Biomedical Engineering - Progettazione di Endoprotesi

Requisiti e fallimento

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Requisiti di progetto Cause di fallimento Protesi d’ anca • consentire i gradi di libertà dell’articolazione naturale ; • sopportare i carichi applicati durante il passo (diverse volte il peso corporeo) ; • resistere alla fatica (1 milione di cicli all’anno → circa 10 milioni di cicli di carico in 10 anni ). Lo stelo femorale è più sollecitato a fatica; • avere delle superfici articolari resistenti all’usura o comunque tali per cui l’usura non produca danni funzionali /risposte indesi derate dei tessuti ospiti; • essere fabbricata con materiali biocompatibili (risposta biologica favorevole); • garantire la stabilità meccanica delle interfacce sia subito dopo l’impianto (stabilità primaria) sia nel tempo (stabilità secondaria); • essere facilmente impiantabile; • essere facilmente sostituibile (non deve danneggiare eccessivamente l’osso ); • avere un comportamento biomeccanico che non alteri le caratteristiche meccaniche globali del sistema bacino - femore (catena stelo, testa e cotile delle pro tesi è molto più rigida di quella naturale → carichi impulsivi potenzialmente dannosi ); • garantire uno stato di sollecitazione dell’osso tale per cui il fenomeno del rimodellamento osseo non venga spostato verso il riassorbimento o la crescita anomala A breve termine: • mobilizzazione settica • lussazione ricorrente • allergia A medio termine: • Cedimento strutturale • Mobilizzazione asettica per stress shielding o per cedimento del manto di cemento A lungo termine: • Cedimento strutturale a fatica • Mobilizzazione aset tica per osteolisi periprotesica da frammenti Protesi d i ginocchio • consentire i gradi di libertà dell’articolazione naturale ; • sopportare i carichi applicati durante il passo (diverse volte il peso corporeo) ; • resistere alla fatica (1 milione di cicli all’anno → circa 10 milioni di cicli di carico in 10 anni). Il piatto tibiale è maggiormente sollecitato a fatica • avere delle superfici articolari resistenti all’usura o comunque tali per cui l’usura non produca danni funzionali /risposte indesiderate dei tessuti ospiti; • essere fabbricata con materiali biocompatibili (non indurre alterazioni); • garantire la stabilità meccanica delle interfacce sia subito dopo l’impianto (stabilità primaria) sia nel tempo (stabilità secondaria); • essere facilmente impiantabile; • essere facilmente sostituibile (non deve danneggiare eccessivamente l’osso e i tessuti molli ); • garantire uno stato di sollecitazione dell’osso tale per cui il fenomeno del rimodellamento osseo non venga spostato verso il riassorbimento A breve termine: • mobilizzazione settica • allergia A medio termine: • Cedimento strutturale • Mobilizzazione asettica per stress shielding o per cedimento del manto di cemento A lungo termine: • Cedimento strutturale a fatica del piatto tibiale (raro nella totale, possibile per la mono) o della componente femorale (solo nella mono) • Usura dell’inserto tibiale • Mobilizzazione asettica per osteolisi periprotesica da frammenti Mezzi di osteosintesi • Impedire i micromovimenti delle rime di frattura • Consentire la progressiva sollecitazione di compressione durante la formazione del callo • essere fabbricata con materiali biocompatibili • sopportare i carichi applicati (diverse volte il peso corporeo) ; • essere facilmente impiantabile e rimovibile se si rompe ; • prevedere un sistema per la riduzione della rima di frattura • prevedere un sistema di sollecitazione specifico per consentire al paziente di graduare la sollecitazione (load sharing) • Solo per esterni: • essere costruito in materiali radiotrasparenti; • essere costruito in materiali adatti a sopportare cicli di sterilizzazione; • prevedere un sistema di misura per quantificare l’andamento della guarigione • avere ingombri ridotti Impianti dentali • essere fabbricata con materiali biocompatibili • garantire la stabilità meccanica primaria e secondaria • garantire uno stato di sollecitazione dell’osso tale per cui il fenomeno del rimodellamento osseo non venga spostato verso il riassorbimento o la crescita anomala • resistere alla fatica meccanica (dovuta al carico masticatorio e alle forze di torsione che tendono a svitare la vite di connessione) • resistere staticamente ai carichi masticatori • essere facilmente impiantabile (minor danno possibile all’osso) • essere facil mente sostituibile se si rompe • consentire di avere l’asse dell’impianto inclinato rispetto a quello del dente • minimizzare i problemi di attecchimento batterico Assenza o perdita di osteointegrazione per scorretto trasferimento dei carichi all’osso (stress shielding o riassorbimento osseo) o insorgere di infezioni Rottura statica Rottura a fatica Allentamento della vitina di connessione Frattura della corona Fissatore spinale • essere facilmente impiantabile • sopportare i carichi statici applicati durante la chirurgia (compresi distrazione e compressione sui sistemi di ancoraggio) e mantenere la correzione nel tempo • garantire la stabilità meccanica primaria e secondaria • sopportare i carichi agenti durante il mantenimento della postura eretta • resistere alla fatica meccanica (fino ad avvenuta fusione, circa 6 mesi → 5 milioni di cicli) • essere fabbricata con materiali biocompatibili • garantire adeguato stimolo meccanico nei tessuti ossei • avere dei meccanismi di interconnessione fra i componenti re sistenti al disassemblaggio, all’usura e alla corrosione o comunque tali per cui l’insorgere di tali fenomeni non produca danni o risposte indesiderate nei tessuti • essere facilmente sostituibile Carichi statici (correzione intraoperatoria) → deformazione plastica delle barre e dei sistemi di ancoraggio o cedimento delle strutture ossee circostanti Rottura a fatica (rottura delle barre spinali o delle viti peduncolari) Allentamento dei componenti Usura fra i componenti dell’impianto Corrosione a contatto con i fluidi biologici Perdita di tenuta delle viti rispetto all’osso (screw loosening) o fuoriuscita delle viti dovuta a danneggiamento del tessuto osseo (screw cut -out) “Adjacent segment disease ” (degenerazione dei dischi e/o legamenti adiacenti alla zona strumentata o collasso delle vertebre adiacenti) Gabbia intervertebrale • essere facilmente impiantabile • sopportare i carichi applicati durante la chirurgia (carichi impulsivi) • garantire la stabilità meccanica primaria e secondaria, prevedendo sistemi che evitino il disalloggiamento o l’espulsione della gabbia • avere una forma sufficientemente ampia (zone periferiche più mineralizzate) per non favorire sovrasollecitazioni puntuali che danneggiano l’osso circostante (subsidence) • sopportare i carichi agenti durante il mantenimento della postura eretta • resistere alla fatica meccanica (fino ad avvenuta fusione, circa 6 mesi → 5 milioni di cicli) • essere fabbricata con materiali biocompa tibili • garantire adeguato stimolo meccanico nei tessuti ossei • avere parti modulari o dei meccanismi di interconnessione fra i componenti resistenti al disassemblaggio e all’usura o comunque tali per cui l’insorgere di tali fenomeni non produca danni o risp oste indesiderate nei tessuti • essere facilmente sostituibile Sprofondamento della cage nell’osso circostante (subsidence) Pseudoartrosi o mancata fusione (micromovimenti eccessivi all’interfaccia impianto -osso e stress shielding) Disalloggiamento e/o espulsione dal sito di impianto Protesi vascolari • essere biocompatibile, ossia emocompatibile (controllo della coagulazione e dell’emolisi) • essere impermeabile al sangue • essere (visco)elastica per smorzare i carichi pressori • essere flessibile (lume del vaso aperto anche in flessione e/o torsione) • avere dimensioni e forma adeguate (simili al tratto di vaso sostituit o) → il neoendotelio può ridurre molto il diametro interno • essere suturabile e facilmente impiantabile ed espiantabile • resistere meccanicamente ai picchi di pressione, al pretensionamento dei vasi e agli elevati angoli di flessione/torsione • essere affidabile meccanicamente (1Hz a riposo) e biologicamente (struttura stabile nel tempo → no degradazione) • essere sterilizzabile (la sua presenza non deve indurre risposte che possano danneggiare la protesi o l’organismo) Invecchia mento delle protesi autologhe e omologhe Degradazione delle bioprotesi trattate chimicamente e delle protesi in Dacron Infezioni delle protesi (sintetiche e trattate) Trombosi, specialmente se di piccolo calibro . Ridotta rendendo porosa la parete per favorire la formazione di neointima ( → problema di iperplasia), con rivestimenti interni in materiale inerte, incorporando nella parete un anticoagulante, seminando cellule endoteliali o con rivestimenti impermeabili zzanti/proteine per le protesi in Dacron Lacerazioni a livello delle suture (compliance mismatch) Cedimento a fatica, dilatazione e rottura delle protesi in Dacron (con falso aneurisma, ossia perdita di sangue dall’anastomosi) Stent vascolari • essere bio compatibile, ossia emocompatibile , resistente alla corrosione e non trombogenico • essere radiopaco (con marker) • essere rigido radialmente per sostenere l’arteria stenotica e contrastare la resistenza della placca e dell’arteria • essere flessibile ( adattabilità a vasi curvi o tortuosi) • essere espandibile (raggiungere il corretto diametro) • avere un’area di contatto minima per diminuire la trombogenicità e il danno vascolare (ma diminuiscono il contenimento della placca, la visibilità e la rigidezza radiale) l’area coperta deve essere il 7÷20% di quella non coperta • restare fissato nell’arteria (interferenza radiale e attrito) • essere compatibile biomeccanicamente (compliance mismatch, danno vascolare → ristenosi) Stent metallici: • trombosi intra -stent (te rapia DAT) • ristenosi (20 -30% dei casi) → iperplasia neointimale dovuta al danno vascolare provocato • cedimento a fatica Stent metallici biodegradabili • tempo di degradazione insufficiente Stent medicati: • riendotelizzazione • ipersensibilità al polimero (nec essaria terapia DAT) • trombosi intra -stent tardiva (incidenza bassa