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El nuevo método podía mejorar longevidad y disminuir el desgaste de caderas artificiales

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Los investigadores de la ingeniería industrial han desarrollado un método que podría ampliar la vida de una cadera artificial añadiendo un arsenal de las muescas microscópicas que aumentan el grueso de una película de lubricante en su superficie.

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La “lubricación desempeña un papel dominante en el proceso del desgaste del interfaz común implantado,” dice a Min Zou, profesor de la ingeniería industrial. “Solamente este mecanismo está desafiando para entender debido a la naturaleza compleja del líquido viscoso usado para la lubricación. Nuestro estudio revela los resultados prometedores para entender este mecanismo mejor y perceptiblemente mejorar los implantes.”

Cada año en los Estados Unidos, los cirujanos ortopédicos realizan más de 300.000 cadera-reemplazos, incluyendo áspero 36.000 cirugías de la revisión cuando un reemplazo se usa. Aunque hay varios factores ambientales que afectan a la salud y a la longevidad de caderas artificiales, estos implantes duran una media de 15 a 20 años. Sin embargo, sobre mitad de todo el cadera-reemplazo las cirugías se realizan en pacientes entre las edades de 45 y 64, la gente que podría vivir otros 25 o 30 años. los procedimientos del Cadera-reemplazo implican el retiro quirúrgico y el reemplazo artificial de la cabeza femoral – el top del femor, o hueso del muslo – y pieza de la pelvis llamó el acetábulo, una superficie cóncava en la cual los ajustes principales femorales. Mucha gente refiere a esta junta como bola y al zócalo – la cabeza femoral que actúa como la bola y el acetábulo como el zócalo.

Una razón primaria del fracaso común artificial – y así la necesidad de la cirugía de la revisión – es un aflojamiento del enlace entre el implante y el hueso, que en muchos casos es causado por la respuesta autoinmune del cuerpo a las partículas y al desgaste en la superficie del implante, así como de la toxicidad de iones metálicos lanzados en el cuerpo debido a este desgaste.

Para abordar este problema, los investigadores se centran en una película de lubricante que forme entre las superficies que obran recíprocamente de la cabeza femoral y el acetábulo. Esta película es creada por un lubricante natural llamado el líquido sinovial, que es producido y lanzado por el cartílago. Aunque el cartílago también se quite durante cirugía del cadera-reemplazo, el cuerpo produce bastante líquido sinovial para formar una capa delgada entre los implantes. La formación de esta película después de la cirugía y especialmente su grueso determinan el éxito a largo plazo del implante.

El U de un experimento fue diseñado por Dipankar Choudhury, persona postdoctoral en el centro para la ingeniería superficial avanzada, y realizado en la dirección de Zou, que es director del centro. Sus resultados fueron publicados en el diario del comportamiento mecánico de materiales biomédicos.

Bastante que el líquido sinovial de manipulación, que la mayoría de la investigación de la prótesis de la cadera enfoca encendido, Zou y Choudhury simuló la superficie texturizada del cartílago, de sus supuestos “huecos convergentes,” o de los hoyuelos naturales, que promueven la secreción del líquido sinovial y aumentan el grueso de la película de lubricante.

Zou y Choudhury diseñaron muescas cuadradas, triangulares y elíptico-formadas en la superficie de cabezas femorales artificiales. (Las imágenes magnificadas se asemejan a la superficie de una pelota de golf.) Estas prótesis fueron hechas del cromo, del cobalto y del molibdeno, la aleación metálica estándar para los implantes del cadera-reemplazo. Las muescas, fabricadas con un laser del picosegundo por un colaborador en Japón, eran 20 a 50 micrómetros de par en par y 0,2 a 1 micrómetro profundamente.

Entonces, colaborando con un grupo de investigación en la República Checa, Zou y Choudhury se unieron a las piezas prostéticas y realizaron pruebas del desgaste y de la fricción con un péndulo que simuló el movimiento de balanceo de una pierna humana. Cuando el péndulo volvió a la posición de equilibrio – después de que la película del lubricante tenía completamente desarrollado – los resultados de la prueba revelaron el grueso perceptiblemente aumentado de la película. Comparado a las prótesis no-formadas hoyuelos, las tres formas mejoraron espesor del film del lubricante. Las prótesis con las muescas cuadradas y triangular-formadas demostraron un espesor del film medio del lubricante 3,5 veces mayores que la prótesis no-formada hoyuelos.

La prótesis con las muescas cuadrado-formadas formó su película del lubricante menos que un segundo después de que el péndulo comenzara a moverse, mucho más rápidamente que el resto de las prótesis, incluyendo ésos con las muescas hechas de otras formas. Esto demostró claramente que la forma tenía un efecto significativo, Choudhury dice.

“También, apenas cualquier rasguño apareció en la prótesis poste-experimental con órdenes cuadrado-formados del hoyuelo, y solamente algunos rasguños fueron encontrados en la prótesis con órdenes triangular-formados del hoyuelo,” dice a Zou. “Pensamos que las prótesis con los hoyuelos cuadrado-formados podrían ser una solución potencial para las juntas de cadera artificiales durables, más duraderas.”

Procesos recientemente desarrollados de Zou para fabricar micro-hoyuelos más pequeños de las diversas formas complejas, que se espera que fomenten la fricción de la disminución y el desgaste de las juntas prostéticas.

Zou lleva a cabo la cátedra del siglo XXI en la ingeniería industrial. En 2015, ella recibió una concesión del National Science Foundation $20 millones/de EPSCoR (programa experimental para estimular la investigación competitiva) y los fondos que hacían juego adicionales $4 millones del estado, que permitió a la universidad establecer el centro estatal para la ingeniería superficial avanzada. El centro promueve progreso científico estatal estableciendo sociedades con el gobierno, una educación más alta e industria.