مفاهیم بیومکانیکی در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی

مقدمه ای بر مفاهیم بیومکانیکی ایمپلنت های ارتوپدی

الزامات و مفاهیم مکانیکی و بیومکانیکی در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی، همواره مورد توجه تولیدکنندگان و محققین این حوزه بوده است. به طور کلی نگاه مکانیک محور از دیر باز در طراحی و ساخت ایمپلنت های ارتوپدی مورد توجه بوده است. در واقع با توجه به سطح بالا و متنوع بارگذاری های فیزیولوژیکی وارد شده به سیستم اسکلتی بدن، استحکام ایمپلنت در محل جایگذاری شده بسیار مورد اهمیت می باشد. میزان شکایات بالینی که علل آن ها شکست یا شل شدگی ایمپلنت می باشند، به مرور باعث توجه بیشتر به مفاهیم بیومکانیکی در طراحی ایمپلنت های ارتوپدی گردید. به طور مثال فلز فولاد زنگ نزن به عنوان اولین ماده در تولید ایمپلنت های ارتوپدی، باعث بالابردن استحکام ایمپلنت در برابر بارگذاری های فیزیولوژیکی گردید. همچنین ایمپلنت ها به صورتی بسیار ضخیم طراحی می شدند. همین دو عامل باعث سفتی (stiffness) بسیار بالای ایمپلنت در مواجهه با استخوان و به مرور باعث شل شدگی ایمپلنت در محل جایگذاری شده و یا حتی ایجاد تنش بسیار بالا در نقاط خطرناک ایمپلنت، گردید. در روند توسعه ایمپلنت های ارتوپدی، استفاده از فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن که دارای سفتی (stiffness) به مراتب کمتراز فولاد می باشد، به عنوان جایگزینی مطمئن معرفی شد.

همچنین طراحی ایمپلنت ها به سمت low profile سوق داده شد. تغییرات انجام شده باعث کارکرد کارکرد بیومکانیکی ایمپلنت های ارتوپدی گردید. در این مقاله، در ابتدا تعریف مکانیک و بیومکانیک در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی ارایه می گردد و سپس الزامات و مفاهیم بیومکانیکی که امروزه مورد توجه طراحان می باشد (Stress Shielding, Wolff’s Law, Load Transferring, Micromotion)، در ادامه توضیح داده می شوند. مفاهیم ارزیابی بیومکانیکی به صورت نرم افزاری و سخت افزاری، در قسمت های بعدی این مقاله ارایه می گردد. در نهایت به چشم اندازهای توسعه ایمپلنت های ارتوپدی با استفاده از مفاهیم بیومکانیکی و انجام ارزیابی های بیومکانیکی، پرداخته می گردد.

کلیات مفاهیم بیومکانیکی در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی

تعریف مفاهیم و الزامات بیومکانیکی در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی، در شناخت بهتر مدیریت توسعه در این حوزه بسیار اثرگذار می باشد. ایمپلنت به عنوان یک قطعه باید دارای استحکام مناسب در برابر انواع بارگذاری های فشاری، خمشی و پیچشی باشد. برای ارزیابی میزان استحکام تنشی و کرنشی ایمپلنت و معیارهای پذیرش آن، اتصال و جایگذاری آن به بافت استخوانی در محل آسیب دیده، قدم اول می باشد. سپس فاکتورهای مکانیکی نظیر سفتی (stiffness)، نیروی تسلیم (Yield Force)، نیروی بیشینه (ultimate force)، میزان جابجایی الاستیک (elastic deformation) و میزان جابجایی پلاستیک (plastic deformation) برای مجموعه ایمپلنت و بافت استخوانی به عنوان یک سیستم مکانیکی ارزیابی می شود.

میزان بارگذاری اعمالی به این سیستم (در قالب نیرو، گشتاور، جابجایی محوری، جابجایی چرخشی) باید در محدوده بارگذاری فیزیولوژیکی اعمالی در سیستم اسکلتی بدن تعریف شود. همچنین اثرات بارگذاری بافت های نرمی همچون رباط، تاندون و ماهیچه در ارزیابی ایمپلنت در شناخت بهتر عکس العمل ایمپلنت در برابر بارگذاری های فیزیولوزیکی تاثیرگذار است. مجموعه این ملاحظات مفهوم ارزیابی بیومکانیکی ایمپلنت را تشکیل می دهند که به لحاظ فنی و تکنیکی امری بسیار پیچیده تر از ارزیابی مکانیکی می باشد. در واقع برای ارزیابی مکانیکی یک سیستم یا قطعه با پارامتر های صرفا مکانیکی مواجه هستیم. در حالی که در ارزیابی بیومکانیکی با اثرات پارامترهای فیزیولوژیکی نیز مواجه هستیم که نحوه تعریف محدوده های بارگذاری و شبیه سازی اثرات بافت های نرم و همچنین بافت استخوانی به مراتب پیچیده تر و نیازمند صرف زمان و هزینه های بیشتر می باشد. در بخش های بعدی، مفاهیم بیومکانیکی که در تحلیل رفتار ایمپلنت و همچنین رفتار عکس العملی استخوان قابل توجه می باشند، توضیح داده می شوند و در ادامه روش ها و تحلیل های تست و ارزیابی بیومکانیکی شرح داده می شوند.

مفهوم Stress Shielding در طراحی ایمپلنت های ارتوپدی

مفهوم stress shielding را می توان این گونه توضیح داد که هنگامی که یک جسم سخت در کنار یک جسم نرم یک مجموعه یکپارچه را تشکیل می دهند، در صورت اعمال بار به این مجموعه یکپارچه، بیشترین تنش ناشی از بار وارد شده توسط قطعه سخت تر تحمل می گردد. بسته به اختلاف خصوصیات مکانیکی دو جسم سخت و نرم، میزان انتقال تنش به جسم سخت تغییر می کند. در صورت اختلاف زیاد خصوصیات مکانیکی، امکان ایجاد ترک در صفحه تماسی جسم سخت و نرم بیشتر می گردد و این امر باعث آسیب و زوال در یکپارچگی قسمت سخت و نرم می گردد. در نتیجه جسم سخت در ترکیب دو جسم، دچار شل شدگی می شود. در واقع می توان گفت که جسم سخت به نوعی مانند پوششی عمل می کند که تنش به جسم نرم وارد نشود و یا به زبان علمی پدیده پوشش تنش (stress shielding) اتفاق افتد. برای فهم بهتر مفهوم stress shielding، اثر این پدیده بر روی استخوان مجاور قطعه femoral stem از پروتز لگن (Total Hip Replacement)، شرح داده می شود.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، جریان تنش یا بار وارد شده در پروتز لگن به صورتی است که تنش های خمشی و فشاری ناشی از بارگذاری انتقال یافته از استخوان لگن به استخوان femur، توسط قطعه femoral stem تحمل می گردد (این قطعه همواره از آلیاژ تیتانیوم ساخته می شود که به لحاظ خصوصیات مکانیکی سخت تر از بافت استخوانی متراکم و اسفنجی می باشد). در شکل 2 ناحیه ای از استخوان femur که در اثر این انتقال نیرو، نیروی بسیار کمی به آن وارد می شود، نمایش داده شده است.

این پدیده به وفور در مقالات مختلف بیومکانیکی مورد توجه قرارگرفته است   و استفاده از مواد جدیدی با خصوصیات مکانیکی نزدیک به بافت استخوانی مانند Nitinol, PEEK, CFRPEEK، برای کاهش پدیده پوشش تنش (stress shielding)، در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی توصیه شده است. با توجه به محدودیت هایی که برای این مواد از لحاظ فنی و بازرگانی وجود دارد، آلیاژ تیتانیوم و آلیاژ کبالت-کروم همچنان به عنوان موادی استراتژیک در ساخت ایمپلنت های ارتوپدی به خصوص تروما ایمپلنت ها، ایمپلنت های ستون فقرات، و پروتز های مفصلی، به حساب می آیند. با توجه به خصوصیات مکانیکی و زیست سازگاری فلزاتی همچون تیتانیوم و تنتالوم، طراحان مفاهیم طراحی را به سمتی که از صلبیت ایمپلنت ها کاسته و به انعطاف پذیری مکانیکی آن ها اضافه گردد، تغییر داده اند. به طور مثال، امروزه داربست هایی متخلخل از جنس آلیاژ تیتانیوم (Ti alloy) و به خصوص تنتالوم (Tantalum)، توسط شرکت های مطرح دنیا مانند Zimmer Biomet تولید و روانه بازار شده است. تخلخل یا porosity این داربست ها تا حد 80% نیز بالا می رود تا خصوصیات مکانیکی آنها نزدیک به خصوصیات مکانیکی بافت اسفنجی شود که این امر باعث حذف اثر پوشش تنش (stress shielding) در تراکنش های مکانیکی با بافت استخوانی گردد. از مواد جدیدتر، پلیمر پلی اتراترکتون (PEEK) و کامپوزیت های آن، در توسعه ایمپلنت های کیج بین مهره ای، کاربرد چشمگیری پیدا کرده است (کامپوزیت های پلیمر PEEK شامل کامپوزیت تقویت شده فیبر کربنی (carbon fibre reinforced PEEK) یا کامپوزیت ارتقا یافته بیواکتیویته هیدروکسی آپاتایت(Hydroxyapatite-PEEK)  می باشند). با توجه به اینکه یانگ مدول پلیمر PEEK  حدود GPa 5/3 می باشد، استفاده آن در کیج بین مهره ای، باعث تحمل تنشی بسیار کمتر از کیج از جنس تیتانیوم می گردد. این امر منجر به کاهش چشمگیر پدیده پوشش تنش (stress shielding) و کاهش فرو رفتن مهره ها به درون بدنه کیج خواهد شد. فرو رفتن مهره ها به درون بدنه کیج یا فرورفتن کیج به داخل مهره از موارد بالینی است که در اثر پوشش تنش (stress shielding) ناشی از کیج بین مهره ای اتفاق می افتد. این امر به دلیل کاهش تراکم تدریجی بافت استخوانی تماسی با کیج بین مهره ای می باشد که ماه ها پس از عمل جراحی اتفاق می افتد.

(با خرید و دانلود مقاله، از خواندن ادامه مطلب در مورد مفاهیم بیومکانیکی و جزییات اختصاصی آنها، بهره مند شوید. امیدوارم این مقاله بتواند به شما در شناحت عمیق و مفهومی بهتر مفاهیم بیومکانیکی ایمپلنت های ارتوپدی کمک کند. موفق باشید!)