Estudo da superfície e avaliação das partículas resultantes do desgaste do componente em polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) de próteses totais de quadril

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2017.A artroplastia total de quadril é um procedimento cirúrgico que consiste em substituir a articulação do quadril por uma prótese artificial. O par tribológico que substitui a articulação humana pode ser composto por diferentes materiais, sendo que o par metal-polietileno de ultra alto peso molecular (do inglês ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE) é o mais utilizado. O desgaste e a geração de partículas de desgaste são fatores críticos que diminuem o tempo de vida útil dessas próteses, sendo essencial aprofundar seu entendimento. Assim, foi utilizado um simulador de marcha humana, para reproduzir as condições fisiológicas de uso das próteses totais de quadril, realizando um ensaio de desgaste dos componentes até dois milhões de ciclos em meio líquido. O ensaio foi realizado com base nas normas técnicas pertinentes. As amostras foram fornecidas por um fabricante de próteses nacional, sendo: cabeça femoral metálica de inoxidável (conforme a ASTM F138) e acetábulo de UHMWPE convencional, ambos com 28 mm de diâmetro. Com objetivo de avaliar o desgaste dos componentes, informações sobre a rugosidade, massa de desgaste e também imagens de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura, foram obtidas. Para avaliar as partículas geradas no desgaste, dois métodos para a digestão do fluido lubrificante utilizado foram avaliados, sendo o procedimento via ácido clorídrico selecionado para a análise e caracterização das partículas de desgaste. As partículas de desgaste foram divididas em três grupos, conforme suas características. O uso do EDS permitiu a análise química das partículas. Nas imagens adquiridas por microscopia, foi possível identificar características de desgaste no par tribológico que estão de acordo com a bibliografia relacionada. Verificou-se a presença de mecanismos de desgaste de abrasão, adesão e fadiga, possivelmente com concomitância dos mecanismos. Foi constatado que o fenômeno de orientação das cadeias do UHWMPE exerce grande influencia no desgaste e geração de partículas.Abstract : Total hip arthroplasty is a surgical procedure that may replace the entire hip joint with an artificial prosthesis. Different materials can be used as tribological pair to replace the human joint and the metal-UHMWPE (ultra-high molecular weight polyethylene) pair is the most widely used. Since wear and particles generation are critical factors that reduce life-time of these prostheses, it is essential to better understand it. A hip joint simulator was used to reproduce the physiological conditions from total hip prosthesis, performing a wear essay up to 2 million cycles. The related technical standards were considered, giving guidelines for performing the wear essay and the measurement methods. Samples were supplied by a national prosthesis manufacturer, a 28 mm stainless steel femoral head (according to ASTM F138) was paired with conventional UHMWPE acetabular linner. In order to evaluate the wear of the components, data from roughness, wear mass loss and also images of optical microscopy and scanning electron microscopy were acquired. Two methods for digestion of the lubricant fluid were evaluated, the procedure using hydrochloric acid was selected for the analysis and characterization of the wear particles. Wear particles were divided into three groups, according to their characteristics. The use of EDS allowed chemical analysis of particles. By the images acquired by microscopy, it was possible to identify wear characteristics in the tribological pair that are mentioned in related bibliography. Presence of abrasion, adhesion and fatigue wear mechanisms was identified, possibly these mecanisms occurred concurrently. It was observed that UHWMPE chain orientation phenomenon exerts influence on the wear and particle generation