Cientifica, ISSN 2594-2921, vol. 27, no. 2, July-December 2023.
DOI: https://doi.org/10.46842/ipn.cien.v27n2a01
Evaluación numérica a la fatiga de prótesis tumoral de rodilla
Numerical Fatigue Evaluation of Tumorous Knee Prosthesis
Recibido 11-04-2023, aceptado 29-05-2023.
Resumen
En los últimos años, el rendimiento mecánico de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) ha atraído una gran cantidad de interés en aplicaciones de prótesis articulares. La importancia clínica de la fatiga y las propiedades a la fractura de las piezas fabricadas con UHMWPE depende del dispositivo protésico. Los mecanismos de desgaste abrasivo y adhesivo usualmente prevalecen en los insertos acetabulares recuperados, observando que las superficies dañadas por fatiga se presentan a menudo en insertos tibiales. Por lo tanto, la resistencia al desgaste es de gran importancia en los componentes protésicos, ya que a mayores presiones de contacto de la articulación hacen que las propiedades de fatiga y fractura sean más relevantes. Se puede concluir así que las formulaciones de grado médico del UHMWPE deben representar un equilibrio entre las consideraciones de diseño, resistencia al desgaste, resistencia a la oxidación, propiedades de fatiga y a la fractura. Por lo que una de las principales consideraciones para el diseño de algún dispositivo con cargas variables es el diseño por fatiga, evitando grietas a nivel micro, macro y como consecuencia falla súbita del sistema. Provocando como consecuencia un reemplazamiento total de la pieza o en el peor de los casos catástrofes donde se involucra vidas humanas. El objetivo de la presente investigación es proporcionar un análisis de fatiga y fractura, a través de una evaluación numérica a los bujes de material de UHMWPE utilizados en la articulación de la prótesis de rodilla. Se realizó un estudio de fatiga a la pieza buje tomando en consideración una posición en cuclillas de 130 grados de flexión del fémur con respecto a la tibia, mostrando resultados de la localización en donde inicia el daño en el buje, así como su tiempo de vida en años. Los resultados indican un ciclo de vida de 15.8 años antes de llegar a la falla del material.
Abstract
In recent years, the mechanical performance of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) has attracted a great deal of interest in joint replacement applications. The clinical significance of the fatigue and fracture properties of parts made of UHMWPE depends on the prosthetic device. Abrasive and adhesive wear mechanisms usually prevail in retrieved acetabular inserts, noting that fatigue-damaged surfaces often occur in tibial inserts. Therefore, wear resistance is of great importance in prosthetic components, as higher joint contact pressures make fatigue and fracture properties more relevant. It can thus be concluded that medical grade formulations of UHMWPE should represent a balance between design considerations, wear resistance, oxidation resistance, fatigue and fracture properties. Therefore, one of the main considerations for the design of any device with variable loads is the design by fatigue, avoiding cracks at micro and macro level, and as a consequence sudden failure of the system. This causes a total replacement of the part or, in the worst case, a catastrophe involving human lives. The objective of the present investigation is to provide a fatigue and fracture analysis, through a numerical evaluation to UHMWPE material bushings used in the knee prosthesis joint. A fatigue study was carried out on the bushing piece taking into consideration a squatting position of 130 degrees of flexion of the femur with respect to the tibia, showing results of the location where the damage starts in the bushing, as well as its lifetime in years. The results indicate a life cycle of 15.8 years before material failure.
Palabras clave: análisis de elemento finito, fatiga, prótesis de rodilla, UHMWPE.
Index terms: Finite Element Analysis, fatigue, knee prosthesis, UHMWPE.
ISO 690 reference:
Mora-Ramírez, Tomas de la; Coutiño-Moreno, Elvis; Maldonado-Onofre, Daniel; Aparicio-Urbano, José,
2023,
Evaluación numérica a la fatiga de prótesis tumoral de rodilla,
Científica, vol. 27, no. 2,
ISSN 2594-2921,
DOI: https://doi.org/10.46842/ipn.cien.v27n2a01
