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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


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.


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


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.


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

http://www.portalesmedicos.com/diccionario_medico/index.php/Inclusi%C3%B3n

http://www.portalesmedicos.com/diccionario_medico/index.php/Organismo

http://www.portalesmedicos.com/diccionario_medico/index.php/Pl%C3%A1stica

http://www.portalesmedicos.com/diccionario_medico/index.php/N

http://www.portalesmedicos.com/diccionario_medico/index.php/Funci%C3%B3n


Estado del Arte

Rango de Movimiento de la Rodilla

Ejes de la Rodilla

0

Diagrama de Fuerzas de la Rodilla


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:


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:


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


Análisis de Elementos Finitos (FEA) – Prótesis Original 1000 N

Prótesis Femoral Tensiones

Desplazamientos


Deformaciones Unitarias


Tensiones


Desplazamientos



Prótesis Tibial

Tensiones

Desplazamientos



Análisis de Elementos Finitos (FEA) – Prótesis Mejorada 1000 N

Prótesis Femoral Tensiones


Desplazamientos




Tensiones

Desplazamientos



Prótesis Tibial

Tensiones


Desplazamientos



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




6.349x10-4 4.973x10-4

Prótesis Tibial




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.


Referencias

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11. S. Kalpakjian y S. R. Schmid, Manufactura,ingeniería y tecnología, Mexico: PEARSON EDUCACIÓN, 2008, p. 229.

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