Riassunto analitico
Uno dei problemi principali delle protesi d’anca è quello riguardante l’usura. Sono infatti numerosi gli studi clinici e sperimentali che dimostrano come sia nel caso di protesizzazione di tipo hard-on-hard che soft-on-hard, l’usura delle superfici di contatto tra testa protesica e coppa acetabolare sia tra i principali responsabili del fallimento della protesi e quindi della sua revisione. In particolare per le protesi hard-on-hard di tipo metal-on-metal (MOM) con grande diametro sono stati registrati numerosi casi di fallimento dovuti alla nascita di pseudotumori dovuti a reazioni immunologiche. La causa di ciò è da ricercare negli ioni metallo che vengono a liberarsi durante il processo di usura della protesi MOM. Per risolvere questa problematica è necessaria una progettazione dell’accoppiamento protesico basata su analisi tecniche e scientifiche tali per cui i parametri costruttivi siano finalizzati ad una minore usura. Purtroppo, il fatto stesso che la protesi debba lavorare all’interno del corpo umano rende molto difficoltose e costose le analisi sperimentali in vivo e in vitro, sia economicamente che in termini di tempo. Le tecniche numeriche sono quindi molto importanti nell’analisi di tali componenti, in quanto grazie ad esse si può guidare la progettazione dell’accoppiamento in base ai parametri e dati relativi al loro funzionamento. Viene qui presentata l’analisi di un accoppiamento protesico non lubrificato agli Elementi Finiti sotto un ciclo di carico standard, utilizzando un algoritmo esterno di accelerazione dell’usura basata sulla relazione di Archard. Dai risultati dell’analisi si deduce che il modello numerico riesce a simulare correttamente i risultati sperimentali, ma si evidenzia l’importanza cruciale della stima del fattore di usura e quindi dell’importanza dell’analisi del comportamento tribologico della protesi. La lubrificazione è uno dei principali aspetti necessari alla comprensione di tale aspetto. La corretta stima dello spessore del film di fluido e della pressione è uno strumento fondamentale per lo studio e la corretta progettazione dell’accoppiamento protesico. Risulta quindi importante utilizzare una formulazione numerica che garantisca l'attendibilità dei risultati di tutte le tipologie di layout. Un codice esistente di lubrificazione elastoidrodinamica conservativo della massa basato sull’equazione di Reynolds e relativo a casi fluid film è stato esteso a casi lubrificazione mixed, quale è il regime del problema di contatto di una protesi d’anca hard-on-hard. Questo approccio si basa sulla descrizione in termini di complementarietà lineare sia del problema di lubrificazione che del problema di contatto secco con la loro proprie variabili complementari. La deformazione elastica dovuta sia alla pressione del fluido e al contatto secco è risolto tramite un approccio alla Boussinesq rispetto alla teoria di Hertz. È inoltre possibile importare la matrice di cedevolezza da un modello esterno agli elementi finiti; in tal modo è possibile tener conto dell'influenza dello strato di osso dietro la coppa protesica che si è visto essere un fattore molto importante nella definizione della clearance effettiva tra testa e coppa protesica. Viene presentata un'analisi dettagliata sia mono che bi-dimensionale della lubrificazione elastoidrodinamica di una protesi d'anca di tipo hard-on-hard sottoposta ad una storia di carico data dal ciclo della camminata sotto ipotesi Herztiana. Viene analizzata l’influenza, in termini di attrito, dei principali parametri costruttivi (i.e. raggio, clearance, materiale, spessore). Vengono inoltre confrontati i dati relativi al profilo liscio con una proposta di profilo texturato, andando ad analizzare l’influenza dei principali parametri costruttivi.
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Abstract
One of the main problems of hip prosthesis is the one regarding wear. A large number of clinical and experimental studies show that in both hard-on-hard and soft-on-hard prosthesis the wear of head and acetabular cup contact surfaces is one of the main causes of the failure of the prosthesis and hence of its revision. In particular for metal-on-metal replacements (MOM) with large diameter numerous cases of failure were recorded due to the emergence of pseudotumor due to immunological reactions. This is probably due to the metal ions that enter the bloodstream during the wear process of MOM prostheses. This problem could be solved mating the prosthetic design on technical and scientific analysis such that design parameters are designed in order to reduce wear. Unfortunately the very fact that the prosthesis must work within human body makes both in vivo and in vitro experimental analyses very difficult and expensive both economically and in terms of time. Therefore numerical techniques are very important in analyzing these components, because in this way the design could be based on the data of the coupling behavior. A wear Finite Element analysis of prosthetic unlubricated joint under a standard load cycle is presented with an external algorithm which accelerates the wear using to the Archard equation. From the results it is clear that the numerical model is able to correctly simulate the experimental data, but it underscores the critical importance of estimating the wear factor and hence the importance of the tribological behavior analysis of the joint. Lubrication is one of the key aspects for understanding the tribological behavior. The correct estimation of pressure and thickness of fluid film is a key tool for study the correct design of the coupling. Therefore it is important to use a numerical formulation that ensures the reliability of the results under all kinds of layout. An existing elastohydrodynamic mass-conserving code based on the Reynolds equation related to fluid film condition has been extended to mixed lubrication conditions, which is the regime of the hard-on-hard hip replacement contact problem. This approach is based on the linear complementarity description of the problem both in lubricated and dry contact, with their own complementary variables. The elastic deformation due to both hydrodynamic pressure and dry contact is solved by a Boussinesq approach to the Hertzian theory. It also possible to import the compliance matrix from an external Finite Elements model; in this way it is possible to take into account the influence of the layer of bone behind the prosthetic cup, which seems to be a very important factor in the definition of the effective clearance between the head and the prosthetic cup. A detailed analysis of both one and two dimensional elastohydrodynamic lubrication of a hard-on-hard hip prosthesis loaded by a standard walk cycle under Hertzian assumption is presented. The influence in terms of friction of the main construction parameters (ie radius, clearance, material, thickness) is analysed. Moreover the result for smooth profile are compared with a proposal of a textured profile, considering the influence of the design main parameters.
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