Análise experimental e numérica do mecanismo de fretting-corrosion nas superfícies de contato haste-cabeça e haste-cimento de próteses de quadril

Abstract

Os íons e partículas metálicas, provenientes da degradação de próteses de quadril, induzem reações teciduais adversas, tornando necessária a realização da cirurgia de revisão da artroplastia total do quadril. A degradação ocorre principalmente pelo mecanismo de fretting-corrosion nas superfícies de contato haste-cabeça e haste-cimento de próteses de quadril. O objetivo do presente trabalho é investigar a degradação gerada pelo mecanismo de fretting-corrosion nas superfícies de contato haste-cabeça e haste-cimento de próteses de quadril por meio de análises in vitro e in silico, buscando identificar quais das superfícies de contato é a mais degradada e qual é a potencialmente mais nociva ao corpo humano. Para tanto, foram realizadas análises de dureza, de composição química, dimensional e de superfície na haste e na cabeça, ensaios in vitro da degradação da superfície de contato haste-cabeça e haste-cimento e análise in silico para mensuração da tensão de contato e micromovimentação. Os ensaios in vitro foram realizados com monitoramento eletroquímico, e, após o ensaio, foram analisados os íons, as partículas e os mecanismos de fretting-corrosion. Os resultados da análise eletroquímica demonstraram que a superfície de contato haste-cimento sofreu uma maior degradação por fretting-corrosion. A maior perda de massa do corpo da haste, identificada na análise eletroquímica, foi confirmada pela análise de íons totais. A maior degradação da superfície de contato haste-cimento provavelmente está relacionada a maior micromovimentação nessa superfície. Esta hipótese é corroborada pelos resultados in silico aqui obtidos, onde os resultados foram compatíveis também com outros resultados de ensaios in vitro da literatura. Os mecanismos associados à degradação por fretting-corrosion nas superfícies de contato haste-cabeça e haste-cimento avaliadas in vitro foram semelhantes aos identificados em análises de explantes. A similaridade dos mecanismos in vitro e in vivo possibilitam a correlação da degradação observada in vitro com a degradação que ocorreria in vivo. Desta forma, parece que a maior degradação da superfície de contato haste-cimento pode ser o principal motivador para as reações teciduais adversas identificadas in vivo, fato que contrasta com a maioria das pesquisas atuais.

Abstract: Metal ions and debris generates from the degradation of hip prostheses, induce adverse tissue reactions, and the need for total hip arthroplasty revision. The degradation occurs mainly by the fretting-corrosion mechanism at the stem-head and stem-cement interface of hip prostheses. The present work aims to investigate the degradation generated by the fretting-corrosion mechanism at the stem-head and stem-cement interface of hip prostheses by in vitro and in silico analysis to identify which interface is the most degraded and is the most potentially harmful to the human body. For this purpose, analyzes of hardness, chemical, dimensional, and surface composition were carried out on the stem and head, in vitro tests of the degradation of the stem-head and stem-cement interface, and in silico analysis to measure contact pressure and micromotion. The in vitro tests were performed with electrochemical monitoring, and after the test was analyzed metal ions, debris, and the fretting-corrosion mechanisms. The results of the electrochemical analysis demonstrated that the stem-cement interface was the most degraded by fretting-corrosion. The greater mass loss of the stem body, identified in the electrochemical analysis, was confirmed by the analysis of total ions. The greater degradation of the stem-cement interface probably correlates with the greater micromotion at this interface. This hypothesis is corroborated by the in silico results obtained here, where the results were also similar to other in vitro results from the literature. The mechanisms associated with fretting-corrosion degradation on the stem-head and stem-cement interface evaluated by in vitro were similar to those identified in retrieval analysis. The similarity of the in vitro and in vivo mechanisms makes it possible to correlate the degradation observed in vitro with the degradation that would occur in vivo. Thus, it seems that the greater degradation of the stem-cement interface may be the main reason for the adverse tissue reactions identified in vivo, a fact that contrasts with most current research.