Desenvolvimento de uma máquina para ensaios de desgaste em próteses totais de articulação de quadril

Abstract

Um dos principais fatores limitantes da vida útil de uma prótese total de articulação de quadril (PTAQ) é sua baixa resistência ao desgaste. O tempo de vida útil de uma prótese atualmente é em média dez anos. Tanto para o desenvolvimento de novas próteses de quadril, como para o registro destas junto à ANVISA, o ensaio de desgaste tem se apresentado extremamente importante. Em função disso, desenvolveu-se uma máquina capaz de realizar o ensaio de desgaste em PTAQ normalizado segundo norma ABNT NBR ISO 14242-1, observando os quatro graus de liberdade (força, movimentos de flexão/extensão, adução/abdução e rotação interna/externa). Em seguida, foram realizados ensaios de desgaste em uma amostra composta de uma cabeça femoral de 28 mm de diâmetro de aço inox ASTM F138 (classe especial do aço AISI 316L para aplicações ortopédicas) e acetábulo de polietileno de ultra-alto peso molecular. Durante o ensaio foram realizadas as avaliações de perda de massa, de volume e de rugosidade, com intervalos predefinidos de 0,75, 1,5, 3 e 5 milhões de ciclos. Durante os intervalos, o equipamento sofreu os ajustes necessários para validação dos graus de liberdade aplicados na amostra. Observou-se no acetábulo redução da rugosidade logo nos primeiros ciclos de ensaio, estabilizando em 0,13μm a partir de 1,5Mc. Situação inversa foi encontrada para a cabeça femoral, que apresentou um aumento da rugosidade durante o ensaio, finalizando em 0,05 μm. A taxa de desgaste encontrada foi de 33,34mg/Mc na leitura gravimétrica foi de 27,37mm3 /Mc na digitalização 3D. O fator de desgaste foi de 0,9x10-6 mm3 /Nm e o desgaste linear foi de 0,12mm/Mc. O equipamento construído apresenta reprodutibilidade dos ensaios e concordância com os resultados de diferentes fontes de referência. Com baixo custo relativo, o equipamento ainda mostrou-se estável quanto aos graus de liberdade durante todo o ensaio, garantindo a sua reprodutibilidade.

One of the major limiting factors for the endurance of a total hip prosthesis (THP) is its low wearing strength. The endurance of such prosthesis is about ten years. Both for the development of new hip prostheses and for their registration by the Brazilian National Board ANVISA, the wearing tests are of extreme relevance. The developed equipment is able to perform wearing tests in THP standardized by the ABNT NBR ISO 14242-1, observing the four degrees of freedom (strength, flexion-extension, adduction-abduction movements and internal-external rotation). After development, wearing tests were carried out in a sample consisting of a femoral head (28mm diameter) made of stainless steel ASTM F138 (special class of AISI 316L steel for orthopedic applications) and an ultra-high molecular weight polyethylene acetabulum. Assessments of mass loss, volume and roughness were performed during testsfor the intervals of 0.75, 1.5, 3 and 5 million of cycles. Some adjustments were necessary to fit specifications during the procedure. It was observed a reduction in roughness in the acetabulum during the first cycles of tests, stabilizing at 1.5Mc in 0.13 μm. Inverse relation was found for femoral head, which presented a roughness increase during tests, stabilizing in 0.05 μm. The wearing rate was 33.34mg/Mc for gravimetric reading and 27.37 mm3 /Mc for 3D digitalization. Wearing factor was 0.9x10-6 mm3 /Nm and the linear wearing was 0.12mm/Mc. The designed equipment has a relative low cost, and was stable regarding the degrees of freedom during tests, allowing reproducibility.