Unik undersøgelse inkorporerer væskedynamik og mere at evaluere, forbedre fremtidige implantater

Ingeniører fra Rice University håber at gøre livet bedre for dem med udskiftelige led ved at modellere, hvordan kunstige hofter sandsynligvis gnider dem den forkerte vej.

Beregningsundersøgelsen foretaget af Brown School of Engineering lab af maskiningeniør Fred Higgs simulerer og sporer, hvordan hofter udvikler sig, entydigt inkorporerer væskedynamik og ruhed af ledfladerne samt faktorer, som klinikere typisk bruger til at forudsige, hvor godt implantater vil stå op i løbet af deres forventede 15-årige levetid.

Teamets umiddelbare mål er at fremme designet af mere robuste proteser.

Ultimativt, de siger, at modellen kan hjælpe klinikere med at personliggøre hofteledd til patienter afhængigt af køn, vægt, alder og gangvariationer.

Higgs og medforfattere Nia Christian, en ris -kandidatstuderende, og Gagan Srivastava, en lektor i maskinteknik hos Rice og nu forsker ved Dow Chemical, rapporterede deres resultater i Biotribologi.

Forskerne så et behov for at se ud over begrænsningerne i tidligere mekaniske undersøgelser og standard klinisk praksis, der bruger simpel gang som en baseline til at evaluere kunstige hofter uden at inkorporere aktiviteter med større indvirkning.

"Når vi taler med kirurger, de fortæller os, at mange af deres beslutninger er baseret på deres rigdom af erfaring, "Sagde Christian." Men nogle har udtrykt et ønske om bedre diagnostiske værktøjer til at forudsige, hvor længe et implantat kommer til at vare.

"Femten år lyder som lang tid, men hvis du har brug for at lægge en kunstig hofte i en, der er ung og aktiv, du vil have det til at vare længere, så de ikke skal opereres flere gange, " hun sagde.

Higgs 'Particle Flow and Tribology Lab blev inviteret af Rice mekaniker og bioingeniør B.J. Fregly, at samarbejde om sit arbejde med at modellere menneskelig bevægelse for at forbedre livet for patienter med neurologiske og ortopædiske handicap.

"Han ville vide, om vi kunne forudsige, hvor længe deres bedste kandidat hofteledd ville vare, "sagde Higgs, Rices John og Ann Doerr professor i maskinteknik og fælles professor i bioingeniør, hvis egen fars knæudskiftning delvist inspirerede undersøgelsen. "Så vores model bruger gangbevægelse af rigtige patienter."

Fysiske simulatorer skal køre millioner af cyklusser for at forudsige slid- og fejlpunkter, og det kan tage måneder at få resultater. Higgs 'model søger at fremskynde og forenkle processen ved at analysere reelle motion capture -data som dem, der blev produceret af Fregly -laboratoriet sammen med data fra "instrumenterede" hofteimplantater, som Georg Bergmann studerede ved Free University of Berlin.

Den nye undersøgelse inkorporerer de fire forskellige fysiske former - kontaktmekanik, væskedynamik, slid og partikeldynamik - i spil i hoftebevægelse. Ingen tidligere undersøgelser betragtede alle fire samtidigt, ifølge forskerne.

Et problem, andre ikke overvejede, var den skiftende makeup af smøremidlet mellem knoglerne. Naturlige led indeholder synovialvæske, en ekstracellulær væske med en konsistens, der ligner æggehvider og udskilles af synovialmembranen, bindevæv, der leder leddet. Når en hofte udskiftes, membranen bevares og fortsætter med at udtrykke væsken.

"I sunde naturlige led, væsken genererer nok tryk, så du ikke har kontakt, så vi går alle uden smerter, "Sagde Higgs." Men et kunstigt hofteledd gennemgår generelt delvis kontakt, som i stigende grad slider og forringer din implanterede led over tid. Vi kalder denne form for gnidning for blandet smøring. "

At gnidning kan føre til øget dannelse af slidrester, især fra plastmaterialet - en polyethylen med ultrahøj molekylvægt - almindeligvis brugt som fatning (den acetabulære kop) i kunstige led. Disse partikler, anslået til op til 5 mikron i størrelse, blandes med ledvæsken kan nogle gange undslippe leddet.

"Til sidst, de kan løsne implantatet eller få det omgivende væv til at bryde ned, "Sagde Christian." Og de bliver ofte båret til andre dele af kroppen, hvor de kan forårsage osteolyse. Der er megen debat om, hvor de ender, men du vil undgå at få dem til at irritere resten af ​​din krop. "

Hun bemærkede, at brugen af ​​metalstik i stedet for plast er et emne af interesse. "Der har været et stærkt skub mod metal-på-metal hofter, fordi metal er holdbart, "Sagde Christian." Men nogle af disse får metalspåner til at bryde af. Efterhånden som de bygger sig op over tid, de ser ud til at være meget mere skadelige end polyethylenpartikler. "

Yderligere inspiration til det nye studie kom fra to tidligere værker af Higgs og kolleger, der ikke havde noget at gøre med bioingeniør. Den første kiggede på kemisk mekanisk polering af halvlederplader, der anvendes i fremstilling af integrerede kredsløb. Den anden skubbede deres forudsigelige modellering fra mikroskala til fulde wafer-grænseflader.

Forskerne bemærkede, at fremtidige iterationer af modellen vil indeholde flere nye materialer, der bruges til ledudskiftning.