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Título: Desenvolvimento de implante ortopédico para o tratamento da fratura de Hoffa utilizando tecnologia CAD/CAE/CAM: proposta de um novo método de fixação
Título(s) alternativo(s): Development of orthopedic implant for the treatment of Hoffa fracture using CAD/CAE/CAM technology: proposal of a new fixation method
Autor(es): Mendonça, Celso Júnio Aguiar
Orientador(es): Schneider Júnior, Bertoldo
Palavras-chave: Fêmur - Fraturas - Tratamento
Impressão tridimensional
Manufatura aditiva
Método dos elementos finitos
Biomecânica
Fraturas - Fixação
Parafusos ósseos (Ortopedia)
Placas ósseas (Ortopedia)
Cirurgia ortopédica
Femur - Fractures - Treatment
Three-dimensional printing
Additive manufacturing
Finite element method
Biomechanics
Fractures fixation
Bone screws (Orthopedics)
Bone plates (Orthopedics)
Orthopedic surgery
Data do documento: 26-Jul-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: MENDONÇA, Celso Júnio Aguiar. Desenvolvimento de implante ortopédico para o tratamento da fratura de Hoffa utilizando tecnologia CAD/CAE/CAM: proposta de um novo método de fixação. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: Introdução: A fratura coronal do côndilo femoral (fratura de Hoffa) possui localização intraarticular, envolvendo uma anatomia complexa, pouca irrigação sanguínea, traço coronal da fratura com instabilidade inerente que fazem com que esta fratura apresente uma grande dificuldade para alcançar a consolidação óssea com bons resultados funcionais. Técnicas cirúrgicas atuais preconizam estabilização de grande parte destas fraturas com emprego de placa e parafuso. Objetivo: o objetivo deste estudo foi projetar, implementar por meio de manufatura aditiva (MA) em liga de titânio (Ti6Al4V), simular e analisar por meio do Método de Elementos Finitos (MEF), testar, validar por meio de ensaio mecânico estático de compressão e descrever todo o processo de desenvolvimento tecnológico de um modelo de implante ortopédico (placa em formato de H) específico para o tratamento da fratura de Hoffa. Materiais e Métodos: Um caso clínico de um paciente submetido ao tratamento cirúrgico de pseudoartrose de fratura de Hoffa lateral inspirou o estudo. A partir do exame de Tomografia Computadorizada (TC) em formato DICOM foi realizado a criação e modelagem do modelo ósseo 3D com utilização dos softwares Invesalius, Meshmixer e Blender. A modelagem dos implantes ortopédicos foi realizada com o software SolidWorks. A partir de então foi realizado o planejamento cirúrgico virtual com a redução anatômica da fratura com a escolha e posicionamento dos implantes. O software Ansys foi utilizado para realizar a simulação numérica pelo MEF dos tipos de fixação da fratura. Foram discretizados os domínios, determinadas as propriedades mecânicas e tribológicas, definidas as condições de contorno e realizada aplicação da força de acordo com os dados da literatura. Foram definidos seis domínios (chamados de sistema) de acordo com os tipos e combinações de implantes utilizados na fixação da fratura de Hoffa. Para a realização da análise da estabilidade mecânica dos sistemas foram definidos quatro pontos na superfície da fratura do modelo ósseo virtual para medição do deslocamento relativo e medição da tensão máxima de von Mises dos implantes. A avaliação dos resultados da simulação pelo MEF foi realizada com análise visual do gradiente de cor do deslocamento ósseo e da tensão dos implantes. Foi realizada a análise quantitativa das medidas do deslocamento ósseo do fragmento distal, do deslocamento relativo dos pontos e da tensão máxima de von Mises dos implantes. Foi realizada a MA dos modelos ósseos em poliamida com tecnologia Select Laser Sintering (SLS). A MA das placas utilizando Ti6Al4V foi realizada por meio da tecnologia Electron Beam Melting (EBM). Foi verificado que esta tecnologia não foi acurada na MA dos parafusos. Estes foram então confeccionados com manufatura subtrativa (MS) com uso de barras de Ti6Al4V grau 23. As placas impressas em 3D foram submetidas a pós-processamento de superfície com varredura a laser e fresagem dos filetes das roscas. Os modelos ósseos foram submetidos a fixação com os implantes manufaturados e a seguir os sistemas osso-implante foram submetidos a ensaio mecânico estático (EM) de compressão em uma máquina de ensaio universal. Resultados: A análise pelo MEF mostrou que os sistemas que foram fixados com a placa em H apresentaram o menor deslocamento relativo do fragmento ósseo distal quando submetidos a carga de 1.357,70N. Os resultados do ensaio mecânico dos corpos de prova mostraram uma maior rigidez das osteossínteses com o sistema submetido a fixação com parafusos interfragmentares incluindo a placa em H. Conclusão: A placa em H apresenta a maior rigidez da osteossíntese com o menor deslocamento relativo do fragmento ósseo distal comparados aos métodos tradicionais de osteossíntese deste tipo de fratura durante simulação do MEF e apresenta maior rigidez comparado a três métodos de fixação e rigidez similar a dois métodos tradicionais de fixação durante o Ensaio Mecânico.
Abstract: Introduction: The coronal fracture of the femoral condyle (Hoffa’s fracture) has an intraarticular location, involving a complex anatomy, little blood supply, coronal fracture line with inherent instability that make this fracture present great difficulty in achieving bone consolidation with good functional results. Current surgical techniques recommend stabilization of most of these fractures using a plate and screw. Objective: the objective of this study was to design, implement through Additive Manufacturing (AM) in titanium alloy (Ti6Al4V), simulate and analyze using the Finite Element Method (MEF), test, validate through static mechanical testing of compression and describe the entire technological development process of an orthopedic implant model (H-shaped plate) specific for the treatment of Hoffa fractures. Materials and Methods: A clinical case of a patient undergoing surgical treatment for nonunion of a lateral Hoffa fracture inspired the study. From the Computed Tomography (CT) scan in DICOM format, the creation and modeling of the 3D bone model was carried out using Invesalius, Meshmixer and Blender software. The modeling of orthopedic implants was carried out using SolidWorks software. From then on, virtual surgical planning was carried out with anatomical reduction of the fracture with the choice and implant positions. The Ansys software was used to perform numerical simulation by FEM of the types of fracture fixation. The domains were discretized, the mechanical and tribological properties were determined, the boundary conditions were defined, and force was applied in accordance with literature data. Six domains (called system) were defined according to the types and combinations of implants used in Hoffa fracture fixation. To analyze the mechanical stability of the systems, four points were defined on the fracture surface of the virtual bone model to measure the relative displacement and measure the maximum von Mises stress of the implants. The evaluation of the simulation results by FEM was carried out with visual analysis of the color gradient of bone displacement and implant tension. A quantitative analysis of measurements of the bone displacement of the distal fragment, the relative displacement of the points and the maximum von Mises tension of the implants was carried out. AM of polyamide bone models was performed with Select Laser Sintering (SLS) technology. The AM of the plates using Ti6Al4V was carried out using Electron Beam Melting (EBM) technology. It was found that this technology was not accurate in the AM of the screws. These were then manufactured with subtractive manufacturing (MS) using grade 23 Ti6Al4V bars. The 3D printed plates underwent surface post-processing with laser scanning and thread milling. The bone models were subjected to fixation with the manufactured implants and then the bone-implant systems were subjected to static mechanical compression testing (MT) in a universal testing machine. Results: The FEM analysis showed that the systems that were fixed with the H-plate presented the smallest relative displacement of the distal bone fragment when subjected to a load of 1,357.70 N. The results of the mechanical test of the specimens showed greater rigidity of the osteosyntheses with the system subjected to fixation with interfragmentary screws including the H-plate. Conclusion: The H-plate presents the greatest osteosynthesis stiffness with the smallest relative displacement of the distal bone fragment compared to traditional osteosynthesis methods for this type of fracture during FEM simulation and presents greater stiffness compared to three fixation methods and stiffness similar to two traditional fixation methods during the Mechanical Test.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35138
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