Verifica di un modello agli elementi finiti per la stima dell'usura nelle protesi di ginocchio

Una delle principali cause di fallimento delle protesi di ginocchio (TKR) è l’usura dell’inserto tibiale e gli effetti dati dalla produzione dei detriti del materiale. La valutazione preclinica dell’usura nelle protesi TKR può essere testata in vitro con simulatori di movimento, facendo riferimento alla norma ISO 14243-3, oppure in vivo. Questi metodi di misurazione prevedono spesso tempi lunghi e costi elevati. L’utilizzo di metodi numerici, come i modelli agli elementi finiti (FE), permetterebbe di stimare l’usura nelle protesi riducendo tempi e costi delle tradizionali tecniche sperimentali. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un modello FE per stimare l’usura in una protesi di ginocchio commerciale, utilizzando il software Ansys. Sono stati inoltre definiti ed eseguiti dei test di verifica grazie all’automatizzazione delle simulazioni tramite un codice PyMechanical. Un primo test ha riguardato la verifica della corretta applicazione delle diverse condizioni al contorno. Sono state svolte delle analisi di convergenza al variare del passo di discretizzazione temporale e al variare della mesh, applicando un refinement solo sull’inserto e successivamente sia sull’inserto che sulla componente femorale. Sono state inoltre effettuate delle analisi di sensitività per valutare l’effetto di alcuni parametri del solutore. Le quantità di interesse identificate per le analisi includono il volume usurato, la pressione di contatto, la profondità di usura e l’area usurata nella superficie di contatto mediale e laterale dell’inserto. È stato inoltre effettuato un confronto tra i risultati ottenuti applicando gli input forniti dagli standard ISO 14243 3:2014 e ISO 14243 3:2004. I risultati di questo studio rappresentano un punto di inizio fondamentale per la completa identificazione e quantificazione di possibili errori numerici nel modello computazione e da cui si potrà proseguire con ulteriori analisi di validazione.