Współczesne trendy w bioinżynierskim projektowaniu małoinwazyjnych endoprotez stawów

• Autorzy: Uklejewski R. , Rogala P. , Winiecki M. , Mielniczuk J. , Auguściński A. , Berdychowski M.

Warianty tytułu

EN

Modern trends in bioengineering design of low-invasive joint endoprostheses

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Obecnie badania, zarówno bioinżynierskie jak i kliniczne, w zakresie endoprotezowania stawów prowadzone są dwutorowo: 1) w kierunku doskonalenia strukturalnych i osteoindukcyjnych właściwości powierzchni implantów współpracujących z kością i porowatych pokryć elementów endoprotez mocowanych bezcementowo oraz aktualnie nastąpił 2) renesans tzw. ‘kapoplastyki powierzchniowej’ – polegającej na wymianie powierzchni stawowych, np.: powierzchni panewkowej i udowej stawu biodrowego bez uszkadzania kości gąbczastej głowy i szyjki kości udowej oraz przynasady i kanału szpikowego. Współczesne trendy w bioinżynierskim projektowaniu małoinwazyjnych endoprotez stawów przedstawiono 1) na tle przeglądu historycznych rozwiązań tradycyjnych długotrzpieniowych endoprotez stawu biodrowego i krytycznej charakterystyki obecnie stosowanych endoprotez powierzchniowych stawu biodrowego oraz 2) na podstawie współczesnego dwufazowego porosprężystego modelu biomechanicznego kości. W szczególności zaprezentowano biomechaniczne założenia i prototypy nowego rodzaju małoinwazyjnej, mocowanej całkowicie bezcementowo, endoprotezy powierzchniowej z oryginalnym systemem mocującym zaprototypowanym metodą Stereolitografii (SLA), zob. RYS. 1, oraz wytworzonym metodą selektywnego stapiania proszków wiązką lasera (SLM). Prototypy endoprotezy zostały zaprojektowane i wytworzone w ramach zakończonego w lutym 2008 roku naszego projektu badawczego nr 4 T07C 056 29: pt.: „Badanie i projektowanie cech konstrukcyjnych połączeń porowatych implantów ortopedycznych z kośćmi”. Całkowita endoproteza powierzchniowa THRA (total hip resurfacing arthroplasty) ze szpilkowo-palisadowym systemem mocowania powierzchni stawowych oparta jest na koncepcji P. Rogali (patent europejski nr 072418B1: “Endoprothesis”, patent USA nr 5,91,759: “Acetabulum endoprothesis and head”, patent kanadyjski nr 2,200,064, 2002). Rozwiązanie to proponuje radykalną zmianę techniki mocowania elementów endoprotezy w kości. Umożliwia bezcementowe (bez użycia kleju kostnego) zamocowanie endoprotezy stawu metodą press-fit przez sukcesywne wprowadzanie wielobocznych igieł w kość gąbczastą (np. głowy kości udowej) na określoną głębokość pozwalając, aby pozostała przestrzeń pomiędzy tymi igłami wypełniana została przez narastającą kość. Ponadto rozwiązanie to zakłada łatwiejszą operację rewizyjną endoprotezy oraz znaczne zwiększenie współpracy adhezyjnej pomiędzy implantem a kością, co ma szczególne znaczenie w przypadku osteoporozy, a także zachowanie fizjologicznej możliwości przenoszenia obciążenia w stawie przez głowę kości udowej do kości gąbczastej i następnie do kości korowej bliższej nasady, co pozwoli na redukcję zjawiska stress shielding i promocję adaptacyjnego wrastania tkanki kostnej w przestrzeń międzyszpilkową endoprotezy.

EN

Currently the bioengineering and clinical research on joint endoprostheses is proceeding in two directions: 1) to improve the structural and osteoinductive properties of implant surfaces and porous coatings of cementless endoporostheses elements, and 2) there have occurred the renaissance of so-called “capoplasty of joints” (resurfacing arthroplasty RA) – the procedure of replacement of joint articular surfaces e.g. in hip joint replacement of acetabulae and femoral head articular surfaces, preserving the femoral neck, the epiphyseal cancellous bone and femoral marrow canal. The modern trends in the bioengineering design of low-invasive joint endoprotheses are presented 1) on the historical review background of various models of traditional long-stem hip endoprotheses including critical review of contruction of contemporary used resurfacing hip endoprostheses, and 2) on the basis of modern two-phase poroelastic biomechanical model of bone. In particular the biomechanical principles and prototypes of new kind of low-invasive, totally cementless hip resurfacing endoprosthesis with original (grounding) fixation system manufactured by SLA (Stereolitography), see FIG. 1, and by SLM (Selective Laser Melting) technology are presented. The prototypes of the endoprosthesis were designed and manufactured within the framework of the finished in February 2008 our research project no 4 T07C 056 29: “Experimental investigation and design of the constructional properties of bone-porous implant fixation”. This total hip resurfacing endooprosthesis with original needle-palisade fixation system, based on the concept by P. Rogala (European patent no 072418 B1: “Endoprothesis”, US patent no 5,91,759: “Acetabulum endoprothesis and head”, Canadian patent no 2,200,064, dated 2002) proposes radical change in fixation technique of the endoprosthesis components in bone. It presents 1) close-to-natural grounding way – without use of bone cement – safer operative procedure-press-fit technique by the successive introduction of multilateral needles into the spongy bone (the remaining free space between needles is filled up by ingrowing new formed bone tissue), 2) easier revision arthroplasty, 3) good adhesion system (important for example in case of osteoporosis), 4) cortical and cancellous load transmission system preventing the stress-shielding and promoting bone-tissue ingrowth.

Słowa kluczowe

PL

endoprotezy; bioinżynieria; projektowanie

EN

endoprostheses; bioengineering; designing

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 11, no. 77-80
• Strony: 32--33
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., zdj.

Twórcy

autor

Uklejewski R.

• Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Instytut Techniki, Zakład Podstaw Bioinżynierii Medycznej, ul. Chodkiewicza 30, 85-064 Bydgoszcz, Polska

autor

Rogala P.

• Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, Klinika Chirurgii Kręgosłupa, Ortopedii Onkologicznej i Traumatologii, ul. Fredry 10, 61-701 Poznań, Polska

autor

Winiecki M.

• Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Instytut Techniki, Zakład Podstaw Bioinżynierii Medycznej, ul. Chodkiewicza 30, 85-064 Bydgoszcz, Polska

autor

Mielniczuk J.

• Politechnika Poznańska, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Polska

autor

Auguściński A.

• Politechnika Poznańska, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Polska

autor

Berdychowski M.

• Politechnika Poznańska, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Polska

Bibliografia

• [1] Mielniczuk J, Rogala P, Uklejewski R, Winiecki M, Jokaś G, Auguściński A, Berdychowski M. Modelling of the needle-palisade fixation system for the total hip resurfacing arthroplasty endoprosthesis. Trans VŠB-TU Ostrava, ISSN 0474-8484, 2008, Vol. 51 (1): 160-166.
• [2] Rogala P, Uklejewski R, Stryła W. New needle-palisade technology for hip and other joints endoprostheses fixation. Implications for postoperative rehabilitation. International Journal of Rehabilitation Research 2007 Vol. 30, Suppl. 1, s. 57-58.
• [3] Rogala P, Uklejewski R, Winiecki M, Mielniczuk J, Auguściński A. The concept and geometrical model of modern endoprosthesis concerning minimal invasive total hip resurfacing arthroplasty (THRA). Machine Dynamics Problems 2006;30(4):89–96.
• [4] Rogala P, Uklejewski R. Needle-palisade fixation for total resurfacing arthroplasties of hip and other joints. – Biomechanical principles (Extended Summary). In: 5th World Congress of Biomechanics – Volume of Selected Papers (ed. Dieter Liepsch), MEDIMOND, Bologna, Italy, 2006 /monografia ISBN 88-7587-271-6 z indeksacją ISI – Index of Scientific and Technical Proceedings ISI Philadelphia.
• [5] Rogala P, Uklejewski R.: Needle-palisade fixation for total resurfacing arthroplasties of hip and other joints – Biomechanical principles. Journal of Biomechanics 2006; Vol. 39 Suppl. 1, p.S 513
• [6] Rogala P, European patent nr 072418 b1: „Endoprothesis”.
• [7] Rogala P, United States of America patent nr 5,91,759: „Acetabulum endoprothesis and head”.
• [8] Rogala P, Canadian patent nr 2,200,064: “Method and endoprothesis to apply this implantation”. 2002.
• [9] Uklejewski R, Rogala P, Mielniczuk J, Stryła W. Współczesne trendy w konstruowaniu małoinwazyjnych endoprotez stawów układu kostnego człowieka - na podstawie nietradycyjnego porosprężystego modelu biomechanicznego kości. W: Malujda I., (red): Kierunki projektowania i badania cech konstrukcyjnych elementów maszyn. Części III „Projektowanie Biomechatroniczne” Wyd. Politechnika Poznańska. Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, 2006, p. 217–244.