Submitted by Luis Guilherme de Faria null (lgfaria.medvet@ymail.com) on 2018-02-20T18:24:16Z No. of bitstreams: 1 TESE DE DOUTORADO - LUÍS GUILHERME DE FARIA - REPOSITÓRIO.pdf: 2930040 bytes, checksum: 40cde73090fb7af7b81a6b84ae05ed52 (MD5) / Approved for entry into archive by Alexandra Maria Donadon Lusser Segali null (alexmar@fcav.unesp.br) on 2018-02-21T14:06:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 faria_lg_dr_jabo.pdf: 2930040 bytes, checksum: 40cde73090fb7af7b81a6b84ae05ed52 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-21T14:06:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 faria_lg_dr_jabo.pdf: 2930040 bytes, checksum: 40cde73090fb7af7b81a6b84ae05ed52 (MD5) Previous issue date: 2018-01-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O objetivo deste estudo foi comparar as propriedades biomecânicas de dois modelos de hastes femorais da prótese total de quadril, não cimentada, modular e nacional. A haste A, possui uma extensão na base do colo do implante, denominado “colar”, já o implante B, possui a sua porção proximal abaulada. Buscou-se determinar qual dos dois modelos de hastes femorais tem melhor desempenho ao evitar, ou impedir, o afundamento (subsidence). Para tal, utilizou-se 8 pares de fêmures de cães adultos, machos e fêmeas, de diferentes raças e massa corporal de ±25 kg. Em cada fêmur, uma ostectomia da cabeça e do colo femoral foi realizada e inserido um dos implantes selecionados. As construções foram submetidas, previamente, à radiografia e densitometria óssea, a fim de determinar a homogeneidade da amostra. Logo em seguida, divididos em dois grupos, Haste A (8 fêmures) e Haste B (8 fêmures), aplicou-se carga de flexo-compressão, no eixo axial de cada amostra, em máquina universal de ensaios. A força máxima, a deflexão, a resistência à compressão e a energia foram as variáveis analisadas nos dois sistemas, assim, o Grupo B exibiu valores significativamente maiores (p≤0,05) para as variáveis resultantes deste estudo, com exceção da rigidez que, estatisticamente, considerou-se similar entre os dois grupos (p=0,2031). A média da força máxima no teste de compressão axial para o Grupo A foi de 1347±357 N e, para o Grupo B, de 1805±123 N (p≤0,0069). A média da deflexão para o Grupo A foi de 5547±2639 mm e, para o Grupo B, de 10033±3998 mm (p≤0,0056). Para a variável energia, a média da força máxima para o Grupo A foi de 6203±3488 N.mm, já para o Grupo B, foi de 12885±5056 N.mm (p≤0,0054). A média do módulo de deformação elástica, expresso em rigidez, no Grupo A foi de 860±160 N/mm, já no Grupo B, de 1011±305 N/mm (p≤0,0054). Os dados obtidos apresentavam distribuição normal e foram submetidos ao teste t pareado (p≤0,05). Constatou-se que a Haste B possui maior força máxima, deflexão e energia. Todavia, quanto a rigidez, ambas são eficientes em amortizar o impacto das forças axiais de flexo-compressão em fêmures cadavéricos de cães. / The goal of this study was to compare the biomechanical properties of two models of femoral stems of the total hip, uncemented, modular, and national (Brazil) prosthesis. The stem A has an extension at the base of the implant, called the "collar", and the implant B, has its convex proximal portion. We sought to determine which of the two models of femoral rods perform best by avoiding, or preventing, subsidence. To this end, we used eight pairs of femurs of adult dogs, male and female, of different races and body weight ± 25 kg. In each femur, an ostectomy of the head and femoral neck was performed and inserted one of the selected implants. The constructs were previously submitted to radiography and bone densitometry, in order to determine the homogeneity of the sample. Then, divided into two groups, Stem A (8 femurs) and Stem B (8 femurs), a flexo-compression load was applied on the axial axis of each sample in a universal testing machine. Maximum strength, deflection, compressive strength and energy were the variables analyzed in both systems, thus, Group B showed significantly higher values (p≤0.05) for the variables resulting from this study, except for the rigidity that, statistically, it was considered similar between the two groups (p=0.2031). The mean maximal force in the axial compression test for Group A was 1347±357 N and, for Group B, 1805 ± 123 N (p≤0.0069). The mean deflection for Group A was 5547 ± 2639 mm and, for Group B, 10033±3998 mm (p≤0.0056). For the energy variable, the mean of the maximum force for Group A was 6203±3488 N.mm, for Group B, it was 12885±5056 N.mm (p≤0.0054). The mean elastic strain modulus, expressed as rigidity, in Group A was 860±160 N/mm, in Group B, of 1011±305 N/mm (p≤0.0054). The obtained data presented normal distribution and were submitted to paired t test (p≤0.05). It was verified that Haste B has greater maximum strength, deflection and energy. However, for stiffness, both are efficient in amortizing the impact of axial flexion-compression forces on cadaverous femurs of dogs.

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Total Hip Arthroplasty (THA) is an orthopaedic procedure that is performed to reduce pain and restore the functionality of hip joints that are affected by degenerative diseases. The outcomes of THA are generally good. However, the stress shielding of the periprosthetic femur is a factor that can contribute towards the premature loosening of the femoral stem. In order to improve the stress shielding characteristics of metallic femoral stems, stiffness configurations that offer more flexibility should be considered. This research has investigated the potential of more flexible and lightweight cobalt chromium molybdenum (CoCrMo) femoral stems that can be manufactured using Selective Laser Melting (SLM). Square pore cellular structures with compressive properties that are similar to human bone have been presented and incorporated into femoral stems by utilising fully porous and functionally graded designs. A three dimensional finite element model has been developed to investigate and compare the load transfer to the periprosthetic femur when implanted with femoral stems offering different stiffness configurations. It was shown that the load transfer was improved when the properties of the square pore cellular structures were incorporated into the femoral stem designs. Factors affecting the manufacturability and production of laser melted femoral stems have been investigated. A femoral stem design has been proposed for cemented or cementless fixation. Physical testing has shown that a functionally graded stem can be repeatedly manufactured using SLM, which was 48% lighter and 60% more flexible than a traditional CoCrMo prosthesis. The research presented in this thesis has provided an early indication of utilising SLM to manufacture lightweight CoCrMo femoral stems with levels of flexibility that have the potential to reduce stress shielding in the periprosthetic femur.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.

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