ESTUDO DA VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DO MATERIAL CERÂMICO ZIRCÔNIA EM EIXO-MANCAL NO DISPOSITIVO DE ASSISTÊNCIA VENTRICULAR (DAV).

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Thais Valverde
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1 ESTUDO DA VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DO MATERIAL CERÂMICO ZIRCÔNIA EM EIXO-MANCAL NO DISPOSITIVO DE ASSISTÊNCIA VENTRICULAR (DAV). Sergio Yoshinobu Araki 1, Pâmela C. Florentino da Silva 1, Michele A. Saito 1, Ricardo Corrêa de Sousa S. 1, Antônio Luiz Marques Júnior 1, Douglas Fontainha de Souza 1, Eduardo Guy Perpétuo Bock 1, Antônio Celso Fonseca de Arruda 2, Rodrigo Lima Stoeterau 3 1 Dep. Mecânica, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil 2 Dep. Eng.Mecânica, Faculdade de Engenharia Mecânica da Univ. Estadual de Campinas, Campinas (SP), Brasil ³Dep. Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil araki.sergio@yahoo.com.br Resumo. Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV) surgiram com a utilização de Bombas Centrífugas no Suporte Circulatório Mecânico à pacientes com Insuficiência Cardíaca Congestiva. O estudo proposto do atrito nesses mancais consiste em verificar o desgaste mecânico que ocorre no contato entre o eixo cerâmico do rotor e o mancal que o sustenta. Inicialmente realizou-se uma análise micro estrutural das alterações resultado do atrito simulado em uma Bancada de Ensaio de Atrito e Desgaste (BEAD). Este artigo apresenta a segunda fase de pesquisa, com ensaios no DAV realizados com fluido de igual viscosidade ao sangue. Foi realizada análise micro estrutural na camada superficial, com a utilização do Perfilômetro, do eixo de material cerâmico zircônia e mancal em polímero de alta performance (PEEK), antes e depois de testes de atrito realizados no DAV. As alterações micro estruturais foram observadas somente na camada mais superficial do eixo, não havendo perda significativa de material por desgaste. O estudo e resultado dos testes indicam que a utilização de materiais cerâmicos é promissora em DAV. Palavras-chave: dispositivo de assistência ventricular, material cerâmico zircônia, polímero de alta performance, atrito, desgaste. 1. INTRODUÇÃO A terceira geração de Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV) veio com o uso de bomba de sangue centrífuga implantável (BSCI) [1] em suporte cirúrgico mecânico de pacientes com insuficiência cardíaca congestiva. As bombas centrífugas foram antes utilizadas como circulação extracorpórea durante a cirurgia, mas agora elas apresentam vantagens promissoras como DAV. Para garantir a confiabilidade do BSCI, cada um de seus componentes deve ser cuidadosamente estudado e analisado [2], [3] e [4], uma vez que uma falha pode trazer sérias consequências para os pacientes. Um componente propenso a falhar são os rolamentos de contato de micro deslizamento usados para suportar os rotores da bomba que movimenta o fluxo sanguíneo. Este micro rolamentos consistem no eixo de extremidade hemisférico cerâmico suportado pelo rolamento de mancal polimérico. 2. MATÉRIAIS E METÓDOS Para caracterização do desgaste por atrito foram realizados testes, através do DAV acoplado à bancada de teste de atrito e desgaste (BEAD). Os corpos de prova foram submetidos a testes de aproximadamente 36 horas, ineteruptas, simulando as condições de 104

atrito no interior da BSCI, com fluidos que tenham semelhança à viscosidade sanguínea, conforme figura 1 e 2. Figura 1.

Fonte: (6) Para a realização dos ensaios foram confeccionados dois corpos de prova no material cerâmico zircônia, conforme figura 3.

1 Caracterização do Corpo de Prova Antes dos Testes - Eixo Menor Superior Para verificação da rugosidade dos corpos de prova e registro da

2 atrito no interior da BSCI, com fluidos que tenham semelhança à viscosidade sanguínea, conforme figura 1 e 2. Figura 1. Bancada de Teste de Atrito e Desgaste. Fonte: (5) Figura 2. Dispositivo de Assistência Ventricular. Fonte: (6) Para a realização dos ensaios foram confeccionados dois corpos de prova no material cerâmico zircônia, conforme figura 3. Figura 3. Perfil dimensional do eixo menor superior e maior inferior. 2.1 Caracterização do Corpo de Prova Antes dos Testes - Eixo Menor Superior Para verificação da rugosidade dos corpos de prova e registro da estrutura superficial antes dos testes, foi utilizado o Perfilômetro Taylor Hobson (CCI MP, Taylor Hobson, Leicester, Inglaterra), localizada no Laboratório de Engenharia Mecânica da Poli (USP), conforme figura 4. Figura 4. Perfilometro Taylor Hobson. Fonte: (7) 105

Gráfico 2 - Perfil Horizontal do Eixo Superior de ZrO 2. de ZrO2 é perceptível a rugosidade superficial confirmada pelo gráfico acima, conforme figura 5. Figura 5.

3 As amostras, antes dos testes, resultaram nos gráficos de perfil vertical e horizontal, conforme gráfico 1 e 2. No corpo de prova foi detectado uma rugosidade superior, com valor aproximado de 0,02 mm, observado através do gráfico 2 de perfil horizontal. Gráfico 1 - Perfil Vertical do Eixo Superior de ZrO 2. Gráfico 2 - Perfil Horizontal do Eixo Superior de ZrO 2. de ZrO2 é perceptível a rugosidade superficial confirmada pelo gráfico acima, conforme figura 5. Figura 5. Vista 3D da rugosidade superficial eixo superior. Observou-se que não existe nenhuma alteração dimensional de magnitude que possa interferir nos ensaios a serem realizados na bancada. 2.2 Caracterização do Corpo de Prova Antes dos Testes - Eixo Maior Inferior Utilizando os mesmos parâmetros de verificação da rugosidade superficial do corpo de prova. O eixo maior observa-se na análise que não foi encontrada nenhuma falha ou erro na 106

sua confecção, apresentando-se dentro dos parâmetros para utilização nos testes, conforme gráfico 3 e 4. Gráfico 3 - Perfil Vertical do Eixo Inferior de ZrO 2.

4 sua confecção, apresentando-se dentro dos parâmetros para utilização nos testes, conforme gráfico 3 e 4. Gráfico 3 - Perfil Vertical do Eixo Inferior de ZrO 2. Gráfico 4 - Perfil Horizontal do Eixo Inferior de ZrO 2. de ZrO2 apresenta-se a rugosidade superficial sem nenhuma falha perceptível, conforme figura 6. Figura 6. Vista 3D da rugosidade superficial eixo inferior. 3. RESULTADOS Após a realização dos testes, através do DAV acoplado ao BEAD, nas condições similares ao atrito no interior da BSCI, em aproximadamente 36 horas, com fluidos que 107

5 assemelham à viscosidade sanguínea. Verificou-se a rugosidade superficial do eixo, através do perfilometro, conforme apresenta-se abaixo. 3.1 Caracterização do Corpo de Prova Depois dos Testes - Eixo Menor Superior No eixo menor superior observou-se que na análise não foi encontrado nenhuma falha substancial, conforme gráfico 5 e 6. Gráfico 5- Perfil Horizontal do Eixo Superior de ZrO 2. Gráfico 6- Perfil Vertical do Eixo Superior de ZrO 2. de ZrO2 apresenta-se a rugosidade superficial sem falha perceptível, a superficie apresenta-se mais clara no topo devido ao contato excercido durante o teste, conforme figura 7. Figura 7. Vista 3D da rugosidade superficial eixo superior. 108

6 3.2 Caracterização do Corpo de Prova Depois dos Testes - Eixo Maior Inferior No eixo maior inferior observou-se na análise que não foi encontrado falha, a superfície apresenta-se com algumas ondulações, conforme gráfico 7 e 8. Gráfico 7- Perfil Horizontal do Eixo Superior de ZrO 2. Gráfico 8- Perfil Vertical do Eixo Superior de ZrO 2. de ZrO2 apresenta-se a rugosidade superficial sem falha, com ondulações ao contato excercido durante o teste, na qual não é possível determinar se houve microinclusões ou não de material polimérico do mancal, conforme figura 8. Figura 8. Vista 3D da rugosidade superficial eixo inferior. 109

7 REFERÊNCIAS [1] Bock, E.; Ribeiro, A.; Silva, M.; Antunes, P.; Fonseca, J.; Legendre, D.; Leme, J.; Arruda, C.; Biscegli, J.; Nicolosi, D.; Andrade, A. (2008). New Centrifugal Blood Pump with Dual Impeller and Double Pivot Bearing System: Wear Evaluation in Bearing System, Performance Tests, and Preliminary Hemolysis Tests. Artificial Organs, v. 32, p , [2] Yang C C, Kim R H, Dennis D A 2007 The squeaking hip: a cause for concern-disagrees Orthopedics. [3] Hochscheidt C J, Shimizu R, Andrighetto A R, Leme P, Salgado C V, Volz K U 2014 Ceramic Implants - Scientific Evidence for its use. Full Science [4] Santos M B 2005 Identification of the Friction Force by Analysis of Nonlinear Signals in Tribological Testing Thesis UFU [5] MARQUES JR, A. L. Bancada para realizar teste de resistência ao atrito de Biomateriais utilizados em uma bomba de sangue centrifuga implantável. Dissertação de Mestrado, IFSP, São Paulo, SP, [6] ROCHA, J. A. F. Projeto de Dispositivo de Assistência Ventricular. IFSP, São Paulo, SP, [7] HOBSON, T. Disponível em: Acesso 04 de Maio de STUDY OF THE FEASIBILITY OF APPLICATION OF ZIRCONIA CERAMIC MATERIAL IN AXIS-MANCAL NO VENTRICULAR ASSISTANCE DEVICE (DAV). Sergio Yoshinobu Araki 1, Pâmela C. Florentino da Silva 1, Michele A. Saito 1, Ricardo Corrêa de Sousa S. 1, Antônio Luiz Marques Júnior 1, Douglas Fontainha de Souza 1, Eduardo Guy Perpétuo Bock 1, Antônio Celso Fonseca de Arruda 2, Rodrigo Lima Stoeterau 3 1 Dep. Mechanics, Federal Institute of Education, Science and Technology of São Paulo, São Paulo (SP), Brazil 2 Dep. Eng.Mechanics, College of Mechanical Engineering, Univ. State of Campinas, Campinas (SP), Brazil ³Dep. Eng. Mechanics, Polytechnic School of the University of São Paulo, São Paulo (SP), Brazil araki.sergio@yahoo.com.br Abstract. Ventricular Assist Devices (VAD) have emerged with the use of Centrifugal Pumps in Mechanical Circulatory Support to patients with Congestive Heart Failure. The proposed study of the friction in these bearings consists in verifying the mechanical wear that occurs in the contact between the ceramic axis of the rotor and the bearing that supports it. Initially, a microstructural analysis of the alterations resulting from the simulated friction was carried out on a friction and wear test bench (BEAD). This article presents the second phase of research, with tests in the DAV performed with fluid of equal viscosity to the blood. A microstructural analysis was performed on the surface layer, using the Profileometer, the zirconia ceramic and high performance polymer bearing (PEEK) axis, before and after the friction tests performed in the DAV. The microstructural changes were observed only in the most superficial layer of the axis, and there was no significant loss of material due to wear. The study and test results indicate that the use of ceramic materials is promising in VAD. Keywords: Ventricular assist device, zirconia ceramic material, high performance polymer, friction, wear. 110

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