Si simplemente coloca un implante ortopédico en un ser humano sin considerar la flexibilidad del hueso de reemplazo, entonces corre el riesgo de lo que se conoce como “protección contra el estrés”.
Esto se debe a un fenómeno llamado “Ley de Wolff”, en el que el hueso natural se vuelve menos denso debido a las variaciones de tensión del implante. El hueso circundante se adapta al estrés y remodela su mesoestructura mediante un proceso de reabsorción ósea . El desajuste entre las densidades y flexibilidades del material puede resultar en áreas de crecimiento densas del hueso y puede resultar en dolor para el paciente y, finalmente, en el rechazo y extracción del implante.
Por lo tanto, es importante asegurarse de que el implante de reemplazo coincida con la flexibilidad del hueso que se reemplaza. Los implantes portadores de carga deben ser compatibles.
Un método para hacer esto es mediante el uso de optimización de topología y fabricación aditiva, donde las estructuras trabeculares del hueso se pueden replicar (hasta cierto punto). Básicamente, es mejor que un hueso de titanio sólido. Las vigas trabeculares en el implante permiten una cierta cantidad de flexión, sin dejar de ser livianas y cómodas para el implantado.
La siguiente imagen muestra la diferencia en la pérdida ósea entre un implante femoral de titanio sólido y uno de titanio impreso en 3D completamente poroso.
Implante sólido frente a poroso. Crédito de la imagen: Journal of Orthopaedic Research
Otro punto que vale la pena señalar es que las estructuras sólidas tienen dificultades con la osteointegración. Una estructura porosa permite que el hueso se una mejor al implante.
Con todo, las estructuras metálicas impresas porosas tienen mucho que ofrecer al mundo de la prótesis.
Echemos un vistazo al comportamiento de algunas de estas estructuras bajo carga, y cómo los ingenieros están haciendo materiales sólidos e inflexibles como el titanio… ¡flexibles!
La siguiente imagen muestra un gráfico de Von Mises de una estructura de celosía impresa en 3D sometida a compresión.
Gráfico de tensión / deformación de Von Mises. Crédito de la imagen: nTopology
Si se tratara de un trozo sólido de titanio, no habría flexibilidad. Tome ese trozo de titanio y enróllelo en un alambre delgado, y es flexible.
Esto es efectivamente lo que estamos viendo en la imagen de arriba. Los miembros individuales de la celosía tienen suficiente flexibilidad para desviarse bajo carga, mientras permanecen dentro de los no deformados. Las vigas se vuelven a doblar en su lugar cuando se quita la carga, como cualquier otro material Hookean.
Cuando apila estas vigas, como en la celosía, entonces la deflexión total es básicamente la deflexión acumulativa de los miembros individuales. Una capa se desvía y la fuerza restante se envía a la capa inferior, que se desvía, y así sucesivamente …
Al investigar los parámetros de tensión y desplazamiento a diferentes valores de compresión, los campos de tensión y desplazamiento se pueden combinar matemáticamente en una función.
Campo de estrés localizado. Crédito de la imagen: nTopology
Una vez que se determina esa función, los ingenieros pueden ajustar la estructura computacionalmente (con optimización de topología o diseño generativo) para proporcionar un conjunto personalizado de salidas para un lote específico de entradas, perfectamente adaptado a las necesidades del paciente.
Cambie los parámetros para obtener una mesoestructura personalizada. Crédito de la imagen: nTopology
Como puede ver en la imagen de arriba, los parámetros de interés en este caso son el objetivo de desplazamiento, la fuerza máxima / mínima y la cantidad de material removido requerido.
El resultado final es una mesoestructura personalizada que puede flexionarse y desviarse de acuerdo con los requisitos del diseñador, y un paciente de implante feliz que ahora puede caminar cómodamente sin preocuparse de necesitar que le cambien el fémur o el hueso de la cadera nuevamente en otros 5 o 10 años.
