Rice Universitys ingenjörer hoppas kunna göra livet bättre för dem med ersättningsleder genom att modellera hur konstgjorda höfter sannolikt kommer att gnugga dem på fel sätt.

Beräkningsstudien från Brown School of Engineering-labbet av mekanisk ingenjör Fred Higgs simulerar och spårar hur höfter utvecklas, som på ett unikt sätt innehåller vätskedynamik och ojämnhet i ledytorna samt faktorer som kliniker vanligtvis använder för att förutsäga hur väl implantat kommer att stå sig över sin förväntade 15-åriga livslängd.

Teamets omedelbara mål är att främja designen av mer robusta proteser.

I sista hand, de säger att modellen kan hjälpa läkare att anpassa höftlederna för patienter beroende på kön, vikt, ålders- och gångvariationer.

Higgs och medförfattarna Nia Christian, en risstudent, och Gagan Srivastava, lektor i maskinteknik på Rice och nu forskare vid Dow Chemical, rapporterade sina resultat i Biotribologi.

Forskarna såg ett behov av att se bortom begränsningarna i tidigare mekaniska studier och vanliga kliniska metoder som använder enkel gång som baslinje för att utvärdera konstgjorda höfter utan att inkludera aktiviteter med högre effekt.

"När vi pratar med kirurger, de berättar att många av deras beslut är baserade på deras stora erfarenhet, ", sade Christian. "Men några har uttryckt en önskan om bättre diagnostiska verktyg för att förutsäga hur länge ett implantat kommer att pågå.

"Femton år låter som en lång tid, men om du behöver lägga en konstgjord höft i någon som är ung och aktiv, du vill att det ska hålla längre så att de inte har flera operationer, " Hon sa.

Higgs partikelflöde och tribologilabb bjöds in av Rice-mekanikern och bioingenjören B.J. Fregly, att samarbeta i sitt arbete med att modellera mänsklig rörelse för att förbättra livet för patienter med neurologiska och ortopediska funktionsnedsättningar.

"Han ville veta om vi kunde förutsäga hur länge deras bästa kandidathöftleder skulle hålla, sa Higgs, Rice's John och Ann Doerr professor i maskinteknik och en gemensam professor i bioteknik, vars egen fars knäprotes delvis inspirerade studien. "Så vår modell använder gångrörelse för riktiga patienter."

Fysiska simulatorer måste köra miljontals cykler för att förutsäga slitage och felpunkter, och det kan ta månader att få resultat. Higgs modell strävar efter att påskynda och förenkla processen genom att analysera verklig motion capture-data som den som produceras av Fregly-labbet tillsammans med data från "instrumenterade" höftimplantat som studerats av Georg Bergmann vid Free University of Berlin.

Den nya studien innehåller fysiks fyra distinkta sätt - kontaktmekanik, vätskedynamik, slitage och partikeldynamik — på spel i höftrörelser. Inga tidigare studier beaktade alla fyra samtidigt, enligt forskarna.

En fråga som andra inte övervägde var den ändrade sammansättningen av smörjmedlet mellan benen. Naturliga leder innehåller ledvätska, en extracellulär vätska med en konsistens som liknar äggvita och som utsöndras av synovialmembranet, bindväv som kantar leden. När en höft byts ut, membranet bevaras och fortsätter att uttrycka vätskan.

"I friska naturliga leder, vätskan genererar tillräckligt med tryck så att du inte har kontakt, så vi går alla utan smärta, ", sa Higgs. "Men en konstgjord höftled genomgår i allmänhet partiell kontakt, som allt mer sliter och försämrar din implanterade led med tiden. Vi kallar den här typen av gnidning blandad smörjning."

Att gnidning kan leda till ökad generering av slitageskräp, speciellt från plastmaterialet - en polyeten med ultrahög molekylvikt - som vanligen används som hålet (acetabulumkoppen) i konstgjorda leder. Dessa partiklar, uppskattas till upp till 5 mikron i storlek, blanda med ledvätskan kan ibland fly ut leden.

"Så småningom, de kan lossa implantatet eller få den omgivande vävnaden att brytas ned, ", sa Christian. "Och de bärs ofta till andra delar av kroppen, där de kan orsaka osteolys. Det finns mycket debatt om var de hamnar men du vill undvika att de irriterar resten av din kropp."

Hon noterade att användningen av metallhylsor snarare än plast är ett ämne av intresse. "Det har skett en stark push mot metall-på-metall höfter eftersom metall är hållbart, ", sa Christian. "Men några av dessa gör att metallspån går av. När de byggs upp med tiden, de verkar vara mycket mer skadliga än polyetenpartiklar."

Ytterligare inspiration till den nya studien kom från två tidigare verk av Higgs och kollegor som inte hade något med bioteknik att göra. Den första tittade på kemisk mekanisk polering av halvledarskivor som används vid tillverkning av integrerade kretsar. Den andra flyttade sin prediktiva modellering från mikroskala till full wafer-skala gränssnitt.

Forskarna noterade att framtida iterationer av modellen kommer att inkludera fler nya material som används vid ledersättning.