Biomecánica de Prótesis y Fracturas Óseas

Comportamiento Mecánico de Prótesis

¿Qué tipo de sección es más resistente desde el punto de vista del comportamiento mecánico de la prótesis? Justifique la respuesta.

La ausencia de discontinuidades en la sección cerrada elimina puntos de concentración de tensiones. Además, al tener una distribución simétrica y continua del material, esta figura será más resistente a la torsión respecto a un perfil abierto (como el representado por ‘b’). Por tanto, el coeficiente de seguridad será mayor en una sección cerrada (‘a’) que en una abierta (‘b’).

Principio del Tirante en Consolidación Primaria

En caso de aplicar el Principio del Tirante para la consolidación primaria en una fisura transversa en la zona de la diáfisis del fémur, ¿qué dos consideraciones darían lugar a una aplicación errónea de este? Explique el motivo desde el punto de vista de los esfuerzos introducidos en la sección y la colocación del implante.

Este principio implica el uso de implantes que convierten las fuerzas de tracción en fuerzas de compresión en la zona de fractura. Una aplicación errónea podría deberse a:

• Si el implante no está correctamente colocado en el sitio de fractura, la unión será inestable y no habrá una compresión adecuada.
• Una mala alineación de los tornillos o la placa empleadas puede generar cizallamiento en lugar de fuerzas de compresión, desestabilizando la fractura.

Clasificación de Fracturas según la AO

Explicar el procedimiento de identificación del tipo de fractura según lo establecido por la AO. Ejemplo para el caso de la fractura de fémur en la zona de la diáfisis.

Las fracturas se clasifican según un código alfanumérico, donde se indicará el fragmento óseo, el tipo de fractura, el grupo al que pertenece y el subgrupo. Los segmentos óseos se numeran con el hueso principal al que pertenecen (ej. 3 = fémur) y la posición de la fractura (1 = proximal, 2 = diafisaria, 3 = distal). La escala cromática marca el nivel de gravedad (de menos a más grave: verde, amarillo, rojo). Además, se asigna una letra para describir la ubicación específica dentro de la categoría principal.

EJEMPLO: Hueso = 3 (fémur), Segmento = 2 (diáfisis), Tipo = A (fractura simple), Grupo = 3 (por flexión).

Implicaciones Biomecánicas de Biopsias y Osteosíntesis

Desde un punto de vista tensional asociado a las tensiones tangenciales por torsión, ¿qué problemas induce una biopsia unicortical en la zona medial del fémur?

La extracción de hueso produce un cambio en el comportamiento mecánico de la sección distal del fémur, contribuyendo a un aumento de las tensiones tangenciales en la pared externa del hueso. Puede resultar en un debilitamiento localizado, cambios en las tensiones biomecánicas normales y un aumento del riesgo de fracturas en el sitio de la biopsia y áreas adyacentes.

Tipología de fractura en la zona medial del fémur en cuyo caso no es aconsejable la utilización de una placa de osteosíntesis bajo el principio del tirante en consolidación primaria. Explicar:

Esto puede ocurrir en fracturas de tipo C según la clasificación AO. El principio del tirante en consolidación primaria implica la compresión de las superficies fracturadas por una placa de osteosíntesis, pero puede no ser la mejor opción por varias razones:

• En fracturas muy fragmentadas donde hay múltiples fragmentos óseos, la aplicación de una placa de osteosíntesis puede ser difícil o no proporcionar la estabilidad adecuada debido a la dificultad para alinear y sostener todos los fragmentos.
• En casos donde la fractura afecta al suministro sanguíneo del hueso, como en fracturas desplazadas que afectan la vascularización en la zona medial del fémur.
• En situaciones donde la fractura es consecuencia de una enfermedad subyacente que debilita el hueso.

Conceptos Fundamentales de Mecánica Estructural

Restricciones y Uniones

¿Cuál es la diferencia entre constrain y restrain?

Las restraints (restricciones) son las reacciones en el entorno que nos permiten calcular las reacciones de nuestro modelo (restricciones del modelo con el exterior), como puede ser un apoyo fijo o un empotramiento. Las constraints (uniones) nos permiten que dos elementos separados físicamente trabajen de forma conjunta. Por ejemplo, la unión entre el abductor y la articulación.

Flexión Esbiada

En un caso de flexión esviada, ¿cuándo coincidirá la posición de la línea neutra con el vector del momento resultante?

En este caso, al ser flexión esviada, tenemos dos momentos, en z y en y (Mz y My). Si hacemos coincidir uno de los ejes de inercia con los ejes principales de inercia y calculamos la resultante del momento |MR|=raiz((Mz)^2+(My)^2)) y la dirección de aplicación del momento (tan α = |My/Mz|), si en la sección se produce que Iz = Iy (como pasa en una sección circular), sí que coincidirá la línea neutra con el vector del momento resultante. Para que coincida totalmente, no debe haber efecto del esfuerzo axial.

Modelado de Vigas

Para modelar una viga biapoyada sometida a una carga uniforme y un momento torsor, indique las restricciones en apoyos para que sea una estructura isostática y evitar el mecanismo como sólido rígido.

Los apoyos deben restringir todos los movimientos de traslación y rotación excepto uno. En el caso de una viga biapoyada, ambos apoyos deben permitir el desplazamiento vertical (reacciones verticales) pero restringir los desplazamientos horizontales y las rotaciones.

Definiciones Clave en Resistencia de Materiales

Definir el concepto de fibra neutra, núcleo central y centro de esfuerzos cortantes.

La línea neutra es el lugar geométrico de los puntos donde la tensión normal es 0. No experimenta deformación por flexión y permite separar la zona de compresión y la de tracción. Los puntos con mayores tensiones normales son los más alejados de la línea neutra (FN).

El núcleo central es la región geométrica de una pieza donde, tomados unos puntos como centro de presiones en una tracción o compresión excéntrica, las presiones normales en todos los puntos tienen el mismo signo. No está sometida a esfuerzos cortantes. En una viga, el núcleo central está ubicado alrededor de la fibra neutra y varía dependiendo de la forma y la distribución de la carga.

El centro de esfuerzos cortantes (CEC) es el lugar geométrico donde la sumatoria de momentos generados por el cortante se anulan (ΣM=0) para mantener el equilibrio de una pieza. Se suele usar en piezas no simétricas. Aquí, los cortantes H y H se anulan, pero sus momentos (Vy) no, porque van en el mismo sentido. Por lo tanto, al aplicar la carga en el CEC, se genera un momento opuesto a estos que los anula.

¿Qué le pasa a la línea neutra cuando hacemos flexión?

La línea neutra en una viga sometida a flexión se desplaza verticalmente respecto al eje de la viga para mantener su condición de no deformación en presencia de cargas que generan flexión.

 

Conceptos Avanzados en Mecánica Estructural

Ejes Locales en Análisis Estructural

Diferencia entre ejes locales de nodos y ejes locales de frame con un ejemplo respecto al cálculo de esfuerzos y reacciones.

En un análisis de elementos de una viga compuesta por varios elementos, los ejes locales de frame se refieren a los sistemas de coordenadas en cada nodo de los elementos individuales, mientras que los ejes locales de nodos se refieren al sistema de coordenadas global de toda la viga. Al calcular los esfuerzos, los ejes locales de frame son útiles para determinar los esfuerzos locales en cada elemento, mientras que los ejes locales de nodos se utilizarán para obtener las reacciones y analizar el comportamiento general de la estructura completa.

Estado Plano de Tensiones

Dado un estado plano de tensiones, justificar la reciprocidad de las tensiones tangenciales.

Se basa en que las tensiones tangenciales son simétricas con respecto a cualquier plano que divida el material. Esto significa que, si se considera un plano dentro del material, las tensiones tangenciales respecto a ese plano específico son iguales, independientemente de la orientación del plano. Esto se debe a la conservación del momento angular y se justifica por la simetría del material y las condiciones de equilibrio.

Propiedades Mecánicas del Hueso

¿Diferencia entre el hueso cortical y el hueso trabecular mecánicamente?

El hueso cortical es más rígido y resistente que el hueso trabecular, variando las propiedades en función de la densidad ósea. Que sea más rígido significa que su módulo elástico es mayor. Esta mayor rigidez se debe a su estructura más densa y compacta, lo que le confiere una mayor capacidad para resistir cargas y fuerzas aplicadas en dirección axial.

Principios Biomecánicos de la AO

Los principios biomecánicos se agrupan en 5 tipos según la AO:

• COMPRESIÓN
• TIRANTE
• SOSTÉN
• TUTOR
• PROTECCIÓN

Tipos de Consolidación

• PRINCIPIOS ACTIVOS: Estabilidad mediante la introducción de una fuerza activa (compresión, tirante y protección), produciendo una consolidación primaria.
• PRINCIPIOS PASIVOS: Estabilidad o guía estructural sin introducción de fuerza activa (sostén, tutor y protección), produciendo una consolidación secundaria.

Ejes Anatómicos y Mecánicos

• HUESO RECTO: El eje anatómico (geométrico) = Eje mecánico (excentricidad mecánica) → Ejemplo: TIBIA
• HUESO CURVO: El eje anatómico (geométrico) ≠ Eje mecánico (excentricidad mecánica) → Ejemplo: FÉMUR