Design and strength analysis of a novel spherical hinge bio-Implant for the Human Metacarpophalangeal Finger Joint 

Resumo Técnico: Projeto e Análise de Resistência de um Novo Implante Biológico de Dobradiça Esférica para a Articulação Metacarpofalângica do Dedo Humano

Definição do Problema
A articulação metacarpofalângica (MCF) é crítica para a função da mão, permitindo o agarrar, o pinçar e o escrever. No entanto, condições como a artrite reumatoide e a osteoartrite comprometem severamente a mobilidade e a força articular. Embora a artroplastia com implantes flexíveis de peça única (como o Swanson, Avanta e Neuflex) seja um tratamento padrão, os designs existentes enfrentam limitações. Dados clínicos indicam altas taxas de fratura (até 67% para implantes Swanson) e concentrações de tensão na junção dobradiça-haste ou na dobradiça central. Além disso, a amplitude de movimento (ROM) funcional alcançada pelos implantes atuais frequentemente fica aquém da capacidade natural da articulação (aprox. 90° de flexão), e há uma carência de estudos abrangentes que prevejam a vida útil por fadiga e a resistência destes implantes flexíveis.

Metodologia
Esta pesquisa foca no projeto e na análise de elementos finitos (FEA) de um novo implante flexível de peça única apresentando uma dobradiça esférica, destinado a substituir a dobradiça do tipo caixa retangular encontrada no implante Neuflex.

• Desenvolvimento do Design: Um modelo 3D do novo implante foi desenvolvido no SolidWorks. Características principais do design incluem:

  • Dobradiça Esférica: Substitui a dobradiça do tipo caixa para mimetizar melhor a forma esférica natural da cabeça do metacarpal e potencialmente melhorar o braço de momento do tendão.
  • Recortes: Um recorte elíptico no topo da dobradiça facilita a hiperextensão, enquanto um recorte em forma de 'V' invertido na parte inferior facilita a flexão.
  • Pré-flexão: A haste é pré-flexionada em 30° para replicar a posição de repouso natural do dedo, reduzindo a deformação durante o movimento.
  • Dimensões: O modelo utiliza dimensões baseadas no implante Swanson (Tamanho 7) e dados anatômicos de metacarpais e falanges proximais para garantir a comparabilidade com a literatura existente.

• Material e Simulação:

  • Material: A borracha de silicone Anasil de grau médico foi modelada utilizando o modelo constitutivo hiperelástico de dois parâmetros de Arruda-Boyce para considerar o comportamento incompressível de grande deformação.
  • Malha: Foi utilizado um elemento tetraédrico quadrático de 10 nós (C3D10H) com formulação híbrida, com uma malha fina aplicada à região crítica da dobradiça.
  • Condições de Contorno: A haste metacarpal foi totalmente fixada. A haste proximal foi acoplada a um ponto de referência no centro da dobradiça, restringida a rotacionar em torno do eixo z.
  • Carregamento: O carregamento por deslocamento foi aplicado para simular o movimento articular realista: 30° de hiperextensão seguido de flexão da posição neutra (30°) até 90°.
  • Análise de Fadiga: A vida útil por fadiga foi prevista utilizando o plugin FE-SAFE/Rubber (solver Endurica) dentro do ABAQUS, focando nos ciclos de flexão.

Principais Contribuições

1. Design Inovador: Introdução de uma geometria de dobradiça esférica com recortes específicos para melhorar a amplitude de movimento e a fidelidade anatômica em comparação com a dobradiça padrão do tipo caixa.
2. Análise Comparativa de Tensão: Uma comparação direta por elementos finitos entre a nova dobradiça esférica e o implante Neuflex sob idênticas condições de carregamento.
3. Previsão de Vida Útil por Fadiga: Utilização de solvers especializados para fadiga de borracha para estimar o ciclo de vida do novo design versus o implante Neuflex, uma métrica frequentemente ausente em estudos anteriores de implantes flexíveis.

Resultados
A análise de elementos finitos gerou as seguintes comparações quantitativas entre o novo implante de dobradiça esférica e o implante Neuflex:

• Redução de Tensão:

  • Durante a hiperextensão (30°), o novo implante exibiu uma tensão de von Mises máxima de 0,705 MPa, comparado a 0,922 MPa do implante Neuflex, representando uma redução de 23,54%.
  • Durante a flexão (90°), o novo implante mostrou uma tensão de von Mises máxima de 2,106 MPa, comparado a 3,121 MPa do Neuflex, representando uma redução de 32,52%.
  • Em ambos os casos, a tensão mais alta permaneceu concentrada na região central da dobradiça, mas a magnitude foi significativamente menor no novo design.

• Momentos de Reação:

  • O momento de reação durante a hiperextensão foi 43,49% menor no implante esférico (4,17 N-mm) em comparação ao Neuflex (7,38 N-mm).
  • O momento de reação durante a flexão foi 36,49% menor no implante esférico (7,69 N-mm) em comparação ao Neflex (12,11 N-mm).

• Vida Útil por Fadiga:

  • A análise de fadiga indicou um valor de Log-Vida de 9,225 para o implante esférico versus 5,627 para o Neflex.
  • Isso se traduz em uma vida útil por fadiga de aproximadamente $10^{9,225}$ ciclos para o novo design, excedendo significativamente os $10^{5,627}$ ciclos do implante Neflex.

Significância e Alegações
O artigo conclui que o novo design de dobradiça esférica oferece um desempenho mecânico superior em comparação ao implante Neflex. Especificamente, o design demonstra:

• Amplitude de movimento aprimorada devido às tensões de von Mises significativamente menores durante a extensão e a flexão.
• Redução dos momentos de reação, sugerindo menor resistência ao movimento e potencialmente menos tensão nos tecidos e ossos circundantes.
• Uma vida útil por fadiga substancialmente maior, indicando maior durabilidade sob carregamento repetitivo.

Os autores afirmam que estes resultados sugerem que o implante de dobradiça esférica é um candidato viável para a artroplastia de dedo com melhoria de força e longevidade. No entanto, o artigo nota modestamente que estes resultados baseiam-se em simulação. Afirma explicitamente que pesquisa experimental é necessária para validar o design para aplicação clínica prática. Além disso, os autores identificam a busca por elastômeros biocompatíveis alternativos com propriedades mecânicas superiores como um escopo futuro necessário para aumentar ainda mais a vida útil do implante.