Evaluación por análisis numérico de un nuevo biomaterial metálico poroso para prótesis óseas

Abstract

[ES] Entre los principales problemas de multitud de prótesis óseas, en especial las de cadera, se sitúa el fenómeno de protección de tensiones o stress shielding, que se produce como consecuencia de la diferencia de rigideces existente entre la prótesis y el hueso, que provoca que éste último quede descargado, favoreciendo su resorción y dando lugar, en última instancia, al aflojamiento y fracaso protésico. Para tratar de solucionar dicho inconveniente, y apoyados en el espectacular desarrollo de las técnicas de fabricación aditiva, se ha contemplado el empleo de materiales porosos en la fabricación de dichas prótesis. Éstos permitirían ajustar la rigidez del implante a la del hueso (mediante variaciones en sus parámetros estructurales) y, al mismo tiempo, permiten el crecimiento óseo que favorece un mejor anclaje de la prótesis al hueso. Sin embargo, poco se conoce en la relación entre los parámetros estructurales y la respuesta mecánica de los materiales porosos. Es en este marco, de estudio de la relación entre los parámetros constructivos y la respuesta mecánica de los materiales porosos, donde se desarrolla el presente proyecto. En el mismo se realiza la simulación computacional de estructuras porosas de barras rectas, determinándose el mejor modelo posible para la simulación de las estructuras (incluyendo el estudio del modelo constitutivo de material a emplear, la geometría de las barras de las estructuras y la configuración general del análisis, entre otros). De este modo, fueron simuladas estructuras cuyos valores de los parámetros fueron iguales a las medidas realizadas sobre estructuras ensayadas bajo cargas de compresión, realizándose la comparación entre los resultados de las simulaciones y los reales; de igual modo, se realizó un análisis paramétrico para determinar la influencia de los diferentes parámetros estructurales en la respuesta mecánica global de la estrucutra. Se pudo comprobar, por un lado, la dificultad en la simulación de las estructuras ensayadas, debido fundamentalmente a discrepancias e irregularidades generadas durante la fase de fabricación de dichas estructuras. Por otro lado, se determinó la necesidad de emplear un modelo de material elastoplástico y una sección circular para las barras de la estructura. En cuanto a la influencia de los diferentes parámetros estructurales, se pudo comprobar como el diámetro de barra presenta una influencia clara tanto en las fuerzas registradas, como en los módulos elásticos obtenidos. El diámetro de poro, por su parte sólo presenta influencia significativa en el caso de los módulos elásticos y, de igual modo, la porosidad sólo presenta influencia significativa en el caso de los módulos de proporcionalid. De este modo, se pueden obtener relaciones lineales que relacionen las fuerzas y módulos de proporcionalidad con los citados parámetros, estando en concordancia con lo observado en la bibliografía e indicando un mecanismo de deformación de las barras normal (según su eje).

[EN] Among the main problems in the bone prostheses, specially hip ones, is the stress shielding fenomena, which is due to the difference in stiffness between the implant and the bone, and which causes the bone unloading that leads to its resorbtion and, in the end, to the implant loosening and failure. For treating to solve that problem, and thanks to the great advances in additive manufacturing techniques, porous materials have been developed and it's thought that they can be used in the prostheses. These materials have mechanical properties that can be tailored as needed by means of variation in the structural parameters, and also let the bone ingrowth that provides a better fixation. However, little is known about the relationship between the variation of the structural parameters and the overall response of the structures. This proyect studies that relationship, by the developpement of a micro Finite Element model of the structures. For that purpose, different options of materials models, struts sections and general analysis configuration, among other options have been studied, so the best possible numerical model can be achieved. Different simulations were done, including the simulation of structures previously tested in compression tests and the study of the influence of the different structural parameters. Results showed that the fabrication innacurancies lead to differences between the "real" and computational structures. It was also observed that it is necessary the use of an elastoplastic material model for the simulations and a circular cross section of the struts. The strut diameter showed linear relationship either with the forces and the proportionality modulus, while the pore diameter and the olverall porosity showed significant linear relationship only with the modulus. Linear relationships can be obtained between the forces and modulus, according with the bibliography and indicating a normal deformation mechanism of the struts (along their axis).