Biomecánica | Proyecto de Investigación | Prótesis de Rodilla 1
Universidad Autónoma de Nuevo León
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Biomecánica
Proyecto de Investigación – Prótesis de Rodilla
Profesor: M.C. Francisco Javier Guevara Castillo
Equipo: Rafael Adrián Torres Almaguer #1566427
Alexis Azael Canales Chapa #1511603
Luis Humberto López Carrera #1519584
Orel Vadallares Muñoz #1563026
Día: Jueves
Hora: N4 – N6
Salón: 5102
Grupo: 004
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Proyecto de Investigación - Prótesis de Rodilla
Introducción
Desde la antigüedad el hombre ha ido tratando de ayudar a su cuerpo a cumplir y mantener en
equilibrio sus funciones, las mismas que se deterioran por enfermedad o por accidentes, razón por
la que se ha investigado distintos tipos de materiales que permitan realizar reemplazos
permanentes o temporales dentro del organismo para que conserve la fisiología normal del mismo.
Se conoce que los chinos y los aztecas ya usaban el oro dental teniendo gran éxito en la realización
de reemplazos en ortodoncia y a través de los siglos se ha implementado también el uso de ojos de
cristal y prótesis de extremidades, pero sólo con el desarrollo de técnicas quirúrgicas asépticas a
finales del siglo 19 y en 1940 a partir del estudio de diferentes metales y aleaciones fue que se va
dando forma a nuevas prótesis, las cuales fueron conocidas por el desarrollo técnico.
Además, con advenimiento de los hombres en la industria del plástico en los años 30 se abrió un
nuevo campo de posibles materiales para prótesis y debido a los grandes avances en el campo de
las técnicas quirúrgicas la sustitución de los vasos sanguíneos o las válvulas del corazón era posible
en los años 50.
De acuerdo con la aparición de nuevas tecnologías y la realización de diferentes tipos de estudios
basados en evidencia la medicina ha ido también evolucionando es así que hoy en día se puede
ayudar al cuerpo humano con un implante o prótesis para reemplazar temporal o definitivamente
una parte del mismo ya sea este afectado por alguna enfermedad o un accidente.
Por lo que para la fabricación de dichos implantes se necesita materiales aptos para soportar el
ambiente interno del cuerpo humano, y no solo el permanecer en el interior sino también de
acuerdo a la función que vaya a realizar necesitara resistencia al desgaste, fatiga, a las cargas que el
cuerpo humano provoca y sobre todo a la corrosión.
A estos materiales que tienen buenas características para permanecer en el interior del cuerpo
humano en contacto con los tejidos vivos y líquidos fisiológicos en forma inerte para el organismo,
sin producir rechazo ni efectos adversos para sustituir un órgano o un tejido dañado y que cumpla
una función de forma temporal o permanente se los denomina biomateriales.
Objetivo
Investigar, diseñar, estudiar, y simular una prótesis de rodilla buscando principalmente las
optimizaciones pertinentes para poder obtener una disminución de material, costos, una mejora
dentro del funcionamiento de la misma, y distribución uniforme de los esfuerzos generados. Cabe
destacar que este proceso de debe de llevar a cabo con un programa de diseño, además de la
utilización del método de elementos finito.
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Marco Teórico
Rodilla
La rodilla es la articulación más grande en el cuerpo y se requieren rodillas saludables para realizar
la mayoría de las actividades cotidianas.
La rodilla está formada por el extremo inferior del hueso del muslo (fémur), el extremo superior de
la espinilla (tibia) y la rótula. Los extremos de estos tres huesos en el lugar que se tocan están
cubiertos con cartílago, una sustancia suave que protege a los huesos y les permite moverse
fácilmente.
Los meniscos están ubicados entre el fémur y la tibia. Estas cuñas en forma de C actúan como
"absorbedores de impacto" que acolchan la articulación.
Ligamentos largos sostienen al fémur y la tibia juntos y proveen estabilidad. Los músculos largos del
muslo dan fortaleza a la rodilla.
Todas las restantes superficies de la rodilla están cubiertas por un fino revestimiento llamado
membrana sinovial. Esta membrana libera un líquido que lubrica al cartílago, reduciendo la fricción
prácticamente a cero en una rodilla saludable.
Normalmente, todos estos componentes trabajan en armonía. Pero la enfermedad o una lesión
pueden distorsionar esta armonía, con el resultado de dolor, debilidad muscular y reducción de la
función.
Figura 1 – Anatomía de la Rodilla
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Causas Principales de la Disfunción de la Rodilla
La causa más común del dolor crónico de rodilla y la discapacidad es la artritis. Aunque hay muchos
tipos de artritis, la mayoría del dolor de rodilla es causado por solamente tres tipos: osteoartritis,
artritis reumatoide y artritis post-traumática.
Osteoartritis: Este es un tipo de artritis de "uso y desgaste" relacionada a la edad. Por lo
general ocurre en personas de 50 años de edad o mayores, pero puede ocurrir en personas
más jóvenes también. El cartílago que acolcha los huesos de la rodilla se ablanda y se
desgasta. Los huesos entonces frotan uno con otro, causando dolor y rigidez de la rodilla.
Artritis reumatoide: Esta es una enfermedad en la que la membrana sinovial que rodea a la
articulación se inflama y engruesa. Esta inflamación crónica puede dañar al cartílago y
eventualmente causar pérdida de cartílago, dolor y rigidez. La artritis reumatoide es la
forma más común de un grupo de trastornos denominado "artritis inflamatoria".
Artritis post-traumática: Esta puede desarrollarse después de una lesión seria de la rodilla.
Las fracturas de los huesos que rodean la rodilla o los desgarros de los ligamentos de la
rodilla pueden dañar el cartílago articular con el paso del tiempo, causando dolor de rodilla
y limitando la función de la rodilla.
Figura 2 – Efectos de la Artritis
Prótesis
Una prótesis es una herramienta que se utiliza para que una persona compense la pérdida de una
parte de su cuerpo. Por ejemplo, luego de la amputación de una pierna, se puede colocar una pierna
artificial, o prótesis. Esto permitirá que la persona pueda caminar.
Hay diversos tipos de prótesis. Una prótesis puede funcionar como relleno en un zapato por una
amputación parcial del pie o un dedo, o puede ser una pierna protésica completa por una
amputación por encima de la rodilla. Las prótesis están hechas de diferentes materiales. Presentan
muchas maneras de fijarse al cuerpo de una persona. Los diseños varían de simples a complejos y
se pueden hacer a medida según las necesidades del individuo. La primera prótesis de una persona,
generalmente, tendrá un diseño “temporal” y simple. Esto permitirá que la persona se acostumbre
al uso de la prótesis antes de pasar a utilizar diseños más complejos.
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Clasificación de las Prótesis
a) Endoprótesis: Inclusión en el interior del organismo de una pieza extraña, metálica o de materia plástica, destinada a reemplazar de forma permanente un hueso, una articulación o cualquier otra parte o función del organismo.
b) Exoprótesis: Es un dispositivo que sustituye total o parcialmente un miembro del aparato musculo-esquelético, por amputación; cuya colocación o remoción no requiere medios quirúrgicos y que son utilizados para obtener una rehabilitación biomecánica o la restitución anatómica que permita una adecuada integración al medio laboral y social.
Prótesis de Rodilla
La prótesis de rodilla es un procedimiento de sustitución quirúrgica de las superficies articulares por
otras partes artificiales, que se realiza separando músculos, ligamentos que tenemos en torno a la
rodilla, hasta llegar a la cápsula que envuelve la articulación, la cual se abre poner exponer el interior
de la articulación. Se quitan los extremos alterados por el desgaste del fémur, de la tibia y de la parte
posterior de la rótula. Para recubrir el extremo del fémur se encastra a presión un componente
metálico, igualmente en el de la tibia se coloca un componente que tiene una parte metálica y otra
de un plástico de alta densidad, si se precisa se pone también un botón de plástico en la rótula. Para
conseguir una más rápida fijación de los componentes al hueso se suele usar un cemento óseo.
Hay cuatro pasos básicos para un procedimiento de reemplazo de la rodilla.
Preparación del hueso: Las superficies del cartílago dañado en los extremos del fémur y la
tibia se remueven junto con una pequeña cantidad del hueso subyacente.
Posicionamiento de los implantes de metal: El cartílago y el hueso removidos son
reemplazados con componentes metálicos que recrean la superficie de la articulación. Estas
partes de metal puede ser cementadas o "calzadas a presión" en el hueso.
Resuperficialización de la rótula: La superficie debajo de la rótula se corta y se
resuperficializa con un botón de plástico. Algunos cirujanos no resuperficializan la rótula,
según el caso.
Inserción de un espaciador: Un espaciador plástico de uso médico se inserta entre los
componentes de metal para crear una superficie de deslizamiento suave.
Figura 3 – Prótesis de Rodilla
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Estado del Arte
Rango de Movimiento de la Rodilla
Ejes de la Rodilla
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Diagrama de Fuerzas de la Rodilla
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Biomateriales
Los biomateriales son materiales aptos para permanecer temporal o definitivamente dentro del
cuerpo humano, sin que produzca biotoxicidad.
A continuación, veremos en la tabla de los biomateriales más usados:
Normas de Biomateriales A continuación, veremos en la tabla de las principales normas de los biomateriales más usados:
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Características de los Biomateriales
Biocompatibilidad: Se denomina a la capacidad del material para ser usado en alguna
aplicación específica dentro del cuerpo humano sin que este reaccione de manera
inadecuada y detecte a la prótesis como cuerpo extraño activando las diferentes líneas de
defensa del organismo es decir que los anticuerpos no reaccionan a la presencia de este
en contacto con los tejidos receptores.
Bioinercia: Es la capacidad de un biomaterial de no provocar reacción alguna en los tejidos
vivos circundantes después de su implantación en el organismo. Cabe recalcar que ciertos
casos pueden presentarse una mínima respuesta inmunológica de tipo inflamatoria.
Bioactividad: En algunos casos, los biomateriales tienen la capacidad de estimular o
provocar una acción biológica en tejido receptor. Es así, que un material bioactivo provoca
una respuesta biológica específica en su relación con los tejidos favoreciendo así su
integración.
Biometales
Los metales se utilizan en muchas situaciones biomédicas, mismas que en muchas aplicaciones son
muy específicas como es el caso de sustituir tejidos dañados o defectuosos con el fin de restablecer
una función.
Cabe mencionar que los metales que se usan en instrumentos médicos, dentales y quirúrgicos, así
como los que son usados en prótesis externas, no se clasifican como biometales porque no están
expuestos a los fluidos corporales de manera continua o intermitente.
Los principales materiales metálicos utilizados para aplicaciones clínicas como implantes están
basados en aleaciones de hierro, cobalto y titanio.
Los elementos de aleación ayudan a las propiedades mecánicas del material aleado ya que si
usáramos estos materiales en estado puro el resultado sería mejor pero no es así ya que estos
materiales en estado puro son considerados tóxicos, pero en cantidades adecuadas no lo son por
ejemplo es el caso del cobalto, el níquel o el vanadio.
A continuación, veremos en la tabla de los metales y aleaciones más usados para prótesis:
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A pesar de que hoy en día se utiliza mucho los metales en dispositivos implantables son pocos los
metales que podemos usar como biometales, a nivel mundial los más empleados son: titanio casi
puro; las aleaciones de titanio en diferentes grados, en especial Ti6Al4V; las aleaciones de cobalto y
cromo (CoCrMo y CoNi- CrMo) y el acero inoxidable tipo 316LVM.
Dibujos Asistidos por Computadora (CAD’s) Prótesis Femoral
Espaciador Plástico
Prótesis Tibial
Prótesis Completa
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Análisis de Elementos Finitos (FEA) – Prótesis Original 1000 N
Prótesis Femoral Tensiones
Desplazamientos
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Deformaciones Unitarias
Espaciador Plástico
Tensiones
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Desplazamientos
Deformaciones Unitarias
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Prótesis Tibial
Tensiones
Desplazamientos
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Deformaciones Unitarias
Análisis de Elementos Finitos (FEA) – Prótesis Mejorada 1000 N
Prótesis Femoral Tensiones
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Desplazamientos
Deformaciones Unitarias
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Espaciador Plástico
Tensiones
Desplazamientos
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Deformaciones Unitarias
Prótesis Tibial
Tensiones
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Desplazamientos
Deformaciones Unitarias
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Resultados Obtenidos
Elemento Estudio Prótesis Original Prótesis Mejorada
Prótesis Femoral
Tensiones (Von Mises – N/m2) 2.421x106 1.937x106
Desplazamientos (URES - mm) 1.695x10-4 1.356x10-4
Deformaciones Unitarias (ESTRN)
1.474x10-5 1.179x10-5
Espaciador
Plástico
Tensiones (Von Mises – N/m2) 2.036x105 1.559x105
Desplazamientos (URES - mm) 1.311x10-2 1.161x10-2
Deformaciones Unitarias (ESTRN)
6.349x10-4 4.973x10-4
Prótesis Tibial
Tensiones (Von Mises – N/m2) 7.755x107 1.007x107
Desplazamientos (URES - mm) 1.189x10-1 5.403x10-3
Deformaciones Unitarias (ESTRN)
3.548x10-4 5.789x10-5
Conclusiones
A través de los diferentes análisis realizados en los componentes de la prótesis de rodilla (prótesis
femoral, espaciador plástico, y prótesis tibial) se pudo observar los distintos puntos críticos de cada
elemento, por lo cual nos dimos a la tarea de mejorar esos puntos con distintas modificaciones entre
las cuales se pueden destacar: incremento de espesor, cambio de material, modificaciones de radio,
entre otras. Debido a las modificaciones anteriormente mencionados se pudieron generar cambios
positivos dentro de las tensiones, desplazamientos y deformaciones unitarias por lo cual obtuvimos
sin duda alguna una mejora dentro de la estructura. Cabe destacar que los estudios fueron estáticos
por lo cual usamos una carga de 1000 N.
Para poder desarrollar el proyecto fue muy importante el estado del arte, ya que con esta
información conocimos cuales eran los ángulos de giro de la rodilla, los ejes (X, Y, y Z), los diagramas
de fuerzas, las características que poseen los biomateriales y como se catalogan según las prótesis,
las normas que rigen a los biomateriales, cuales son los biometales y sus aplicaciones, entre otra
información.
Es importante destacar que este trabajo de investigación también nos ayudó a poder desarrollar
mayores habilidades y competencias en el área de diseño, utilizando el software de SolidWorks. Al
principio presentamos algunas complicaciones debido a que no poseíamos los conocimientos
adecuados para poder llevar a cabo un análisis de elementos finitos, por lo cual nos dimos a la tarea
de realizar una investigación exhaustiva de que pasos son necesarios para obtener los resultados
correctos, y posteriormente ya aplicando esos conocimientos pudimos realizar los análisis en la
prótesis de rodilla.
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Referencias
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