Simulador de desgaste da componente acetabular da prótese de anca

Abstract

A tribologia estuda o atrito e o desgaste resultantes da interacção de superfícies em movimento relativo. O desgaste é um dos factores mais relevantes na durabilidade da prótese da anca. O objectivo da investigação referente à tribologia da prótese da anca visa minimizar o atrito e o desgaste do implante e deste modo aumentar o tempo de vida da articulação artificial. Ensaios do tipo pino-em-disco, que permitem a caracterização de materiais relativamente a parâmetros importantes como o coeficiente de atrito, o desgaste e os efeitos da rugosidade dos materiais ou da lubrificação e ensaios simulando as condições in vivo em relação aos componentes da prótese, cabeça femoral e acetábulo, ao ciclo dinâmico aplicado bem como às condições de lubrificação, têm sido utilizados no desenvolvimento tribologico da prótese da anca. Esta dissertação é o resultado da concepção, projecto e fabrico, no contexto actual da tribologia da prótese da anca, de um dispositivo para ensaios de desgaste de componentes acetabulares, destinado à análise comparativa de taxas de desgaste do acetábulo com diferentes pares cabeça femoralacetábulo e da sua variação em função da força aplicada. Após o estudo de várias soluções técnicas optou-se pelo desenvolvimento do dispositivo de ensaios de desgaste de componentes acetabulares de modo a simular as condições in vivo, o ciclo dinâmico através de três eixos perpendiculares de rotação, FE, AA e RIE e um eixo vertical de carga e a lubrificação, garantindo a submersão dos componentes da prótese em fluido lubrificante durante a realização dos ensaios. Foi realizado o projecto integral do dispositivo através da sua modelação tridimensional, animação cinemática do modelo tridimensional e desenhos ortográficos técnicos de pormenor de todas a peças a fabricar, bem como a definição dos componentes estandardizados e normalizados a integrar. O detalhe do projecto e a verificação funcional através da animação cinemática permitiu a montagem total do dispositivo sem a necessidade de quaisquer modificações ao projecto. De modo a garantir a fiabilidade do dispositivo e dos seus ensaios, foram realizados cálculos estruturais, pelo método de elementos finitos, com base no modelo digital do dispositivo, para optimizar a sua rigidez estrutural. Foi desenvolvido um sistema de controlo que permite a monitorização em tempo real da posição dos três eixos e da carga aplicada para assegurar as condições dinâmicas de ensaio. As verificações realizadas após a conclusão da montagem do dispositivo, ao nível da sua geometria e de rotação dos eixos quando aplicada a carga axial, evidenciaram resultados muito satisfatórios. O desempenho do dispositivo e os resultados dos testes de desgaste só poderão ser analisados após a realização de ensaios com o mesmo.

ABSTRACT: Tribology is an engineering area where friction and wear caused by the interaction of surfaces in relative motion is studied. Wear is one of the most relevant factors in the durability of the hip prosthesis. The objective of hip prosthesis tribology investigation is to minimize friction and wear of the implant, to increase its life-time. Pin-on-disk tests that allow the characterization of material parameters such as the coefficient of friction, wear, material roughness, lubrication effects and tests simulating in vivo conditions concerning prosthetic components, femoral head and acetabulum, under applied dynamic cycle as well as lubricating conditions, has been used in the development of hip prosthesis tribology. This dissertation is the result of the conception, design and manufacture, in the actual context of hip prosthesis tribology, of a device to test wear of acetabular components with different femoral heads and its variation as a function of the applied load. After the study of different technical solutions, decision was made to develop a wear test device for acetabular components simulating in vivo conditions concerning the tribology prosthetic components, the dynamic cycle by three perpendicular rotational axis and a vertical load axis and the lubrication by assuring prosthesis components submersion during testing. The complete device design was made with three dimensional modelling, kinetic animation and orthographic detail drawing of all manufacture parts as well as definition of standard and normalised components to be integrated. The design detail and functional verification using kinetic animation of the model allowed the total device assembly without design modifications. In order to assure reliability of the device and the tests, structural finite element analysis was performed, based on the digital model of the device to optimise its structural stiffness. A control system that allows real time monitoring of the position of the three axis and of the applied load was developed to assure test dynamic conditions. Verifications made after complete assembly of the device, concerning its geometry and axis rotation when the load is applied, evidenced good results. Device performance and wear test results can only be analysed after tests been performed.