L artroprotesi totale di ginocchio

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1 L artroprotesi totale di ginocchio

2 L artroprotesi totale di ginocchio Una protesi totale di ginocchio è un impianto ortopedico che sostituisce completamente l articolazione del ginocchio nel caso di particolari patologie che ne compromettano, parzialmente o totalmente, la funzionalità. L intervento di artroprotesi viene effettuato ogni volta che, in seguito all insorgere di determinate patologie, l articolazione del ginocchio non consente al paziente lo svolgimento di una normale attività motoria, oppure generi dolore e ne peggiori comunque lo standard di vita. In generale, le patologie che conducono all intervento di artroprotesi sono di tipo artrosico o artritico, accompagnate da un avanzato stato di deterioramento articolare; infatti, data la complessità e l irreversibilità dell intervento, si cerca di intervenire chirurgicamente solo quando non esistono valide alternative meno invasive.

3 Artrosi e artrite L artrite è un fenomeno infiammatorio che colpisce le articolazioni e i loro tessuti (tendini, legamenti) e comporta sensazione di calore e gonfiore. Esistono diversi tipi di artriti e si verificano spesso sotto forma di malattie reumatiche abbastanza gravi. Invece l artrosi non è una malattia infiammatoria, ma una forma degenerativa cronica, spesso dolorosa, che colpisce anch essa le articolazioni; si parla di artrosi o artropatia quando riguarda le cartilagini, mentre di osteoartrosi quando sono interessati anche i tessuti ossei. Essa comporta sintomi e deformità meno gravi rispetto ad altre malattie reumatiche. Esistono due tipologie di artrosi, quella primaria e quella secondaria: l artrosi primaria è causata da fattori genetici (idiopatica) e si manifesta con i noduli di Heberden, soprattutto nelle donne e negli anziani oltre i 65 anni. L artrosi secondaria è legata a fenomeni esterni, quali traumi, interventi chirurgici o malattie reumatiche che possono degenerare, quindi non è legata a fattori di età. Esistono molte condizioni genetiche, traumatiche, metaboliche, endocrine e infettive che possono portare a quadri di artrosi secondari

4 Artrosi L artrosi, in sostanza, è causata dal progressivo assottigliamento della cartilagine che riveste i capi ossei delle articolazioni. Il deterioramento della cartilagine, provocando un crescente attrito tra le ossa dell articolazione, produce la formazione degli osteofiti, ovvero degli speroni ossei, che causano un irrigidimento progressivo dell articolazione, fino all immobilità completa

5 L artroprotesi totale di ginocchio Spesso queste patologie si manifestano con infiammazioni croniche molto dolorose, non controllabili farmacologicamente, che comportano una limitazione del movimento del paziente. I dolori articolari possono essere causati anche da una deformazione o una lesione diretta dell'articolazione, e in certi casi, possono essere aggravati anche dal fatto che il paziente tende ad evitare l'uso di un'articolazione dolorosa, indebolendo così i muscoli e peggiorandone ulteriormente la funzionalità. Un elemento piuttosto dibattuto riguarda l età del paziente; la tendenza attuale della chirurgia è quella di non intervenire chirurgicamente nei pazienti più giovani che hanno una maggiore capacità di ripresa e possono reagire con maggior efficacia a terapie meno invasive. Inoltre, tenendo conto che la vita di una protesi varia da dieci a quindici anni, un paziente giovane (al di sotto dei sessant anni) sarebbe comunque costretto a un intervento di sostituzione, o quantomeno di revisione, al termine della vita utile dell impianto. Infine, in tale tipologia di pazienti, si ipotizza un attività motoria piuttosto complessa, che sarebbe comunque limitata dalla presenza della protesi (nonostante i notevoli progressi compiuti in questo campo è difficile poter praticare attività sportive o sforzi prolungati in presenza di una protesi). Sia nei pazienti più giovani, che in quelli più anziani (per i quali un intervento chirurgico è sempre problematico), si procede all intervento di artroprotesi solo quando questo apporta un sostanziale miglioramento delle condizioni di vita del paziente.

6 L artroprotesi totale di ginocchio Esistono diversi tipi di protesi, con diverse funzionalità, in relazione al tipo di intervento richiesto e ai risultati degli studi effettuati dalle case produttrici. Tuttavia, in tutti i modelli di ATG sono sempre presenti le tre componenti essenziali: 1. Condili Femorali: costituiscono la parte superiore della protesi, che si inserisce sulla parte distale del femore. 2. Piatto Tibiale: è il supporto che sostituisce l omonimo componente anatomico. Superiormente è a contatto con i condili femorali, inferiormente viene montato (in genere per incastro) sull apposito basamento. 3. Basamento del Piatto Tibiale: è il componente inferiore della protesi su cui viene fissato il piatto tibiale; inferiormente viene fissato alla tibia.

7 L artroprotesi totale di ginocchio

8 L artroprotesi totale di ginocchio Le componenti metalliche dell artroprotesi totale di ginocchio sono solitamente realizzate impiegando leghe a base di Cromo-Cobalto, Titanio o, più recentemente, Zirconio

9 L artroprotesi totale di ginocchio Il piatto tibiale è realizzato in polietilene ad altissimo peso molecolare (Ultra High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE) Il motivo del successo di questo materiale è da ricercarsi in una serie di caratteristiche positive come la resistenza all urto, il basso coefficiente d attrito, l inerzia chimica e la resistenza alle fratture da sollecitazione. Tuttavia gli inserti in UHMWPE non sono immuni da problemi di danneggiamento nel medio-lungo periodo e ciò fa capire quanto sia importante la loro accurata progettazione

10 Considerazioni sul disegno protesico Il disegno di una protesi totale di ginocchio deve considerare molti e importanti aspetti al fine di ripristinare la completa funzionalità articolare per tutta la durata della vita del paziente in termini di cinematica, ampiezza di movimento e stabilità L impianto deve, inoltre, realizzare un trasferimento sicuro ed efficace sulle strutture ossee circostanti dei grandi carichi meccanici esistenti nell articolazione, fissare in maniera sicura e permanente le componenti dell impianto protesico e resistere all usura a lungo termine. A tal fine, il progettista dovrà considerare non solo il disegno della protesi, ma anche i tessuti molli che circondano il ginocchio (legamenti, tendini, cartilagini, muscoli, ecc). In sintesi, progettisti che disegnano una protesi hanno due aspetti su cui agire per il perseguimento di questi obiettivi: la forma delle componenti protesiche (congruenza, spessore) la scelta dei materiali costituenti i componenti della protesi. Tali aspetti non sono indipendenti tra loro; per esempio, la forma delle superfici articolari che potrebbe fornire la migliore funzionalità della protesi potrebbe influire negativamente sull usura dell UHMWPE e dunque occorre cercare una soluzione di compromesso ottimale tra obiettivi contrastanti.

11 La congruenza Il movimento principale compiuto dal ginocchio è di flesso-estensione sul piano sagittale; nel ginocchio normale l ampio angolo di flessione è ottenuto grazie alla combinazione di geometrie ossee e cartilaginee, azioni muscolari e resistenze legamentose. I disegni delle protesi totali di ginocchio consentono la flessoestensione mediante la geometria dei condili femorali e dei piatti tibiali sul piano antero-posteriore e dunque proprio la geometria dei condili femorali è uno degli aspetti più importanti per quanto riguarda il disegno delle protesi. La maggior parte delle attuali protesi semplificano la geometria di ogni condilo con due raggi di curvatura: un raggio più ampio che entra in contatto con il piatto in estensione e uno più piccolo che entra in contatto con il piatto nella flessione del ginocchio

12 La congruenza In medio-laterale, molti disegni protesici hanno una geometria di contatto che consiste in un raggio singolo per ognuno dei condili della componente femorale e un unico raggio, lievemente più grande, per ognuno degli emipiatti tibiali L utilizzo di superfici curve sul piatto tibiale consente di avere delle ampie aree di contatto, anche quando il carico deve essere distribuito su un solo condilo per resistere a movimenti varovalgo, (cioè movimenti che avvengono sul piano medio-laterale). Inoltre, nel progetto del disegno della protesi, il dimensionamento dei raggi di curvatura dei condili e del piatto tibiale è importante per la minimizzazione degli stress da contatto, che in un impianto protesico di ginocchio sono una combinazione di stress di compressione, trazione e taglio che intervengono tra le componenti articolari in moto relativo.

13 La congruenza

14 La congruenza In molte protesi, la geometria in direzione Antero-Posteriore (AP) tende a riprodurre abbastanza fedelmente quella fisiologica. Dunque anche la geometria del piatto tibiale in AP è piuttosto vincolata. Il raggio di curvatura non potrà essere certamente minore di quello dei condili. In generale è leggermente maggiore (anche rispetto al minimo teoricamente consentito) affinchè sia garantita una certa lassità in condizioni di piena estensione Nelle protesi che conservano il LCP, il funzionamento ottimale si ottiene addirittura con raggi ancora più ampi, perchè se le superfici sono troppo congruenti il LCP non lavora correttamente In alcuni design protesici, la porzione posteriore del piatto tibiale è piatta. Questo tende a diminuire ulteriormente la congruenza

15 La congruenza Dunque, il controllo degli stress da contatto è affidato in larga misura, a quanto realizzabile con il disegno protesico in direzione ML La conformità è massima (e dunque gli stress da contatto sono minimi) quando condili e piatto tibiale sono piatti in ML, tuttavia ciò comporta altri problemi Infatti durante il cammino, il condilo laterale tende a sollevarsi. Questo evento, fisiologico nell uomo, provoca spostamento della zona di contatto e conseguente picco di stress da contatto verso la zona di bordo della protesi

16 Un esempio semplice a = 1.13 L 1 R F R ν1 1 ν = + E E p max = 2P πal Raggio condili (mm), L=30 mm Raggio Piatto (mm) Carico (N) a (mm) p max (MPa) 60 Infinito (piatto) conforme

17 Parametri che influenzano le prestazioni Modello Protesi Spessore Piatto (mm) A 8 B 8 C 8 D 5 Raggi Condili e Piatto (mm) Modulo di Young Piatto Tibiale (GPa) Stress di contatto A. Consideriamo come modello di riferimento quello A, per il quale lo stress massimo di contatto, nel caso di carico distribuito equamente tra i condili, sia unitario. B. Nel modello B, a parità di spessore e dimensioni, facendo variare il modulo di elasticità, lo stress di contatto risulta più elevato del 40%. C. Nel modello C, mantenendo invariati sia lo spessore che il modulo di elasticità, e realizzando la forma delle superfici di contatto con minor congruenza (il raggio in medio laterale del componente tibiale aumenta, infatti, da 14 a 16 mm), lo stress aumenta del 14%. D. Nel modello D, lo spessore del piatto tibiale è diminuito da 8 a 5 mm, mantenendo invariati sia le dimensioni, che il modulo di elasticità; lo stress aumenta del 29%.

18 Congruenza e spessore Congruenza delle superfici e stabilità della protesi sono strettamente correlate. Una protesi poco congruente, ha ampie possibilità di movimento, ma può risultare più instabile. Inoltre sono maggiori gli stress da contatto. Protesi fortemente congruenti sono caratterizzate da minori stress da contatto ma anche da minori margini di spostamento. Sono tuttavia molto più stabili. Possono trasferire carichi (specie torsionali) all osso circostante Per quanto concerne il piatto tibiale, con l aumentare dello spessore, le sollecitazioni sul polietilene si riducono e divengono meno sensibili ad ulteriori variazioni dello spessore stesso In componenti spesse, le sollecitazioni sono poco sensibili a variazioni di spessore, mentre in componenti sottili, piccole variazioni di spessore (per es. passaggio da 4 ad 8 mm) creano notevoli riduzioni degli stress da contatto. Si raccomanda di mantenere uno spessore del piatto tibiale minimo di 8-10 mm

19 UHMWPE Stress Ceramics Metals Polymers Dal punto di vista meccanico, l UHMWPE presenta le caratteristiche tipiche di molti polimeri ossia: Basso sforzo di rottura > 35 MPa Basso limite di snervamento > 21 MPa Strain Elevato allungamento a rottura > 350 % Il comportamento del materiale è di tipo viscoelastoplastico (anche se molti autori tendono a semplificare questa assunzione ipotizzando un comportamento solo di tipo elastoplastico)

20 UHMWPE Altro aspetto importante è legato alla temperatura e alla velocità di applicazione del carico: in generale alle basse temperature (e ad elevate velocità di carico) il materiale assume comportamento di tipo fragile, mentre alle alte temperature o per basse velocità di applicazione del carico, esso appare più morbido e duttile increasing loading rate Stress Strain

21 Vantaggi e limiti dell UHMWPE Elevata resistenza all usura (massima tra i polimeri) Elevata resistenza all urto Ottima biocompatibilità Basso coefficiente d attrito Elevata stabilità chimica (viene prodotto senza additivi o stabilizzanti) Lavorabile per stampaggio per compressione ed estrusione (è invece difficile la lavorazione per iniezione, ecc.) L esperienza clinica ha mostrato che l UHMWPE subisce in vivo fenomeni di usura dell ordine degli 0,1-0,3 mm/anno in termini di usura lineare Tale velocità di usura è poco correlabile a fattori quali: età, peso, sesso, attività del paziente L usura difficilmente porta a danneggiamento meccanico dei componenti in UHMWPE, ma determina il passaggio nei tessuti circostanti l impianto di un elevatissimo numero di piccoli detriti di usura

22 Usura dell UHMWPE L usura delle superfici articolari di componenti in UHMWPE nelle protesi di ginocchio è inevitabile. Le alte sollecitazioni da contatto cui il materiale è sottoposto persino nei modelli altamente congruenti sono sufficienti a generare un danno superficiale che genera detriti polietilenici che si accumulano nelle parti molli. Sebbene le modificazioni osteolitiche che conducono alla mobilizzazione appaiano meno frequenti rispetto a quelle osservate nelle protesi d anca, la riduzione delle sollecitazioni responsabili della generazione di detriti, insieme alla scelta di una geometria adatta e delle proprietà dell UHMWPE rimane un importante obiettivo progettuale Nelle protesi di ginocchio le modalità di danno maggiormente osservate sono escavazioni e slaminamenti (causate da fatica superficiale)

23 Vantaggi e limiti dell UHMWPE Conseguenze cliniche dell usura dell UHMWPE La presenza di particelle d usura determina: attivazione della reazione infiammatoria richiamo e attivazione di macrofagi/cellule giganti osteolisi periprotesica mobilizzazione della protesi E oggi generalmente accettato che la mobilizzazione delle protesi indotta dai detriti di usura è la prima causa di fallimento nel medio-lungo periodo delle protesi ortopediche Per migliorare la qualità dell UHMWPE sotto il profilo della sua resistenza superficiale occorre tenere in considerazione: tecniche di lavorazione tecniche di sterilizzazione effetto delle radiazioni ionizzanti tecniche di caratterizzazione meccanica/strutturale

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