Cabeça femoral de alumina em artroplastia total do quadril: estado da arte



Baixar 69.97 Kb.
Encontro24.10.2017
Tamanho69.97 Kb.



Anais do 47º
Congresso Brasileiro de Cerâmica

Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

15-18/junho/2003 – João Pessoa - PB - Brasil



PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE UMA ALUMINA APLICADA COMO CABEÇA FEMORAL EM PRÓTESES DE QUADRIL


H. L. R. Alves*, C. P. Bergmann*, D. Stainer**

* Laboratório de Materiais Cerâmicos, Departamento de Materiais, EE, UFRGS

Av. Osvaldo Aranha, 99, 705 c, Centro, CEP 90035-190, Porto Alegre/RS, Brasil

hugo@ufrgs.br

** CMC Tecnologia Ltda

Av. Roberto Galli,1220 Área Industrial, Cocal do Sul/SC, Brasil



daniel@cmc.ind.br

RESUMO
A literatura mostra que o aumento da expectativa de vida da população e crescente número de acidentes automobilísticos tem aumentado muito o índice de cirurgias de artroplastia total de quadril no Brasil. A maioria delas utiliza articulação tipo metal/polímero que possui altos índices de falhas. A falha de um implante de quadril está normalmente associada ao processo de desgaste na articulação, que libera partículas dos materiais envolvidos, ocasionando reações biológicas de infecção nos tecidos, ocasionando a perda de fixação do implante. Notavelmente, a alumina tem sido utilizada como cabeça femoral na indústria biomédica mundial. Este trabalho apresenta, um processo alternativo de conformação, via prensagem flutuante de duplo efeito, e parâmetros de sinterização e usinagem para as esferas cerâmicas. Verificou-se que os resultados satisfazem as exigências impostas pelo componente em termos de densificação, tamanho médio de grão e resistência mecânica, tornando viável a fabricação deste componente por esta via.

Palavras-chave: Articulação, Alumina, Cabeça-femoral, Prótese de quadril.


1. INTRODUÇÃO
A cirurgia de prótese total de quadril, também chamada de artroplastia total, é um procedimento cirúrgico que visa à substituição das estruturas danificadas da articulação do quadril, por materiais que vão atuar artificialmente como uma junta.

As próteses são constituídas de três peças: a haste, que é colocada por dentro do osso da coxa, podendo ser de titânio, ligas Cr-Co ou aço inox; o acetábulo, uma peça que é presa na bacia, em geral feita de metal com a região interna de polietileno; e a esfera, podendo ser metálica ou cerâmica. O encaixe perfeito destas duas últimas permite a reprodução dos movimentos da articulação. Na maioria das vezes as próteses são fixadas no osso através de um cimento acrílico, principalmente em pacientes com mais idade, onde se obtém menor tempo de reabilitação pós-operatório. Entretanto, em pacientes jovens e mais ativos, usam-se próteses com um revestimento de hidroxiapatita que permite a adesão do osso e a fixação se dá sem o emprego do cimento(1). A cirurgia de colocação de próteses é realizada principalmente em pacientes portadores de artrose grave da articulação do quadril, quando existe uma grande limitação dos movimentos e a dor é muito intensa, tornando as atividades diárias muito penosas. Também em certos casos de fratura do colo do fêmur ou de necrose da cabeça do fêmur (quando ocorre a destruição do osso da cabeça), justifica-se a realização desta cirurgia. Nestas cirurgias, o primeiro objetivo é o alívio da dor e isto se consegue em 95% dos casos. Além disso, consegue-se restabelecer os movimentos da articulação e a combinação destes dois fatores vai permitir o retorno do paciente às suas atividades normais(2).


1.1. Falhas em articulações metal/polímero

Não é incomum no Brasil a ocorrência de falhas em implantes ortopédicos com articulação metal/polímero. Esta prótese pode durar até cerca de 10 anos e o maior problema a longo prazo é a soltura da mesma.

Naturalmente, a duração depende de como se a usa. A obesidade, o trabalho pesado ou muita atividade podem apressar a soltura, o que muitas vezes requer uma cirurgia de revisão para troca da prótese. Os resultados de uma segunda operação não são tão bons como os da primeira e a possibilidade de complicações durante a cirurgia são muito maiores.

A falha de um implante de quadril está normalmente associada a osteólise induzida por resíduos de desgaste na articulação metal com o polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE). Compreende reações biológicas de infecção nos tecidos conduzindo ao afrouxamento prematuro e a falha subseqüente da prótese.

A falha prematura de implantes pode estar associada a inúmeros outros fatores como o carregamento mecânico (sobrecarga, impacto, fadiga e desgaste), o ambiente corrosivo (corrosão por pite, por frestas, metalóse), falha na seleção, projeto e fabricação do implante, má colocação, danificação do implante durante a cirurgia, ou ainda devido a pouca qualidade óssea do paciente(3).
1.2. Cerâmicas Estruturais Biocompatíveis

As cerâmicas avançadas estruturais têm participado de projetos de engenharia em componentes sujeitos a solicitações complexas. A combinação única das propriedades que estes materiais apresentam tem atribuído a estas situações especiais a seleção preferencial unívoca destas cerâmicas(4). Entretanto, a seleção de um material não pode ser feita independentemente da seleção do processo de fabricação, formato da peça e custo agregado. Porém, a determinação de uma metodologia que avalie as propriedades finais de uma cerâmica estrutural é tão importante quanto sua própria seleção e processamento(5,6).

A alumina alfa (Al2O3-) densa e policristalina é utilizada em função da combinação de suas propriedades de alta resistência ao desgaste, boa biocompatibilidade (bioinerte), baixo ângulo de molhamento que lhe permite a adsorção de moléculas biológicas, elevada resistência à corrosão, e alta resistência mecânica à compressão(7,8). O sucesso na utilização de alumina em próteses do quadril está baseado no encaixe perfeito e travamento das cabeças cerâmicas nos insertos metálicos da haste através do cone Morse, sem proporcionar concentração de tensões(9,10,11,12). A utilização de zircônia também tem sido estudada, porém muitos fatores limitam o seu uso nesta aplicação, como contaminação natural de impurezas radioativas como háfnio, actínio e tório e transformações de fases durante o processo de esterilização hidrotérmico e quando implantada(13).

No presente trabalho, é apresentada uma tecnologia alternativa que propõe a implementação definitiva de componentes em cerâmica avançada à base de alumina, aplicados como cabeça femoral em próteses de quadril na indústria biomédica nacional, objetivando a melhoria da qualidade de vida das pessoas que necessitam desta cirurgia, com o aumento do tempo de vida útil do componente.

Neste contexto, uma extensa pesquisa bibliográfica foi realizada para reunir todos os fatores relevantes que podem influenciar os parâmetros de processamento e de utilização do componente biomédico.

As propriedades da alumina policristalina para aplicação biomédica são normatizadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT ISO 6474 – Implantes para cirurgia - Materiais cerâmicos a base de alumina de alta pureza) sendo resumidas na Tabela I.


Tabela I. Propriedades das matérias-primas segundo a NBR-ISO 6474(11).

Propriedade

Unidade

Requisitos Ortopedia

Requisitos Odontologia

Pureza Al2O3

% peso

> 99,5

 99,5

Aditivo de sinterização: MgO

% peso

 0,3

 0,3

Impurezas: SiO2 + CaO + óxidos

% peso

 0,1

 0,1

Densidade

g/cm3

 3,94

 3,90

Tamanho médio de grão

Desvio padrão



m

 4,5

 2,6


 7,0

 3,5


Resistência à flexão

MPa

 250

 150

Resistência à compressão

MPa

> 4000

> 3000

Módulo de elasticidade

GPa

> 380

> 370


2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Matéria-prima

A matéria-prima escolhida para a realização deste trabalho é uma alumina importada de alta pureza (99,9%) da ALCOA.

Esta alumina foi escolhida, pois ela é ponto de referência em qualidade para aplicação em componentes biomédicos em outros países como Alemanha e Estados Unidos(13).
2.2. Métodos

2.2.1 Produção dos corpos cerâmicos

Os corpos-de-prova foram conformados segundo o formato final esférico do componente biomédico, servindo como base para a caracterização geral.

2.2.1.1. Método de conformação

Foi projetada e construída uma prensa, conforme Figura 1, com sistema de mesa flutuante e uma matriz adequada de alta tecnologia para prensagem uniaxial de duplo efeito como alternativa ao processo de prensagem isostática a quente, visando a diminuição de custos e a produção em larga escala, sem reduzir a qualidade do produto final(14).


Figura 1. Prensagem flutuante de duplo efeito. Figura 2. Geometria do corpo-de-prova após prensagem.


Para o processo de conformação foram prensadas peças utilizando uma pressão específica de até 150 Mpa, conforme Figura 2. Para o controle da densificação na prensagem, foi determinada a densidade a verde das esferas cerâmicas pelo método de imersão em mercúrio, onde são correlacionadas as medidas de massa a seco e massa imersa em mercúrio líquido. O resultado de 2,26 g/cm3 corresponde à média de três medidas de uma amostra de cada batelada.
2.2.1.2. Queima

A curva de queima dos corpos a verde foi otimizada em pré-testes, confrontando custos e propriedades requeridas, como tamanho de grão, densidade, resistência mecânica e temperatura de sinterização.

A queima das peças foi realizada em forno de resistência elétrica da marca Lenton, com taxas de aquecimento de 95K/h por hora até atingir a temperatura de sinterização de 1540ºC, onde permaneciam em patamar de 3 horas. O esfriamento ocorreu naturalmente dentro do forno.

Esta mesma curva de queima foi aplicada para todas as cinco queimas contendo nove peças cada. As peças foram divididas em cinco queimas devido à influência do carregamento do forno sobre a eficiência de queima das mesmas.

Para o controle do processo de queima, foram determinadas a retração linear (utilizando-se um paquímetro com fundo de escala de 150 mm e resolução de 0,02 mm) e perda ao fogo (utilizando-se uma balança analítica com precisão na terceira casa decimal), além da análise tridimensional, via software Geopak em uma Coordinate Measuring Machine (CMM) da Mitutoyo.

Na retração linear, o resultado obtido para a média geral de todos os corpos-de-prova foi de 16,8%. Com esta retração linear, o ajuste dimensional após queima exigiu uma usinagem para a redução do 1,0 mm no diâmetro da esfera, a fim de se alcançar o diâmetro final almejado de 28 mm. A perda ao fogo foi em média de 3,7% em peso.


2.2.1.3. Usinagem

A etapa de acabamento superficial dos corpos cerâmicos compreendeu o processo de usinagem e polimento com rebolo diamantado(14). O acabamento é aprimorado com a diminuição do tamanho de grão abrasivo dos rebolos tanto para a parte externa como para a região do cone interno(7,10).


2.2.2. Métodos de Caracterização

As amostras após queima foram caracterizadas tendo como base o cumprimento de algumas das exigências estabelecidas pela norma ABNT NBR-ISO 6474 já referidas na Tabela I.


2.2.2.1 Propriedades Físicas e Mecânicas

Na caracterização das propriedades físicas e mecânicas dos corpos-de-prova foram determinados: i) densidade real e aparente, porosidade e absorção de água; ii) microdureza e iii) resistência mecânica;

A densidade real foi determinada usando um picnômetro a gás hélio fabricado por Quantachrome Corporation, modelo MVP-01. A técnica emprega o princípio de Arquimedes do deslocamento de fluido para determinar o volume da amostra. Para os ensaios de porosidade aparente, absorção de água e densidade aparente foi utilizado o método hidrostático que emprega o princípio de Arquimedes.

O ensaio de microdureza foi realizado por meio de análise de imagem com o auxílio de um microdurômetro, marca Buehler, com uma carga de indentação de 0,5N com tempo de penetração de 15s e obtenção de imagem por uma câmera acoplada ao aparelho.

O ensaio de resistência mecânica foi realizada em uma máquina universal de ensaios ATS, modelo 1105 C com célula de carga de 2 toneladas, na configuração demonstrada nas Figuras 3 e 4.

Figura 3. Geometria do ensaio de resistência Mecânica. Figura 4. Peças após ruptura.


2.2.2.2 Análise microestrutural

A análise microestrutural foi realizada via microscópio eletrônico de varredura. Para a realização da análise foi necessário um ataque térmico da amostra (40 minutos à 1400ºC), antes da obtenção da imagem para melhor revelação dos contornos de grão.

Para a avaliação da presença de trincas na superfície do corpo cerâmico foi procedida a análise por imersão em líquido penetrante durante cinco minutos. A solução de líquido penetrante foi preparada em um becker na concentração de 0,01% de azul de metileno (C16H18N3SCl.3H2O) em álcool etílico.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos na caracterização dos corpos-de-prova após queima são apresentados na Tabela II.

Tabela II. Resultados obtidos na caracterização dos corpos-de-prova após queima.


Queima


(HV0,5N)

PA (%)

AA (%)

DA (g/cm3)

1

1992

0,28

0,08

3,94

2

2132

0,25

0,06

3,95

3

2066

0,27

0,07

3,94

4

2034

0,30

0,09

3,95

5

2184

0,18

0,05

3,96

Média

2081,6

0,26

0,07

3,95

HV0,5= Dureza Vickers; PA= porosidade aparente; AA= absorção de água e DA= densidade aparente
Após queima, as peças apresentavam a coloração bege característica de alumina de alta pureza, proveniente à presença de impurezas residuais como ferro, sódio e outros. A análise visual após ensaio de líquido penetrante não evidenciou nenhum defeito significativo na superfície das esferas, como trincas.

A densidade real após queima foi de 3,97 g/cm3, o que revela uma boa densificação, sendo que o valor obtido está muito próximo da densidade teórica da alumina de 3,98 g/cm3 e superior ao limite mínimo de 3,94 determinado pela norma ABNT NBR-ISO 6474(5). Da mesma forma, a porosidade aparente de 0,26% e absorção de água de 0,07% em média, são indicativos desta elevada densificação. Além de satisfazerem às exigências descritas na suprareferida norma, esses valores não diferem muito dos valores encontrados na literatura para corpos cerâmicos com a mesma aplicação, mas obtidos pelo processo de prensagem isostática a quente.

O valor médio de microdureza Vickers foi de 2081,6 HV0,5 o que caracteriza a elevada dureza superficial da alumina obtida. Este valor serve como indicativo da resistência ao desgaste do componente, tendo em vista que este atuará como uma articulação. A presença de um lubrificante influencia bastante no processo de desgaste adesivo. Neste contexto, a qualidade de acabamento superficial da alumina obtida e o bom molhamento quando em contato com os fluidos fisiológicos são essenciais para uma expectativa de vida útil condizente com a sua função. Também aqui é importante considerar a esfericidade das amostras produzidas. A média geral dos resultados obtidos revela um desvio de esfericidade máximo de 22 m, devido provavelmente ao nível de vibração de usinagem, evidenciando a importância da estabilidade e rigidez do dispositivo de usinagem(15).

O resultado da carga à compressão obtido para a média geral de todos os corpos-de-prova foi de 1.300 kg. Deve-se levar em conta que durante as condições reais de uso o componente biomédico pode ser submetido a um carregamento de até dez vezes o peso do paciente. Porém, a aplicação da carga no ensaio levado a efeito é sobre uma área muito menor do que a disponível no caso real, induzindo uma concentração de tensões, simulando a pior condição possível.



3.1 Análise Microestrutural

Através das micrografias das Figuras 5 e 6 pode-se observar uma microestrutura com tamanho médio de grão na ordem de 2,5 m. Como estas imagens foram obtidas em uma região de fratura, evidencia-se um mecanismo de ruptura intergranular.


Figura 5. Microscopia - visão geral. Figura 6. Microscopia - visão detalhe.


4. CONCLUSÕES
A partir dos resultados apresentados pode-se concluir que:
1. É viável a fabricação de componentes de alumina para aplicação como cabeça femoral em próteses de quadril via processo de prensagem flutuante de duplo efeito;

2. O processo de prensagem flutuante de duplo efeito permite chegar próximo ao formato final da peça. Isso traz como benefício uma redução significativa no volume de material retirado por usinagem, e conseqüentemente, no custo final do produto;

3. Verificou-se que os parâmetros de queima escolhidos satisfazem as exigências impostas pelo componente em termos de densificação, tamanho médio de grão e resistência mecânica, enquadrando-se dentro do previsto nas normas ABNT NBR-ISO 6474 para corpos cerâmicos aplicados como cabeça femoral em próteses de quadril.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer ao Prof. Dr. Luis Alberto dos Santos e ao Prof. Dr. Heinz Hübner pela sua valiosa assessoria técnica para realização deste trabalho. Ao Laboratório de Metrologia da Unisinos em São Leopoldo – RS, pela análise tridimensional.

Ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pela bolsa de Iniciação Científica. E em especial, à Empresa CMC Tecnologia Ltda, pelo apoio logístico e técnico para a realização deste trabalho.


6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Hench L. L. & Wilson J. An introduction to bioceramics. Vol 1. World Scientific. London, UK, 1999.

2. Willmann G. Development in medical-grade alumina during the past two decades. Elsevier Science – Journal of Materials Processing Technology, Nº 56, 1996, pp 168-176.

3. MDA Safety Notice SN2002(05). Best practice in use of ceramic femoral heads in hip replacement implants. February 2002, pp 1-3

4. Kingery W.D., Bowen H.K., Uhlmann D.R. Introduction to Ceramics, 2nd Edition, John Wiley & Sons, New York, EUA,1975.

5. Hübner H., Dörre E. Alumina. Heidelberg, Springer-Verlag Berlin, 1984.

6. Heros R. J., Willmann G. Ceramics in total Hip Arthroplasty: History, Mechanical Properties, Clinical Results, and Current Manufacturing State of the Art. Seminars in Arthroplasty, Vol 9, Nº 2, April, 1998, pp 114-122.

7. Calès B., Stéfani Y. Risks and advantages in standardization of bores and cones for heads in modular hip prostheses. PROZYR–INCERAL. 1998, pp 122-129.

8. Piconi C., Labanti M., Magnani G., Caporale M., Maccauro G., Magliocchetti G. Analysis of a failed alumina THR ball head. Elsevier Science – Biomaterials, 1999, pp 1637-1646.

9. Toni A., Terzi S., Sudanese A., Bianchi G. Fracture of ceramic components in total hip arthroplasty. Hip International, Vol 10, Nº 1, 2000, pp 49-56.

10. ASTM F1636-95, Standard Specification for Bores and Cones for Modular Femoral heads, 1995.

11. ABNT NBR-ISO 6474, Implantes para cirurgia - Materiais cerâmicos a base de alumina de alta pureza, 1981.

12. ASTM F603-83, Standard Specification for High-Purity Dense Aluminum Oxide for Surgical Implant Application, 1983.

13. Ravaglioli, A., Krajewski, A.. Bioceramics: Materials, Properties, Applications. Chapman & Hall, New York, USA, 1992.

14. Nevelos J. E., Ingham E., Doyle C., Nevelos A. B., Fisher J. Wear of HIPed and non-HIPed alumina-alumina hip joints under standard and severe simulator testing conditions. Elsevier Science – Biomaterials, UK, 2001, pp 2191-2197

15. Wrege P. A. S., Purquerio B. M. Desenvolvimento de uma geradora de esferas de cerâmica para próteses de quadril. Anais Cobem 99, Novembro, 1999.

PRODUCTION AND CHARACTERIZATION OF AN ALUMINA CERAMIC FEMORAL HEAD


H. L. R. Alves*, C. P. Bergmann*, D. Stainer**

* Laboratório de Materiais Cerâmicos, Departamento de Materiais, EE, UFRGS

Av. Osvaldo Aranha, 99, 705 c, Centro, CEP 90035-190, Porto Alegre/RS, Brasil

hugo@ufrgs.br / bergmann@ufrgs.br

** CMC Tecnologia Ltda

Av. Roberto Galli,1220 Área Industrial, Cocal do Sul/SC, Brasil



daniel@cmc.ind.br

ABSTRACT



Literature shows that the increase of the life expectancy of the population and increasing number of automobile accidents has magnified the index of total hip surgeries in Brazil. In the majority of the times they use metal/polymer joint which has high levels of fails. The fail of hip implant normally is associated with the process of wear in the joint that liberates particles of the involved materials, causing biological reactions of infection on tissue, and the loss fixing of the implant. Alumina has been appreciably used as femoral ball head in the worldwide biomedical industry. This work presents, an alternative process of conformation by double pressing floating effect, and parameters of sintering and grinding for ceramic spheres. It was verified that the results satisfy the requirements imposed for the component in densification terms, average size of grain and mechanical strength, becoming viable the manufacture of this component by this way.

Key-words: Joint, Alumina, Femoral head, Hip prostheses




©aneste.org 2017
enviar mensagem

    Página principal