Ingenieurs van Rice University hopen het leven van mensen met vervangende gewrichten te verbeteren door te modelleren hoe kunstmatige heupen hen waarschijnlijk de verkeerde kant op wrijven.

De computationele studie door het Brown School of Engineering-lab van werktuigbouwkundig ingenieur Fred Higgs simuleert en volgt hoe heupen evolueren, op unieke wijze rekening houdend met vloeistofdynamica en ruwheid van de gewrichtsoppervlakken, evenals factoren die clinici doorgaans gebruiken om te voorspellen hoe goed implantaten zullen standhouden gedurende hun verwachte levensduur van 15 jaar.

Het directe doel van het team is om het ontwerp van robuustere prothesen vooruit te helpen.

uiteindelijk, ze zeggen dat het model clinici kan helpen bij het personaliseren van heupgewrichten voor patiënten, afhankelijk van geslacht, gewicht, variaties in leeftijd en gang.

Higgs en co-hoofdauteurs Nia Christian, een afgestudeerde Rice-student, en Gagan Srivastava, een docent werktuigbouwkunde bij Rice en nu een onderzoekswetenschapper bij Dow Chemical, rapporteerden hun resultaten in Biotribologie.

De onderzoekers zagen de noodzaak om verder te kijken dan de beperkingen van eerdere mechanische onderzoeken en standaard klinische praktijken die eenvoudig lopen als basislijn gebruiken om kunstmatige heupen te evalueren zonder activiteiten met een hogere impact op te nemen.

"Als we met chirurgen praten, ze vertellen ons dat veel van hun beslissingen gebaseerd zijn op hun schat aan ervaring, Christian zei. "Maar sommigen hebben de wens geuit voor betere diagnostische hulpmiddelen om te voorspellen hoe lang een implantaat meegaat.

"Vijftien jaar klinkt als een lange tijd, maar als je een kunstheup moet plaatsen bij iemand die jong en actief is, je wilt dat het langer meegaat, zodat ze niet meerdere operaties hoeven te ondergaan, " ze zei.

Higgs' Particle Flow and Tribology Lab werd uitgenodigd door Rice mechanisch en bio-ingenieur B.J. Fregly, om samen te werken aan zijn werk om menselijke beweging te modelleren om het leven van patiënten met neurologische en orthopedische beperkingen te verbeteren.

"Hij wilde weten of we konden voorspellen hoe lang hun beste kandidaat-heupgewrichten zouden meegaan, " zei Higgs, Rice's John en Ann Doerr Professor in Mechanical Engineering en een gezamenlijke professor in Bioengineering, wiens eigen vaders knievervanging de studie gedeeltelijk inspireerde. "Dus ons model maakt gebruik van loopbewegingen van echte patiënten."

Fysieke simulatoren moeten miljoenen cycli draaien om slijtage- en faalpunten te voorspellen, en kan maanden duren om resultaten te krijgen. Het model van Higgs probeert het proces te versnellen en te vereenvoudigen door echte motion capture-gegevens te analyseren, zoals die geproduceerd door het Fregly-lab, samen met gegevens van 'geïnstrumenteerde' heupimplantaten die zijn bestudeerd door Georg Bergmann aan de Vrije Universiteit van Berlijn.

De nieuwe studie omvat de vier verschillende modi van de fysica:contactmechanica, vloeistofdynamica, slijtage en deeltjesdynamiek - in het spel in heupbeweging. Geen eerdere studies beschouwden alle vier tegelijkertijd, volgens de onderzoekers.

Een probleem waar anderen geen rekening mee hielden, was de veranderende samenstelling van het smeermiddel tussen botten. Natuurlijke gewrichten bevatten gewrichtsvloeistof, een extracellulaire vloeistof met een consistentie die lijkt op die van eiwitten en wordt uitgescheiden door het synoviale membraan, bindweefsel dat het gewricht bekleedt. Wanneer een heup wordt vervangen, het membraan blijft behouden en blijft de vloeistof tot expressie brengen.

"In gezonde natuurlijke gewrichten, de vloeistof genereert voldoende druk zodat je geen contact hebt, dus we lopen allemaal zonder pijn, Higgs zei. "Maar een kunstheupgewricht ondergaat over het algemeen gedeeltelijk contact, die uw geïmplanteerde gewricht in de loop van de tijd steeds meer verslijt en verslechtert. Dit soort wrijving noemen we gemengde smering."

Dat wrijven kan leiden tot een verhoogde generatie van slijtageresten, vooral van het plastic materiaal - een polyethyleen met ultrahoog moleculair gewicht - dat gewoonlijk wordt gebruikt als de holte (de heupkom) in kunstmatige gewrichten. Deze deeltjes, geschat op maximaal 5 micron groot, vermenging met de gewrichtsvloeistof kan soms uit het gewricht ontsnappen.

"Eventueel, ze kunnen het implantaat losmaken of het omliggende weefsel doen afbreken, Christian zei. "En ze worden vaak naar andere delen van het lichaam gedragen, waar ze osteolyse kunnen veroorzaken. Er is veel discussie over waar ze terechtkomen, maar je wilt voorkomen dat ze de rest van je lichaam irriteren."

Ze merkte op dat het gebruik van metalen stopcontacten in plaats van plastic een interessant onderwerp is. "Er is een sterke druk geweest in de richting van metaal-op-metaal heupen omdat metaal duurzaam is, Christian zei. "Maar sommige hiervan zorgen ervoor dat metaalkrullen afbreken. Naarmate ze zich in de loop van de tijd opbouwen, ze lijken veel schadelijker dan polyethyleendeeltjes."

Verdere inspiratie voor de nieuwe studie kwam van twee eerdere werken van Higgs en collega's die niets met bio-engineering te maken hadden. De eerste keek naar chemisch-mechanisch polijsten van halfgeleiderwafels die worden gebruikt bij de productie van geïntegreerde schakelingen. De tweede duwde hun voorspellende modellering van microschaal naar volledige waferschaalinterfaces.

De onderzoekers merkten op dat toekomstige iteraties van het model meer nieuwe materialen zullen bevatten die worden gebruikt bij gewrichtsvervanging.