Les ingénieurs de l'Université Rice espèrent améliorer la vie des personnes ayant subi une prothèse articulaire en modélisant comment les hanches artificielles sont susceptibles de les frotter dans le mauvais sens.

L'étude informatique réalisée par le laboratoire de la Brown School of Engineering de l'ingénieur mécanicien Fred Higgs simule et suit l'évolution des hanches, incorporant de manière unique la dynamique des fluides et la rugosité des surfaces articulaires ainsi que les facteurs généralement utilisés par les cliniciens pour prédire la résistance des implants au cours de leur durée de vie prévue de 15 ans.

L'objectif immédiat de l'équipe est de faire progresser la conception de prothèses plus robustes.

Finalement, ils disent que le modèle pourrait aider les cliniciens à personnaliser les articulations de la hanche pour les patients en fonction du sexe, poids, variations d'âge et de démarche.

Higgs et les co-auteurs principaux Nia Christian, un étudiant diplômé de Rice, et Gagan Srivastava, professeur de génie mécanique à Rice et maintenant chercheur à Dow Chemical, ont rendu compte de leurs résultats dans Biotribologie.

Les chercheurs ont constaté qu'il était nécessaire de dépasser les limites des études mécaniques antérieures et des pratiques cliniques standard qui utilisent la marche simple comme référence pour évaluer les hanches artificielles sans incorporer d'activités à plus fort impact.

"Quand on parle aux chirurgiens, ils nous disent que beaucoup de leurs décisions sont basées sur leur riche expérience, " Christian a déclaré. "Mais certains ont exprimé le désir de meilleurs outils de diagnostic pour prédire combien de temps un implant va durer.

« Quinze ans semble long, mais si vous avez besoin de mettre une hanche artificielle à quelqu'un qui est jeune et actif, vous voulez qu'il dure plus longtemps pour qu'ils n'aient pas à subir plusieurs interventions chirurgicales, " elle a dit.

Le laboratoire de flux de particules et de tribologie de Higgs a été invité par le mécanicien et bioingénieur Rice B.J. Fregly, collaborer à ses travaux de modélisation du mouvement humain afin d'améliorer la vie des patients atteints de déficiences neurologiques et orthopédiques.

"Il voulait savoir si nous pouvions prédire combien de temps dureraient leurs meilleures articulations de la hanche candidates, " dit Higgs, John Rice et Ann Doerr professeur en génie mécanique et co-professeur de bio-ingénierie, dont l'arthroplastie du genou de son propre père a en partie inspiré l'étude. « Donc, notre modèle utilise le mouvement de marche de vrais patients. »

Les simulateurs physiques doivent exécuter des millions de cycles pour prédire les points d'usure et de défaillance, et peut prendre des mois pour obtenir des résultats. Le modèle de Higgs cherche à accélérer et à simplifier le processus en analysant des données de capture de mouvement réelles comme celles produites par le laboratoire Fregly ainsi que des données d'implants de hanche "instrumentés" étudiés par Georg Bergmann à l'Université libre de Berlin.

La nouvelle étude intègre les quatre modes distincts de la physique :la mécanique du contact, dynamique des fluides, l'usure et la dynamique des particules - en jeu dans le mouvement de la hanche. Aucune étude précédente n'a considéré les quatre simultanément, selon les chercheurs.

Un problème que les autres n'ont pas pris en compte était la composition changeante du lubrifiant entre les os. Les articulations naturelles contiennent du liquide synovial, un liquide extracellulaire de consistance proche du blanc d'œuf et sécrété par la membrane synoviale, tissu conjonctif qui tapisse l'articulation. Lorsqu'une hanche est remplacée, la membrane est conservée et continue à exprimer le fluide.

"Dans des articulations naturelles saines, le fluide génère suffisamment de pression pour que vous n'ayez pas de contact, alors nous marchons tous sans douleur, " a déclaré Higgs. "Mais une articulation de la hanche artificielle subit généralement un contact partiel, qui use et détériore de plus en plus votre articulation implantée au fil du temps. Nous appelons ce genre de frottement une lubrification mixte."

Ce frottement peut entraîner une génération accrue de débris d'usure, en particulier à partir de la matière plastique - un polyéthylène à poids moléculaire ultra-élevé - couramment utilisé comme emboîture (la cupule acétabulaire) dans les articulations artificielles. Ces particules, estimée jusqu'à 5 microns, le mélange avec le liquide synovial peut parfois s'échapper de l'articulation.

"Finalement, ils peuvent desserrer l'implant ou provoquer la dégradation des tissus environnants, " a dit Christian. " Et ils sont souvent transportés vers d'autres parties du corps, où ils peuvent provoquer une ostéolyse. Il y a beaucoup de débats sur leur destination, mais vous voulez éviter qu'ils n'irritent le reste de votre corps."

Elle a noté que l'utilisation de douilles en métal plutôt qu'en plastique est un sujet d'intérêt. "Il y a eu une forte poussée vers les hanches métal sur métal parce que le métal est durable, " Christian a dit. "Mais certains d'entre eux provoquent la rupture des copeaux de métal. Au fur et à mesure qu'ils s'accumulent, elles semblent être beaucoup plus dommageables que les particules de polyéthylène."

Une autre source d'inspiration pour la nouvelle étude est venue de deux travaux antérieurs de Higgs et de ses collègues qui n'avaient rien à voir avec la bio-ingénierie. Le premier portait sur le polissage mécano-chimique des plaquettes semi-conductrices utilisées dans la fabrication de circuits intégrés. La seconde a poussé leur modélisation prédictive de la micro-échelle aux interfaces à pleine échelle.

Les chercheurs ont noté que les futures itérations du modèle incorporeront davantage de nouveaux matériaux utilisés dans le remplacement des articulations.