Il ginocchio. I legamenti che stabilizzano i segmenti scheletrici dell articolazione del ginocchio sono schematicamente:

Transcript

1 L articolazione di ginocchio

2 Il ginocchio Il ginocchio è l'articolazione intermedia dell'arto inferiore. E' un'articolazione che ha principalmente due gradi di libertà, la flesso-estensione, e la rotazione internaesterna. Il primo predomina in ampiezza sul secondo, il quale può avvenire solamente quando il ginocchio è in posizione di flessione. I legamenti che stabilizzano i segmenti scheletrici dell articolazione del ginocchio sono schematicamente: 1. il legamento crociato anteriore (LCA), 2. il legamento crociato posteriore (LCP), che insieme costituiscono il pivot centrale, 3. il legamento collaterale mediale (LCM) appiattito e nastriforme, a forma triangolare, che va dall epicondilo mediale alla parte più alta della faccia mediale della tibia 4. il legamento collaterale laterale (LCL), un cordone arrotondato, che va dall epicondilo laterale del femore fino alla parte antero - laterale della testa del perone

3 Il ginocchio

4 Il ginocchio

5 L articolazione femoro-tibiale Il movimento principale dell articolazione del ginocchio è quello di flesso - estensione su un piano sagittale. La cinematica del femore e della tibia in questo movimento è determinata soprattutto dalla geometria dei condili femorali e del piatto tibiale, dalle forze muscolari che agiscono sull articolazione e dai vincoli determinati dai legamenti crociati. Sul piano sagittale un condilo può essere approssimato con due raggi di curvatura il primo, di dimensioni maggiori, forma il profilo anteriore del condilo ed entra in contatto con il piatto tibiale in estensione e in semiestensione. POSTERIORE ANTERIORE il secondo, di dimensioni inferiori, disegna la posizione posteriore ed entra in contatto con il piatto tibiale in flessione.

6 Aree di contatto Se ci si basasse solo sulla geometria ossea, il contatto tra condili e piatto tibiale dovrebbe avvenire su un area molto limitata, producendo, quindi, uno stress di contatto molto elevato. Tuttavia, la presenza dei menischi e della cartilagine articolare fa si che questo contatto venga distribuito su un area di dimensioni maggiori riducendo notevolmente le sollecitazioni a carico delle superfici ossee. Quando il ginocchio è flesso, l area di contatto tra i condili e il piatto tibiale si sposta posteriormente, secondo un fenomeno, detto roll - back, di rotolamento posteriore del femore rispetto alla tibia, che è controllato dal legamento crociato posteriore.

7 L articolazione femoro-rotulea La rotula veicola la forza del muscolo quadricipite, permettendo il movimento di estensione del ginocchio. Essa agisce da puleggia, scorrendo al di sopra del femore, dentro un'apposita gronda, chiamata Troclea. Durante la contrazione del quadricipite, centra e blocca il movimento di flessione del ginocchio e, comportandosi come una puleggia, fa sì che la forza che il muscolo esercita aumenti di oltre il 50%; inoltre, ha la funzione di distribuire gli sforzi applicati al tendine rotuleo e quella di stabilizzare il ginocchio stesso durante i movimenti rotatori.

8 L artroprotesi totale di ginocchio ARTICOLAZIONE COMPLESSA ampia mobilità (6 gdl) stabilità (legamenti e menischi) 3 compartimenti: femoro-rotuleo femoro-tibiale mediale femoro-tibiale laterale cinematica complessa: rotolamento con strisciamento prevalentemente nel piano sagittale

9 Il ciclo del cammino Si definisce ciclo del cammino ( gait cycle ), il periodo che intercorre tra due appoggi successivi dello steso arto al terreno. Tale intervallo temporale si suddivide in due fasi distinte. fase di stance, o fase di appoggio, durante la quale il piede rimane a contatto con il terreno. Nella normale deambulazione occupa circa i 60 % del ciclo del passo, si accorcia sensibilmente con la corsa, riducendosi fino al 37% nella corsa veloce. fase di swing, o fase di trasferimento. L arto viene portato avanti per prepararsi all appoggio successivo.

10 L artroprotesi totale di ginocchio

13 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.

14 Osteoartrite

15 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.

16 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.

18 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

19 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 abrasione e 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

20 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.

21 La congruenza Il movimento principale compiuto dal ginocchio è di flessoestensione 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

22 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 consente di avere delle ampie aree di contatto, anche quando il carico deve essere distribuito su un solo condilo per resistere a movimenti varo-valgo, (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.

23 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%.

24 Congruenza e spessore Superfici congrue offrono un livello di stabilità rotazionale inversamente proporzionale al raggio di curvatura. Raggi minori forniscono maggior stabilità, mentre raggi più ampi (cioè superfici più piatte) offrono minor resistenza alla rotazione. 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

25 UHMWPE Il polietilene è un materiale polimerico che si ottiene dall etilene, un gas ricavato dalla pirolisi del petrolio. Le molecole del monomero etilene si uniscono tra loro attraverso un processo di polimerizzazione e la catena polimerica del polietilene, nel caso di formazione di molecole lineari, può essere rappresentata dallo schema: dove n è il grado medio di polimerizzazione, cioè il numero medio di unità strutturali ~CH 2 -CH 2 ~~ derivate dall etilene, che costituiscono le catene polimeriche. Il termine polietilene comprende alcuni materiali polimerici diversi: l unità strutturale di base ~~CH2-CH2~~ è la stessa, ma le catene hanno diversa lunghezza e distribuzione nello spazio che costituiscono i parametri chimico - fisici principali che descrivono un polietilene, ne identificano il tipo e ne determinano le caratteristiche meccaniche e sono descrivibili mediante la massa molecolare e la cristallinità.

26 UHMWPE Il polietilene è prodotto in varie tipologie: LDPE (polietilene a bassa densità), HDPE (polietilene ad alta densità) ed UHMWPE (polietilene a ultra alto peso molecolare), che è quello utilizzato nella realizzazione di protesi articolari. molto ramificato si ottiene a T e P elevate densità 0,915-0,93 g/cm 3 poco cristallino densità 0,94-0,97 g/cm 3 molto cristallino

27 UHMWPE Il UHMWPE (polietilene ad altissimo peso molecolare) è prodotto con un processo simile a quello del HDPE, ma: la struttura delle catene polimeriche è lineare il peso molecolare medio è > 2,0106 g/cm 3

28 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)

29 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

30 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

31 Affidabilità dell ATG Le statistiche mostrano un ottima affidabilità degli impianti di ATG, con meno del 10% di fallimenti nel lungo periodo. Le protesi progettate negli ultimi 10 anni hanno mostrato miglioramenti evidenti rispetto a quelle degli anni Rimangono ancora però dei fattori di rischio non trascurabili che impongono lo studio approfondito di alcune specifiche di progetto, in modo da portare in futuro a dispositivi sempre migliori. La prima causa di fallimento degli impianti di ATG è la mobilizzazione asettica della protesi.

32 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)

33 Usura dell UHMWPE L usura del piatto tibiale è sostanzialmente condizionata da fattori di tipo biomeccanico e fattori legati al materiale Tra i fattori biomeccanici più importanti si evidenziano: 1. Strisciamento eccessivo dei condili femorali sul piatto tibiale 2. Conformazione della protesi 3. Allineamento dell impianto Lo strisciamento eccessivo del femore sul componente in UHMWPE può generare elevati sforzi ciclici, soprattutto lungo i bordi dell inserto, aumentando la probabilità e l incidenza dei fenomeni di fatica. Un cattivo allineamento della protesi può aumentare la probabilità che sforzi elevati si accumulino sulle zone del componente più deboli.

34 Usura dell UHMWPE La conformazione della protesi riguarda sia la congruenza tra le superfici articolari (intesa come differenza tra i raggi di curvatura dei due componenti), sia come spessore del piatto tibiale. Diversi studi sperimentali hanno dimostrato che geometrie più o meno congruenti e spessori inferiori a 8 mm possono influenzare pesantemente l entità degli sforzi di contatto e di taglio sul componente in UHMWPE, arrivando ben al di sopra del suo limite di snervamento (21 MPa).

35 Usura dell UHMWPE Una scarsa qualità del polietilene, specialmente un cattivo grado di reticolazione durante la fase di realizzazione, può sfociare in difetti nella microstruttura del materiale, quali micro-cricche, che possono veicolare il cedimento per fatica, in particolare se esse si trovano sulla superficie e lungo i bordi dell inserto. Un attenzione particolare va dedicata ai metodi di sterilizzazione. E stato infatti riscontrato da diversi studi come questi influenzino pesantemente la durata dell UHMWPE e le sue proprietà meccaniche, tanto da costituire il più importante fattore di innesco della delaminazione. Il principale metodo di sterilizzazione si basa sull utilizzo di raggi γ: essi causano la rottura dei legami chimici tra le catene di polietilene e generano radicali liberi, che ricombinandosi formano ponti tra le catene dando luogo alla reticolazione. Questo processo conferisce al materiale maggiore resistenza all usura

36 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

37 Fallimenti