Gli ingegneri della Rice University sperano di migliorare la vita di coloro che hanno le articolazioni sostitutive modellando il modo in cui è probabile che le anche artificiali le sfreghino nel modo sbagliato.

Lo studio computazionale del laboratorio Brown School of Engineering dell'ingegnere meccanico Fred Higgs simula e tiene traccia di come si evolvono i fianchi, incorporando in modo univoco la fluidodinamica e la rugosità delle superfici articolari, nonché i fattori che i medici di solito utilizzano per prevedere quanto bene resisteranno gli impianti durante la loro durata prevista di 15 anni.

L'obiettivo immediato del team è quello di far progredire la progettazione di protesi più robuste.

In definitiva, dicono che il modello potrebbe aiutare i medici a personalizzare le articolazioni dell'anca per i pazienti a seconda del sesso, il peso, variazioni di età e andatura.

Higgs e gli autori co-protagonisti Nia Christian, uno studente laureato in riso, e Gagan Srivastava, docente di ingegneria meccanica alla Rice e ora ricercatore scientifico alla Dow Chemical, hanno riportato i loro risultati in Biotribologia.

I ricercatori hanno visto la necessità di guardare oltre i limiti dei precedenti studi meccanici e delle pratiche cliniche standard che utilizzano la semplice camminata come base per valutare le anche artificiali senza incorporare attività a maggiore impatto.

"Quando parliamo con i chirurghi, ci dicono che molte delle loro decisioni si basano sulla loro ricchezza di esperienza, " Christian ha detto. "Ma alcuni hanno espresso il desiderio di strumenti diagnostici migliori per prevedere quanto durerà un impianto.

"Quindici anni sembrano tanti, ma se hai bisogno di mettere un'anca artificiale in qualcuno che è giovane e attivo, vuoi che duri più a lungo in modo che non abbiano più interventi chirurgici, " lei disse.

Il Particle Flow and Tribology Lab di Higgs è stato invitato dal meccanico e bioingegnere della Rice B.J. Fregly, collaborare al suo lavoro per modellare il movimento umano per migliorare la vita dei pazienti con disabilità neurologiche e ortopediche.

"Voleva sapere se potevamo prevedere quanto tempo sarebbero durate le loro migliori articolazioni dell'anca candidate, " ha detto Higgs, John e Ann Doerr Professor di Rice in Ingegneria Meccanica e professore congiunto di Bioingegneria, la cui sostituzione del ginocchio del padre ha parzialmente ispirato lo studio. "Quindi il nostro modello utilizza il movimento di deambulazione di pazienti reali".

I simulatori fisici devono eseguire milioni di cicli per prevedere i punti di usura e guasto, e possono volerci mesi per ottenere risultati. Il modello di Higgs cerca di accelerare e semplificare il processo analizzando i dati di cattura del movimento reale come quello prodotto dal laboratorio Fregly insieme ai dati degli impianti dell'anca "strumentati" studiati da Georg Bergmann alla Libera Università di Berlino.

Il nuovo studio incorpora le quattro distinte modalità della fisica:meccanica del contatto, fluidodinamica, usura e dinamica delle particelle:in gioco nel movimento dell'anca. Nessuno studio precedente ha considerato tutti e quattro contemporaneamente, secondo i ricercatori.

Un problema che altri non hanno considerato è stato il cambiamento della composizione del lubrificante tra le ossa. Le articolazioni naturali contengono liquido sinoviale, un liquido extracellulare di consistenza simile agli albumi e secreto dalla membrana sinoviale, tessuto connettivo che riveste l'articolazione. Quando viene sostituita un'anca, la membrana si conserva e continua ad esprimere il fluido.

"In articolazioni naturali sane, il fluido genera una pressione sufficiente in modo da non avere contatto, così camminiamo tutti senza dolore, " ha detto Higgs. "Ma un'articolazione dell'anca artificiale generalmente subisce un contatto parziale, che consuma e deteriora sempre di più l'articolazione impiantata nel tempo. Chiamiamo questo tipo di lubrificazione mista per sfregamento."

Lo sfregamento può portare a una maggiore generazione di detriti da usura, soprattutto dal materiale plastico, un polietilene ad altissimo peso molecolare, comunemente usato come presa (la coppa acetabolare) nelle articolazioni artificiali. Queste particelle, stimata fino a 5 micron di dimensione, mescolarsi con il liquido sinoviale a volte può fuoriuscire dall'articolazione.

"Infine, possono allentare l'impianto o causare la rottura del tessuto circostante, " Christian ha detto. "E spesso vengono trasportati in altre parti del corpo, dove possono causare osteolisi. C'è un sacco di dibattito su dove finiscono, ma vuoi evitare che irritino il resto del tuo corpo".

Ha notato che l'uso di prese di metallo piuttosto che di plastica è un argomento di interesse. "C'è stata una forte spinta verso i fianchi metallo su metallo perché il metallo è durevole, " Christian ha detto. "Ma alcuni di questi causano la rottura di trucioli di metallo. Man mano che si accumulano nel tempo, sembrano essere molto più dannosi delle particelle di polietilene".

Un'ulteriore ispirazione per il nuovo studio è venuta da due precedenti lavori di Higgs e colleghi che non avevano nulla a che fare con la bioingegneria. Il primo ha esaminato la lucidatura chimica meccanica dei wafer di semiconduttori utilizzati nella produzione di circuiti integrati. Il secondo ha spinto la loro modellazione predittiva da interfacce micro-scala a wafer-scala completa.

I ricercatori hanno notato che le future iterazioni del modello incorporeranno più nuovi materiali utilizzati nella sostituzione articolare.