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Analisi del contatto in protesi d’anca “hard-on-hard”
In tempi recenti si è registrata un’evoluzione nello studio delle protesi d’anca, che ha portato quest’ultima ad essere considerata uno dei principali successi nel settore ortopedico. Tali risultati non esimono da successivi miglioramenti e ulteriori ricerche a riguardo.
Il presente lavoro di tesi si propone, appunto, di focalizzare l’attenzione su protesi totali d’anca “hard-on-hard” (metallo su metallo o ceramica su ceramica), ovvero su quelle protesi composte dai materiali più utilizzati nella medicina attuale, concentrandosi sulla sezione coppa testa della protesi. Il motivo di tale scelta risiede nel fatto che questa sezione rappresenta il “cuore” della protesi stessa, in quanto è il punto in cui nascono le pressioni di contatto, ovvero quelle pressioni e quegli sforzi che hanno portato in passato al fallimento e all’usura delle protesi metallo su metallo o metallo su polietilene.
L’originalità di questo studio ha visto la realizzazione di due modelli della sezione coppa testa di protesi totale d’anca “hard-on-hard” 3D, tramite l’utilizzo del programma ANSYS; lo scopo è stato quello di effettuare analisi di contatto e investigare l’influenza dei seguenti parametri geometrici, ritenuti tra i più salienti: (1) l’inclinazione della coppa, (2) i materiali costituenti la protesi, (3) la claerance radiale coppa-testa, (4) le dimensioni della testa e dell’inserto della coppa e, infine, (5) i carichi a cui la protesi è sottoposta.
Le simulazioni del primo modello dei parametri sopracitati hanno riportato i seguenti risultati: materiali con rigidezza minore portino a pressioni massime di contatto minori ma, allo stesso tempo, aree di contatto maggiori; queste ultime, a causa delle loro maggiore dimensione, all’aumentare dell’inclinazione della coppa portano al verificarsi degli effetti di bordo e all’aumento delle pressioni di contatto massime, per inclinazioni della coppa minori. Anche l’aumento della clearance radiale porta ad un aumento delle pressioni di contatto massime ed ad una diminuzione dell’area di contatto; discorso inverso è stato ricavato dall’aumento delle dimensioni della sezione coppa testa che porta, invece, ad una diminuzione delle pressioni di contatto massime ed ad un aumento delle aree di contatto. Infine, a parità di valore delle pressioni di contatto e di dimensioni dell’area di contatto, dimensioni maggiori della testa e della coppa portano a far sì che l’aumento delle pressioni massime di contatto dovute agli effetti di bordo si presentano per inclinazioni della coppa maggiori.
Per il secondo modello si è modificata la geometria di bordo interno del liner, la cui costruzione si è ottenuta intersecando la sezione sferica classica dell’interno della coppa con una sezione conica, facendo sì che tra il raggio della sezione sferica sul punto d’intersezione e la sezione conica si registrasse un angolo di ampiezza iniziale di 100°. Utilizzando i soliti parametri, l’intento è stato quello di indagare l’effetto di questa nuova geometria del bordo; tale sperimentazione è stata possibile mettendo l'area di contatto proprio in prossimità del bordo. Accertato che ciò accadesse si è inoltre visto come, diminuendo l’angolo compreso tra sezione conica e sferica all’intersezione da 100° a 95°, i risultati delle pressioni di contatto massime calcolate sono simili tra loro; passando ad un angolo di 90°, invece, queste pressioni sono di entità e valore massimo maggiore rispetto ai due casi precedenti.
In conclusione, si ritiene che questo studio abbia inaugurato nuove basi per ulteriori spazi di manovra di successivi studi. Possibili traiettorie di crescita, ad esempio, potrebbero riguardare l'aggiunta di nuovi parametri da considerare, come l’angolo di antiversione della coppa, oppure fare in modo che il modello si inserisca all’interno di una struttura che simuli l’effetto della presenza dell’osso in cui è inserita la coppa. A tal proposito, uno dei proseguimenti dello studio potrebbe essere quello di costruire un modello non più statico ma bensì dinamico che possa simulare ed effettuare l’analisi di contatto sotto condizioni dinamiche come ad esempio la camminata.