DESAFIO DO CLIENTE
Localizado no Hospital Ortopédico em afiliação com o Departamento de Cirurgia Ortopédica da Universidade da Califórnia, em Los Angeles (UCLA), o Implant Performance Lab [Laboratório de Desempenho de Implantes] oferece pesquisa e educação no campo da biomecânica de implantes ortopédicos. O grupo é especializado em compreender e simular o desempenho in vivo de implantes ortopédicos, identificando as principais relações entre biomecânica de implantes, técnicas cirúrgicas e resultados clínicos, e construindo modelos para estudar essas interações. A equipe submete os dispositivos às forças e momentos que eles experimentarão durante o uso clínico, com o objetivo de prever com precisão o desempenho clínico.
Os desenvolvedores de implantes realizam uma grande variedade de testes de resistência, fadiga e desgaste para compreender e caracterizar o desempenho previsto do dispositivo. Esses resultados muitas vezes se tornam parte do conjunto de informações que é apresentado durante o processo de aprovação regulamentar.
"Estes testes são essenciais para levar um dispositivo ao mercado, mas este tipo de teste precisa ser constantemente atualizado e melhorado para garantir que o dispositivo estará livre de outros problemas ao longo do tempo", disse Sophia Sangiorgio, PhD, Implant Performance Lab. "Por exemplo, com uma substituição total do quadril, a falha por fadiga da haste femoral era algo comum nos anos 70. Como resultado, as hastes femorais hoje são fabricadas para ter excelente resistência à fratura por fadiga.
"Entretanto, ao longo dos anos, as expectativas dos pacientes e os níveis de atividade aumentaram, levando a outros tipos de falha de implantes, tais como afrouxamento ou deslocamento, o que é igualmente tão catastrófico para o paciente como a quebra da haste", acrescentou Sangiorgio. "Estamos focados em cenários como este para ajudar os cirurgiões e desenvolvedores de dispositivos a melhorar os resultados para os pacientes"
O Laboratório de Desempenho de Implantes é um componente do Centro de Pesquisa Ortopédica J. Vernon Luck do Hospital Ortopédico, que compreende vários laboratórios especializados em diferentes aspectos da pesquisa ortopédica. Estes incluem tribologia da superfície de suporte, análise de partículas de desgaste, análise de recuperação de implantes, biomecânica de cicatrização de ossos e tecidos conjuntivos, e modelagem computadorizada. De acordo com Eddie Ebramzadeh, PhD, Diretor do Laboratório de Desempenho de Implantes, os testes mecânicos oferecem várias vantagens sobre outras abordagens na avaliação do desempenho de implantes.
"Os animais são muito pequenos, avaliar protótipos em pacientes não é apropriado, e muitas vezes é difícil usar modelos baseados em computador para replicar os ambientes biológicos altamente complexos envolvidos com o sistema músculo esquelético humano", disse Ebramzadeh. "Mas a modelagem mecânica é ideal para nosso trabalho, porque no corpo, osso, músculo e tecido interagem de forma mecânica. No entanto, o sucesso desta abordagem depende da precisão e reprodutibilidade com que podemos projetar e conduzir nossos testes mecânicos."
SOLUÇÃO DA MTS
O Implant Performance Lab emprega uma variedade de estruturas de carga MTS, software de teste e sistemas de controle para apoiar seus testes biomecânicos. Os dispositivos ortopédicos em desenvolvimento são implantados tanto em ossos sintéticos quanto em construções cadavéricas, que são então montados nos sistemas de teste com dispositivos projetados sob medida e sujeitos a cargas e movimentos fisiológicos, às vezes ao longo de milhares ou mesmo milhões de ciclos.
A pesquisa da equipe toca praticamente todas as áreas do sistema músculo esquelético humano, incluindo as articulações do quadril, joelho e tornozelo, assim como a coluna, fêmur, tíbia, cotovelo e mão.
Cinco estações de testes mecânicos suportam atualmente um intenso programa de experimentação, incluindo duas estruturas de carga uniaxial, uma das quais foi convertida em um simulador de desgaste por artroplastia de disco personalizado, juntamente com um simulador de desgaste por atrito para modelagem de micromovimento em interfaces de fixação de implantes. Uma estrutura de carga biaxial também é utilizada para avaliar a fixação e estabilidade das artroplastias de quadril, joelho e coluna vertebral. O sistema biaxial é usado para aplicar cargas de torção e axiais, e as plataformas personalizadas permitem a aplicação de momentos de flexão e outros protocolos fisiológicos de carga complexos específicos para cada local anatômico.
O laboratório também está equipado com um MTS Spine Disc Wear Simulator de seis estações e um MTS Spine Kinematics Test System, que facilita as simulações em oito graus de liberdade total. Estes sistemas são usados para avaliar diferentes projetos de dispositivos de estabilização dinâmica posterior para a coluna lombar. Recentemente, os pesquisadores têm avaliado diferentes técnicas cirúrgicas para corrigir a deformidade da coluna vertebral em adolescentes, um problema biomecânico complexo.
"Nosso equipamento de teste mecânico nos dá confiança em nossa capacidade de simular de forma precisa e reproduzível as condições in-vivo e cirúrgicas para muitos implantes de substituição de articulações e dispositivos de fixação de fraturas", avalia Sangiorgio.
BENEFÍCIOS PARA O CLIENTE
De acordo com Ebramzadeh, as atuais capacidades de testes mecânicos de sua equipe se alinham bem com a ênfase do laboratório na resolução de questões do dia-a-dia que são de interesse imediato para a comunidade ortopédica.
"Estamos bem equipados para apoiar nossa ênfase na aplicação clínica prática", disse Ebramzadeh. "Nossas capacidades nos permitem avaliar o desempenho do dispositivo de implante de forma a melhor servir os cirurgiões ortopédicos e seus pacientes".
"Combinados com a experiente equipe de engenheiros, biólogos e cirurgiões que estão ativos no Luck Research Center, somos capazes de fornecer pesquisas que são valiosas para a comunidade ortopédica", continuou Ebramzadeh. "Ganhamos a reputação de fornecer dados de teste que são altamente preditivos de como um implante irá se comportar durante sua vida funcional"
O Implant Performance Lab também se tornou um lugar cobiçado para os estudantes de engenharia da área de Los Angeles estagiarem. Sangiorgio atribui este apelo à natureza translacional do trabalho.
"Os estudantes têm a oportunidade de trabalhar com a mais recente tecnologia ortopédica e obter experiência prática e realista que não está disponível em programas de engenharia que se concentram principalmente na teoria", disse Sangiorgio. "É prontamente visível como nossa pesquisa pode melhorar a qualidade de vida de um paciente, e isso torna o trabalho emocionante e significativo para todos os envolvidos"
