Análisis Biomecánico de una Prótesis de Cadera mediante Elementos Finitos / Biomechanical Analysis of a Hip Prosthesis Using a Finite Element

Resumen En el presente trabajo se plantea un análisis biomecánico de una prótesis de cadera bajo condiciones de cargas estáticas asociadas a actividades cotidianas, en el cual se comparan tres materiales metálicos para la fabricación de una prótesis personalizada a partir de imágenes médicas. Se utilizaron plataformas en la nube de diseño asistido por computadora y de análisis por elementos finitos. Se diseñaron dos modelos de la prótesis a analizar, uno hueco y otro sólido mediante curvas spline paramétricas. Para el análisis biomecánico se requirió un tamaño de malla de 2,537,684 de elementos tetraédricos y 471,335 nodos para estudiar siete casos de posturas para una persona de 75 kg de peso, mismos que se analizaron tomando como materiales base acero inoxidable 316L, aleación Ti-6AL-4V y L-605. Se observó que con actividades tales como trotar, subir y bajar escaleras los materiales 316L y L-605, presentan el riesgo de deformación plástica e inclusive fractura. Los resultados mostraron que el material más idóneo para la fabricación de este tipo de prótesis es el Ti-6Al-4V, además de que este nos permite realizar modelos tanto sólidos como huecos, suponiendo este último, un ahorro de material y proporcionando mayor ligereza en la prótesis.

Abstract This paper shows a biomechanical analysis of a hip prosthesis under conditions of static loads associated with daily activities. For which it compared three metallic materials for the manufacture of a customized prosthesis from medical images, it was used cloud platforms with computer-aided design and finite element analysis. Two models of prosthesis one hollow and the other one solid using parametric spline curves were designed and analyzed. The biomechanical analysis required a mesh size consisting of 2,537,684 tetrahedral elements and 471,335 nodes to study seven cases of postures for a person weighing 75 kg. These cases were analyzed based on 316L stainless steel, Ti-6AL-4V alloy, and another L-605 alloy. It was observed that with activities such as jogging, climbing and descending stairs, materials 316L, and L-605 present the risk of plastic deformation and even fracture. The results show that the most suitable material for the manufacture of this type of prosthesis is the Ti-6Al-4V, which allows us to make both solid and hollow models. Assuming this last material is saved and improves the prosthesis lightness.