Sviluppo di modelli ad elementi finiti per la stima dell'usura in protesi di ginocchio sotto condizioni di carico in vivo

Il presente elaborato analizza il comportamento cinematico, dinamico e tribologico di una protesi totale di ginocchio mediante modellazione numerica agli elementi finiti. L’attività di ricerca si articola inizialmente nello studio della cinematica articolare del ginocchio protesizzato a partire dai dati sperimentali del database CAMS-Knee, con particolare riferimento al soggetto standardizzato “Stan”. Tali dati, opportunamente elaborati e normalizzati, sono stati utilizzati per definire condizioni di carico e di moto rappresentative delle attività quotidiane, con specifico approfondimento del task “Level Walking”. Successivamente è stato sviluppato un modello tridimensionale della protesi totale di ginocchio nell’ambiente ANSYS Mechanical, comprendente la componente femorale in lega metallica e l’inserto tibiale in UHMWPE. Il modello è stato implementato definendo proprietà dei materiali, condizioni di contatto e vincoli coerenti con la configurazione protesica analizzata. Le simulazioni numeriche sono state condotte secondo due differenti approcci: (i) applicazione delle condizioni cinematiche e dinamiche derivate dai dati in vivo standardizzati (modello Stan); (ii) applicazione delle condizioni previste dalle normative ISO 14243-1 (controllo di forza) e ISO 14243-3 (controllo di spostamento), comunemente adottate nei test di usura in vitro. La stima dell’usura dell’inserto tibiale è stata effettuata mediante il modello di Archard, valutando il tasso di perdita di materiale in funzione delle pressioni di contatto e della velocità di strisciamento. Infine è stato effettuato un confronto tra le diverse configurazioni di carico in termini di distribuzione delle pressioni, reazioni vincolari e mappe di usura, per evidenziare eventuali discrepanze tra condizioni normative e misurazioni cinematiche realistiche rappresentative delle attività quotidiane, discutendo l’adeguatezza delle procedure normative e il loro impatto sulla previsione della durabilità protesica.