Validação e otimização de conceito prótese resurfacing da anca em Si3N4

Abstract

Atualmente existem dois tipos de artroplastias da anca, a artroplastia total, que é a mais convencional e a artroplastia de resurfacing. Esta última apresenta menor aplicação devido aos seus casos de insucesso, resultantes de reações à libertação de partículas e iões metálicos do tecido em contacto com o metal da prótese. No entanto, a artroplastia de resurfacing apresenta também inúmeras vantagens, principalmente em pacientes mais jovens, a saber: preservação do osso femoral, melhor estabilidade e possibilidade de realização de atividades físicas de impacto. Esta dissertação pretende validar o conceito de implante resurfacing cerâmico anteriormente desenvolvido e, para além disso, pretende-se também otimizar o conceito para posterior fabrico aditivo com tecnologia de robocasting. O fabrico aditivo permite a impressão de microestruturas controladas, com a porosidade desejada das peças cerâmicas em verde, necessitando de menos maquinação após o fabrico, em comparação com as peças em verdes obtidas por compactação isostática. Para além disso, permite reduzir o desperdício de material que se verifica em métodos convencionais. Inicialmente, procedeu-se à validação do conceito anterior através de ensaios experimentais in vitro, cujos resultados se mostraram em concordância com outras artroplastias de resurfacing, de par de contacto metal-metal. De seguida, procedeu-se a uma otimização do design do conceito anteriormente proposto. Numa segunda fase, estudou-se a composição de uma pasta utilizando Matriz A (Si3N4 + Al2O3 + Y2O3), a partir da qual foi possível a impressão de provetes. Estes foram caracterizados de modo a estudar as suas propriedades e capacidades mecânicas, com o intuito de explorar a viabilidade de aplicações dos cerâmicos em procedimentos de artroplastia, recorrendo ao fabrico aditivo. Relativamente à sua caracterização mecânica, os provetes apresentaram uma densificação média de 98,71 %, uma Dureza de Vickers média de 15 GPa, uma tensão de resistência à flexão média de 559 MPa e uma tenacidade à fratura entre 4,17-5,71 (MPa.m0,5). Estes valores podem ser otimizados, tendo em consideração que as condições em que os provetes foram produzidos são inferiores relativamente às existentes na indústria. O trabalho desenvolvido permitiu aferir o potencial deste material produzido por fabrico aditivo para aplicações biomédicas de suporte de carga, nomeadamente, em artroplastias de resurfacing da anca.

Currently, there are two types of hip arthroplasties, total arthroplasty, which is the most conventional, and resurfacing arthroplasty. The last one has less application due to its failure cases, resulting from reactions to the release of particles and metal ions from the tissue in contact with the metal of the prosthesis. However, resurfacing arthroplasty also has numerous advantages, mainly in younger patients, namely: preservation of the femoral bone, better stability and the possibility of performing impactful physical activities. This dissertation intends to validate the concept of ceramic resurfacing implant previously developed, and, in addition, it also intends to optimize the concept for subsequent additive manufacturing with robocasting technology. Additive manufacturing allows the printing of controlled microstructures, with the desired porosity of the ceramic pieces in green, requiring less machining after manufacture compared to the green bodies obtained by isostatic compaction. In addition, it reduces the waste of material that occurs in conventional methods. Initially, the previous concept was validated through experimental in vitro tests, the results of which were in agreement with other resurfacing arthroplasties, with a metal-metal contact pair. Then, the design of the concept previously proposed was optimized. In a second phase, the composition of a slurry was studied using Matriz A (Si3N4 + Al2O3 + Y2O3), from which it was possible to print specimens. These were characterized in order to study their properties and mechanical capacities, in order to explore the feasibility of applications of ceramics in arthroplasty procedures, using additive manufacturing. Regarding their mechanical characterization, the specimens showed an average densification of 98,71 %, an average Vickers hardness of 15 GPa, an average flexural strength of 559 MPa and a fracture toughness between 4,17-5,71 (MPa.m0,5). These values can be optimized, taking into account that the conditions under which the samples were produced are inferior to those existing in the industry. The work carried out made it possible to assess the potential of this material produced by additive manufacturing for biomedical load-bearing applications, namely, in hip resurfacing arthroplasties.