Pesquisar e desenvolver procedimentos inovativos e na fronteira do conhecimento em sistemas de avaliação computacional-experimental do comportamento mecânico em implantes para cirurgia ortopédica e cirurgia vascular.

A acelerada dinâmica de inovação do setor médico-hospitalar e consequente oferta de distintas tecnologias para saúde traz consigo a demanda de desenvolvimento de pesquisas científicas e tecnológicas que possibilitem determinar a segurança e a eficácia dos produtos e técnicas cirúrgicas empregados em cirurgia ortopédica e cirurgia vascular. Atualmente, nas áreas de Biomecânica Ortopédica e Biomecânica Vascular, estas pesquisas aplicadas baseiam-se em caracterizações físicas dos dispositivos médicos implantáveis e dos sistemas biomecânicos formados pela interação destes implantes com a estrutura óssea. Complementarmente, a capacidade de realizar a modelagem e a simulação computacional do comportamento destes sistemas biomecânicos pode possibilitar a investigação de melhorais nos projetos destes dispositivos bem como a obtenção de dados objetivos que possibilitem julgar a superioridade de uma técnica cirúrgica em relação a outras.

Embora esta linha de pesquisa esteja fora da área cardiovascular que caracteriza os principais parceiros médicos, espera-se que com o desenvolvimento de técnicas de computação científica na área ortopédica possa ser gerado um impacto nesta área da medicina, passando a estar em condições de atender parceiros médicos com expertise na área tais como o Instituto de Ortopedia e Traumatologia do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo. Por outro lado, algumas das técnicas de planejamento e avaliação cirúrgica a serem desenvolvidas para a área ortopédica tem aplicação direta na área de cirurgia vascular, tal como a implantação de stents. Por último, cabe ressaltar que para levar a cabo estas tarefas, é preciso pesquisar e desenvolver modelos constitutivos que sejam capazes de descrever o comportamento dos tecidos biológicos (paredes arteriais, ossos, tendões, etc.).

Atividades

1. Desenvolvimento e aprimoramento de modelo computacional representativo da coluna vertebral com inserção progressiva de melhoras na representação de tecidos moles e sistema conectivo. Utilização do modelo virtual da coluna para simulação e avaliação do desempenho biomecânico de diferentes tratamentos cirúrgicos empregando implantes de coluna tais como sistemas de estabilização pedicular e espaçadores intervertebrais, visando identificar vantagens dos tratamentos e aspectos da segurança e eficácia dos implantes utilizados. Aprimoramento de sistemas e dispositivos experimentais para realização de ensaios mecânicos normatizados (ASTM/ISO) e procedimentos não normatizados em sistemas e componentes ortopédicos de coluna que forneçam subsídios e parâmetros aos modelos de simulação.

2. Desenvolvimento e aprimoramento de modelo computacional representativo do joelho humano com inserção progressiva de melhoras na representação de tecidos moles e correspondente sistema conectivo. Utilização de modelo virtual de joelho para simulação e avaliação do desempenho biomecânico de diferentes tratamentos cirúrgicos da articulação do joelho (artroplastia total do joelho) e estruturas estabilizadoras (ligamentoplastia) visando identificar vantagens entre os tratamentos e aspectos da segurança e eficácia dos implantes e próteses, bem como investigar os mecanismos de falha registrados no uso clínico destes dispositivos médicos. Aprimoramento de sistemas e dispositivos experimentais para realização de ensaios mecânicos normatizados (ASTM / ISO) e procedimentos não normatizados em sistemas e componentes ortopédicos utilizados na cirurgia do joelho que forneçam subsídios e parâmetros aos modelos de simulação.

3. Desenvolvimento de modelos computacionais para avaliação/estimativa das características de desempenho mecânico de stents e/ou stent-grafts metálicos (força radial, retorno elástico). Serão modelados dispositivos autoexpansíveis e/ou expansíveis por balão durante as etapas de inserção (navegabilidade) e uso (fadiga pulsátil). Análise experimental do comportamento destes dispositivos em testes normatizados (ASTM-ISO) de inserção e uso (fadiga 380 x 106 ciclos) destes dispositivos vasculares e consequente suporte de informação aos modelos computacionais.

4. Estudo e desenvolvimento de modelos fenomenológicos variacionais para simulação de comportamento de tecidos biológicos (tecidos conectivos, tecidos vasculares) que permitam calibração originada por processos de homogeneização (multiescala, item 5.1.1) e/ou experimentais. Aprimoramento de técnicas e execução de ensaios in-vitro para estudo, caracterização de tecidos biológicos (conectivos e vasculares) utilizando métodos ópticos e dispositivos de ensaios multiaxiais para avaliação de propriedades anisotrópicas e identificação de parâmetros em modelos de material.

Metas

1. Até final de 2017: Aprimoramento de modelo de coluna disponível e realização de avaliação da resposta mecânica em diferentes dispositivos e técnicas de fixação de coluna (artrodese) e de próteses de disco intervertebral com respectivas análises comparativas de impacto clínico.
2. Até final de 2017: Execução de modelos e análises de stents autoexpansíveis com avaliações comparativas de desempenho que permitam estimar facilidade de implante, comportamento durante ciclos de carga e avaliação experimental de força radial, retorno elástico e resistência à fadiga pulsativa.
3. Até final de 2019: Desenvolvimento de modelo de joelho que permita a simulação comparativa de desempenho mecânico de próteses e implantes. Execução de análises de desempenho vinculadas à execução de ensaios sobre os mesmos implantes permitindo avaliação mecânica com impacto clínico dos produtos/sistemas.
4. Até 2021: Desenvolvimento de modelos constitutivos apropriados para tecidos biológicos e incorporação destes modelos na simulação de sistemas (coluna / articulação de joelho) em análises de avaliação biomecânica de implantes.

Impacto

O uso de próteses e implantes em ortopedia e cirurgia vascular tem possibilitado uma melhoria significativa na qualidade de vida de pacientes cujas habilidades funcionais tenham sido comprometidas por processos traumáticos ou doenças dos sistemas musculoesquelético e/ou circulatório. Entretanto, embora tenha havido um avanço expressivo no desenvolvimento de novos materiais e um incontestável progresso nas técnicas para colocação e no projeto dos implantes cirúrgicos, a ocorrência de falhas e complicações durante o uso destes dispositivos médicos?é ainda frequente. Estas falhas têm sido atribuídas a diferentes mecanismos de origem mecânica (sobrecarga, desgaste, fadiga), físico/eletroquímicos (corrosão, degradação) ou associados com o uso impróprio do implante, procedimento cirúrgico inadequado, projeto e fabricação de baixa qualidade, seleção errônea do material, dentre outros.
As falhas e eventos adversos oneram o sistema de saúde e a sociedade em geral, seja devido ao tempo de hospitalização em decorrência de cirurgias de revisões, seja devido ao custo do implante propriamente dito, ou seja ainda devido ao tempo de afastamento do trabalho pelo paciente. Estes prejuízos somam-se à morbidade associada com a nova intervenção cirúrgica, resultando em um quadro com impacto social fortemente negativo.A consolidação e o aprofundamento do domínio científico e tecnológico das tecnologias de implantes cirúrgicos aparece como o principal fator capaz de corrigir e otimizar este panorama. Neste contexto, a possibilidade de realizar pesquisas baseadas em simulação vinculada a ensaios experimentais sobre a segurança e a eficácia destas tecnologias é oportuna e pode fornecer retornos valiosos para médicos e pacientes no âmbito do SUS.