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Tribologia

A tribologia é definida do grego tribos (fricção, atrito) e é a ciência que estuda a interação de superfícies em movimento relativo entre elas, incorporando o estudo do atrito, lubrificação e desgaste. Quando consideramos a articulação natural do quadril, queremos baixa fricção e baixo desgaste e um bom lubrificante para que ocorra um movimento sem intercorrências. Da mesma forma, o baixo coeficiente de atrito é essencial para o bom desempenho de uma articulação artificial, podendo variar de acordo com o material utilizado e as combinações de contato (metal-polietileno, metal-metal, cerâmica-polietileno, cerâmica-cerâmica), o acabamento das superfícies, o lubrificante, a carga aplicada, pressão e temperatura de uso. O coeficiente de atrito de articulações normais varia de 0,005 a 0,02. A Tabela 1 apresenta valores médios de coeficiente de atrito para diferentes associações de materiais. Observa-se que a articulação natural ainda é a combinação com menor coeficiente de atrito, considerando-se os materiais apresentados ^(20,21).

Uma força de torque friccional é naturalmente produzida quando uma superfície entra em movimento relativo sobre a outra, no caso uma articulação de quadril ao exercer o arco de movimento. Ela tem uma relação direta da força friccional pelo comprimento do braço de alavanca, isto é, a distância que um determinado ponto da superfície da cabeça move-se ao realizar o movimento (Fig. 7). Esta força, por sua vez, depende do coeficiente de atrito, da carga aplicada e da área de contato entre a cabeça femoral e o acetábulo. Portanto, se duas configurações de artroplastia total de quadril realizarem o mesmo arco de movimento com cabeças de tamanhos diferentes, mas mantiverem a mesma carga aplicada, a força de torque friccional da cabeça com menor diâmetro será menor, razão pela qual Charnley escolheu a cabeça com 22mm e a configuração meta-polietileno como artroplastia de baixo torque friccional ⁽⁷⁾. Morrey e Ilstrup demonstraram uma maior incidência de soltura acetabular com a cabeça de 32mm do que com o componente original de 22mm de Charnley ⁽²²⁾. Ocorre um maior desgaste volumétrico e reação osteolítica com a cabeça maior. De forma geral, a máxima quantidade e taxa de desgaste linear ocorre em componentes com 22mm, enquanto a máxima quantidade e taxa de desgaste volumétricos ocorre em componentes de 32mm ^(7,20,21).

Tabela 1. Valores de coeficientes de atrito

Fig. 7. Comparação entre as cabeças pequenas e grandes quanto à sua biomecânica. Observar que o espaço AB é maior à direita e, portanto, há maior desgaste volumétrico

A cúpula de polietileno de ultra-alto peso molecular foi um dos materiais mais utilizados na artroplastia do quadril. É formado através da polimerização do etileno e é excepcional para os implantes ortopédicos, uma vez que é biocompatível, proporciona uma superfície de baixo atrito e é notavelmente resistente ao desgaste. Charnley iniciou seu uso em 1962 após ter descartado o uso do Teflon como material de implante acetabular, já que este apresentava uma resistência muito baixa e uma elevada taxa de desgaste ^(4,7,12,23). Atualmente está sendo substituído pelo tipo cross-link, conforme se observa nos registros internacionais ^{(24,25,26,27)}.

O desgaste do polietileno é o maior obstáculo na longevidade das próteses. Pacientes jovens e ativos, principalmente abaixo de 55 anos, do sexo masculino são os que apresentam maior risco para o desgaste acelerado ^(4,7,28). O polietileno tipo “cross-link” é obtido através do processo de irradiação do polietileno com raios gama. A irradiação do material produz “ligações cruzadas” na estrutura molecular do material. O polietileno é então submetido a um aumento de temperatura até alguns graus antes da temperatura de derretimento por um período de tempo preciso para remover os radicais livres. O polietileno tipo cross-link combinado com o tratamento térmico tem emergido como uma tecnologia para melhorar a resistência do polietileno contra o desgaste e a oxidação dos componentes acetabulares de ultra-alto peso molecular (UHMWPE). O cross-link não é uma tecnologia nova, porque a maioria das superfícies de rolamento convencionais de UHMWPE sempre foram esterizados com irradiação gama. A escala típica da dose da radiação para a esterilização gama é 25-40 kGy, conduzindo à esterilização do produto e a algum grau de cross-link. Consequentemente, a maioria dos polietilenos acetabulares de UHMWPE usados nas quatro décadas passadas sempre tiveram algum grau de cross-link. Entretanto, o nível de cross-link conseguido com a esterilização gama sozinho é muito mais baixo do que o que está sendo realizado com os métodos mais contemporâneos de radiação, seguidos por uma etapa térmica de tratamento. As mudanças nas propriedades mecânicas do polietileno tratados termicamente ocorrem primariamente por mudanças na densidade e na cristalinidade do mesmo ^(4,7,20).

Embora a falha do polietileno possa ocorrer devido a uma fratura ou a um desgaste externo, a modalidade mais comum de falha do polietileno é o desgaste interno na interface metal-plástico. O desgaste é mais frequente na porção súperolateral do componente e os fatores determinantes são o coeficiente de atrito, lubrificação, carga aplicada, diâmetro da cabeça, número de ciclos e dureza dos materiais. Existem quatro tipos de desgaste: abrasivo – a superfície mais dura produz sulcos na superfície mais mole, adesivo – o material mais mole solta fragmentos que se aderem ao material mais duro e a fadiga – o carregamento cíclico inicia fissuras, partículas ou delaminação e o material cruza o regime elástico, causando ruptura plástica. Por fim, tem-se o desgaste do tipo tribo químico, onde a oxidação das camadas protetoras dos materiais acelera seu desgaste ^(4,7,20,21).

A história do uso de materiais cerâmicos na artroplastia do quadril foi iniciado nos anos 70. Boutin et al. avançaram no uso de articulações cerâmica-cerâmica ⁽³¹⁾, quando Yoshitomi et al. propuseram o uso de uma cabeça femoral cerâmica que articulasse de encontro a um acetábulo de UHMWPE ⁽³²⁾. As determinantes para estas aproximações eram a resistência à corrosão e a biocompatibilidade elevados da cerâmica, junto com sua resistência superior ao risco em comparação às ligas metálicas. Cerâmica-cerâmica tem a resistência de desgaste melhor comparada com a articulação convencional de CoCr/ UHMWPE. As aplicações iniciais da cerâmica na prótese de quadril usaram exclusivamente a alumina (Al2O3). Nos anos 80, a zirconia (ZrO2) foi introduzida para o uso com um componente femoral para ser utilizado em próteses cerâmica-UHMWPE devido a sua resistência mais elevada em comparação com a alumina ^(4,20).

Um inconveniente significativo dos materiais cerâmicos é sua força e resistência inerente mais baixos sob a tensão e à dobra, que são as modalidades de carregamento que favorecem a iniciação e a propagação das rachaduras. Um carregamento adverso, por exemplo, pode ocorrer na junção do atarraxamento entre a haste do metal e a cabeça cerâmica. Para impedir que esta conduza a uma quebra precoce, as tolerâncias no atarraxamento são combinadas e podem ser especificadas pelo fabricante. A colocação cirúrgica dos componentes pode também predispor os componentes cerâmicos aos estresses elevados e à fratura. A fratura das cabeças cerâmicas quando estão se articulando de encontro ao polietileno ou de encontro a um material cerâmico (impactos) é uma modalidade de falha clínica relevante e pode ocorrer mesmo com a zirconia mais forte. Entretanto, estas fraturas tem sido observadas menos frequentemente devido às novas gerações destes materiais cerâmicos, mais resistentes ^(1,4).

Em estudos de cabeças cerâmicas recuperadas utilizando-se microscopia eletrônica de varredura (MEV), observou-se pouca deterioração da superfície quando comparadas a cabeças sem uso, podendo ser até 20x menor que o de uma cabeça metálica. A Figura 10 apresenta o desgaste linear médio in vivo em mm/ano para as diferentes configurações de cabeça/acetábulo ⁽²⁰⁾.

Fig. 10. Taxas de desgaste linear in vivo por ano para as configurações de cabeça-acetábulo encontradas na prática ortopédica