Simulacion por fem para obtencion de recubrimientos ultradelgados en insertos para protesis de articulacion de rodilla
Páginas: 14 (3472 palabras)
Publicado: 28 de abril de 2011
´ ´ SIMULACION POR EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS PARA OBTENER RECUBRIMIENTO ´ ULTRADELGADOS EN INSERTOS PARA PROTESIS DE ´ ARTICULACION DE RODILLA
Valencia O. Luis Dorian., Lesso Arroyo R. Departamento de Ingenier´ Mec´nica, Instituto Tecnol´gico de Celaya. ıa a o Av. Tecnol´gico y Garc´ Cubas S/N, C.P. 38010, o ıa Celaya, Guanajuato, M´xico. e Tel´fono: 01 4616117575 Ext. 206. e
Resumen Laspersonas con el problema de osteoartritis en la rodilla (desgaste de cart´ ılago) tienden a usar una pr´tesis de articulaci´n de rodilla, formada por un componente tibo o ial, un inserto y otro femoral. Estimaciones realizadas, se˜alan que en M´xico existen n e m´s de 3.5 millones de personas con dolor y alteraci´n de las rodillas, lo cual termina a o en la osteoartritis y en una intervenci´nquir´rgica. o u Hoy en d´ la vida util del inserto de las pr´tesis de rodilla, es baja con respecto ıa, ´ o a las partes tibial y femoral, lo cual repercute fuertemente en la calidad de vida de las personas. Los insertos de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) en las ´ n pr´tesis de rodilla son elementos que actualmente tiene una vida util baja (3 a 6 a˜os). o Para aumentar la vida utilde los insertos, se trabaj´ en el an´lisis de un recubrim´ o a iento ultradelgados. Aplicando una simulaci´n por el m´todo de elementos finitos se o e obtuvieron los espesores del recubrimiento de oxido de silicio y mediante pruebas de nanoindentaci´n y de desgaste se validaron los resultados del composito (substrato y o recubrimiento). De esta manera se demostr´ las mejoras que proporcionar´ elrecubrimo a iento sobre el inserto de polietileno respecto a sus propiedades mec´nicas. Se lograron a tener espesores de 200 a 300 nan´metros y disminuci´n de esfuerzos de hasta un 20 %, o o as´ como el aumento de la vida util del inserto. ı ´ Lo anterior, con el fin de mejorar la calidad de vida de los pacientes y usuarios de las pr´tesis, eliminando intervenciones quir´rgicas y per´ o u ıodos derehabilitaci´n recurrentes o causados por el desgaste del inserto. Palabras claves: Osteoartritis; polietileno de ultra alto peso molecular; recubrimiento; elemento finito.
EVALUATION OF ULTRA THIN COTAINGS ON KNEE JOINT PROSTHESIS INSERTS BY FINITE ELEMENT SIMULATION
Resumen People with knee osteoarthritis problems (cartilage wearing) are likely to use a prosthetic knee joint, consisting oftibia, insert, and femoral components. Studies reveal that exist over 3.5 million persons in Mexico with damage and pain in knees, which could lead to osteoarthritis and surgery. Currently, the span life of the insert component is short when compared with the duration of the tibia and femoral parts, which strongly affects the quality of life of people. Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE)inserts in knee prosthesis currently have a short lifetime (3 to 6 years). In order to investigate the possibility of increasing the life of such inserts, a finite element analysis of ultra-thin coatings on inserts was performed. Assessments of silicon oxide coating thicknesses were obtained with the help of the numerical simulation. Wearing and nano-indentation tests were carried out on thecomposites formed (substrate and coating) to evaluate their mechanical behavior. It was shown that mechanical properties were improved with the incorporation of the coating on the polyethylene insert. 200 to 300 nanometers coating thicknesses were achievable and a decrease of stress levels up to 20 %, along with an increase in the insert lifetime. Keywords: Osteoarthritis; UHMWPE; coating; finiteelement.
1.
Introducci´n o
La rodilla humana es una de las articulaciones m´s importantes del cuerpo humano, a ´sta permite regular la distancia del cuerpo con respecto al suelo y permite, a trav´s de e e su movimiento de flexi´n-extensi´n, el desplazamiento del cuerpo para la realizaci´n de las o o o diferentes actividades de la vida diaria. La bibliograf´ m´dica describe completamente la ıa...
Valencia O. Luis Dorian., Lesso Arroyo R. Departamento de Ingenier´ Mec´nica, Instituto Tecnol´gico de Celaya. ıa a o Av. Tecnol´gico y Garc´ Cubas S/N, C.P. 38010, o ıa Celaya, Guanajuato, M´xico. e Tel´fono: 01 4616117575 Ext. 206. e
Resumen Laspersonas con el problema de osteoartritis en la rodilla (desgaste de cart´ ılago) tienden a usar una pr´tesis de articulaci´n de rodilla, formada por un componente tibo o ial, un inserto y otro femoral. Estimaciones realizadas, se˜alan que en M´xico existen n e m´s de 3.5 millones de personas con dolor y alteraci´n de las rodillas, lo cual termina a o en la osteoartritis y en una intervenci´nquir´rgica. o u Hoy en d´ la vida util del inserto de las pr´tesis de rodilla, es baja con respecto ıa, ´ o a las partes tibial y femoral, lo cual repercute fuertemente en la calidad de vida de las personas. Los insertos de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) en las ´ n pr´tesis de rodilla son elementos que actualmente tiene una vida util baja (3 a 6 a˜os). o Para aumentar la vida utilde los insertos, se trabaj´ en el an´lisis de un recubrim´ o a iento ultradelgados. Aplicando una simulaci´n por el m´todo de elementos finitos se o e obtuvieron los espesores del recubrimiento de oxido de silicio y mediante pruebas de nanoindentaci´n y de desgaste se validaron los resultados del composito (substrato y o recubrimiento). De esta manera se demostr´ las mejoras que proporcionar´ elrecubrimo a iento sobre el inserto de polietileno respecto a sus propiedades mec´nicas. Se lograron a tener espesores de 200 a 300 nan´metros y disminuci´n de esfuerzos de hasta un 20 %, o o as´ como el aumento de la vida util del inserto. ı ´ Lo anterior, con el fin de mejorar la calidad de vida de los pacientes y usuarios de las pr´tesis, eliminando intervenciones quir´rgicas y per´ o u ıodos derehabilitaci´n recurrentes o causados por el desgaste del inserto. Palabras claves: Osteoartritis; polietileno de ultra alto peso molecular; recubrimiento; elemento finito.
EVALUATION OF ULTRA THIN COTAINGS ON KNEE JOINT PROSTHESIS INSERTS BY FINITE ELEMENT SIMULATION
Resumen People with knee osteoarthritis problems (cartilage wearing) are likely to use a prosthetic knee joint, consisting oftibia, insert, and femoral components. Studies reveal that exist over 3.5 million persons in Mexico with damage and pain in knees, which could lead to osteoarthritis and surgery. Currently, the span life of the insert component is short when compared with the duration of the tibia and femoral parts, which strongly affects the quality of life of people. Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE)inserts in knee prosthesis currently have a short lifetime (3 to 6 years). In order to investigate the possibility of increasing the life of such inserts, a finite element analysis of ultra-thin coatings on inserts was performed. Assessments of silicon oxide coating thicknesses were obtained with the help of the numerical simulation. Wearing and nano-indentation tests were carried out on thecomposites formed (substrate and coating) to evaluate their mechanical behavior. It was shown that mechanical properties were improved with the incorporation of the coating on the polyethylene insert. 200 to 300 nanometers coating thicknesses were achievable and a decrease of stress levels up to 20 %, along with an increase in the insert lifetime. Keywords: Osteoarthritis; UHMWPE; coating; finiteelement.
1.
Introducci´n o
La rodilla humana es una de las articulaciones m´s importantes del cuerpo humano, a ´sta permite regular la distancia del cuerpo con respecto al suelo y permite, a trav´s de e e su movimiento de flexi´n-extensi´n, el desplazamiento del cuerpo para la realizaci´n de las o o o diferentes actividades de la vida diaria. La bibliograf´ m´dica describe completamente la ıa...
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