TRIBOLOGIA DE SUPERFICIES ARTICULARES PROTÉTICAS
Prof. Dr. Luiz Sérgio Marcelino Gomes
O termo Tribologia (do grego tribos: roçar ou esfregar) se refere à ciência e a tecnologia da interação de
superfícies em movimento relativo e, portanto de suas
determinantes principais que são o atrito a lubrificação
e o desgaste. Esta área do conhecimento tem merecido
atenção crescente no desenvolvimento e avaliação de
novas superfícies articulares protéticas, alternativas ao
par metal /polietileno introduzido por Charnley em
1962.3 O aumento da expectativa de vida e a indicação
do procedimento artroplástico em pacientes cada vez
mais jovens requerem maior longevidade da reconstrução protética, cuja sobrevivência está limitada, mais
frequentemente, pelo desgaste das superfícies articulares e a conseqüente formação de partículas que resultam
em falência asséptica, por osteólise e/ou soltura, dos
implantes.20,27 Com o objetivo de reduzir a produção de
partículas e assim aumentar a sobrevivência da reconstrução articular protética, novos pares tribológicos têm
sido
propostos
como
metal/metal
(M/M),
cerâmica/cerâmica (C/C), cerâmica/polietileno (C/P) e
mais recentemente a articulação cerâmica/metal (C/M).
No mesmo sentido foram introduzidas novas técnicas
para a melhoria das propriedades mecânicas e
tribológicas do polietileno, como por exemplo, a
criação de maior número de ligações cruzadas entre as
cadeias do polímero (polietileno de ligações cruzadas
ou cross-linked). Mais recentemente o revestimento de
superfícies metálicas com materiais de melhor
comportamento tribológico como o óxido de zircônio
(ZrO2) ou o diamante tipo carbono (DLC) têm sido
objetos de estudos clínicos e experimentais.25 Embora
grandes progressos já possam ser observados, muitos
insucessos ainda são ocasionados, em parte pela
limitada compreensão da cinemática e tribologia
articulares, e também pelo restrito conhecimento dos
mecanismos de falhas in vivo dos implantes e de suas
implicações na concepção e utilização racional de
novos biomateriais. Neste capitulo iremos abordar,
sequencialmente, os princípios da tribologia e suas relações com a cinemática articular protética, e como estes
conceitos podem influenciar o desempenho e a longevidade dos vários tipos de superfícies artroplásticas.
mento relativo entre as superfícies de corpos em
contato, quando sujeitos a uma força externa. A força
de atrito é gerada pela deformação na superfície de
contato entre os materiais, e pela adesão entre os
átomos e moléculas das superfícies opostas. Age
tangencialmente à superfície e seu módulo independe
da área de contato aparente entre os corpos, porem é
função direta do valor da força normal. Desta forma
define-se coeficiente de atrito (µ), como a relação
entre a força de atrito (Fa) e a força normal (Fn), que
por este fato é uma grandeza adimensional (Fig.1.A).
Mesmo em implantes polidos e aparentemente
lisos, o atrito pode ocorrer pelas irregularidades
superficiais (rugosidade) em nível microscópico, cujo
perfil pode ser avaliado por aparelhos como o
rugosimetro (Fig.1.B,C e D).
Fig.1. (A): O coeficiente de atrito é uma grandeza adimensional,
resultado da relação entre a força de atrito e força normal. (B):
Superfície de cabeça metálica polida e aparentemente lisa a olho
nu apresenta (C): à microsocopia, irregularidades ou asperezas em
sua superfície cujo (D): perfil pode ser determinado e mensurado
(em Ra- rugosidade média) por aparelhos como o rugosímetro.
Diferentemente das propriedades mecânicas como
o módulo de elasticidade e tenacidade, o coeficiente
de atrito não é uma propriedade do material e assim
pode ter diferentes valores em função do par tribológico (Fig. 2.A), da configuração de contato (Fig. 2.B)
e do ambiente e regime de lubrificação (Fig.2.C).
Princípios Tribológicos Fundamentais:
Atrito, Lubrificação e Desgaste
As superfícies articulares protéticas têm a função
precípua de restaurar a amplitude de movimentação,
simultaneamente a uma reconstrução articular estável,
funcional, e duradoura.
Entre outros fatores que podem interferir na
longevidade da articulação protética estão: a
resistência ao movimento entre os constituintes do par
tribológico (determinados pelo atrito e condições de
lubrificação), e o desgaste das superfícies protéticas
com a conseqüente formação de fragmentos ou
partículas de desgaste (debris).
Atrito: O conceito de atrito diz respeito à obstrução (
atrito estático) ou à restrição (atrito cinético) ao movi-
Fig.2. Fatores que interferem no coeficiente de atrito. (A) Os
biomateriais que constituem o par tribológico, (B) e sua
configuração de contato, (C) assim como o ambiente adjacente e o
15
regime de lubrificação (modificado de Mischler S.)
Os biomateriais constituintes do par tribológico, seu
design e a tecnologia de fabricação influenciam
grandemente na intensidade do atrito, uma vez que
sua origem está ligada à deformação na superfície de
contato entre os materiais, e pela adesão entre os
átomos e moléculas das superfícies opostas. Assim, a
rugosidade e a deformação das superfícies em contato
impõem certa restrição ao movimento. É evidente
que quanto maior a dureza dos materiais que compõe
o par tribológico, mais fácil a manutenção do
polimento e mais difícil riscar a cabeça, restringindo
assim as asperezas de superfície. Por este motivo as
superfícies mais duras (C/C, M/M e C/M) apresentam
melhor desempenho tribológico.
Um outro mecanismo de atrito dependente do par
tribológico ocorre pela adesão (ligações químicas)
entre as superfícies protéticas, em muito semelhante
ao mecanismo de fusão a frio. O atrito gerado pela
força de atração entre as moléculas das superfícies
opostas chamadas forças de adesão, ocorre em
regiões de contatos localizados, como alterações de
esfericidade da cabeça ou imperfeições decorrentes
da usinagem. Desta forma, as ligações químicas entre
as moléculas de superfícies opostas, podem se opor
ao início do movimento (atrito estático), e assim o
movimento ulterior só será possível pela ruptura
destas ligações, resultando na remoção de material da
superfície articular. Este mecanismo ocorre mais
intensamente quanto maior for a força de atração
entre as superfícies e é bastante evidente na
articulação metal/metal durante o período inicial de
atividade (run-in). Com a perda progressiva de
material ocorre o polimento nas zonas de contato e
assim o atrito adesivo diminui com o tempo de
implantação.
O atrito que ocorre entre os pares tribológicos mais
utilizados pode ser observado na Tabela 1.
Tabela 1. Coeficiente de Atrito (µ) para Diferentes
Pares Tribológicos e Articulação Sinovial.
Par Tribológico
Coeficiente de Atrito (µ)
Metal/Metal*
Art. Sinovial s/ Lubrificação
Metal/PE Convencional
Cerâmica/Metal
Cerâmica/Cerâmica**
Art. Sinovial c/ Lubrificação
0.40
0.20
0.10
0.05
0.04
0.005- 0.02
Lubrificação: Para que o atrito seja diminuído é
importante que não haja contato direto entre as
superfícies articulares durante o movimento e o
suporte de carga, papel este que pode ser exercido
pela interposição de um filme líquido.
Na superfície articular natural do quadril, a grande
congruência articular, distribui as tensões em uma
área extensa, dentro de uma cavidade estanque e
preenchida pelo líquido sinovial, permitindo assim
que a flutuação de pressão do liquido, neste
compartimento, contrabalance os esforços externos.
Desta forma a pressão hidrostática do filme fluido
separa as 2 superfícies e impede o seu contato direto
durante o carregamento, através da manutenção de
uma fenda (clearance) articular. Este mecanismo
hidrostático é auxiliado, durante o carregamento, pelo
aumento de volume de liquido na articulação,
oriundo da expulsão de substancias adsorvidas na
cartilagem (Fig.3.A) e, por este motivo, não depende
de movimento entre as superfícies, mas sim da carga
aplicada.
Durante a movimentação, a lubrificação é
dependente da velocidade entre as superfícies
articulares que origina a lubrificação hidrodinâmica
(Fig.3.B). Quanto maior a velocidade relativa (que
chega a atingir 40 mm/s) mais se aumenta o volume
do fluido que mantém as superfícies afastadas e
garantindo um coeficiente de atrito da ordem de 10-3..
Caso uma espessura adequada não seja possível, em
algumas circunstâncias a pressão do filme pode ser
capaz de deformar as irregularidades das superfícies,
dificultando o contato direto, e originando assim um
regime de lubrificação chamado elastohidrodinamico.10
Por outro lado no caso de baixa velocidade entre as
superfícies, o menor volume fluido permite que
esforços de alta magnitude (cerca de 8 vezes o peso
corporal) tendam a promover o contato direto entre as
superfícies articulares, aumentando assim o atrito.
Nesta circunstancia é importante a presença de
moléculas de tribonectinas, que se ligam as
superfícies opostas atuando como um sabão e
diminuindo portanto o atrito. Este mecanismo de
lubrificação é chamado de marginal, de contorno ou
de superfície (Fig.3.C).
*Liga de Cromo-Cobalto. PE: Polietileno
** Alumina (Al2O3)
Como resultado do atrito entre as superfícies, o
movimento ira gerar um torque (de atrito) na
interface entre o componente acetabular e o osso, que
é tanto maior quanto maior o diâmetro da cabeça,
porém em módulo sempre muito inferior ao torque
experimental necessário para soltar o componente.
Desta forma, embora o atrito contribua em muito para
o desgaste articular, a contribuição do torque de atrito
para a soltura dos componentes protéticos parece não
ser tão significativa.
Fig.3. Regimes de lubrificação da articulação sinovial. (A) O
regime hidrostático ocorre durante o suporte de carga sem
movimento significativo, enquanto o hidrodinâmico (B) aumenta
com a velocidade entre as superfícies. (C) Quando o carregamento
tende a aproximar as superfícies articulares, as tribonectinas tem
um papel importante na lubrificação marginal ou de superfície (C).
Quando substituímos a articulação natural pela
articulação protética, devemos reconhecer algumas
desvantagens principalmente no que diz respeito à
lubrificação. Primeiramente a fenda articular
(clearance) deve ser o suficiente para permitir a
formação de um filme fluido que impeça o contato
direto entre as superfícies, e assim proporcionar uma
lubrificação hidrodinâmica. Neste caso a espessura
do filme fluido deve ser maior que a rugosidade das
superfícies. Contudo, quando a espessura do filme é
menor que a altura da rugosidade e o contato direto é
inevitável, a presença de compostos orgânicos
(tribonectinas) adsorvidos pelas superfícies protéticas
pode diminuir o atrito, pela baixa resistência destas
proteínas ao cisalhamento. Desta forma estas
moléculas funcionam como um sabão entre as
superfícies opostas (lubrificação marginal ou de
superfície).10
Entre as superfícies protéticas o regime de
lubrificação pode ser hidrodinâmico, marginal ou
misto (intermediário entre os 2 regimes citados), na
na dependência da espessura do filme fluido. Esta
espessura, que depende não só das propriedades dos
biomateriais constituintes do par tribológico, mas
também de seu design e a tecnologia de fabricação,
pode ser expressa em função da viscosidade do
liquido, da velocidade relativa entre as superfícies e
de sua rugosidade.
O simples fato de umedecer a superfície protética
pode diminuir o atrito, e assim materiais que permitam um maior molhamento (medido pelo ângulo de
contato) de sua superfície têm melhor desempenho
tribológico, como a cerâmica, pois a maior dispersão
do liquido promove melhor lubrificação (Fig. 4).
Fig.4. A propriedade do líquido se distribuir sobre a superfície de
um material, chamada de molhamento, é medida pelo ângulo de
contato (A). Quanto menor o ângulo de contato, melhor a
distribuição do líquido na superfície e, portanto melhor a
lubrificação. (B) Dentre os materiais utilizados em superfícies
protéticas, a cerâmica apresenta o menor ângulo de contato.
Para que a espessura de um filme fluido seja
mantida é necessária uma dimensão de fenda articular
adequada para garantir um equilíbrio entre o contato
polar e equatorial, que em condições ideais promove
um regime hidrodinâmico de lubrificação. Nos casos
em que se utiliza o Polietileno, ainda que uma fenda
articular adequada seja obtida inicialmente, a
possibilidade de deformação do polímero tende a
produzir um contato equatorial (Fig.5. A e B), de
maior atrito, e assim o principal regime de
lubrificação passa a ser o marginal ou de superfície.
Materiais mais rígidos como as ligas de cromocobalto e a cerâmica deformam-se muito pouco e
permitem a manutenção da fenda articular e o contato
polar, favorecendo o regime de lubrificação
hidrodinâmico ou misto.
.
Fig.5. Regimes de lubrificação de superfícies articulares protéticas.
(A) Materiais mais rígidos não se deformam com o carregamento,
permitindo o contato polar, e assim que se mantenha uma fenda
articular adequada (setas brancas) à lubrificação hidrodinâmica.
(B): Materiais mais dúcteis e elásticos (como o polietileno)
permitem a deformação que ocasiona um contato equatorial, sem
15
fenda articular. (Modificado de Mischler S).
Desgaste: A conseqüência inevitável do movimento
entre duas superfícies opostas é a remoção de
material devido à ação mecânica (desgaste), que pode
gerar milhares de partículas nos tecidos adjacentes a
cada ciclo de marcha. Na articulação protética o
desgaste é determinado por diferentes mecanismos,
em função do atrito, da lubrificação e do meio
adjacente.
O mecanismo mais freqüente de desgaste é a
abrasão, em que as asperezas superficiais funcionam
como uma lixa ao contato com o elemento oposto. A
abrasão, ocasionada pela rugosidade das superfícies
do par tribológico, pode ser agravada pela presença
de contaminantes no interior da articulação como
fragmentos metálicos, ósseos ou de cimento ósseo
(chamados de terceiro corpo), que irão promover
maiores danos à superfície articular e assim ocasionar
um desgaste rápido e progressivo. Este mecanismo
(abrasão por terceiro corpo) é constatado em
explantes pela presença de ranhuras e riscos na
superfície articular protética (fig. 6.A e B). A abrasão
é grandemente influenciada pelos biomateriais constituintes do par tribológico, uma vez que materiais
mais duros, e com menor ductilidade mostram-se
mais resistentes à abrasão por apresentarem menor
desgaste e maior resistência ao dano superficial,
como a articulação cerâmica/ cerâmica.
Fig. 6. (A) Explante de cabeça femoral protética mostrando
inúmeros sulcos e riscos oriundos da abrasão por terceiro corpo,
com profundas repercussões sobre a (B) estrutura do componente
acetabular de polietileno que apresenta sinais de falência
catastrófica.
No desgaste por adesão as ligações entre as
superfícies opostas em pontos localizados, são
rompidas pela ação mecânica do movimento gerando
fragmentos que são transferidos para a superfície
oposta ou diretamente liberados para o interior da
articulação. Neste mecanismo, a intensidade da força
de ligação entre átomos e moléculas das superfícies
opostas tem grande influência, e pode ser uma
importante fonte de partículas, como na articulação
metal/metal, quando a alta ductilidade promove
maior adesão. A medida que o material é
progressivamente removido dos pontos de maior
contato, o conseqüente auto-polimento da superfície
diminui a intensidade do desgaste adesivo.
A movimentação e o carregamento cíclicos entre as
superfícies articulares podem iniciar a fadiga do
material através de microtrincas que ao se
propagarem promovem a delaminação de fragmentos
para o interior do espaço articular. Este desgaste por
fadiga gera, portanto partículas maiores que podem
atuar como terceiro corpo ou mesmo ocasionar
bloqueio articular. O polietileno é particularmente
susceptível a este mecanismo quando da sua
oxidação, uma vez que a conseqüente alteração de
suas propriedades mecânicas diminui sua resistência
à fadiga.18
O desgaste pode ocorrer ainda por fenômenos
triboquímicos conseqüentes a reações químicas entre
o meio adjacente às superfícies em contato. Na
articulação Metal/Metal a remoção e formação
alternadas da camada de óxido sobre as superfícies
articulares (camada de passivação), liberam partículas no interior da articulação resultantes do desgaste
oxidativo ou triboquímico. 10,15
As partículas ou debris formados pelos diferentes
mecanismos de desgaste podem, por mecanismos
mecânicos e /ou biológicos, levar à soltura e
destruição óssea progressiva e assim não só
comprometer a longevidade da artroplastia, como
dificultar os procedimentos reconstrutivos futuros.
Inúmeras pesquisas associam o desgaste com a
ocorrência de osteólise e falhas da substituição
articular protética (Fig. 7).
O desgaste linear da articulação M/P medido em
radiografias, tipicamente apresenta uma fase inicial
acelerada (até 12-18 meses), que é o resultado da
fluência do polímero, do assentamento do inserto
plástico no componente metálico (bedding-in) e do
desgaste da superfície articular protética. A fluência é
manifesta pela deformação plástica, mesmo em
condições de carregamento constante, e não
representa per se um desgaste real. Após esta fase
inicial (até 2 anos após o implante) em que pode
ocorrer uma taxa de desgaste de até 0.2-0.3 mm/ano,
o desgaste linear atinge uma fase de estabilidade em
torno de 0.10-0.15mm/ano, atribuída ao desgaste
propriamente dito. 21
Estudos clínicos, contudo mostram uma grande
variação na taxa de desgaste para um mesmo modelo
protético. Esta variabilidade é resultado de fatores
relacionados ao paciente (sexo, idade, peso,
atividade), a características do modelo protético
(materiais, design, processos de fabricação), à técnica
cirúrgica (posicionamento dos implantes, restauração
da biomecânica articular, permanência de terceiro
corpo, qualidade da fixação dos implantes entre
outras) e do próprio método de mensuração
radiográfica do desgaste. 9,21
O impacto do desgaste na gênese da osteólise e/ ou
soltura é dependente não só do número de partículas
como também de sua morfologia, dimensões,
atividade biológica e citotoxicidade. 2
Embora cabeças protéticas de maior diâmetro
possam apresentar o mesmo desgaste linear, o
desgaste volumétrico e, portanto o numero de
partículas
é também significativamente maior6
(Tabela 2). Observe que para um mesmo desgaste
linear, o desgaste volumétrico de uma cabeça de 32
mm é cerca de 2 vezes maior que o da cabeça de 22
milímetros. Assim, pelo maior número de partículas
geradas, dá-se preferência ao desgaste volumétrico
como parâmetro a ser comparado com o desfecho
clínico das artroplastias totais. Desta forma há que se
considerar a relação risco/benefício para a prática
mais recente de se utilizar cabeças protéticas de
maior diâmetro, com o objetivo de aumentar a
estabilidade e diminuir a possibilidade de impacto
com a borda acetabular protética.
Tabela 2. Relação entre o Desgaste Linear (0.1
mm/ano) e o Desgaste Volumétrico em Função do
Diâmetro da Cabeça de Cromo-Cobalto em
Polietileno Convencional.
Diâmetro Cefálico
22 mm
28 mm
32 mm
Fig 7. Representação gráfica da sobrevivência de reconstruções
protéticas em anos (abscissa) e em percentual (ordenada) para
diferentes taxas de desgaste linear anual. (modificado de Sochard,
22
DH).
Desgaste Volumétrico
38 mm3
60 mm3
80 mm3
Vários ensaios experimentais em simuladores de
quadril demonstram um desgaste volumétrico muito
próximo do obtido em condições clínicas para o par
tribológico Metal/PE. Contudo uma vez que o
numero de ciclos anuais pode apresentar grande
variabilidade entre diferentes pacientes, em
avaliações experimentais o parâmetro de desgaste
anual é substituído por milhão de ciclos. A Tabela 3
compara o desgaste volumétrico experimental de
diferentes pares tribológicos utilizados em
reconstruções protéticas do quadril. Observe que em
relação ao par Cro/Co-PE convencional, o PE
altamente irradiado reduz, em cerca de 90% o
desgaste volumétrico, enquanto o PE triirradiado,
reduz o desgaste para níveis semelhantes aos da
articulação M/M, e o par C/M e C/C não apresentam
diferenças significativas entre si, em relação ao
desgaste volumétrico experimental. 13,14
Tabela 3. Desgaste Volumétrico em Milímetros
Cúbicos (mm3) de Diferentes Pares Tribológicos
por Milhão de Ciclos (mc), em Simuladores de
Quadril.
Par Tribológico
Desgaste (mm3/mc)
Cr/Co- PE Convencional
Cerâmica- PE Convencional
Cr/Co- PE X Linked
Cerâmica- PE X Linked
Cr/Co- Cr/Co
Cr/Co- PE X3
Cerâmica- Cr/Co
Cerâmica- Cerâmica
35
25
5
3
1.6
1.3
<0.1
<0.1
das superfícies protéticas, o que possibilitou uma
reprodução mais realística durante os ensaios
experimentais com simuladores de quadril.
Por longo tempo os estudos de pino sobre disco
foram utilizados para o estudo do desgaste do
polietileno sem contudo reproduzir o desgaste clínico
e muitas vezes incapazes de detectar materiais que
apresentaram resultados catastróficos após poucos
anos de implantação in vivo. Estudos da cinemática
articular mostraram que o movimento entre as superfícies opostas ocorre em várias direções, e não em um
eixo único como avaliado pelo pino sobre disco. Esta
constatação permitiu o entendimento que a estrutura
do polímero pode interferir na sua resis-tência ao
desgaste18. Desta forma, o polietileno com longas
cadeias carbônicas e poucas ligações cruzadas entre
elas (PE convencional), é resistente ao desgaste
quando solicitado na direção das ligações interatômicas que mantém a estabilidade da cadeia (fig. 8
A). Por outro lado a solicitação em direção perpendicular promove a separação entre cadeias adjacentes
gerando assim partículas que são arrancadas do
material (Fig.8. B). Este mecanismo também auxiliou
na compreensão da maior resistência ao desgaste do
polietileno de ligações cruzadas (Fig.8. C).
Cr/Co = Liga de Cromo-Cobalto
PE X3= Polietileno
triirradiado. Valores aproximados, para cabeças de 28 mm
em condições semelhantes de ensaio.
É importante ressaltar, que para um mesmo
desgaste volumétrico, o número de partículas
dependerá também de seu tamanho, e assim as
partículas nanométricas resultantes do desgaste da
articulação M/M são em numero muito superior (em
até 500 vezes) às partículas pouco menores que 1
micrometro, resultantes do desgaste da articulação
metal/polietileno4.
Ainda que considerado o número de partículas, sua
reatividade e citotoxicidade devem ser avaliadas na
indicação do par tribológico mais adequado. As
partículas de cerâmica, embora de tamanho
nanométrico e, portanto mais numerosas que as de
polietileno, são bastante estáveis quimicamente em
meio orgânico e portanto muito pouco reativas, o que
lhes confere uma grande biotolerância e baixa
toxicidade. Por outro lado partículas metálicas têm
elevada reatividade biológica e se disseminam pelo
organismo em gânglios linfáticos, fígado, baço,
medula óssea. Níveis elevados de Cobalto e Cromo
podem igualmente ser detectados no sangue e na
urina.14,26
Cinemática Articular Protética
A cinemática articular estuda o movimento
relativo entre superfícies sem se preocupar com as
forças que geram o movimento. Importantes
contribuições
desta
ciência
auxiliaram
no
esclarecimento dos mecanismos de desgaste in vivo
Fig. 8. (A). O PE convencional quando solicitado na direção de
suas cadeias apresenta maior resistência ao desgaste do que (B)
quando solicitado em direção ortogonal , uma vez que a baixa
coesão permite o desgarro de cadeias e formação de partículas.
(C) No caso da existência de ligações cruzadas a maior coesão
entre as cadeias promove maior resistência mesmo em direções
ortogonais. (Modificado de Mischler S). 15
A introdução de ensaios com simuladores de quadril trouxe grande avanço às pesquisas experimentais,
porem as articulações protéticas ensaiadas com este
método ainda falhavam em reproduzir os danos
observados em explantes. Mais recentemente
Lombardi et al17 confirmaram uma característica in
vivo da cinemática articular protética em que, quando
não solicitada em carregamento durante a marcha, a
cabeça femoral protética se desaloja parcialmente do
implante acetabular. Com o carregamento subseqüente a cabeça volta a se alojar na cavidade, porem não
sem antes impactar contra a borda superior do componente acetabular (edge loading – Fig. 9 A,B,C e D).
A utilização desta característica cinemática nos
ensaios em simuladores de quadril permitiu a reprodução dos danos mais encontradiços nos explantes (Fig.
9.E), incluindo o desgaste em faixa (stripe wear)
observado em cabeças das articulações C/C16 e M/M.
Fig. 9. (A) Em relação a sua posição durante o carregamento, (B)
na fase de balanço ocorre o desalojamento parcial da cabeça
femoral protética. (C) Quando do carregamento na fase de apoio, o
assentamento é feito pela borda superior do acetábulo causando o
impacto nesta região conhecido na literatura inglesa como edgeloading. (D) O desgaste na porção superior permite que mesmo
após o assentamento, a cabeça seja dirigida superiormente. (E)
Explante em que se visualiza o desgaste de todo o chanfro na
porção superior do componente de polietileno (cabeças de seta)
devido ao impacto na borda durante o realojamento da cabeça,
comparado ao chanfro intacto na porção inferior (seta dupla).
Desempenho das Diferentes Superfícies
Articulares Protéticas.
Articulação Metal/Polietileno
O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular
(PEUAPM), por vezes erroneamente designado na
literatura médica como Polietileno de Alta Densidade
(PEAD), foi introduzido para uso em substituições
articulares protéticas por Charnley, no início da
década de 60, em substituição ao fluon (poli-tetrafluor-etileno ou Teflon®). Este último material,
embora atraente pelo seu baixo atrito, apresentou-se
muito pouco resistente ao desgaste, culminando em
falhas precoces por osteólise e soltura dos implantes
protéticos.3
Ainda que mais resistente ao desgaste quando
comparado a outros polímeros, o PEUAPM é particularmente sensível à oxidação in vivo, fenômeno este
que pode ser influenciado pelos processos de fabricação e esterilização, e assim determinar menor resistência ao desgaste por fadiga18. A taxa média de
desgaste para este material está ligada também a
fatores relacionados ao paciente, tecnologia de
processamento, modelo protético e técnica cirúrgica.
O polietileno tradicionalmente referido na literatura
como convencional, se refere ao PE esterilizado em
raios Gama em atmosfera ambiente (dosagem entre
2.5-4 Mrads, equivalente a 25-40 kGy), que é
responsável pela ocorrência de algumas ligações
cruzadas entre as cadeias, melhorando assim seu
comportamento tribológico.7,23 A permanência de
radicais livres remanescentes podem porem promover
sua oxidação pela reação com o oxigênio atmosférico. Alguns fabricantes nacionais se utilizam de
processos não ionizantes de esterilização (como o
óxido de etileno) que, se por um lado não promovem
sua oxidação, também não produzem os efeitos
benéficos de ligações cruzadas entre as cadeias. A
literatura mundial relata uma diminuição em cerca de
50% do desgaste do polietileno irradiado em
atmosfera ambiente (cerca de 0.1 mm/ano) quando
comparado ao esterilizado por métodos não
ionizantes (cerca de 0.16 mm/ano) 23.
Estudos clínicos com o PE convencional relatam
sobrevivência média entre 5 e 15 anos, dependendo
da taxa de desgaste. O volume total de desgaste
quando da ocorrência de falha é bastante semelhante
em diversos relatos sobre a analise de explantes.
Tipper et al.24 detectaram em implantes tipo Charnley
que sobreviveram em média 12 anos, um desgaste
volumétrico médio anual de 60 mm3, penetração
linear média de 0.17 mm/ano e um volume total de
desgaste médio de 785 mm3 à falência. Estes
resultados foram muito próximos aos obtidos por
Elfik et al. 6
Na tentativa de eliminar a contínua oxidação,
mesmo durante o armazenamento do PE convencional, várias indústrias introduziram a esterilização à
vácuo ou em ambiente inerte (Argônio ou
Nitrogênio). Estudos subseqüentes mostraram uma
redução do desgaste em cerca de 40% em relação ao
PE convencional, porem os radicais livres
remanescentes da irradiação podem ainda reagir in
vivo e assim promover sua oxidação. A conseqüência
da oxidação para o PE convencional, irradiado em
ambiente inerte e recozido foi analisada em explantes
e demonstrou que as alterações são mais encontradiças na borda do componente, e pouco significativas
na região de contato com a cabeça protética. 11
Estudos experimentais subseqüentes mostraram
efeitos benéficos na resistência ao desgaste com
maiores doses de irradiação,(entre 50 e 100 kGy)
produzindo assim um grande numero de ligações
cruzadas (PE altamente irradiado). 18 A remoção dos
radicais livres remanescentes é feito por diferentes
métodos de acordo com o fabricante. A fusão
subseqüente do polietileno remove substancialmente
os radicais livres, porem promove profundas
alterações em suas propriedades mecânicas. Por outro
lado o recozimento (aquecimento abaixo do ponto de
fusão) não promove substanciais alterações das
propriedades mecânicas, porem permite a
persistência de radicais livres remanescentes.
O PE altamente irradiado promove uma redução do
desgaste em cerca de 90% quando comparado ao PE
convencional. Esta redução foi igualmente observada
em recentes análises de explantes.19 Contudo a
falência mecânica precoce do PE fundido em
ambiente mecânico de altas tensões também tem sido
relatada na literatura. Constitui-se preocupação
adicional, o fato de que as partículas de desgaste
oriundas deste processamento do PE são mais
biologicamente ativas em relação as partículas
geradas pelo PE convencional. 2
Como alternativa ao processo de fusão, os radicais
livres podem ser eliminados por um processo de
irradiação fracionada. Neste caso o PE (X3®) é
submetido a uma dose total de 90 kGy fracionadas
em 3 etapas sucessivas de 30 kGy e recozido em cada
uma destas fases. Este processo mantém a mobilidade
das cadeias e assim permite a eliminação dos radicais
livres sem, contudo alterar substancialmente suas
propriedades mecânicas5. Estudos laboratoriais
relatam 97% de redução do desgaste em comparação
ao PE convencional e 62% em relação ao PE
altamente irradiado e recozido pela técnica original.
Nesta circunstância, a manutenção das propriedades
mecânicas do PE sem alterações dimensionais e
morfológicas das partículas de desgaste, associada a
uma taxa de desgaste próxima a da articulação M/M
permitem a utilização de cabeças de maior diâmetro
sem a preocupação com a liberação de íons
metálicos.
Um processamento químico alternativo para a
redução de radicais livres e de redução da oxidação
do PE, é a utilização de antioxidantes como a vitamina E. Embora promissoras estas técnicas deverão ser
sujeitas a ensaios clínicos, que em ultima analise irão
avaliar seu comportamento em longo prazo.
Articulação Metal/Metal
O ressurgimento da articulação metal/metal foi
motivado pelos achados de desgaste desprezível em
alguns explantes de primeira geração com sobrevivência maior que 20 anos, em que as falhas ocorriam
mais frequentemente por soltura dos implantes e
tecnologia e design inadequados aos requisitos deste
par tribológico.
Vários relatos de seguimentos clínicos de pacientes
submetidos ao implante da articulação protética M/M
de segunda geração, têm revelado excelente resultado
funcional, baixo desgaste volumétrico (0.3 mm3/ano),
raros casos de osteólise e baixo índice de revisão por
causas ligadas especificamente à superfície articular2.
Muito embora a segunda geração deste par
tribológico se caracterize por um baixo desgaste
volumétrico, seu desempenho está ligado a
preponderância
de um contato polar entre as
superfícies, dado por uma fenda articular
(genericamente entre 20 e 200 µm, na dependência
do diâmetro da cabeça metálica) que permita a
manutenção de um filme fluido e assim garanta uma
lubrificação mais eficiente. A lubrificação poderá
ainda ser potencializada pela utilização de cabeças de
maior diâmetro que produzem um regime hidrodinâmico, por aumentar a espessura do filme fluido.
Estas propriedades tribológicas, e a possibilidade
de um componente acetabular de menor espessura,
que permitem a utilização de cabeças de grande
diâmetro (> 40 mm), estimularam alguns pesquisadores a reintroduzirem a artroplastia de superfície
(ou de recapeamento). Tal procedimento, embora
inicialmente atraente para pacientes jovens e ativos,
deve ser avaliado a luz dos conhecimentos
disponíveis na literatura mundial e assim apresentado
ao paciente como um método não definitivo, mas
sim provisório, com durabilidade ainda desconhecida, riscos inerentes de complicações especificas,
possíveis riscos de toxicidade e hipersensibilidade
aos debris metálicos, com indicações bastante
limitadas, e de técnica cirúrgica ainda em
desenvolvimento. 12,13,14 Ressalte-se ainda que
embora o desgaste por unidade de área possa desta
forma ser melhorado, grandes cabeças metálicas
estão associados a maior área de contato e portanto a
um maior desgaste volumétrico. Saliente-se também
que mesmo para um baixo desgaste volumétrico, o
número abundante de partículas, devido às suas
dimensões nanométricas e sua alta reatividade com os
tecidos orgânicos, podem estar associados a maiores
repercussões locais e sistêmicas.
Alem de partículas iônicas (mais freqüentemente de
Cromo, Cobalto, Níquel e Molibdênio) de rápida
disseminação pelos tecidos orgânicos, formam-se
também óxidos metálicos e compostos organometálicos que podem ter repercussões distintas dos
elementos iônicos.
A hipersensibilidade aos íons metálicos tem sido
associada à soltura precoce dos componentes, o que é
corroborado, nestes casos, pelo achado de um
infiltrado linfo-plasmocitário no tecido de granulação
periarticular, em substituição ao padrão macrofágico,
frequentemente observado na soltura asséptica em
reposta às partículas de polietileno28.
A grande toxicidade de partículas metálicas em
altas concentrações, que experimentalmente leva a
necrose celular, ainda que não esteja efetivamente
associada a maior potencial carcinogênico, tem
limitado a implantação desta superfície protética em
pacientes portadores de insuficiência renal e em
mulheres em fase reprodutiva. 31 Elevação da
concentração urinária de Cobalto em 39 vezes e de
Cromo em 28 vezes maiores quando comparados à
articulação M/P, sem a tendência de decréscimo com
o tempo (até 7 anos), se constitui uma preocupação
adicional. 14,31
Quanto a tecnologia de produção a liga metálica de
Cromo-cobalto, para este par tribológico, se beneficia
de um conteúdo mais elevado de carbono o que
propicia a formação de carbonetos (principalmente de
cromo) aumentado assim a dureza superficial e a
resistência à corrosão, mecanismo importante de
desgaste desta articulação protética. Contudo, ainda
existem proposições divergentes sobre a tecnologia
de fabricação e o design ideal que minimizem o
desgaste e a produção de partículas iônicas na
articulação Metal/Metal.
Desta forma, a articulação M/M, como todas as
outras superfícies alternativas, apresentam vantagens
e desvantagens, especificas e design dependentes, das
quais ainda não se pode claramente diferenciar os
riscos e benefícios reais dos teóricos.
Articulação Cerâmica/Cerâmica
Desde sua introdução na pratica clinica em 1970
por Boutin, a articulação cerâmica/cerâmica (alumina
– Al2O3) é a que demonstra menor desgaste em
condições clínicas e experimentais, com excelentes
características tribológicas de baixo atrito e elevada
resistência ao desgaste, conseqüentes à sua elevada
dureza, hidrofilia e melhor molhamento.30 Contudo a
baixa tenacidade que é responsável por um risco
baixo mas real de fratura frágil, tem sido o fator que
mais comumente restringe sua utilização clinica. A
ocorrência de fratura em até 3-5% na década de sua
introdução para uso clínico, refletia não só as
características do material, como também, o design
inadequado e a técnica cirúrgica não apropriada.
Novos métodos de sinterização produzindo grãos
menores e de maior densidade, e assim minimizando
a presença de inclusões, tornaram a alumina um
material mais confiável, com freqüência de fratura
reduzida de 0.026% para menos de 0.004 por cento. 2
Recentes inovações no design permitiram a redução
do impacto entre o colo protético e implante o
acetabular e assim reduzindo a possibilidade de
fratura da borda do componente acetabular. Diâmetros maiores de cabeça (>38 mm), contudo são
limitadas pela espessura do componente acetabular.
Um grande inconveniente durante as cirurgias de
revisão de superfícies C/C é a remoção de
componentes femorais bem fixos, devido a
substanciais danos ao cone metálico que aumentam a
probabilidade de fratura da cabeça cerâmica revisada.
A utilização de cabeças cerâmicas dotadas de
encaixes metálicos para o cone protético, parece ser
uma solução mais atraente.
A produção de debris é reduzida por um desgaste
volumétrico menor que 0.15 mm3 anualmente, que dá
origem a partículas nanométricas, porem bem
estáveis e pouco reativas com os tecidos orgânicos
adjacentes. Desta forma a incidência de osteólise é
rara, mesmo em seguimentos de longo prazo.
Recentes avaliações de explantes puderam detectar
o efeito do desalojamento da cabeça durante a fase de
balanço da marcha para a articulação C/C. 16 Este
fenômeno ocasiona um desgaste em faixa na cabeça
protética e componente acetabular (stripe wear) e
resulta em uma maior taxa de desgaste volumétrico,
chegando a atingir 1.4 mm3/ano. Este desgaste
secundário ao desalojamento da cabeça protética
também tem sido responsabilizado pela produção do
guinchado articular (squeaking) .
Um outro tipo de cerâmica utilizada para a
confecção de implantes protéticos é o óxido de
zircônio (ZrO2), também conhecido como zircônia.
Este material, quando adequadamente processado e
estabilizado em ítrio, apresenta excelente tenacidade
à fratura, mesmo para pequenos diâmetros de cabeça
femoral. Contudo sua instabilidade quando submetida
a altas temperaturas em ambiente úmido (autoclave
ou fornos inadequados para processamento) permite
uma transformação de fase que culmina em
diminuição de sua resistência mecânica e aumento da
rugosidade superficial. Este fato foi responsável pela
fratura precoce em 8.8% de cabeças de zirconia
processadas em forno inadequado. Com o
processamento habitual nenhuma fratura foi
observada em cerca de 200.000 cabeças implantadas ,
incluídas cerca de 20.000 cabeças de diâmetro 22
milímetros.2 Sua utilização tem sido restrita ao par
tribológico com o polietileno, porem mais
recentemente a combinação de alumina, de boa
estabilidade térmica, e a grande resistência mecânica
da zircônia estabilizada em ítrio deu origem às
cerâmicas mistas, com excelente resistência mecânica
e ao desgaste.
A utilização de cabeças cerâmicas, de melhor
propriedade tribológica que o metal, articulando-se
contra o PE convencional ou de ligações cruzadas
tem sido avaliada em estudos clínicos com
seguimento em médio prazo que demonstram
redução do desgaste em cerca de 35% e 90%
respectivamente.
Articulação Cerâmica /Metal
A utilização de cabeça cerâmica (alumina)
articulando-se com um componente acetabular metálico foi fundamentada em ensaios que demonstraram
um desgaste volumétrico de 0.01 mm3/milhão de
ciclos, comparada ao desgaste de 1.62 mm3/ milhão
de ciclos para a articulação M/M (ambas com cabeça
de 28 mm).29 A redução do desgaste é devido a
dureza diferencial entre cerâmica e metal, com
conseqüente redução do desgaste adesivo. As grandes
vantagens deste par tribológico parecem ser: o
desgaste reduzido, a baixa liberação de íons e a
possibilidade de utilização de cabeças de maior
diâmetro8. Segundo os pesquisadores envolvidos
nestes estudos, a diminuição do desgaste adesivo
pode, teoricamente inibir a ocorrência do guinchado
articular (squeaking) por vezes observado nas
articulações M/M e C/C. Um ensaio clínico, com um
número restrito de pacientes, seguidos por apenas 6
meses foi recentemente relatado na literatura,
confirmando os baixos níveis sanguíneos de íons
cromo e cobalto. Embora os resultados sejam
promissores, resultados em médio prazo são
aguardados com expectativa.
Revestimentos de Superfície.
Uma alternativa para a redução do desgaste tem
sido implantar superfícies cerâmicas em um substrato
metálico, pois simultaneamente mantém as
características tribológicas da cerâmica (óxido de
Zircônio) e a resistência à fratura do metal. A
preocupação neste caso é a possível delaminação da
superfície cerâmica do substrato metálico através da
interface de fixação, e sua abrasão por terceiro corpo,
com todas suas possíveis conseqüências. A aplicação
de filme de carbono tipo diamante (DLC) tem sido
descrita na literatura. Este processo, com tecnologia
nacional, tem sido avaliado experimentalmente
através de imersão em plasma que permite uma
excelente penetração do filme no substrato metálico e
assim grande resistência à delaminação. 25 Seu
desempenho clínico ainda está por ser determinado.
Relação custo benefício das Superfícies
Articulares Protéticas.
A ampliação da indicação da substituição protética
para pacientes jovens gerou a necessidade de
implantes de maior longevidade e, portanto de baixo
desgaste e maior tolerância orgânica. Ao realizarmos
a artroplastia de quadril em um paciente de 50 anos
devemos considerar a necessidade de sobrevivência
dos implantes entre 30-40anos, o que implica em
cerca de 45 a 60 milhões de ciclos, e portanto bem
acima do numero de ciclos suportado pela articulação
Metal/PE convencional. Se analisado do ponto de
vista do desgaste para este par tribológico, que
apresenta um limiar à falência de 785 mm3 , a taxa de
desgaste anual para estes pacientes deveria estar
abaixo de 19 mm3 por ano, o que corresponderia a
uma taxa de desgaste linear abaixo de 0.03 mm/ano.
Um
recente
estudo
sobre
a
relação
custo/efetividade para as superfícies alternativas em
artroplastia total de quadril, considerou a idade do
paciente, custos do implante e a redução da
probabilidade de revisão em relação à superfície
protética convencional.1 Segundo os autores, para
pacientes na faixa etária de 50 anos, uma superfície
alternativa com incremento de custo da ordem de
2.000 dólares seria justificada somente se estivesse
associada à redução de no mínimo 19% de falha aos
20 anos de implantação. Para pacientes acima de 63
anos este mesmo custo adicional não se justificaria
independente da redução presumida da taxa de
revisão. Para pacientes acima de 75 anos, nenhum
custo adicional é justificável, independente de seu
valor e da redução presumida da taxa de revisão.
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