SFIDA DEL CLIENTE
Situato presso l'ospedale ortopedico in affiliazione con il Dipartimento di chirurgia ortopedica dell'Università della California a Los Angeles (UCLA), il Laboratorio per le prestazioni degli impianti (Implant Performance Lab) offre ricerca e formazione nel campo della biomeccanica dell'impianto ortopedico. Il gruppo è specializzato nella comprensione e nella simulazione delle prestazioni in vivo degli impianti ortopedici, identificando le relazioni chiave tra biomeccanica dell'impianto, tecniche chirurgiche e risultati clinici e costruendo modelli per studiare queste interazioni. Il team sottopone i dispositivi alle forze e ai momenti che sperimenteranno durante l'uso clinico, con l'obiettivo di prevedere con precisione le prestazioni cliniche.
Gli sviluppatori di impianti eseguono una vasta gamma di prove di resistenza, fatica e usura per comprendere e caratterizzare le prestazioni previste del dispositivo. Questi risultati spesso diventano parte del corpo delle informazioni presentate durante il processo di approvazione normativa.
"Queste prove sono essenziali per portare un dispositivo sul mercato, ma è un tipo di prova che deve essere costantemente aggiornato e migliorato, al fine di garantire che il dispositivo non abbia altri problemi nel tempo", afferma Sophia Sangiorgio, PhD, Laboratorio per le prestazioni degli impianti. "Ad esempio, con una sostituzione totale dell'anca, il cedimento per fatica dello stelo femorale era piuttosto comune negli anni Settanta. Di conseguenza, gli steli femorali oggi sono fabbricati in moda che abbiano un'eccellente resistenza alla frattura da fatica.
Tuttavia, nel corso degli anni, le aspettative e i livelli di attività dei pazienti sono aumentati, portando ad altri tipi di fallimento dell'impianto, come la mobilizzazione o la lussazione, che per il paziente è catastrofica quanto una rottura dello stelo", ha aggiunto Sangiorgio. "Siamo concentrati su scenari come questo per aiutare i chirurghi e gli sviluppatori di dispositivi a migliorare i risultati per i pazienti".
Il Laboratorio per le prestazioni degli impianti è un componente del Centro di ricerca ortopedica J. Vernon Luck presso l'Ospedale Ortopedico, che comprende numerosi laboratori specializzati in diversi aspetti della ricerca ortopedica. Questi includono la tribologia della superficie del cuscinetto, l'analisi delle particelle di usura, l'analisi del recupero dell'impianto, la biomeccanica della guarigione dell'osso e dei tessuti connettivi e la modellazione al computer. Secondo Eddie Ebramzadeh, PhD, direttore del Laboratorio per le prestazioni degli impianti, le prove meccaniche offrono numerosi vantaggi rispetto ad altri approcci nella valutazione delle prestazioni degli impianti.
"Gli animali sono troppo piccoli, la valutazione dei prototipi nei pazienti non è appropriata ed è spesso difficile utilizzare modelli basati su computer per replicare gli ambienti biologici altamente complessi coinvolti nel sistema muscolo-scheletrico umano", afferma Ebramzadeh. "Ma la modellazione meccanica è l'ideale per il nostro lavoro, perché nel corpo, ossa, muscoli e tessuti interagiscono in modo meccanico. Tuttavia, il successo di questo approccio dipende dalla precisione e dalla riproducibilità con cui possiamo progettare e condurre le nostre prove meccaniche".
SOLUZIONE MTS
Il Laboratorio per le prestazioni degli impianti utilizza una varietà di telai di carico, software di prova e sistemi di controllo MTS per supportare le sue prove biomeccaniche. I dispositivi ortopedici in fase di sviluppo vengono impiantati in ossa sintetiche o strutture cadaveriche, che vengono poi montate nei sistemi di prova con dispositivi progettati su misura e sottoposti a carichi e movimenti fisiologici, a volte per migliaia o addirittura milioni di cicli.
La ricerca del team tocca praticamente tutte le aree del sistema muscolo-scheletrico umano, comprese le articolazioni dell'anca, del ginocchio e della caviglia, nonché la colonna vertebrale, il femore, la tibia, il gomito e la mano.
Cinque stazioni di prova meccaniche supportano attualmente un intenso programma di sperimentazione, inclusi due telai di carico uniassiali, uno dei quali è stato convertito in un simulatore di usura per artoplastica del disco personalizzato, insieme a un simulatore di usura da sfregamento per modellare il micromovimento nelle interfacce di fissaggio dell'impianto. Un telaio di carico biassiale viene utilizzato anche per valutare la fissazione e la stabilità delle protesi di anca, ginocchio e colonna vertebrale. Il sistema biassiale viene utilizzato per applicare carichi torsionali e assiali, mentre gli apparati personalizzati consentono l'applicazione di momenti flettenti e altri protocolli di carico fisiologico complessi specifici per ciascuna posizione anatomica.
Il laboratorio è inoltre dotato di un simulatore di usura del disco spinale a sei stazioni MTS e di un sistema di prova della cinematica della colonna vertebrale MTS, che facilita le simulazioni in otto gradi di libertà. Questi sistemi vengono utilizzati per valutare diversi modelli di dispositivi di stabilizzazione dinamica posteriore per la colonna lombare. Recentemente, i ricercatori hanno valutato diverse tecniche chirurgiche per correggere la deformità della colonna vertebrale negli adolescenti, un problema biomeccanico complesso.
"La nostra attrezzatura per prove meccaniche ci dà fiducia nella nostra capacità di simulare in modo preciso e riproducibile condizioni chirurgiche e in vivo per molti impianti di sostituzione articolare e dispositivi di fissazione delle fratture", afferma Sangiorgio.
VANTAGGI PER IL CLIENTE
Secondo Ebramzadeh, le attuali capacità delle prove meccaniche del suo team si allineano bene con l'enfasi del laboratorio sulla risoluzione dei problemi quotidiani che sono di immediato interesse per la comunità ortopedica.
"Siamo ben attrezzati per supportare la nostra enfasi sull'applicazione clinica pratica", afferma Ebramzadeh. "Le nostre capacità ci consentono di valutare le prestazioni del dispositivo implantare in un modo che servirà al meglio i chirurghi ortopedici e i loro pazienti.
"In combinazione con il team esperto di ingegneri, biologi e chirurghi attivi nel Centro di ricerca Luck, siamo in grado di fornire ricerche preziose per la comunità ortopedica", ha continuato Ebramzadeh. "Ci siamo guadagnati la reputazione di fornire dati di prova che sono altamente predittivi di come si comporterà un impianto durante la sua vita funzionale".
Il Laboratorio per le prestazioni degli impianti è anche diventato un luogo ambito per gli studenti di ingegneria dell'area di Los Angeles come luogo dove svolgere tirocini. Sangiorgio attribuisce questa attrattività alla natura traslazionale dell'opera.
"Gli studenti hanno l'opportunità di lavorare con la più recente tecnologia ortopedica e ottenere un'esperienza pratica e realistica che non è disponibile nei programmi di ingegneria che si concentrano principalmente sulla teoria", afferma Sangiorgio. "È subito evidente come la nostra ricerca possa migliorare la qualità della vita di un paziente e ciò rende il lavoro sia emozionante che significativo per tutte le persone coinvolte".
