Estudo da viabilidade de conceito de artroplastia da anca resurfacing em material cerâmico

Abstract

A artroplastia de resurfacing da anca (ARA) é um procedimento cirúrgico alternativo à artroplastia total da anca (ATA), desenvolvido para pacientes jovens, com vantagens como a facilitação de uma cirurgia de revisão futura e conservação óssea. Devido às reações adversas dos tecidos relacionadas com a presença de iões metálicos provenientes do material usado, este procedimento entrou em desuso. O presente trabalho consiste na proposta e desenvolvimento de um conceito inovador para uma prótese resurfacing da anca em material cerâmico face aos problemas associados aos atuais dispositivos em metal. Para este efeito foram estudadas as capacidades mecânicas e propriedades de um cerâmico à base de nitreto de silício (Si3N4) como potencial biomaterial com aplicação em artroplastia da anca. Numa primeira fase foram fabricados provetes através da mistura de pós de Si3N4 com ítria (Y2O3) e alumina (Al2O3) e sinterização sem pressão, para avaliação do comportamento mecânico em ensaios de compressão, flexão, dureza e tenacidade à fratura e avaliação microestrutural e composição em fases. O material produzido apresentou uma tensão de resistência à compressão média de 1750 MPa, uma tensão de resistência à flexão de 712 MPa, uma dureza de 15 GPa e uma tenacidade à fratura entre 5,9-8,4 MPa.m0,5. Este material produzido possui um módulo de Young de 303 GPa, e um coeficiente de Poisson de 0,28. As condições de produção a nível laboratorial são inferiores às existentes atualmente na indústria pelo que os resultados podem ainda ser melhorados. Numa segunda fase foram produzidos 2 kg de pós para fabrico de cilindros a partir dos quais os componentes acetabular e femoral do modelo de resurfacing foram obtidos por maquinação CNC das peças “em verde”. Após sinterização e acabamento manual, as peças foram implantadas em osso sintético, tendo sido obtidos ótimos resultados de alcance de movimentos da articulação prostética. Foi ainda realizado um ensaio de rutura numa componente femoral, considerando o pior cenário possível, sem suporte interno, tendo a prótese suportado uma carga máxima de 18 kN, próximo do relatado na literatura para o material cerâmico de referência. O resultado de uma simulação pelo método de elementos finitos em SolidWorks sugere uma tensão de rutura de cerca de 656 MPa. Concluiu-se deste estudo que o cerâmico de Si3N4 produzido tem potencial para aplicação em artroplastia de resurfacing da anca quando comparado como os dispositivos de metal e com os cerâmicos atualmente utilizados na área ortopédica. O trabalho desenvolvido apresenta um conceito com grande potencial que motiva a continuação da sua investigação.

Hip resurfacing arthroplasty (ARA) is a surgical procedure alternative to total hip arthroplasty (ATA), developed for young patients, with advantages such as the facilitation of revision surgery and bone conservation. Due to adverse tissue reactions related to the presence of metal ions from the material used in the medical devices, this procedure is much less common than ATA. The present work consists in the proposal and development of an innovative concept for a resurfacing hip prosthesis in a ceramic material to face of the problems associated with the current metallic devices. A silicon nitride (Si3N4) ceramic is thus proposed as a biomaterial with potential for application in hip arthroplasty. Firstly, specimens were fabricated by mixing Si3N4 powders with yttria (Y2O3) and alumina (Al2O3) and pressure-less sintering. The mechanical behaviour under compression and flexural forces was evaluated, and hardness and fracture toughness tests were also conducted. Microstructural evaluation and phase composition were assessed. The material produced presented an average compressive strength stress of 1750 MPa, a flexural strength of 712 MPa, a hardness of 15 GPa and a fracture toughness of 5, 9-8.4 MPa.m0.5. This material has a Young modulus of 303 GPa, and a Poisson's ratio of 0.28. The production conditions at the laboratory level are lower than those currently existing in the industry, so results could be further improved. In a second phase, 2 kg of powders were produced to produce cylinders from which the acetabular and femoral components of the resurfacing model were obtained by CNC machining of the “green” parts. After sintering and some hand finishing, the pieces were implanted in synthetic bone, with excellent results of range of motion of the prosthetic joint. A femoral component rupture test was also performed, considering the worst-case scenario without internal support, and the prosthesis supported a maximum load of 18 kN, a value similar to the reference ceramic material. The result of a finite element simulation in SolidWorks suggests a tensile strength of about 656 MPa. It was concluded from this study that the Si3N4 ceramic produced has potential for application in hip resurfacing arthroplasty when compared with the metal devices and the ceramics currently used in the orthopaedic area. The work developed presents a concept with great potential that motivates the continuation of its investigation.