Технологичен дизайн може да помогне да се персонализират тазобедрените стави

Технологичен дизайн може да помогне да се персонализират тазобедрените стави | ✅ Д-р Стоян Арнаудов - Ортопед | Травматолог ⭐️

Инженерите от университета Райс се надяват да направят живота по-добър за тези със заместващи стави, като моделират как изкуствените стави вероятно ще ги разтрият по грешен начин.

Изчислителното проучване от лабораторията на инженерния факултет на Brown School of Engineering симулира и проследява как еволюират бедрата, като уникално включва динамиката на течностите и грапавостта на ставните повърхности, както и фактори, които клиницистите обикновено използват, за да предскажат колко добре имплантите ще се изправят над очакваното 15-годишен живот.

Непосредствената цел на екипа е да подобри дизайна на по-здрави протези.

В крайна сметка те казват, че моделът може да помогне на клиницистите да персонализират тазобедрените стави за пациентите в зависимост от пола, теглото, възрастта и вариациите на походката.

Хигс и съ-водещи автори Ниа Кристиан, студентка, и Гаган Шривастава, преподавател по машиностроене в Райс, а сега изследовател в Dow Chemical, съобщиха за резултатите си в Биотрибология.

Изследователите видяха необходимостта да надхвърлят ограниченията на по-ранните механични проучвания и стандартните клинични практики, които използват просто ходене като базова линия за оценка на изкуствените бедра, без да включват дейности с по-силно въздействие.

Когато разговаряме с хирурзи, те ни казват, че много от техните решения се основават на техния богат опит. Но някои изразиха желание за по-добри диагностични инструменти, за да се предскаже колко дълго ще продължи даден имплант. Петнадесет години звучат като много време, но ако трябва да сложите изкуствено бедро на някой, който е млад и активен, искате да продължи по-дълго, за да няма многократни операции. ”

Ния Кристиан, аспирант, Университет Райс

Лабораторията за поток на частици и трибология на Хигс беше поканена от Райс механичен и биоинженер BJ Fregly, за да си сътрудничи в работата по моделиране на човешкото движение за подобряване на живота на пациенти с неврологични и ортопедични увреждания.

„Искаше да разбере дали можем да предскажем колко дълго ще издържат най-добрите им кандидати за тазобедрени стави“, казва Хигс, професор по машиностроене Джон и Ан Дьор от Райс и съвместен професор по биоинженерство, чиято смяна на коляното на собствения баща отчасти вдъхновява проучването. “Така че нашият модел използва ходене на реални пациенти.”

Физическите симулатори трябва да изпълняват милиони цикли, за да предскажат точките на износване и повреда и може да отнеме месеци, за да получат резултати. Моделът на Хигс се стреми да ускори и опрости процеса, като анализира реални данни за улавяне на движение като тези, получени от лабораторията Fregly, заедно с данни от “инструментални” тазобедрени импланти, изследвани от Георг Бергман от Свободния университет в Берлин.

Новото изследване включва четирите различни физически режима – контактна механика, динамика на флуидите, износване и динамика на частиците – при движение в тазобедрената става. Според изследователите нито едно предишно проучване не е разглеждало и четирите едновременно.

Един от проблемите, които другите не обмисляха, беше променящият се състав на смазката между костите. Естествените стави съдържат синовиална течност, извънклетъчна течност с консистенция, подобна на яйчен белтък и секретирана от синовиалната мембрана, съединителна тъкан, която покрива ставата. Когато бедрото бъде заменено, мембраната се запазва и продължава да експресира течността.

„В здравите естествени стави течността генерира достатъчно налягане, така че да нямате контакт, така че всички ходим без болка“, каза Хигс. “Но изкуствената тазобедрена става обикновено претърпява частичен контакт, който с времето все повече износва и влошава вашата имплантирана става. Ние наричаме този вид триене смесено смазване.”

Това триене може да доведе до повишено образуване на износващи се остатъци, особено от пластмасовия материал – свръхмолекулен полиетилен – често използван като гнездо (ацетабуларната чаша) в изкуствени стави. Тези частици, изчислени на размер до 5 микрона, се смесват със синовиалната течност, понякога могат да излязат от ставата.

„В крайна сметка те могат да разхлабят импланта или да причинят разграждане на околната тъкан“, каза Кристиан. “И те често се пренасят в други части на тялото, където могат да причинят остеолиза. Има много спорове за това къде се озовават, но вие искате да избегнете дразненето на останалата част от тялото ви.”

Тя отбеляза, че използването на метални гнезда, а не на пластмаса, е тема на интерес. „Налице е силен тласък към бедрата метал върху метал, защото металът е издръжлив“, каза Кристиан. “Но някои от тях карат металните стърготини да се отчупват. Тъй като те се натрупват с течение на времето, те изглеждат много по-вредни от полиетиленовите частици.”

По-нататъшно вдъхновение за новото проучване идва от две предишни творби на Хигс и колеги, които нямат нищо общо с биоинженерството. Първият разглежда химическото механично полиране на полупроводникови пластини, използвани в производството на интегрални схеми. Вторият изтласка тяхното предсказуемо моделиране от микро-мащаб към интерфейси с пълен обхват.

Изследователите отбелязват, че бъдещите итерации на модела ще включват повече нови материали, използвани за подмяна на ставите.

Източник:

Справка за списанието:

Шривастава, Г., и др. (2020) Прогнозна рамка на трибологичното въздействие на физическите дейности върху тазобедрените импланти от метал върху пластмаса. Биотрибология. doi.org/10.1016/j.biotri.2020.100156.