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One of the biggest challenges in the biocompatibility of implantable metals is the prevention of the stress shielding effect, which is related to the coupling of the bone-metal mechanical properties. This stress shielding phenomenon provokes bone resorption and the consequent adverse effects on prosthesis fixation. However, it can be inhibited by adapting the stiffness of the implant material. Since the use of titanium (Ti) porous structures is a great alternative not only to inhibit this effect but also to improve the osteointegration of orthopedic and dental implants, a brief description of the techniques used for their manufacturing and a review of the current commercialized implants produced from porous Ti assemblies are compiled in this work. As powder metallurgy (PM) with space holder (SH) is a powerful technology used to produce porous Ti structures, it is here discussed its potential for the fabrication of medical devices from the perspectives of both design and manufacture. The most important parameters of the technique such as the size and shape of the initial metallic particles, the SH and binder type of materials, the compaction pressure of the green form, and in the sintering stage, the temperature, atmosphere, and time are reviewed according to the bibliography reported. Furthermore, the importance of the porosity and its types together with the influence of the mentioned parameters in the final porosity and, consequently, in the ultimate mechanical properties of the structure are discussed. Finally, a few examples of the PM-SH application for the manufacturing of orthopedic implants are presented.

A Espanya actualment la manca d’algun membre d’extremitat superior afecta a 1.125.952 persones adultes majors de 16 anys. Per a aquest col.lectiu és indispensable una pràctica esportiva regular per tal de mantenir un correcte estat i moviment de les estructures òssies i musculars a nivell físic, així com aprofitar els beneficis psicològics i socials derivats de la mateixa. En un present on l’esport s’ha convertit en un mercat tan desenvolupat i tecnològic, existeix un buit al mercat pel que respecta a dispositius ortoprotètics, especialment de membre superiors; sigui de mà o braç. Tot i existir una demanda notable, la manca d’oferta, i l’alt grau d’especialització d’aquesta converteix les poques unitats disponibles en inaccessibles per a la major part d’usuaris. Així doncs el present projecte, que correspon al Treball de Final de doble grau en Enginyeria Mecànica i Enginyeria de Disseny Industrial i Desenvolupament del producte, consisteix en el disseny conceptual i formal d’una pròtesi modular d’extremitat superior de baix cost per a aplicacions esportives. D’aquesta manera, s’examinen les tendències actuals de pràctica esportiva en persones amb mancança d’aquesta extremitat, així com elements presents al mercat i necessitats del col.lectiu per tal d’oferir una proposta amb futura acceptació. Des del punt de vista corporal, s’estudia l’anatomia, antropometria i biomecànica implicada per tal de traduir aquestes dades en un conjunt de mecanismes realitzables a baix cost. Tenint en compte tota aquesta informació, i sense deixar de banda la normativa i legislació, es desenvolupa un disseny versàtil, multifuncional i innovador que resolgui les deficiències en termes d’optimització econòmica; és a dir, es busca fugir de les últimes tendències tecnològiques i components que simulen a la perfecció el moviment humà per a centrar els esforços en un producte simple, econòmic i de fàcil ús que maximitzi les possibilitats de l’usuari pel que fa a pràctica esportiva.

En un presente en el que las tecnologías están en expansión y se buscan las soluciones a grandes problemas, hay un vacío en el mercado en lo que respecta a los dispositivos ortoprotésicos de miembro superior, más conocidos como prótesis de miembro superior o prótesis de brazo o mano. Aunque existen varias opciones, se ha encontrado que todas las funcionales son muy caras, por lo que no son accesibles por una gran parte de los usuarios de este tipo de prótesis. A partir de un estudio del mercado actual, de las diferentes tecnologías y del usuario objetivo, se desarrolla una prótesis de mano mioeléctrica. Ésta funciona a través de impulsos eléctricos, emitidos por los músculos del usuario, que activan diferentes motores produciendo el movimiento de los dedos. Al final del trabajo, sin haber desarrollado la parte eléctrica, se llega al diseño de una prótesis de mano mioeléctrica con un encaje diseñado conceptualmente. La mano diseñada permite el movimiento independiente de los dedos pulgar, índice y corazón, además de un movimiento conjunto del anular y del meñique. En adición, ofrece un precio de producción bajo y permite: la opción de personalizarse estéticamente, la posibilidad de reemplazar piezas individuales sin necesidad de desechar todo el producto y una futura programación de los movimientos de los dedos

Surface modification stands out as a versatile technique to create instructive biomaterials that are able to actively direct stem cell fate. Chemical functionalization of titanium has been used in this work to stimulate the differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) into the osteoblastic lineage, by covalently anchoring a synthetic double-branched molecule (PTF) to the metal that allows a finely controlled presentation of peptidic motifs. In detail, the effect of the RGD adhesive peptide and its synergy motif PHSRN is studied, comparing a random distribution of the two peptides with the chemically-tailored disposition within the custom made synthetic platform, which mimics the interspacing between the motifs observed in fibronectin. Contact angle measurement and XPS analysis are used to prove the efficiency of functionalization. We demonstrate that, by rationally designing ligands, stem cell response can be efficiently guided towards the osteogenic phenotype: In vitro, PTF-functionalized surfaces support hMSCs adhesion, with higher cell area and formation of focal contacts, expression of the integrin receptor α5β1 and the osteogenic marker Runx2, and deposition a highly mineralized matrix, reaching values of mineralization comparable to fibronectin. Our strategy is also demonstrated to be efficient in promoting new bone growth in vivo in a rat calvarial defect. These results highlight the efficacy of chemical control over the presentation of bioactive peptides; such systems may be used to engineer bioactive surfaces with improved osseointegrative properties, or can be easily tuned to generate multi-functional coatings requiring a tailored disposition of the peptidic motifs. Statement of significance Organic coatings have been proposed as a solution to foster osseointegration of orthopedic implants. Among them, extracellular matrix-derived peptide motifs are an interesting biomimetic strategy to harness cell-surface interactions. Nonetheless, the combination of multiple peptide motifs in a controlled manner is essential to achieve receptor specificity and fully exploit the potentiality of synthetic peptides. Herein, we covalently graft to titanium a double branched molecule to guide stem cell fate in vitro and generate an osseoinductive titanium surface in vivo. Such synthetic ligand allows for the simultaneous presentation of two bioactive motifs, thus is ideal to test the effect of synergic sequences, such as RGD and PHSRN, and is a clear example of the versatility and feasibility of rationally designed biomolecules.

L’objecte principal és fabricar pròtesis cranials utilitzant el mètode de deformació incremental de xapa (ISF) amb materials polímers biocompatibles i estudiar-ne el resultat final. Per aconseguir-ho es faran comparacions amb les metodologies SPIF i TPIF utilitzant unes geometries de referència per, posteriorment, trobar els millors paràmetres amb els que fabricar les pròtesis. Es farà ús d’informació de projectes anteriors i s’adaptaran els resultats trobats per aquest projecte

According to a study of the European Commission, approximately one million hips are replaced by prostheses worldwide every year. The interaction of the human body with foreign materials that are subjected to alternating mechanical load in a highly corrosive environment still provides challenges. The main factors affecting prosthesis failure are stress shielding effect and poor osseointegration. In this thesis the problem of prosthesis failure has been approached from the material and from the osseointegration point of view trying to give a global solution to the problem. Niobium and hafnium, which are demonstrated to be totally biocompatible, were used to design a Ti-based alloy. The effect of the alloying elements regarding microstructure and elastic modulus was studied and the best composition was deeply characterized in terms of microstructure, elastic modulus, corrosion resistance and superficial energy. Recombinant fragments of fibronectin were synthesised spanning the cell attachment site and the heparin binding domain which are important for cell viability. These motifs were used to functionalise the surface of the TiNbHf alloy. Two tethering methods were studied: physisorption and silanisation. Silanisation was not used before to immobilise fibronectin recombinant fragments onto metallic substrates and in this thesis, its good performance was demonstrated. In vitro studies were made with each fragment and with different combinations of the fragments, which showed the importance of the heparin binding domain to obtain a cell response equivalent to that of fibronectin in terms of cell adhesion, proliferation and differentiation., De acuerdo con un estudio de la Comisión Europea, aproximadamente un millón de caderas son remplazadas por prótesis en el mundo anualmente. La interacción del cuerpo humano con materiales externos sujetos a una carga mecánica alternante en un medio altamente corrosivo todavía presenta ciertos desafíos. Los factores que contribuyen principalmente al fallo de una prótesis son el apantallamiento de cargas y la pobre osteointegracion. En la presente tesis el problema de la fallida de prótesis ha sido abordado desde el punto de vista del material y de la osteointegracion en un intento de dar una solución global al problema. El niobio y el hafnio, cuya total biocompatibilidad ha sido demostrada, se han utilizado para diseñar una aleación de titanio. El efecto de dichos aleantes respecto a la microestructura y el módulo elástico ha sido estudiado y la mejor composición ha sido profundamente caracterizada en términos de microestructura, módulo elástico, resistencia a la corrosión y energía superficial. Fragmentos recombinados de fibronectina han sido sintetizados abarcando la zona de adhesión celular y la unión de heparina, las cuales son esenciales para la viabilidad celular. Dichos motivos han sido utilizados para funcionalizar la superficie de la aleación TiNbHf. Dos métodos de unión diferentes han sido estudiados: fisisorción y silanización. La silanización es un método que no se ha utilizado hasta el momento para inmovilizar fragmentos de fibronectina sobre superficies metálicas y en la presente tesis su idoneidad ha sido demostrada. Finalmente, estudios celulares in vitro se han llevado a cabo con cada fragmento y con diferentes combinaciones de ambos, lo cual ha mostrado la importancia de la zona de unión de heparina para obtener una respuesta celular equivalente a la obtenida con la molécula de fibronectina en cuanto a adhesión celular, proliferación y diferenciación.

El ligamento escafolunar es uno de los ligamentos que se halla intraarticular, entre el escafoides y el semilunar. Su función más importante es evitar que ambos huesos se separen cuando se cierra firmemente el puño, en la prono-supinación de la mano sobre el eje del antebrazo y durante la flexo-extensión de la muñeca. La indicación terapéutica para reparar la inestabilidad consiste en la cirugía de reconstrucción, mediante la transferencia de tendones, la fusión de las articulaciones o la reformación de los huesos. Actualmente existen dos métodos quirúrgicos para la reparación del ligamento. Para evitar la cirugía abierta, con el presente proyecto se pretende encontrar una solución que permita, a través de una cirugía con artroscopia, solucionar el problema mediante la implantación de una prótesis

El GREP és un grup de recerca en enginyeria de procés, producte i producció vinculat a la Universitat de Girona. Des de fa uns anys, s’està treballant en el desenvolupament i la investigació de dispositius mèdics biocompatibles mitjançant les noves tecnologies de fabricació. En aquest aspecte, membres del departament han fet un viatge a Brasil per investigar sobre les lesions a la mandíbula i quins són els dispositius que s’utilitzen actualment per fer front a les lesions de la regió maxil•lofacial. A partir d’aquí neix la idea de començar a treballar en el desenvolupament d’un disseny de placa per a osteosíntesi, és a dir, un dispositiu que ajudi en la reconstrucció de la zona de la mandíbula afectada actuant de manera similar a una pròtesi, però que un cop superada la lesió s’ha d’extreure mitjançant una segona intervenció quirúrgica. Les línies d’estudi del projecte seran dues, ben definides: - Disseny de la placa: un cop estudiat el cas en concret i analitzades les solucions comercials existents al mercat, després de fer un anàlisis funcional complet, es pretén aportar nous dissenys i escollir la millor solució que integri tots els - Viabilitat de la biocompatibilitat de materials: es farà una selecció de materials metàl•lics i polimèrics amb la fi de comparar-ne les seves propietats i estudiar la possibilitat d’incorporar material polimèric bioabsorbible en l’estructura mallada de reforç

La substitució de l’articulació del genoll per una prótesis és un fet cada vegada més comú i per això són cada vegada més els estudis realitzats al voltant d’aquest tipus de pròtesi. L’objectiu d’aquest projecte és avaluar mitjançant elements finits el comportament de l’os al implantar-se una pròtesi total de genoll. S’ha estudiat la influència en l’os de diferents implants així com de diferents materials, tenint especial importància el stress-shielding, efecte provocat per la pròtesi al ser implantada en l’os. La gravetat d’aquest efecte, entre d’altres, pot decidir l’èxit o el fracàs de la pròtesi. Els models comercials empleats en l’estudi es van obtenir a través d’escàner làser i el model tridimensional de la tíbia natural es va obtenir a partir d’una reconstrucció de tomografies computeritzades. El centre d’estudi ha estat el material conegut com a metall trabecular, és a dir, tàntal porós, comercialitzat per Zimmer y empleat en el present estudi. Finalment, s’ha obtingut un model capaç de proporcionar informació sobre la influència del material de la pròtesi i les seves conseqüències en el comportament ossi.

La inestabilitat del canell consisteix en una pèrdua de la fermesa dels moviments de l’articulació a causa del trencament d’un dels lligaments. Quan l’estructura lligamentosa no treballa adequadament, els ossos que uneix (escafoide i semilunar) deixen de realitzar els moviments de forma solidària, ja que cadascun d’ells es desplaçarà independentment i es perdrà l’equilibri del conjunt. El cas més habitual és el trencament del lligament escafolunar que comporta una inestabilitat dissociativa del carp, deguda a una separació excessiva (més de 5 mil•límetres) dels ossos semilunar i escafoide del carp Així que, l’objectiu del projecte és desenvolupar una pròtesi capaç de dur a terme la funció del lligament escafolunar de la forma més adient possible

The titanium alloys used in orthopaedic and dental implants are corrosion-resistant and compatible with the human body due to the titanium oxid film which forms spontaneously on the implant surface. However, the utilization of more than one type of alloy or metal on the same patient and the fragility and the thin thickness of the oxid layer, can give rise to the appearance of the corossion phenomena and/or ion release. It is well known that enough concentration of metallic particles are toxic, and are able to produce lnflammation, allergy genetic mutations or carcinogenic processes. With the purpose of minimize the corrossion in the implants and the metallic ion release to the physiological environment it is possible to grow up the titanium oxid layer in a controlled way to have a tough, homogeneous and stable layer with the anodization technique. In this work it is evaluated the improvements in corrosion resistance and the decrease of the metallic ion release due to the anodized layer.

The titanium alloys used in orthopaedic and dental implants are corrosion-resistant and compatible with the human body due to the titanium oxid film which forms spontaneously on the implant surface. However, the utilization of more than one type of alloy or metal on the same patient and the fragility and the thin thickness of the oxid layer, can give rise to the appearance of the corossion phenomena and/or ion release. It is well known that enough concentration of metallic particles are toxic, and are able to produce lnflammation, allergy genetic mutations or carcinogenic processes. With the purpose of minimize the corrossion in the implants and the metallic ion release to the physiological environment it is possible to grow up the titanium oxid layer in a controlled way to have a tough, homogeneous and stable layer with the anodization technique. In this work it is evaluated the improvements in corrosion resistance and the decrease of the metallic ion release due to the anodized layer.

Se tratan los aspectos mas significativos de distintos biomateriales empleados para la sustitución del tejido óseo pero haciendo énfasis en las cerámicas de óxido de zirconio (circonas). Se destacan las características de las cerámicas de circona que lo convierten en un material muy atractivo por sus excelentes propiedades mecánicas, en particular su elevada tenacidad a la fractura relacionada con la transformación martensítica que se produce cuando el material es sometido a un esfuerzo mecánico. Por esta razón se ha empleado como biomaterial en la fabricación de diversos componentes de prótesis articulares fundamentalmente en las prótesis de cadera. También se han empleado con relativo éxito en otras aplicaciones clínicas como la odontología y la cirugía máxilo-facial. En la actualidad, se trabaja en conferirle bioactividad a las cerámicas de circona para facilitar su unión al tejido óseo sin afectar sus buenas propiedades mecánicas.

Este trabajo reporta los resultados obtenidos al efectuar un análisis comparativo de las tensiones que se producen cuando se introducen prótesis totales de cadera en el fémur humano, con el fin de reemplazar la articulación coxofemoral. Se modelaron varias geometrías de prótesis con herramientas CAD-CAM y se realizaron análisis por elementos finitos de la interacción hueso-cemento y cemento-prótesis. Se proponen nuevas geometrías distales del implante, a fin de reducir las tensiones cortantes en las interfaces, las cuales son las responsables del fenómeno de reabsorción ósea y consecuente aflojamiento y pérdida de la cirugía de reemplazo. Se analizan igualmente dos materiales (Acero quirúrgico A316L y una aleación de Titano- Aluminio-Vanadio Ti6AL4V) as´ı como varios casos de carga biológicos a los cuales estaría sometido el implante durante su vida útil.

El objetivo de este trabajo es estudiar los modelos de fracturas de prótesis de tibia descritos en la literatura y, sobre la base de dichos conocimientos, desarrollar un ensayo para implantes en la cual se logren simular condiciones fisiológicas. El caso descrito con mayor frecuencia en la literatura es la migración de la parte medial de la prótesis, fenómeno que, a menudo, antecede a la fractura de la prótesis. La posición defectuosa resultante de dicha migración modifica el eje mecánico y provoca una sobrecarga en la parte medial de la prótesis. Se ha desarrollado un ensayo de implantes que simula el modelo de fallo in-vivo. Dos bases de material sintético de diferente dureza simulan la diferente densidad ósea medial y lateral, para permitir una migración del lado medial del platillo. En el ensayo dinámico el platillo tibial es sometido a una carga de un solo lado y el vástago de la prótesis se apuntala con un contrasoporte. Para simular el entorno fisiológico, todo el dispositivo se encuentra sumergido en una solución de Ringer a 37°. El implante de tibia es expuesto durante 10 millones de ciclos a una carga que corresponde al quíntuple del peso del cuerpo (4.000 N). El punto de aplicación de la fuerza fue tomado de datos de análisis del caminar (marcha en superficie plana, ascendente y descendente, subir escaleras). Con esta carga fisiológica se efectuaron los primeros ensayos. En éstas quedó demostrado que productos clínicamente exitosos podían superar el ensayo. Por el contrario, los productos con modelos de fracturas conocidos no la superaron. Los primeros resultados con estos productos demostraron también que el ensayo generaba muestras de fractura semejantes a las que se producen in vivo. Debido a la configuración fisiológica del dispositivo se somete el sistema completo es decir el platillo, el vástago de la prótesis y la unión - generalmente modular - entre ambos a ensayo. El "ensayo fisiológico de tibia " descrito ayuda a evaluar los diseños de tibia antes de que se autorice su venta. Nuevos implantes y modificaciones de diseño en implantes ya existentes son puestos a la venta después de cumplir con las exigencias del ensayo.

En las graves alteraciones morfo-estructurales de la rodilla, con inestabilidad en varusvalgus, las prótesis vinculadas a bisagra simple, tendían a fallar. El presente trabajo se propone evidenciar que, en tales situaciones, la prótesis vinculada a rotación representa la solución más idónea para el restablecimiento de una nueva normalidad. 18 pacientes (13 mujeres y 5 hombres) con edad media de 68 años han sido sometidos a intervención para colocar prótesis de rodilla. Ha sido utilizado el implante Endo-Model® de Waldemar Link®, prótesis vinculada a rotación. El follow-up medio es de 19 meses con controles a 2, 3, 6 y 12 meses y después anuales. Los resultados han sido: óptimo para 17 pacientes y bueno para 1 paciente, en el cual se ha verificado la ruptura post-operatoria del tendón cuadricipital. Nuestra casuística muestra resultados comparables a los de otros autores. No hemos tenido movilizaciones asépticas o sépticas, ni complicaciones médicas intraoperatorias y post-operatorias. Consideramos que, en presencia de la correcta indicación clínica, la utilización de la prótesis vinculada a rotación es preferible a la de deslizamiento porque disminuye el riesgo de una movilización precoz del implante y del desgaste anormal de los componentes protésicos, restableciendo una nueva normalidad biomecánica.