Los ingenieros de la Universidad de Rice esperan mejorar la vida de las personas con articulaciones de reemplazo al modelar cómo es probable que las caderas artificiales las froten de manera incorrecta.

El estudio computacional realizado por el laboratorio de la Escuela de Ingeniería Brown del ingeniero mecánico Fred Higgs simula y rastrea cómo evolucionan las caderas, incorporando de manera única la dinámica de fluidos y la rugosidad de las superficies articulares, así como los factores que los médicos suelen usar para predecir qué tan bien se mantendrán los implantes durante su vida útil esperada de 15 años.

El objetivo inmediato del equipo es avanzar en el diseño de prótesis más robustas.

Por último, dicen que el modelo podría ayudar a los médicos a personalizar las articulaciones de la cadera para los pacientes según el género, peso, variaciones de edad y de marcha.

Higgs y los coautores principales Nia Christian, un estudiante graduado de Rice, y Gagan Srivastava, profesor de ingeniería mecánica en Rice y ahora científico investigador en Dow Chemical, informó sus resultados en Biotribología.

Los investigadores vieron la necesidad de mirar más allá de las limitaciones de los estudios mecánicos anteriores y las prácticas clínicas estándar que utilizan la caminata simple como base para evaluar las caderas artificiales sin incorporar actividades de mayor impacto.

"Cuando hablamos con los cirujanos, nos dicen que muchas de sus decisiones se basan en su vasta experiencia, ", Dijo Christian." Pero algunos han expresado su deseo de mejores herramientas de diagnóstico para predecir cuánto va a durar un implante.

"Quince años parece mucho tiempo, pero si necesitas colocarle una cadera artificial a alguien joven y activo, desea que dure más para que no tengan múltiples cirugías, " ella dijo.

El laboratorio de tribología y flujo de partículas de Higgs fue invitado por el bioingeniero y mecánico de Rice B.J. Fregly, para colaborar en su trabajo para modelar el movimiento humano para mejorar la vida de los pacientes con discapacidades neurológicas y ortopédicas.

"Quería saber si podíamos predecir cuánto durarían sus mejores articulaciones de cadera candidatas, "dijo Higgs, El profesor John y Ann Doerr de Rice en Ingeniería Mecánica y profesor adjunto de Bioingeniería, cuyo reemplazo de rodilla del propio padre inspiró parcialmente el estudio. "Así que nuestro modelo utiliza el movimiento de caminar de pacientes reales".

Los simuladores físicos necesitan ejecutar millones de ciclos para predecir el desgaste y los puntos de falla. y puede llevar meses obtener resultados. El modelo de Higgs busca acelerar y simplificar el proceso analizando datos de captura de movimiento real como el producido por el laboratorio Fregly junto con datos de implantes de cadera "instrumentados" estudiados por Georg Bergmann en la Universidad Libre de Berlín.

El nuevo estudio incorpora los cuatro modos distintos de física:mecánica de contacto, dinámica de fluidos, dinámica de partículas y desgaste:en juego con el movimiento de la cadera. Ningún estudio previo consideró los cuatro simultáneamente, según los investigadores.

Un tema que otros no consideraron fue la composición cambiante del lubricante entre los huesos. Las articulaciones naturales contienen líquido sinovial, un líquido extracelular con una consistencia similar a la clara de huevo y secretado por la membrana sinovial, tejido conectivo que recubre la articulación. Cuando se reemplaza una cadera, la membrana se conserva y continúa expresando el líquido.

"En articulaciones naturales saludables, el fluido genera suficiente presión para que no tengas contacto, así caminamos todos sin dolor, "Dijo Higgs." Pero una articulación de cadera artificial generalmente se somete a un contacto parcial, que desgasta y deteriora cada vez más la articulación implantada con el tiempo. A este tipo de fricción lo llamamos lubricación mixta ".

Ese roce puede conducir a una mayor generación de residuos de desgaste, especialmente del material plástico, un polietileno de peso molecular ultra alto, que se usa comúnmente como encaje (la copa acetabular) en las articulaciones artificiales. Estas partículas, estimado en un tamaño de hasta 5 micrones, mezclarse con el líquido sinovial a veces puede escapar de la articulación.

"Finalmente, pueden aflojar el implante o hacer que el tejido circundante se rompa, ", Dijo Christian." Y a menudo se llevan a otras partes del cuerpo, donde pueden causar osteólisis. Hay mucho debate sobre dónde terminan, pero debes evitar que irriten el resto de tu cuerpo ".

Señaló que el uso de enchufes de metal en lugar de plástico es un tema de interés. "Ha habido un fuerte impulso hacia las caderas de metal sobre metal porque el metal es duradero, "Dijo Christian." Pero algunos de estos hacen que las virutas de metal se rompan. A medida que se acumulan con el tiempo, parecen ser mucho más dañinos que las partículas de polietileno ".

La inspiración adicional para el nuevo estudio provino de dos trabajos anteriores de Higgs y colegas que no tenían nada que ver con la bioingeniería. El primero se centró en el pulido químico mecánico de obleas semiconductoras utilizadas en la fabricación de circuitos integrados. El segundo empujó su modelado predictivo de microescala a interfaces a escala de oblea completa.

Los investigadores señalaron que las iteraciones futuras del modelo incorporarán materiales más novedosos que se utilizarán en el reemplazo de articulaciones.