SimulaçÃo de desgaste em próteses de quadril



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SIMULAÇÃO DE DESGASTE EM PRÓTESES DE QUADRIL
Rafael M. Trommer1, Marcia M.Maru1, Carlos A. Achete1,2

1 Divisão de Metrologia de Materiais, Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, Duque de Caxias (RJ), Brasil

2 Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (PEMM), Univ. Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro (RJ), Brasil

E-mail: rmtrommer@inmetro.gov.br



Resumo. A artroplastia total de quadril (ATQ) é uma cirurgia frequentemente utilizada para substituir a junta lesionada do paciente, utilizando para tal uma prótese de quadril. Uma das próteses mais utilizadas compreende o uso de componente acetabular polimérico e uma cabeça femoral de aço inoxidável. Uma das causas de insucesso em cirurgias de ATQ é a justamente a inflamação que pode ocorrer devido à presença de partículas de desgaste, denominadas de debris, geradas pelo processo de desgaste do material da prótese, e que levam à inflamação e posterior falha do implante. Isto justifica a importância de estudos in vitro de simulação de desgaste de tais próteses. Neste contexto, este trabalho avaliou o desgaste de próteses de quadril com cabeça femoral de aço inoxidável e acetábulo de polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) segundo as recomendações de carga e movimentos estabelecidos pela ABNT NBR ISO 14242-1. Para executar o ensaio, foi utilizado um simulador AMTI, o primeiro instalado no Brasil, com seis estações ativas e uma estação de controle. Foi utilizado o controle de carga e movimentos. As amostras foram limpas e a massa dos acetábulos determinada antes do inicio do ensaio e a cada 500 mil ciclos de desgaste. Para cada uma das amostras, construíram-se curvas da perda de massa em função do número de ciclos, permitindo assim avaliar o desgaste das próteses. Com o auxilio de um microscópio, observou-se as superfícies das cabeças femorais e acetábulos após o ensaio com o intuito de observar marcas de desgaste e alterações na superfície do material.

Palavras-chave: Ortopedia, Desgaste, Próteses de quadril, Simulação

1. INTRODUÇÃO
Dentro do amplo campo da ortopedia, a artroplastia total de quadril (ATQ) está entre as cirurgias realizadas com maior frequência. Resumidamente, este procedimento envolve a substituição da junta danificada, neste caso, quadril, por uma prótese. Próteses ortopédicas, em especial as de quadril, podem empregar diferentes configurações de materiais no contato entre a cabeça femoral e o acetábulo. Assim, os principais pares tribológicos consistem de metal-polímero, cerâmica-polímero e também cerâmica-cerâmica.

A realidade nacional apresenta em sua maioria o uso de um par metal-polímero para ambas as próteses, sendo estes em especial o aço inoxidável-PEUAPM. Para o quadril, também é comum o uso do CoCr na cabeça femoral. Em alguns casos, como no de pacientes jovens, os cirurgiões optam pelo uso de próteses de cerâmica por sua vida útil elevada, que justifica o seu alto custo. Dentre os polímeros, o polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE), com peso molecular superior a 2.106 g/mol, é empregado em situações onde há solicitações de carga, tais como o acetábulo de uma prótese de quadril. Uma das propriedades do UHMWPE que o distingue de outros polímeros, justificando assim seu intenso uso na ATQ é o fato de que suas cadeias moleculares são longas e altamente reticuladas, fazendo deste material resistente ao desgaste (WANG et al., 1998).

Segundo Belloti (2009), o sucesso ou a falha da cirurgia de artroplastia pode ser influenciado basicamente por três fatores: fabricação, ato cirúrgico ou características epidemiológicas do paciente. Em especial no quesito fabricação, que compete à área de engenharia, é importante que haja um conhecimento da qualidade (entenda-se aqui propriedades e especificações técnicas) do biomaterial. O problema relacionado ao desgaste do UHMWPE é que as partículas de desgaste podem migrar para a interface do implante com o osso. Estas partículas são agressivamente atacadas pelo sistema imunológico, resultando na morte do tecido ósseo vizinho, causando dor ao paciente e podendo levar à perda do implante (BLUNT et al., 2009). Quando o desgaste é excessivo, o desempenho da junta é afetado, sendo necessária uma cirurgia de revisão. Este fato é frequentemente observado em recirurgias feitas pelo Sistema Único de Saúde (SUS). Assim, é necessário conhecer os mecanismos e medir os níveis de desgaste do UHMWPE utilizado em produtos oferecidos no mercado nacional, sendo que muitas vezes o SUS é o responsável pela compra destas próteses. Este fato é de tal importância, que os principais fabricantes mundiais de próteses de joelho possuem meios de medir o desgaste in vitro de seus produtos antes de serem colocados no mercado, através do uso de simuladores de desgaste.

De acordo com material publicado pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE) em estudo denominado “Materiais avançados no Brasil 2010-2022”; a pesquisa, desenvolvimento e inovação (P&D&I) em saúde são relevantes para diminuir a vulnerabilidade do (SUS) e preparar o país para novos desafios tecnológicos. Nesta linha de pensamento, Belloti (2009) ainda menciona que não há na literatura nacional estudos que forneçam dados sobre a efetividade do emprego das próteses ortopédicas, sendo que existem somente alguns estudos retrospectivos relacionados à casos de falha de próteses implantadas. Também não existem estudos comparando a efetividade, ou resistência ao desgaste, dos diversos tipos de próteses disponíveis no mercado nacional. Um dos motivos para a falta de dados relacionados ao comportamento em desgaste das próteses é que o ensaio de simulação de desgaste possui um elevado custo, devido ao alto valor agregado do equipamento, longo tempo dispendido no ensaio bem como necessidade de mão de obra qualificada.

Associados ao número de cirurgias de substituição de juntas de quadril estão os custos com procedimentos operatórios e pós-operatórios de recuperação dos pacientes, e que representam uma parcela significativa dos gastos para o sistema de saúde brasileiro (OLIVEIRA, 2011). Segundo dados do CGEE, em 2007 os gastos do SUS com procedimentos cirúrgicos ortopédicos superaram cerca de R$ 575 milhões, correspondendo a R$146 milhões voltados para órteses e próteses ortopédicas. Esses dados demonstram que há necessidade de uma reflexão sobre qual o melhor tipo de prótese a ser utilizada, considerando-se a relação custo/efetividade deste procedimento cirúrgico (BELLOTI, 2009). Dados ainda do CGEE apontam que em 2007 os procedimentos de artroplastia de quadril e joelho foram responsáveis por cerca 17 mil internações, gerando um gasto total com esses procedimentos cirúrgicos de cerca de R$ 65 milhões, tendo sido aproximadamente R$ 38 milhões relativos à compra de próteses.

Existem diversos métodos em laboratório, tais como pino-sobre-disco, que são comumente usados para estudar as propriedades de desgaste de diferentes combinações de materiais. Entretanto, a geometria das faces em contato, as cargas aplicadas e as condições ambientais são longe daquelas observadas nas próteses quando implantadas. Assim, para uma situação mais representativa àquela observada no ser humano, são utilizados simuladores nas quais as propriedades de desgaste podem ser avaliadas. Ensaios de simulação de desgaste também são empregados para assegurar a qualidade dos implantes utilizados nas cirurgias de artroplastia de quadril, sendo que estes ensaios são realizados segundo a norma ABNT NBR ISO 14242 em suas três partes.


2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Cabeça femoral e acetábulo
Os principais pares tribológicos ortopédicos de prótese de quadril consistem de metal-metal, metal-polímero, cerâmica-polímero e também cerâmica-cerâmica; cada qual com suas vantagens e desvantagens. Neste estudo, foi simulado o comportamento in vitro do desgaste do par metal-polímero, compreendendo um acetábulo de UHMWPE com dimensões de Ø 56 mm x Ø 26 mm e uma cabeça femoral modular de aço inoxidável com Ø 26 mm. Foram utilizados seis pares de amostras e um par como controle, sendo este último submetido apenas aos ciclos de carga.

Antes do inicio do ensaio, os acetábulos de UHMWPE foram limpos, conforme as recomendações da Norma ABNT NBR ISO 14242-2, e pesados em uma balança Mettler Toledo (modelo AB265-S/FACT) também segundo as práticas desta norma. Para as cabeças femorais, o mesmo procedimento de limpeza foi adotado.


2.2 Fluído lubrificante
As superfícies em contato foram imersas em um meio que simula o fluido sinovial humano. Para tal, foi utilizado um soro fetal bovino, diluído a 25% V/V em água deionizada e filtrado em 2 µm e com uma concentração em massa de proteínas não menor do que 17 g/L. A temperatura do fluido durante o ensaio foi mantida em 37 ± 2ºC.
2.3 Simuladores de desgaste em prótese
Simuladores são equipamentos destinados ao estudo do desgaste de próteses in vitro, e mimetizam as cargas biomecânicas, perfis de movimentos e condições ambientais encontrados no corpo humano. Nestes equipamentos, a prótese é montada em um aparato que aplica uma variação cíclica de ângulos de flexão/extensão, rotação interna/externa e abdução/adução bem como uma força de contato, de tal modo a simular a marcha humana normal. Neste trabalho, foi utilizado um equipamento de simulação de desgaste de prótese de quadril AMTI (modelo H52-6-1000) com seis estações ativas e duas estações de controle, instalado no laboratório de Biomateriais e Tribologia (Labit), da Divisão de Metrologia de Materiais (Dimat) do Inmetro.

2.4 Parâmetros de ensaio de simulação de desgaste em prótese de quadril
Todos os parâmetros de carga e movimentos executados durante o ensaio de simulação de desgaste de próteses totais de quadril estão descritos na Norma ABNT NBR ISO 14242-1. A variação dos movimentos angulares e da força aplicada com o tempo de ciclo durante o ensaio é apresentada na Fig 1. A frequência dos movimentos angulares em concordância com a força aplicada foi de 1 Hz.

(a)


(b)
Figura 1. Variação de (a) movimentos angulares e (b) carga em função da fração do ciclo durante o ensaio de simulação de desgaste.


A cada 500 mil ciclos, o ensaio foi interrompido para a realização das medidas de massa, perfilometria e microscopia óptica. Para evitar a degradação das proteínas, nesta oportunidade o soro fetal bovino utilizado como lubrificante também foi reposto. Uma vez que o objetivo deste estudo foi estabelecer os procedimentos exigidos para a execução do ensaio de simulação de desgaste em próteses totais de quadril, fato inédito no país, este estudo somente avaliou o desgaste das próteses de quadril até 2 milhões de ciclos. Entretanto, mesmo não atingido o numero de ciclos recomendado na Norma ABNT NBR ISO 14242-1, acredita-se que os resultados obtidos são representativos para as amostras ensaiadas quanto ao seu comportamento em desgaste.
2.5 Caracterização
Em um ensaio de simulação de desgaste de prótese de quadril, o principal resultado obtido é o nível de desgaste do material, neste caso, do acetábulo polimérico. Assim, é necessário quantificar o desgaste que ocorre durante o ensaio. A avaliação da quantidade de desgaste de uma prótese nos ensaios em simulador não é um processo trivial, pois a quantidade de perda de massa da amostra é usualmente muito pequena, e difícil de quantificar com certa precisão. A Norma ABNT NBR ISO 14242-2 sugere dois métodos de medida do nível de desgaste: gravimetria e mudança dimensional. Por exigir um equipamento de custo maior (máquina de medir por coordenadas - MMC), a mudança dimensional não foi executada. Com isto, a perda de massa foi determinada pelo método gravimétrico. Com isto, acetábulos de UHMWPE previamente limpos tiveram a sua massa medida, antes e após cada 500 mil ciclos de desgaste. Após as medidas de massa, foi possível obter uma curva da perda de massa em função do número de ciclos. Esta curva representa a perda de massa média das seis amostras utilizadas nas seis estações de trabalho, e considerando a correção de massa devido ao uso de uma estação de controle.

Foram obtidas imagens durante as etapas dos ensaios por microscopia óptica (Olympus, modelo BX51M) dos componentes poliméricos e da cabeça femoral das próteses ortopédicas. Após os ensaios, o soro utilizado como lubrificante nos ensaios foi submetido à um processo de digestão ácida seguida de filtração (abertura de 0,2 µm), como o intuito de eliminar as proteínas presentes nestes soros e assim permitir a separação das partículas de desgaste. Com isto, após estes processos as partículas de desgaste foram observadas em um microscópio eletrônico de varredura (FEI- Quanta) para analisar a sua forma e tamanho.


3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A curva de perda de massa em função do número de ciclos do ensaio é apresentada na Fig.2. Pode-se observar que ao final do ensaio, a perda de massa média das amostras considerando as seis estações de trabalho foi de aproximadamente 136 mg. Além disto, a perda de massa em função do numero de ciclos do ensaio apresenta certa linearidade. Tal fato permite expandir os valores de perda de massa para a situação de 5 milhões de ciclos, caso seja desejado. A partir do valor de perda de massa, é possível determinar a taxa de desgaste, que de forma simplificada é dada pela perda de massa dividida por milhões de ciclo. Com isto, para as amostras simuladas neste trabalho, a taxa de desgaste foi de 67,9 mg/106 ciclos.


Figura 2. Perda de massa média das seis estações em função do número de ciclos para o ensaio de simulação de desgaste de prótese total de quadril.

Para comparar os valores de perda de massa ou taxa de desgaste obtidos neste trabalho com aqueles mencionados na literatura, diversos fatores como o tipo de material empregado (metal-polímero), diâmetro da prótese, tipo de soro utilizado etc devem ser considerados. Para facilitar a comparação com os dados da literatura, uma vez que foi executado o ensaio somente até 2 milhões de ciclos, o valor de taxa de desgaste pode ser assumido. Por exemplo, Liao et al. (2003) mencionam que após 2 milhões de ciclos, a taxa de desgaste das amostras com condições próximas àquelas utilizadas neste trabalho foi de 59,1± 1,1 mg/106 ciclos. Saikko (1995) utilizando uma cabeça de CoCr e acetábulo de UHMWPE reportaram uma taxa de desgaste de 83,0 mg/106 ciclos.

A imagem do acetábulo utilizado como controle, após 500 mil ciclos de ensaio, é apresentada na Fig.3. Inicialmente, pode-se observar que o acetábulo utilizado como controle, ou seja, submetido apenas ao ciclo de carga, apresenta marcas de usinagem, associadas ao seu processo de produção. Mesmo após os 500 mil ciclos iniciais de ensaio, não ocorreu uma alteração na morfologia do acetábulo devido ao ciclo de carga.


Figura 3. Acetábulo de UHMWPE utilizado como controle e submetido à 500 mil ciclos de carga.
A Figura 4 apresenta as imagens obtidas por microscopia óptica dos acetábulos a cada 500 mil ciclos. Pode-se observar que já após 500 mil ciclos de cargas e movimentos, a superfície do acetábulo polimérico foi alterada. As marcas de usinagem, presentes inicialmente no acetábulo e também após os primeiros 500 mil ciclos no acetábulo de controle, não podem ser mais observadas. Somente algumas marcas remanescentes podem ser observadas, conforme indicadas na Fig.4. Ao final do ensaio, ou seja, após 2 milhões de ciclos de carga e movimentos, pode-se observar que não há mais marcas de usinagem presentes nos acetábulos. Tateiwa et al. (2006) também mencionam que as marcas de usinagem gradualmente desaparecem com o decorrer do ensaio, para acetábulos de UHMWPE e cabeças femorais de cobalto cromo (CoCr). Para o caso do UHMWPE convencional (sem reticulação), Liao et al. (2003) também observaram uma superfície do acetábulo lisa e sem irregularidades. Wang et al. (1998) mencionam que do ponto de vista dos mecanismos de desgaste, tanto o mecanismo de desgaste adesivo quanto o mecanismo abrasivo são predominantemente responsáveis pelas altas taxas de desgaste, principalmente aquelas observadas clinicamente.






500 mil ciclos

1 milhão de ciclos





1,5 milhões de ciclos

2 milhões de ciclos

Figura 3. Imagens dos acetábulos poliméricos por microscopia óptica após os ciclos de desgaste.

Após 2 milhões de ciclos, foi observada a superfície da cabeça femoral de aço inoxidável, conforme apresenta a Fig.4.

Figura 4. Imagem da cabeça femoral após o final do teste com 2 milhões de ciclos (Magnificação: 100X).

Observa-se a presença de riscos na superfície da cabeça femoral. Ito et al. (2010) mencionam que estudos experimentais bem como estudos em próteses explantadas indicam que o aumento da rugosidade ou presença de riscos na cabeça femoral pode aumentar a taca de desgaste do UHMWPE convencional.

Sabe-se que o problema do desgaste do polietileno das próteses ortopédicas é que as partículas de desgaste podem migrar para a interface do implante com o osso. Estas partículas são agressivamente atacadas pelo sistema imunológico, resultando na morte do tecido ósseo vizinho e levando à perda do implante e dor para o paciente (HIRAKAWA et al., 1999; BLUNT et al., 2009). Este fenômeno é conhecido por soltura asséptica e freqüentemente associada à osteólise causada pelas partículas do UHMWPE (TIPPER et al., 2001). Assim, é importante analisar as partículas que são geradas durante o ensaio de simulação de desgaste. A Fig.5 apresenta então as partículas de desgaste, analisadas através da microscopia eletrônica de varredura. Observa-se que as partículas de desgaste apresentam uma forma irregular, e basicamente formada por grânulos. Além disto, são partículas que possuem aproximadamente um tamanho de 10 µm. Cho et al. (2004) identificaram partículas de desgaste (debris) com tamanho abaixo de 1 µm e com forma granular.

Figura 5. Partículas de desgaste observadas por MEV resultantes do desgaste do UHMWPE durante o ensaio.
4. CONCLUSÕES
A simulação de desgaste de próteses ortopédicas é uma ferramenta importante para predizer o comportamento de novos materiais e próteses antes de seu uso clínico. Porém, a avaliação dos resultados de desgaste obtidos em simuladores pode ser difícil, pois não há um método exato e preciso de quantificar o desgaste do acetábulo in vivo ou ex vivo. A perda de massa determinadas neste trabalho após o ensaio se simulação de desgaste para 2 milhões de ciclos e do par metal-UHMWPE foram de 135,97 mg. A taxa de desgaste foi de de 67,9 mg/106 ciclos, valor próximo ao reportado na literatura. Após 500 mil ciclos, foi possível observar o desaparecimento das marcas de usinagem associados ao processo de fabricação dos acetábulos. As imagens obtidas por MEV mostraram a presença de partículas de desgaste irregulares. A execução do ensaio até o numero total de 5 milhões de ciclos é necessária para a validação do simulador.

REFERÊNCIAS
ABNT NBR ISO 14242-1. Implantes para cirurgia — Desgaste de próteses totais de articulação do quadril - Parte 1: Parâmetros de carga e deslocamento para máquinas de ensaios de desgaste e condições do meio para ensaio

ABNT NBR ISO 14242-2. Implantes para cirurgia - Desgaste de prótese total de articulação de quadril Parte 2: Métodos de medida.

Belloti, J.C. (2009), ”Cenário atual do uso de próteses ortopédicas – Discussão sobre próteses nacionais versus importadas”, DiagnTratamento., 14, 9-11.

Blunt, L.; Bills, P.; Jiang, X.; Hardaker, C.; Chakrabarty, G. (2009), ”The role of tribology and metrology in the latest development of biomaterials”, Wear, 266, 424-431.

Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE), “Materiais avançados no Brasil 2010-2022” Brasília:, 2010.

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Oliveira, A.L.L. (2011),”Contribuição metodológica para investigar fenômenos de superfície em tribossistemas protéticos articulares de quadril”, Tese de doutorado.

Saikko, V.O.. (1995), ”Wear of the polyethylene acetabular cup: The effect of head material, head diameter, and cup thickness studied with a hip simulator”, Acta Orthopaedica, 66, 501 — 506,.

Tateiwa, T.; Clarke, I.C.; Shirasu, H.; Masaoka, T.; Shishido, T.; Yamamoto, K. (2006), ”Effect of low protein concentration lubricants in hip simulators”, J Orthop Sci., 11, 204–211.

Tipper, J.L.; Firkins, P.J.; Besong, A.A.; Barbour, P.S.M.; Nevelos, J.; Stone, M.H.; Ingham, E.; Fisher, J. (2001), ”Characterisation of wear debris from UHMWPE on zirconia ceramic, metal-on-metal and alumina ceramic-on-ceramic hip prostheses generated in a physiological anatomical hip joint simulator”, Wear, 250, 120–128.

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WEAR SIMULATION OF HIP PROSTHESIS
Rafael M. Trommer1, Marcia M.Maru1, Carlos A. Achete1,2

1 Materials Metrology Division, National Institute of Metrology, Normalization and Technology, Duque de Caxias (RJ), Brazil

2 Metallurgical and Materials Engineering Program, Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro (RJ), Brasil

E-mail: rmtrommer@inmetro.gov.br



The total hip arthroplasty (THA) is a surgery often used to replace the damaged joint of a patient, using a hip prosthesis. One of the most employed prosthesis comprises the use a polymeric cup and an stainless steel femoral head. One of the causes of failure in THA é the inflammation occurred due to the presence of wear particles, named debris, and created by the process of wear of the prosthesis material. This can lead to inflammation and further failure of the implant. This fact justifies how important is to study the in vitro total hip simulation wear of such prosthesis. In this context, this work evaluated the wear of hip prosthesis with stainless steel femoral head and ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) according to the load and movements recommended in the ABNT NBR ISO 14242-1. An AMTI hip simulator, the first one installed in Brazil, with six active stations and one control station, was used to perform the tests. The load control and movements were used. Before the test and after 500 000 cycles, the samples were cleaned and the cup mass measured. For each sample, the weight loss versus number of cycles was plotted, allowing the evaluation of the prosthesis wear. With the aid of the microscopy, the surface of the femoral head and cup after the test was observed, aiming to identify the wear scars and changes in the material surface.

Keywords: Orthopedics, Wear, Hip prosthesis, Simulation

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