Capítulo 120 Biomecánica y desgaste de las artroplastias · Terapia conservadora, cirugía de salvamento y artroplastia de cadera y rodilla nivel de irradiación incrementa el vulcani-zado

© 2014 American Academy Of Orthopaedic Surgeons AAOS Comprehensive Orthopaedic Review 2 1361

I. Aspectos generales

A. Tribología: Es la ciencia que estudia la fricción, la lubricación y el desgaste entre superficies que entran en contacto en movimiento.

B. Bases del desgaste

1. Las formas de desgaste incluyen el desgaste ad-hesivo y el abrasivo, la fatiga de materiales y la exfoliación.

2. El desgaste adhesivo predomina en los pares de fricción de metal sobre polietileno que se utilizan en la artroplastia total de cadera. El contacto de metal sobre polietileno ha sido el parámetro de re-ferencia de los pares de fricción en las pasadas cuatro décadas.

3. En las artroplastias de rodilla se ven con frecuen-cia desgastes por exfoliación, abrasión y adhe-sión.

4. Los simuladores de las articulaciones de la cadera y la rodilla son el método adecuado para acopiar datos preclínicos sobre los mecanismos de desgas-te. Se ha visto que se producen partículas de tama-ño y forma parecidos a las que se generan in vivo.

5. El desgaste se mide de forma periódica por mé-todos gravimétricos basándose en la mínima pér-dida de peso que un material experimenta por el uso, haciendo equivalente un millón de ciclos de

prueba a un año de uso clínico; no obstante, da-tos recientes han mostrado que algunos pacientes realizan cerca de dos millones de ciclos al año.

II. Articulación de la cadera

A. Desgaste de las prótesis de cadera

1. Es bien conocido que los residuos de polietileno producidos por el movimiento de deslizamiento de la cabeza del fémur sobre el polietileno que re-cubre la copa acetabular son los responsables de la osteolisis del hueso que rodea las prótesis de cadera y el subsiguiente fallo de la artroplastia. Esto ha llevado a desarrollar pares de fricción de cerámica sobre cerámica y de metal sobre metal (también llamados par de fricción “duro sobre duro”) y de polietilenos resistentes al desgaste.

2. Además de los residuos generados por la superfi-cie articular, el movimiento relativo en las unio-nes modulares y el contacto inintencionado en los pinzamientos también pueden generar residuos importantes.

B. Biomecánica y cinemática

1. Movimiento en la articulación de la cadera.

a. La articulación de la cadera es inherentemen-te estable gracias a su configuración rígida de bola y receptáculo y a su elevada conformidad. No obstante, debe tener a la vez gran movilidad para permitir las actividades de la vida diaria.

b. El rango de movilidad de la cadera es mul-tiaxial e incluye movimientos en los planos sagital, frontal y transversal.

• En el plano sagital, el movimiento de fle-xión-extensión puede pasar de los 145° con la rodilla en flexión.

• En el plano frontal, el arco de abducción alcanza los 120° y con el entrenamiento puede llegar a los 180°.

• En el plano transversal, los arcos de rota-ción interna y externa son de unos 30° y 60°, respectivamente.

Capítulo 120

Biomecánica y desgaste de las artroplastiasPaul Beaulé, MD, FRCSC; Mario Lamontagne, PhD; Vikas Khanna, MD, FRCSC

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El Dr. Beaulé o alguno de sus familiares inmediatos han re-cibido regalías de Wright Medical Technology; pertenecen al grupo de oradores o han hecho presentaciones científi-cas remuneradas para Smith & Nephew y MEDACTA; son consultores o empleados remunerados de Corin U.S.A., Smith & Nephew y MEDACTA; poseen acciones u opcio-nes sobre acciones de Wright Medical Technology; y han recibido ayudas institucionales o para sus investigaciones científicas de Corin U.S.A. y DePuy. El Dr. Lamontagne o alguno de sus familiares inmediatos han recibido ayudas institucionales o para sus investigaciones científicas de Medacta International. El Dr. Khanna o alguno de sus fa-miliares inmediatos han recibido regalías y son consulto-res o empleados remunerados de Stryker.

Sección 9: Terapia conservadora, cirugía de salvamento y artroplastia de cadera y rodilla

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aproximadamente 5,2 veces el peso corpo-ral.

• Los pares de fuerzas y de torsión más altos calculados sobre la articulación de la cade-ra se dan al bajar escaleras, lo que explica la tendencia a que los síntomas aparezcan con este movimiento.

b. Los estudios de la biomecánica de la articula-ción de la cadera durante la marcha han mos-trado que el aumento de la separación femoral (la distancia perpendicular desde el centro de la cabeza del fémur al eje anatómico del fé-mur) se correlaciona con menor necesidad de fuerzas de abducción para producir un movi-miento de la cadera constante, con lo que se reducen las fuerzas de reacción de la articu-lación. El diagrama de cuerpo libre de la arti-culación de la cadera (Figura 1) muestra que el aumento de la separación femoral aumenta el momento de fuerza de la cadera. Si el mo-mento de fuerzas se mantiene constante y dis-minuye la separación femoral, la fuerza de la musculatura abductora se reduce y secunda-riamente también las fuerzas de reacción de la articulación.

• Al restablecer la separación femoral tras la artroplastia de cadera se optimiza la fun-ción de los músculos abductores mante-niendo su brazo de palanca a la longitud adecuada y consiguiendo la fuerza de ab-ducción ideal para conseguir una marcha normal.

• Los aumentos o disminuciones excesivos del brazo de palanca de los abductores (separación femoral) pueden alterar la fun-ción muscular al reducir la fuerza de ab-ducción.

• La disminución de la fuerza de los músculos abductores altera la estabilidad de la articulación. Esto pone en marcha un mecanismo reactivo neuromuscular que aumenta el nivel de la co-contracción muscular y las fuerzas de reacción de la articulación. El aumento de las fuerzas de reacción de la articulación incrementa la velocidad de desgaste de las prótesis im-plantadas.

C. El polietileno en las artroplastias de cadera

1. Fabricación: los componentes de las prótesis que llevan polietileno de ultra alto peso molecular se fabrican por dos métodos principalmente:

a. Moldeado directo, mediante el cual se aplican calor y presión al polvo de polietileno para transformarlo en el producto final.

b. Manufacturado de barras o láminas de polieti-leno para darles la forma definitiva.

c. Se han estudiado los ángulos de la articulación de la cadera durante diversas actividades y se han encontrado amplios grados de flexión (en cuclillas: 95,4° de flexión, 28,2° de abducción y 25,7° de rotación externa; de rodillas: 73,9° de flexión, 25,3° de abducción y 28,1° de rota-ción externa; sentado con las piernas cruzadas: 85,4° de flexión, 36,5° de abducción y 40,3° de rotación externa). Los rangos de movilidad requeridos por la mayoría de las personas para realizar estas actividades son mayores de los que permiten las prótesis actuales.

2. Movimientos de superficie.

a. Los movimientos de superficie en la articula-ción de la cadera se pueden considerar como el deslizamiento de la cabeza del fémur en el acetábulo.

• Este deslizamiento se debe al movimiento pivotante de la articulación de bola y re-ceptáculo en los tres planos alrededor del centro de rotación de la cabeza del fémur.

• Algunos autores señalan que la mayor par-te del movimiento deslizante tiene lugar en el cuadrante superior de la cabeza del fémur.

b. Si el deslizamiento de la cabeza del fémur con el acetábulo es incongruente, las fuerzas de ci-zalla resultantes no son paralelas a la super-ficie y el cartílago articular sufre compresio-nes anormales que llevan a la artrosis. Tal es el caso del pinzamiento femoroacetabular de tipo leva, en el que la cabeza del fémur no es-férica lesiona de fuera adentro el cartílago ace-tabular; este mecanismo puede estar en la base de muchos casos anteriormente etiquetados de artrosis idiopática.

3. La cadera como fulcro.

a. La cadera funciona efectivamente como un ful-cro, que consigue un estado de equilibrio entre el peso del cuerpo y la oposición de los mús-culos abductores de la cadera. Para mantener este estado de equilibrio, hay que equilibrar la fuerza de los músculos abductores contra el peso del cuerpo. Como el brazo de palanca en-tre la cabeza del fémur y las inserciones de los músculos abductores es mucho más corto que el que hay entre la cabeza del fémur y el peso del cuerpo, los músculos abductores deben ge-nerar una fuerza mucho mayor. Por tanto, la fuerza de reacción de la articulación de la ca-dera es mucho mayor que el peso del cuerpo.

• La fuerza de contacto máxima en la articu-lación de la cadera al caminar es aproxima-damente 2,5 veces el peso corporal.

• La fase de despegue al correr genera una fuerza de contacto de la articulación de

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nivel de irradiación incrementa el vulcani-zado del polietileno (Figura 2) y mejora su resistencia al desgaste.

• Es necesario volver a fundir el producto para eliminar los radicales libres creados en este proceso de esterilización perfeccio-nado.

b. Refundición y anelización: es importante dis-tinguir entre estos dos conceptos. Los diferen-tes fabricantes utilizan ambos.

• En la refundición, el polietileno se pasa desde su estado parcialmente cristalino al amorfo. Esto puede empeorar las propieda-des de desgaste del polietileno.

• En la anelización, el polietileno se calien-ta hasta una temperatura por debajo de su punto de fusión, con lo que se evita reducir su cristalinidad pero se deja gran cantidad de radicales libres. Hay dudas de si este proceso acaba provocando la oxidación del polietileno con el tiempo.

• Los procesos actuales que se utilizan en la manufactura del polietileno a veces inclu-yen refundición general y un proceso de es-terilización final con óxido de etileno.

2. Esterilización.

a. La mayoría de los componentes protésicos fabricados con polietileno de ultra alto peso molecular se han venido esterilizando tradicio-nalmente mediante irradiación gamma en aire ambiente, con dosis de 2,5 a 4,0 Mrad. Este método genera radicales libres, que pueden de-gradar el polietileno por oxidación y acelerar su velocidad de desgaste, la exfoliación o el desarrollo de fracturas macroscópicas.

b. Algunos componentes de polietileno se esteri-lizan sin radiación, utilizando óxido de etile-no o plasma de gas de peróxido de hidróge-no. Este polietileno tiene peores propiedades de resistencia a la degradación; la irradiación, pese a sus inconvenientes, induce el vulcaniza-do del polietileno, que aumenta su resistencia a la degradación.

3. Polietileno altamente vulcanizado.

a. Actualmente, el polietileno se esteriliza en un atmósfera inerte (óxido de etileno o plasma de gas de peróxido de hidrógeno) para evitar que se formen radicales libres.

• Se aplica radiación gamma o por haces de electrones a 5-10 Mrad. Este aumento del

Figura 1 Diagrama de fuerzas sobre un cuerpo libre en la articulación de la cadera. FO: separación femoral; FX Hip: fuerza neta sobre la cadera en el eje X; FX Knee: fuerza neta sobre la rodilla en el eje X; FY Hip: fuerza neta sobre la cadera en el eje Y; FY Knee: fuerza neta sobre la rodilla en el eje Y; G: vector de la fuerza de la gravedad; MZ Hip: momento de fuerza neto sobre la cadera alrededor del eje Z; MZ Knee: momento de fuerza neto sobre la rodilla alrededor del eje Z; WThigt: vector total del peso del muslo desde el centro de masa.



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lietileno a la fractura, porque los cristales detienen la propagación de las grietas.

• Ha habido unos pocos casos de fallo pre-maturo cuando el componente acetabular se colocó verticalmente, con el polietileno delgado en el reborde. Esto es especial-mente preocupante en prótesis con cabezas femorales grandes, que tienen un recubri-miento acetabular de polietileno más fino.

d. La mayor resistencia al desgaste de los nuevos polietilenos permite que hoy día se implanten prótesis de cadera con cabezas femorales ma-yores (> 32 mm).

• Antiguamente, las cabezas femorales gran-des se desgastaban más rápidamente por la mayor distancia de deslizamiento de la cabeza sobre el acetábulo con cada paso.

• En seguimientos a corto plazo se han en-contrado marcadas reducciones de la velo-cidad de desgaste in vivo de estas cabezas femorales de mayor tamaño con los nuevos métodos de manufacturar el polietileno.

D. Par metal-metal

1. Fundamento.

a. Las articulaciones de metal sobre metal tienen menos desgaste volumétrico que las de metal sobre polietileno.

b. Este menor desgaste puede reducir la inciden-cia de fallos por osteolisis.

c. El entusiasmo por utilizar articulaciones de metal sobre metal lo atempera la posibilidad de que se generen iones metálicos por el roce, que no se dan en las articulaciones estándar de metal sobre polietileno o con las de cerámicas.

2. Aspectos teóricos de la lubricación de metal-metal.

a. El desgaste de las prótesis de metal sobre metal se caracteriza por un período inicial de des-

c. Se dispone hoy en día de polietilenos altamen-te vulcanizados de segunda generación. En el proceso de su fabricación se utilizan vitamina E, deformación mecánica o dosis bajas de radia-ción alternando con anelización con la finali-dad de reducir la génesis de radicales libres.

4. Rendimiento.

a. Las pruebas in vitro del polietileno altamente vulcanizado han demostrado significativamen-te menor velocidad de desgaste que el polie-tileno convencional en los simuladores de la articulación de la cadera.

b. Los resultados in vivo del polietileno vulcani-zado han sido muy alentadores.

• Se han encontrado reducciones significati-vas del desgaste (del 55% al 95% meno-res que el polietileno no vulcanizado); no obstante, estos datos se han recogido en ensayos que utilizaron diversos tipos de polietilenos, algunos no vulcanizados en absoluto y otros con vulcanizado estándar (producido a 2,5 a 4,0 Mrad). Esto expli-ca el amplio rango de reducciones relativas del desgaste encontradas con los nuevos métodos de manufactura del polietileno.

• A velocidades de desgaste del polietileno de menos de 0,1 mm por año, el riesgo de osteo-lisis es muy bajo. La mayoría de las prótesis disponibles con componentes de polietileno han conseguido esas velocidades de desgaste.

c. Una consecuencia indeseable de estos nuevos métodos de manufacturar el polietileno ha sido la menor dureza para resistir a la fractura. Esto se ha visto con la refundición pero no con la anelización.

• En el proceso de refundición, el porcentaje final de cristalinidad del polietileno es li-geramente menor que al principio; aun así se reduce la dureza y la resistencia del po-

Figura 2 Imágenes de microscopía electrónica de barrido en las que se muestran las huellas del desgaste en dos materiales dife-rentes tras probarlos en un simulador de rodilla durante dos millones de ciclos en condiciones idénticas. A, Polietileno convencional (resina 1050 irradiada a 25 kGy). B, Polietileno altamente vulcanizado (resina 1050 irradiada a 65 kGy). El material convencional muestra mayor desgaste. Los módulos elásticos fueron de 1,0 GPa para el material convencio-nal y de 800 MPa para el altamente vulcanizado. (Reproducida con la debida autorización de Furman BD, Maher SA, Morgan T, Wright TM: Elevated crosslinking alone does not explain polyethylene wear resistance, en Kurtz SM, Gsell R, Martell J, eds: Crosslinked and Thermally Treated Ultra-High Molecular Weight Polyethylene for Joint Arthroplasties. ASTM STP 1445. West Conshohocken, PA, ASTM International, 2004, pp 248-261.)



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• Una distancia CPR menor de 5 mm aumen-ta los niveles de iones metálicos y las tasas de aflojamiento, desgaste y luxación de la prótesis.

• Entre los factores que disminuyen la dis-tancia CPR están el aumento del ángulo de abducción del componente acetabular, la excesiva anteversión de la copa acetabular y diseños de ésta con arcos de recubrimien-to menores de la cabeza femoral.

3. Resultados in vivo.

a. Los primeros datos in vivo analizados con las prótesis de McKee-Farrar encontraron que la ve-locidad lineal media de desgaste era de 0,003 y 0,004 mm/año para la cabeza femoral y la copa acetabular, respectivamente. Las cabezas femo-rales de diámetro mayor (42 mm), comparadas con las de diámetro menor (35 mm), tienen velo-cidad de desgaste volumétrico dos veces menor (0,7 frente a 1,4 mm3 por año, respectivamente).

b. La generación actual de pares de fricción de metal sobre metal (aleación de cobalto-cromo forjado con alto contenido de carbón) con ca-bezas femorales de 28 mm de diámetro tienen velocidades de desgaste in vivo de 27,8 µm/año durante el primer año de uso y de 6,2 µm/año pasado el segundo; la velocidad de desgaste generalmente es mayor en las cabezas femora-les que en las copas acetabulares. También se han encontrado correlaciones positivas entre la holgura y la velocidad de desgaste.

c. Los pares de fricción de metal sobre metal y las correspondientes partículas metálicas despren-didas pueden liberar iones metálicos en concen-traciones sustancialmente mayores que con las prótesis recubiertas con polietileno o cerámi-cas; estos iones pueden formar sustancias orga-nometálicas solubles o precipitadas.

• Las partículas de degradación del desgaste de metal sobre metal tienen un diámetro aproximado de 10 a 50 nm.

• La corrosión, tanto mecánica como quí-mica, de las superficies articulares de una prótesis de metal sobre metal lleva a la producción de iones metálicos (p. ej., Co2+), que pueden medirse en los tejidos, en sangre y en orina. Las concentraciones de estos iones se están analizando ahora prospectivamente en los dispositivos de prótesis de cadera tanto de recubrimiento como con vástago y se han visto aumen-tadas en todas las series en las que se han analizado.

4. Inconvenientes de los pares de fricción metálicos.

a. Recientemente se han descrito dos tipos de reacciones adversas en las prótesis de cadera

gaste por acondicionamiento mutuo durante el primer millón de ciclos al que sigue la fase estable con desgaste a velocidad uniforme.

b. El volumen total del metal que contacta sobre metal que tienen las superficies articulares está relacionado con la presencia de un grosor mí-nimo de la película del líquido elastohidrodi-námico necesario para que se den las condicio-nes medias de operación de carga, velocidad, viscosidad y elasticidad de los metales utiliza-dos en cada prótesis, que se describe mediante el cociente lambda.

• El cociente lambda es la relación entre el grosor de la capa líquida y la media cua-drática de la rugosidad de la superficie.

• Un cociente lambda de 1 o menos en un par de fricción de metal sobre metal significa que hay condiciones de lubricación pobres y que las fuerzas abrasivas se desarrollan por con-tacto directo entre las dos superficies que ro-zan. Un cociente lambda de 3 o mayor, por otro lado, indica que la lubricación por la pe-lícula líquida es suficiente como para reducir marcadamente el efecto de las cargas y, por tanto, minimizar la fricción y el desgaste.

c. La holgura es otro factor que influye sobre el desgaste de los pares de fricción de metal sobre metal.

• En la artroplastia total de cadera, la hol-gura es la diferencia entre el diámetro de la cabeza femoral y el de la copa acetabu-lar; valores de 100 a 200 µm consiguen los mayores grosores de película lubricante. Con estos valores de holgura se consigue el máximo atrapamiento de líquido lubicante entre las dos superficies en contacto.

• Las holguras excesivas aumentan el desgas-te y las demasiado bajas provocan efecto abrazadera o agarre ecuatorial.

d. Los diámetros de la cabeza femoral grandes aumentan la velocidad de incorporación (es decir, la velocidad a la cual el líquido entra en la articulación), aumentando la lubricación. Aun con diámetros de la cabeza y holguras ideales, es probable que in vivo haya lubrica-ciones de tipo mixto.

e. Distancia punto de contacto-reborde (CPR).

• La distancia CPR es la que va desde al pun-to de aplicación de las fuerzas de reacción articulares al borde del componente aceta-bular con el paciente en sedestación.

• Hay una relación inversa entre el desgaste y la distancia CPR.

• La distancia CPR media es de aproximada-mente 14 mm.



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una cerámica densa policristalina obteni-da a partir del polvo de óxido de aluminio prensado en un molde a temperatura muy elevada.

• El óxido de aluminio es muy estable y quí-micamente inerte.

• Aunque la alúmina es muy resistente a la compresión, a la vez es frágil y quebradiza.

• Recientes análisis de los datos clínicos muestran tasas de fractura de los compo-nentes de alúmina de las prótesis de cadera de aproximadamente el 0,012%.

b. Zirconia.

• Para minimizar el riesgo de fractura inhe-rente a la alúmina se introdujo como com-puesto cerámico alternativo el dióxido de zirconio (zirconia) para fabricar compo-nentes de articulaciones protésicas.

• Contrariamente a la alúmina, la zirconia ne-cesita un proceso de estabilización química.

• La zirconia adopta tres estructuras crista-linas diferentes: monoclínica, tetragonal y cúbica. Los cambios de fase varían más el volumen que con la alúmina y reducen significativamente la durabilidad mecánica por la aparición de grietas. Para mantener la zirconia en su fase más estable, la tetra-gonal, se le han añadido óxidos de itrio, dando lugar a la zirconia policristalina te-tragonal estabilizada con itrio.

• Desafortunadamente, el desgaste clínico de la zirconia sobre polietileno es mayor in vivo de lo que los estudios in vitro pre-dijeron, llegando hasta 0,17 mm/año. Esta cifra es sustancialmente mayor que el des-gaste observado de la articulación de alú-mina sobre polietileno, de 0,07 mm/año en promedio.

2. Velocidad de desgaste.

a. La alúmina es un material hidrófilo. Para con-seguir la película de lubricación óptima deben obtenerse holguras de 20 a 50 µm durante el proceso de manufacturado.

b. Al igual que los pares de fricción de metal so-bre metal, el acoplamiento alúmina/alúmina exhibe un comportamiento bifásico, con velo-cidades de desgaste en las fases de acoplamien-to y de estabilización de 1,2 y 0,02 mm3 por millón de ciclos, respectivamente.

• En general, la reducción del tamaño del gra-no y de la porosidad de la alúmina se co-rrelaciona con menor velocidad de desgaste.

• Recientemente se ha observado con preocu-pación el fenómeno de la microseparación,

con diseño de metal sobre metal degeneradas, caracterizadas por respuestas osteolíticas con dolor persistente; su frecuencia se desconoce.

• Una de ellas es el infiltrado perivascular de lin-focitos característico de la reacción de hi-persensibilidad retardada a los productos de degradación del metal, con aparición de una respuesta inmunológica típica.

• Otros autores han encontrado células plas-máticas, linfocitos B y exudados de fibrina masivos no característicos de una reacción de hipersensibilidad tardía de tipo IV y que han denominado lesión vasculítica domina-da por linfocitos (ALVAL) o respuesta inmu-nológica dominada por linfocitos (LYDIA).

• Se han descrito seudotumores o reacciones adversas tisulares locales tras recubrimien-tos de metal sobre metal en la cadera así como en artroplastias con cabezas femora-les grandes, con incidencias mucho mayores en este último grupo. Los estudios histopa-tológicos de varios de estos seudotumores extirpados apuntan a que se trata de una ALVAL combinada con importante necro-sis tisular. Se han encontrado seudotumores tanto en prótesis que provocan dolor como normofuncionantes; el grado de desgaste no se correlaciona directamente con la grave-dad de las reacciones adversas locales.

b. Las partículas de la degradación del metal pueden tener efectos citotóxicos al distribuirse por todo el cuerpo.

• Una reciente revisión de la incidencia de cán-cer en pacientes con prótesis de metal sobre metal encontró que la leucemia era la única neoplasia que podría tener mayor incidencia en estos pacientes. El período de seguimiento fue solamente de 5-14 años; los seguimientos más prolongados no han mostrado mayor proporción de cánceres hemopoyéticos.

• Un amplio estudio poblacional más recien-te no ha encontrado mayor riesgo de cán-ceres hemopoyéticos ni de otro tipo en siete años de seguimiento.

• También es importante el dato de que en un estudio con seguimiento de 20 años de pacientes con artroplastia total de cadera no se encontraron diferencias de mortali-dad entre los pacientes con prótesis de me-tal sobre metal y de metal sobre polietileno.

E. Pares de fricción cerámicos

1. Propiedades de los materiales.

a. Alúmina.

• La alúmina utilizada actualmente en las artroplastias (óxido de aluminio, Al2O3) es



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macho de la pieza (muñón) comprime la parte hembra (la perforación de la cabeza femoral), engranando los dos componentes en dirección axial y rotatoria.

b. El inconveniente de la modularidad es que cada superficie adicional en una prótesis aumen-ta el número de posibles zonas de fallo.

c. Los componentes modulares pueden formar una capa superficial protectora de óxido (auto-pasivación) que resiste a la corrosión. El desajuste entre los componentes metálicos y los micro-movimientos pueden ir rompiendo esta capa haciéndola susceptible a la corrosión.

d. En la unión cabeza-cuello de una artroplastia total de cadera pueden darse tres modalidades de corrosión.

• Corrosión por agrietamiento: la presencia de pequeños huecos permite que entren los humores corporales y desgasten la pieza cónica de la prótesis de Morse. La inciden-cia de este tipo de corrosión en estudios de piezas explantadas es del 35% al 40% en las piezas compuestas por aleaciones de va-rios metales y del 9% al 28% en las com-puestas por una sola aleación.

• Corrosión por abrasión: está producida por micromovimientos en la interfase ca-beza femoral-cuello. Algunos estudios su-gieren que puede haber menos corrosión cuando una cabeza de cerámica se engrana con un muñón de cobalto-cromo.

• Corrosión galvánica: se da en presencia de líquido cuando hay disparidad de la alea-ciones metálicas. Este tipo de corrosión se ve más cuando un muñón de titanio se en-grana con una cabeza de cobalto-cromo.

e. Fracturas por fatiga del cuello.

• La fractura por fractura del cuello femoral es una complicación rara causada por los movimientos repetitivos del componente femoral.

• Los factores de riesgo incluyen la mayor largura del cuello femoral y la obesidad del paciente.

• Las piezas de unión de mayor diámetro (14/16) tienen mayor resistencia a la frac-tura por fatiga pero a la vez mayores tasas de luxación, porque el pellizcamiento entre los componentes del cuello y acetabular aparece antes en el arco de movimiento que con las de diámetro menor (12/14).

f. Concentraciones plasmáticas de iones metálicos.

• En algunas series de casos se han identifi-cado altas concentraciones plasmáticas de

que lleva al desgaste por rayado (general-mente presente en la cabeza femoral, donde el borde ejerce fuerza sobre el acetábulo); se cree que se produce por la presión mar-ginal en el momento de levantarse desde la posición sentada.

• La velocidad de desgaste por rayado en las artroplastias totales de cadera puede llegar a 0,3 mm/año o 1,24 mm3 por millón de ciclos.

• Recientes análisis de los tamaños de los re-siduos de la degradación de la alúmina han mostrado una distribución bimodal, con partículas de 5 a 90 nm y de 0,05 a 3,2 µm. Estas últimas se atribuyen a la microsepa-ración entre la superficie del acetábulo y la de la cabeza femoral.

c. Generalmente, los tejidos periprotésicos en las prótesis de cerámica sobre cerámica desgasta-das tienen capas sinoviales más finas, menor número de macrófagos y menor producción de sustancias osteolíticas que las superficies de metal sobre polietileno.

3. Inconvenientes de los pares de fricción cerámicos.

a. La reintervención de las prótesis cerámicas tras fracturas catastróficas de la cabeza femo-ral cerámica sigue siendo un problema difícil; algunos autores señalan tasas de persistencia de la prótesis de sólo el 63% a los cinco años, a causa de aflojamiento aséptico y osteolisis.

b. Tras un fallo catastrófico, los mejores resul-tados se obtienen practicando sinovectomía completa, implantando un componente femo-ral cerámico o de cobalto-cromo y cambiando el componente acetabular.

c. Sigue discutiéndose cómo tratar los conos de unión entre el cuello y la cabeza femorales de una prótesis total de cadera. Aunque algunos auto-res han encontrado buenos resultados sin reci-diva de la fractura de la cabeza cerámica man-teniendo esta pieza, se recomienda implantar una nueva si hay dudas sobre el estado de la conexión entre el vástago y la nueva cabeza femoral cerámica.

4. Modularidad y corrosión cabeza-cuello femoral.

a. Fundamento.

• La modularidad cabeza-cuello del compo-nente femoral de una artroplastia total de cadera permite flexibilidad intraoperatoria para adaptarse a la longitud de la pierna del paciente y, en menor grado, a la separación cabeza-cuello. También facilita el cambio de la cabeza femoral durante la reartroplastia.

• La modularidad es típica del componente cónico de unión en la prótesis de Morse. A medida que va ensanchándose, el extremo



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B. Biomecánica

1. El centro instantáneo normal de la articulación de la rodilla sigue un recorrido semicircular, relacio-nado con la superficie tibiofemoral y los ligamen-tos que cruzan la articulación.

a. El movimiento en la superficie articular se pro-duce entre los cóndilos tibiales y femorales y entre los cóndilos femorales y la rótula.

b. Los estudios han señalado que la ruptura de los ligamentos cruzados o la interrupción de la su-perficie tibiofemoral, incluyendo los meniscos, modifican grandemente el recorrido del centro instantáneo y provocan disfunción articular.

2. La velocidad de movimiento entre el cóndilo y el platillo tibial de una prótesis de rodilla cuantifica el grado de bamboleo y el deslizamiento una sobre la otra de las superficies articulares tibiofemorales. Las velocidades de deslizamiento son mayores al caminar en el momento de apoyar el talón, aumen-tando la posibilidad de que haya más productos residuales de la degradación por abrasión.

3. El éxito de la artroplastia total de rodilla se basa en la colocación correcta de los componentes para restaurar el eje mecánico de la extremidad.

4. En los estudios de la marcha se ha visto que la corrección de la deformidad en varo de la rodilla para restablecer la alineación normal tras la ar-troplastia total de rodilla puede reducir los patro-nes de contracción muscular asimétrica y la carga sobre la articulación, lo cual reduce, a su vez, el riesgo de aflojamiento del componente tibial.

C. Polietileno en las prótesis de rodilla

1. Desgaste.

a. El desgaste del polietileno en la artroplastia total de rodilla tiene muchas causas y se mani-fiesta de diferentes maneras.

b. Puede dividirse en tres categorías: exfoliación, desgaste por abrasión y desgaste adhesivo.

• La exfoliación es la formación de grietas en la superficie del polietileno, que con el tiempo van extendiéndose.

• El desgaste abrasivo y adhesivo hace referen-cia a las partículas residuales formadas por micromovimientos entre los componentes de polietileno y metálicos de las prótesis. Esto puede darse entre la superficie inferior del re-cubrimiento de polietileno y la base tibial de la prótesis total de rodilla o entre el puntal de polietileno y el cajetín femoral en las pró-tesis de sustitución del cruzado posterior.

c. La producción de partículas de degradación del polietileno da inicio a un proceso infla-matorio que acaba en reabsorción del hueso y aflojamiento aséptico. Los residuos del po-

cobalto o titanio en pacientes que no lle-vaban implantes de metal sobre metal. Se sospecha que proceden de las interfases modulares cabeza-cuello.

• Un estudio retrospectivo reciente de pacien-tes con prótesis de cadera de metal sobre po-lietileno encontró concentraciones elevadas de cobalto acompañadas de sinovitis local y osteolisis debidas a corrosión de la unión cónica modular cabeza-cuello de esas próte-sis. Los hallazgos eran similares a las reac-ciones tisulares encontradas con las prótesis de metal sobre metal degeneradas.

• La corrosión en la unión cabeza-cuello se considera una fuente importante de libera-ción de iones metálicos y formación de seu-dotumores que requieren reintervención.

g. Otras zonas de modularidad en las artroplas-tias de cadera.

• La unión modular cuello-vástago es otra po-sible fuente de corrosión. Un análisis reciente de piezas explantadas mostró corrosión en la unión cabeza-cuello en un 54% de los com-ponentes de metal sobre metal y corrosión de la unión cuello-vástago en el 88%.

• La modularidad metafisaria cuello-vástago en una artroplastia total de cadera puede ser otro sitio de corrosión, aunque los fallos por corrosión a este nivel publicados son raros.

III. Articulación de la rodilla

A. Cinemática

1. La cinemática de la articulación de la rodilla des-cribe el movimiento en los planos sagital, trans-versal y frontal.

a. El mayor rango de movimiento se da en el pla-no sagital (aproximadamente 160°).

b. El movimiento en los planos transversal y fron-tal está vinculado a la posición de la articula-ción en el plano sagital. El rango de movimien-to aumenta a medida que va flexionándose la rodilla, alcanzando el máximo a 90° de flexión.

2. Los rangos de rotación de la rodilla van desde 45° en rotación externa y 30° en rotación interna.

3. En el plano frontal, el rango de movimiento en abducción y aducción llega a los 10°.

4. Los rangos de movimiento en los planos sagital, frontal y transversal al caminar son alrededor de 70°, 15° y 10°, respectivamente.

5. Movimientos más extremos, como en el acucli-llamiento, requieren flexión de la rodilla de hasta 160° y rotación externa de hasta 20°.



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• La exposición al oxígeno durante el almace-namiento o tras la implantación puede ha-cer que los radicales libres unidos al polieti-leno empeoren sus propiedades mecánicas.

b. Grosor.

• Grosores de los implantes de menos de 6 mm aumentan la velocidad de desgaste.

• Se recomienda que el grosor del polietileno sea al menos de 6 a 8 mm.

5. Desgaste del polietileno y osteolisis.

a. La degradación del polietileno es la causa principal de la osteolisis.

b. La aparición de osteolisis como problema impor-tante en las artroplastias de rodilla se corresponde con el cambio de diseño de los componentes de las prótesis, desde los tibiales formados completa-mente por polietileno a los componentes modula-res que incluyen una base tibial de metal.

• Las prótesis de rodilla actuales utilizan un componente tibial modular.

• Se ha achacado la producción de residuos de degradación del polietileno a los meca-nismos de bloqueo, debido a los micromo-vimientos entre la base tibial y el inserto de polietileno.

• El término “desgaste trasero” hace referencia a la formación de residuos de polietileno por los micromovimientos entre la cara inferior del inserto de polietileno y la bandeja tibial.

• Los componentes tibiales modulares de los primeros diseños de prótesis tenían placas tibiales con un acabado rugoso. Se ha visto que esto aumenta el desgaste por abrasión y la producción de partículas de degrada-ción del polietileno.

c. El pellizcamiento tipo leva del puntal también es una fuente de residuos de polietileno en las artroplastias de rodilla con sustitución del cru-zado posterior. Algunos autores han señalado como causa las fuerzas de rotación transmiti-das desde el puntal a la base tibial, aumentan-do el desgaste trasero en este tipo de prótesis.

6. Aspectos relacionados con el diseño (Tabla 1).

a. Han mejorado los diseños de los mecanismos de bloqueo entre la base tibial y el recubri-miento de polietileno con la finalidad de evitar el desgaste trasero.

b. Los diseños contemporáneos también han me-jorado el acabado de las bases tibiales para re-ducir el desgaste por abrasión y por adhesión.

c. Se han puesto a punto diseños de charnela mó-vil en un intento de desacoplar la rotación y el deslizamiento con el fin de reducir la carga so-bre el polietileno en la interfase tibio-femoral.

lietileno son fagocitados por los macrófagos de los tejidos circundantes, los cuales liberan citocinas que estimulan la producción y la fun-ción de los osteoclastos para dar origen a la reabsorción del hueso.

d. La investigación se ha centrado en hallar los factores de riesgo que llevan al desgaste del polietileno. El tipo de resina de polietileno, el procesado inicial, la esterilización y el empa-quetado contribuyen todos ellos independien-temente a la producción de residuos de degra-dación del polietileno.

e. Los análisis de las prótesis retiradas han sido el método tradicional de medir la velocidad de desgaste. Más modernamente se están usando métodos radioestereométricos para cuantificar el desgaste in vivo; estos análisis de los compo-nentes de polietileno de las prótesis de rodilla han encontrado que la velocidad de desgaste es de 0,13 mm/año.

2. Esterilización: véase en el epígrafe II.C.2 la discu-sión sobre la esterilización del polietileno.

3. Procesado.

a. El moldeado por compresión se basa en la apli-cación de calor y presión sobre la resina de po-lietileno en bruto para conseguir la superficie articular final. No se añade ningún proceso de retoque final ni mecanización complementaria.

b. La extrusión mediante prensado o mecanización produce láminas de polietileno a las que luego se les da forma hasta conseguir el producto final.

c. Los estudios biomecánicos han mostrado que ambos métodos tienen tasas de desgaste del polietileno similares; sin embargo, el polietile-no moldeado por compresión parece tener me-nos susceptibilidad a la fatiga por aparición de grietas y a la propagación de éstas.

d. Los estudios en simuladores de rodilla han mostrado mayor resistencia al desgaste adhe-sivo y abrasivo y a la exfoliación con el polie-tileno altamente vulcanizado. Estos resultados deben confirmarse en estudios clínicos con los diferentes diseños para artroplastia total de rodilla con conservación y sustitución del liga-mento cruzado posterior.

4. Fecha de caducidad y grosor del polietileno.

a. Fecha de caducidad.

• En algunos estudios se ha encontrado co-rrelación directa entre la antigüedad del polietileno implantado y la producción de partículas de degradación.

• Como se señaló, el almacenamiento del po-lietileno al aire ambiental tras esterilización con radiación gamma facilita la génesis de radicales libres, que se unen al polietileno.



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Tabla 1

Características de los diseños para artroplastia total de rodilla

Tipo de diseñoTipo de constricción Resección ósea

Rango de movilidad

Desgaste de la parte trasera Complicaciones

Conservación del cruzado posterior

No constreñida

Conserva hueso femoral

Normal Evidente Insuficiencia tardía del cruzado posterior

Sustitución del cruzado posterior

No constreñida

Cajetín femoral Mayor flexión

Evidente Síndrome del chasquido rotuliano

Pinzamiento de la base

Par de fricción móvil No constreñida

Ahorra Normal Reducido Dislocación del componente móvil

Constreñida en varo-valgo

Constreñida Resección de gran caja femoral

Normal Evidente Pinzamiento de la base

Charnela rotatoria Muy constreñida

Resección de gran caja femoral

Normal Evidente Fallo mecánico de la charnela

Puntos clave a recordar

1. El desgaste adhesivo predomina en los pares de fricción de metal sobre polietileno.

2. Los estudios de la biomecánica de la articulación de la cadera durante la marcha han mostrado que el aumento de la separación femoral (la distancia per-pendicular desde el centro de la cabeza del fémur al eje anatómico del fémur) se correlaciona con menor necesidad de fuerzas de abducción para producir un movimiento de la cadera constante, con lo que se reducen las fuerzas de reacción de la articulación.

3. La dosis de radiación a la que se expone el polie-tileno durante el proceso de esterilización influye notablemente sobre sus propiedades de desgaste.

4. El aumento de la dosis de irradiación del polietileno aumenta el vulcanizado y lo hace más resistente. La refundición elimina los radicales libres del polietileno.

5. La holgura entre los componentes, el contenido de carbón y la distancia CPR son los determinantes principales del desgaste de los pares de fricción de metal sobre metal.

6. La alúmina es la cerámica cuya superficie es más esta-ble in vivo; la zirconia muestra tendencia a pasar de su forma estable tetragonal a la fase monoclínica in vivo.

7. Las uniones modulares en las prótesis de cadera (cabeza-cuello y cuello-vástago) pueden ser fuentes importantes de residuos metálicos que provocan reacciones tisulares locales.

8. Las partículas metálicas tienden a producir infiltra-dos difusos y perivasculares de linfocitos T y B y célu-la plasmáticas, lesiones ALVAL, exudación masiva de fibrina, acúmulo de macrófagos, reacciones de hipersensibilidad, infiltrados eosinófilos y necrosis.

9. La reintervención tras fracturas catastróficas de la cabeza femoral cerámica tiene tasas de persistencia de la prótesis bajas a medio plazo a causa de afloja-miento aséptico y osteolisis.

10. El desgaste trasero y el pellizcamiento del puntal tibial son dos fuentes comunes de fragmentos de desecho en las artroplastias de rodilla pero no tanto en las de cadera.



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Capítulo 120 Biomecánica y desgaste de las artroplastias · Terapia conservadora, cirugía de salvamento y artroplastia de cadera y rodilla nivel de irradiación incrementa el vulcani-zado