SimulaçÃo numérica do caso de falha de prótese total do quadril



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SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO CASO DE FALHA DE PRÓTESE TOTAL DO QUADRIL
Oliveira, E.M.1, Santos, A.P.1, Azevedo, T.F.1, Griza, S.1, Ueki, M.M.1, dos Santos, S.V.1

1Núcleo de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão (SE), Brasil

E-mail: emersonmauriciodeoliveira@gmail.com



Resumo. O sucesso de uma artroplastia total de quadril depende da relação entre o conceito de artroplastia, as propriedades dos materiais utilizados, o tamanho e a forma do implante. Hoje em dia, o principal problema mecânico associado à revisão de hastes de quadril é a soltura asséptica. Entretanto, alguns casos de fratura da haste ainda continuam chamando a atenção para estudos de desenvolvimento de biomateriais. Este artigo trata da análise por simulação numérica em elementos finitos do desempenho de uma haste que fraturou prematuramente. O modelo numérico foi construído com base nas imagens radiográficas do fêmur e na medição da haste. Foi avaliada a distribuição de tensões no implante simulando a postura de apoio monopodal. Assim, foi avaliado o potencial de fratura da haste. Este artigo demonstra que os estudos pré-clínicos são uma importante ferramenta para o desenvolvimento de projeto de componentes para uso biomédico.
Palavras-chave: Implantes, Caso de falha, Simulação computacional.

1. INTRODUÇÃO
Atualmente torna-se cada vez mais comum a aplicação da simulação computacional em processos de otimização da geometria de implantes com o objetivo de reduzir as ocorrências de falha em projetos (Ruben et al., 2012). A forma da haste de quadril determina a mudança na distribuição de carregamento ao fêmur, o que pode provocar processos indesejados de remodelamento ósseo. A busca por uma geometria mais próxima da ideal de uma prótese durante a etapa de projeto têm resultado numa maior resistência mecânica às cargas fisiológicas, como visto em ensaios pré-clínicos (Griza et al., 2008). A substituição total do quadril é a técnica de maior relevância na ortopedia em termos de demanda e custo, de tal forma que muitos recursos em pesquisa vêm sendo despendidos mundialmente em busca de melhor desempenho (Bozic et al., 2004).

O Método de Elementos Finitos (MEF) foi utilizado para fornecer evidências da falha e para realçar o efeito das tensões crescentes na região medial. Os programas de simulação computacionais permitem dentre outras avaliações, analisar as componentes de tensão e deformação de formas e conjuntos complexos. Por isso são amplamente utilizados para simular as condições em que são submetidas as próteses cimentadas em artroplastias do quadril (Bennett et al., 2008; Bouchard et al., 2006; Cheung et al., 2005; Flitti et al., 2010; Griza et al., 2008; Ruben et al., 2012). Foi utilizado o método de elementos finitos no processo de modelagem e simulação da haste cimentada, tornando possível avaliar o desempenho do implante em relação à geometria do conjunto implante/cimento ósseo/osso trabecular/osso cortical. Então, associado ao desenvolvimento de novas ligas, a simulação numérica é uma maneira relativamente fácil e rápida de analisar os resultados e associá-los às condições reais de uso.



O objetivo deste trabalho é promover, através do MEF, uma avaliação dos níveis de tensões na haste, cimento ósseo e no fêmur, fornecendo evidências para um caso de falha prematuro real que ocorreu em uma prótese total de quadril. A hipótese é que se as tensões encontradas na haste forem elevadas em comparação com os dados encontrados na literatura de resistência à fadiga para o material de fabricação, então a falha foi causada apenas pelo uso de material inadequado, de baixa resistência a fadiga. Por outro lado, se as tensões forem insuficientes, então a falha teve a contribuição de algum processo de dano como a soltura asséptica ou a osteólise, que é a perda de densidade do osso que produziria redução no módulo de elasticidade do osso.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Informações preliminares
Uma haste de substituição total do quadril foi revisada de uma paciente (67 anos, 64kgf) após apenas 2,5 anos em uso. A Figura 1 mostra a haste fraturada em sua região medial.

Figura 1 – Haste fraturada em sua região medial.
O estudo de análise de falha da haste foi desenvolvido e submetido para outra publicação. Algumas informações importantes devem ser consideradas quanto a esta análise de falha: a haste foi fabricada a partir de um aço fundido (ASTM F 745) com microestrutura bruta de fusão composta por matriz austenítica e ferrita delta interdendrítica. Propriedades mecânicas dessa liga são encontradas na literatura (Griza et al., 2008; Griza et al., 2009). A haste rompeu devido a processo de fadiga iniciado na parte lateral da haste. Uma simulação numérica para predizer o comportamento da haste sob as condições de ensaio de fadiga (ISO 7206 – 4) mostraram que as tensões geradas junto à região coincidente com o início da fratura estão acima do limite de fadiga para o aço ASTM F 745.
2.2 Modelo computacional
Através das radiografias pós-operatórias e medições, foi possível elaborar um modelo sólido computacional. O conjunto é composto pela haste, cimento ósseo, osso esponjoso (trabecular) e cortical. Uma ilustração pode ser vista na Figura 2.


Figura 2 – Vista em corte ilustrando os tipos ósseos, o implante modelado e a radiografia pós-operatória que serviu de modelo para a simulação.
A norma de ensaios de fadiga de hastes de quadril (ISO 7206) determina que o eixo maior da haste deva estar a 9° na direção anterior e 10° na direção médio lateral, como mostra a figura 3.

Figura 3 – Vista frontal e lateral direita do modelo desenvolvido.
As condições de contorno para a simulação consistiram em restringir a parte inferior do conjunto e aplicar uma carga vertical de 2300 N sobre a cabeça do implante, como mostra o esquema na Figura 4. Esta é a condição preconizada para o carregamento na haste em postura monopodal.

Figura 4 - condições de contorno do conjunto modelado.
A malha foi refinada junto a região de início da falha. O elemento utilizado na região medial da haste foi o tetragonal. Nas demais foi usado o elemento hexagonal. No total, o conjunto possui 243550 nós e 175846 elementos. Na Tabela 1, encontram-se as propriedades constitutivas usadas na simulação para cada material.
Tabela 1 - Propriedades constitutivas usadas na simulação.


Material

Módulo Elástico [GPa]

Poisson [-]

Haste

205

0.3

Cimento ósseo

2.8

0.33

Osso esponjoso e cortical

205

0.3

Foi usada uma casca rígida aplicada sobre a cabeça para melhor distribuir as tensões do carregamento. Foi usado coeficiente de atrito de 0.25 entre a casca e a cabeça. As demais interfaces (haste/cimento/osso trabecular/osso cortical) foram consideradas em adesão.


3. RESULTADOS E DISCUSSÕES.
Neste artigo, um estudo estático foi realizado para antecipar as condições de tensão em uma haste de quadril cimentada para ser possível prever a possibilidade de falha por fadiga. Sendo assim, tensões equivalentes encontradas no conjunto podem ser comparadas aquelas que provocariam a nucleação de um processo de fadiga no material, conforme informações obtidas a partir de uma curva S-N do material de fabricação. Verificou-se que o nível de tensões localizado na região lateral da haste, local onde ocorreu o início da fratura da haste cimentada (Figura 5), está abaixo do limite de fadiga para o período de uso da haste, de acordo com resultados de ensaios de fadiga para o material de fabricação da haste (Griza et al., 2009).

Figura 5 – Níveis de tensões na região lateral e no pescoço da haste.
Conforme a hipótese inicial, isto se deve ao fato de a simulação não considerar efeitos de dano como a soltura proximal ou osteólise. As tensões seriam maiores na haste caso fosse considerada a perda de rigidez do osso trabecular e/ou fricção na interface haste/cimento, simulando o que ocorreria no caso de osteólise ou soltura asséptica. Embora a condição de interface entre haste/cimento em adesão seja uma boa previsão da condição inicial (curto prazo) de uma artroplastia total do quadril, e embora esta haste tenha sofrido fadiga em curto prazo (2,5 anos de uso), sabe-se que naturalmente ocorre o deslizamento relativo nesta interface com o passar do tempo. Embora o uso de haste com colar sobreposto à região do calcar femoral reduza a possibilidade do deslizamento entre a haste e o cimento, tal deslizamento relativo faz parte da concepção de uma haste polida e cimentada (Huiskes et al., 1998).

Os resultados indicam que o processo de fadiga da haste teve a contribuição de outros fatores além do uso de material de baixa resistência. Portanto, novas simulações precisam ser realizadas considerando estas outras hipóteses: perda de rigidez do osso e interfaces em deslizamento; a fim de analisar o quanto aumentará o nível de tensões na haste e se isto provocaria a falha. Somente assim será possível definir mais precisamente os fatores envolvidos na falha.

A simulação da artroplastia devidamente estabilizada também apresentou um importante resultado para a previsão da fratura da haste. Embora o nível de tensões na região da fratura foi reduzido, as maiores tensões foram observadas na região dorsal do pescoço. Isto está de acordo com alguns dados publicados que indicam que para uma haste bem fixada ao cimento, há a possibilidade de ocorrência de falha por fadiga do pescoço (griza et al., 2008b).

Embora possa ser mais fácil, barato e produtiva a obtenção de hastes de quadril a partir do aço inoxidável austenítico fundido (ASTM F 745), os fabricantes deveriam preferir o aço inoxidável trabalhado (ISO 5832-1), especialmente para aqueles componentes submetidos a cargas cíclicas cuja vida em fadiga esperada é elevada.


CONCLUSÕES
A falha por fadiga da haste foi incentivada por outros fatores além da utilização de material de baixa resistência. Novas hipóteses deverão ser avaliadas tais como a ocorrência de soltura asséptica ou processos de osteólise. Entretanto, ressalta-se que a chance de sobrevivência dessa haste seria maior se um material de maior resistência tivesse sido utilizado.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à FAPITEC/SE, CAPES, CNPq e FINEP pelo suporte financeiro.
REFERÊNCIAS
Bennett, D., Goswami, T., 2008. Finite element analysis of a hip stem designs. Materials and Design 29, 45-60.
Bouchard, S.M., Stewart, K.J., Pedersen, Callaghan, J.J., Brown, T.D., 2006. Design factors influencing performance of constrained acetabular liners: finite element characterization. Journal of Biomechanics 39, 885-893.
Bozic, K.J., Saled, K.J., Rosemberg, A.G., Rubash, H.E., 2004. Economic evaluation in total hip artroplasty: analysis and review of the literature. The Journal of Arthroplasty 19, 180-189.
Cheung, J.T., Zhang, M., Leung, Y.F., 2005. Three-dimensional finite element analysis of the foot during standing – a material sensitivy study. Journal of Biomechanics 38, 1045-1054.
Flitti, A., Ouinas, D., Bouiadjra, B.B., Benderdouche N., 2010. Effect of the crack position in the cement mantle on the fracture behavior of the total hip prosthesis. Computational Materials Science 49, 598-602.
Griza, S., Kwietniewski, C., Tarnowski, G.A., Bertoni, F., Reboh, Y., Strohaecker, T.R., Baumvol, I.J.R., 2008. Fatigue failure analysis of a specific total hip prosthesis stem design. International Journal of Fatigue 30, 1325-1332.
Griza, S., Reis, M., Reboh, Y., Reguly, A., Strohaecker, T.R., 2008b. Failure analysis of uncemented total hip stem due to microstructure and neck stress riser. Engineering Failure Analysis 15, 981-988.
Griza, S., Zanon, G., Silva, E.P., Bertoni, F., Reguly, A., Strohaecker, T.R., 2009. Design aspects involved in a cemented THA stem failure case. Engineering Failure Analysis 16 512-520.
Huiskes, R., Verdonschot, N., Nivbrant, B., 1998. Migration, stem shape, and surface finish in cemented total hip arthroplasty. Clinical Orthopaedics and Related Research 355, 103-115.
Ruben, R.B., Fernandes, P.R., Folgado, J., 2012. On the optimal shape of hip implants. Journal of Biomechanics 45, 239-246.
NUMERICAL SIMULATION OF THE CASE OF FAILURE OF TOTAL HIP PROSTHESIS

Oliveira, E.M.1, Santos, A.P.1, Azevedo, T.F.1, Griza, S.1, Ueki, M.M.1, dos Santos, S.V.1



1Center of Materials Engineering, Federal University of Sergipe, São Cristóvão (SE), Brazil

E-mail: emersonmauriciodeoliveira@gmail.com



Summary. The success of a total hip replacement depends on the relationship between the concept of arthroplasty, the properties of the materials used, the size and shape of the implant. Today, the main mechanical problem associated with revision hip stems is aseptic loosening. However, some cases of fracture of the stem are still calling attention to studies of development of biomaterials. This article deals with the analysis by finite element simulation of the performance of a stem that fractured prematurely. The numerical model was constructed based on radiographs of the femur and the measuring of the stem. We evaluated the stress distribution in implant simulating the stance leg stance. Thus, we evaluated the potential for fracture of the stem. This article demonstrates that the preclinical studies are an important tool for the development of project components for biomedical use.

Keywords: Implants, Case of failure, Computational simulation.

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