Finite element analysis of Ti-based knee-joint implant

Análisis por elementos finitos de un implante de rodilla con base de Ti

Este artículo se centra en el análisis por elementos finitos de una endoprótesis oncológica de rodilla PROSPON. El modelo CAD tridimensional de la articulación de la rodilla, en el que se integró el modelo FE diseñado de la prótesis PROSPON, se creó a partir de tomografías computarizadas del Visible Human Project. Se realizaron análisis del estado de tensión y de las presiones de contacto en la posición de flexión de la rodilla dentro de un rango de flexión de la articulación de la cadera de 15,4° a 69,4°. Los resultados mostraron que la tensión máxima alcanzada no superaba el límite elástico (90 MPa) del material. Los resultados del estado de tensión concordaban con la distribución de la presión de contacto.

INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas, el método de los elementos finitos (MEF) ha surgido para proporcionar la aplicabilidad general y la precisión necesaria para generalizarse en diversos análisis de tensiones. Mediante el MEF, el cuerpo se divide en una serie de subdominios denominados elementos. Dado que el tamaño y la forma de los elementos y el esquema de aproximación pueden variar en función del problema planteado, el método puede simular con precisión soluciones a problemas de geometría compleja.

Los análisis asistidos por ordenador ya son una herramienta de desarrollo habitual, por ejemplo en ingeniería mecánica [1], térmica [2] o de materiales [3].

Dado que el desarrollo y el uso de métodos de deformación plástica severa (DPE) es cada vez mayor [4], los análisis de EF se utilizan para simular las condiciones durante estos procesos. Entre los métodos SPD más analizados se encuentran ECAP [5,6] y sus modificaciones - ECAP con canales no iguales (NECAP) [7], con contrapresión parcial (ECAPPBP) [8], con extrusión por torsión (TCAP) [9], con extrusión por torsión y curvaturas múltiples (TCMAP) [10], ECAPCONFORM [11] o torsión a alta presión (HPT) [12].

Los análisis se realizan principalmente para predecir el comportamiento de deformación de un material en determinadas condiciones térmicas y de fricción.

Las simulaciones son útiles sobre todo para materiales con menor conformabilidad, como los que tienen un alto contenido de Ti [13], aleaciones intermetálicas [14] o Mg [15].

En biomecánica, por ejemplo durante el proceso de desarrollo de implantes articulares, donde las mediciones experimentales in vivo sólo pueden realizarse en determinadas condiciones, el MEF es una herramienta adecuada para ahorrar tiempo y dinero. La validación de un modelo puede realizarse de diferentes maneras, por ejemplo, utilizando un simulador de rodilla [16,17] o experimentalmente [18].