatica di protesi d'anca bimodulare: influenza della geometria del collegamento collo-stelo e dei carichi esterni

The prosthetic replacement of the hip joint resulting from degenerative, inflammatory, congenital, or traumatic processes is considered the most successful orthopedic operation. In order to enable implant customization, which is associated with better restoration of biomechanics and reduction of revision surgeries, modularity has been introduced. This allows for greater patient-specific adaptation thanks to components of different materials, inclinations, and dimensions that can be coupled together. Specifically, in the case of a bi-modular hip prosthesis, there are two possible taper connections: head-neck and neck-stem. Despite the increased adaptability of the implant, the theoretical advantages, and common use in clinical practice of head-neck modularity, the neck-stem connection is identified as problematic. The presence of a high failure rate, not yet fully understood in its nature, relatable to corrosion, wear, fretting, or mechanical fatigue, necessitates a deep investigation. The aim of this study is to examine, through finite element analysis, how the geometry of the taper connection with a rectangular cross-section, typical between neck and stem, and the applied external loads affect the static and fatigue strength of a bi-modular hip prosthesis. Precisely, the process involved three sequential phases: (i) parametric and three-dimensional construction of neck and stem components, in order to introduce possible angular mismatches; (ii) static coupling simulations, to identify the influence of different assembly forces; (iii) cyclic simulations, to determine the contribution arising from a different body mass index (BMI). In conclusion, by applying Sines' multi-axial fatigue criterion, the potential implant failure related to angular mismatch, coupling force, and BMI was evaluated.

La protesizzazione dell'articolazione coxo-femorale conseguente a processi degenerativi, infiammatori, congeniti o traumatici è considerata l'operazione ortopedica di maggior successo. Al fine di consentire la personalizzazione dell'impianto, cui sono correlati miglior ripristino della biomeccanica e riduzione della necessità di interventi di revisione, è stata introdotta la modularità, ovvero la possibilità di avere un maggior adattamento paziente-specifico derivante da componenti di materiali, inclinazioni e dimensioni differenti, accoppiabili tra loro. In particolare, nel caso di una protesi d'anca bi-modulare, vi sono due possibili collegamenti conici: testina-collo e collo-stelo. Nonostante l'adattabilità maggiore dell'impianto, i vantaggi teorici e l'utilizzo comune nella pratica clinica della modularità testina-collo, il collegamento collo-stelo è identificato come problematico. La presenza di un elevato tasso di fallimento, non ancora del tutto chiaro nella sua natura, relazionabile a corrosione, usura, fretting o fatica meccanica, ne rende necessario uno studio approfondito. Il presente lavoro si propone di esaminare, mediante un'analisi computazionale agli elementi finiti, come la geometria del collegamento conico a sezione rettangolare, tipica tra collo e stelo, e i carichi esterni applicati influiscano sulla resistenza statica e a fatica di una protesi d'anca bi-modulare. In dettaglio, il processo ha compreso tre fasi sequenziali: (i) costruzione parametrica e tridimensionale delle componenti di collo e stelo, al fine di introdurre possibili mismatch angolari; (ii) simulazioni statiche di accoppiamento, al fine di individuare l'influenza di differenti forze di assemblaggio; (iii) simulazioni cicliche, al fine di determinare il contributo derivante da un diverso indice di massa corporea (BMI). In conclusione, applicando il criterio a fatica multiassiale di Sines, è stato valutato il possibile cedimento dell'impianto relazionato alle variabili di mismatch angolare, forza di accoppiamento e BMI.