ANÁLISE DAS PRINCIPAIS PROPRIEDADES DE LIGAS METÁLICAS UTILIZADAS NA CONFECÇÃO DE PRÓTESES DE FÊMUR.

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1 ANÁLISE DAS PRINCIPAIS PROPRIEDADES DE LIGAS METÁLICAS UTILIZADAS NA CONFECÇÃO DE PRÓTESES DE FÊMUR. W. B. S. de JESUS¹; V. S. CÂNDIDO 1 ; A. L. COSTA NETO² ¹ Universidade Federal do Pará; ²Universidade do Estado do Pará RESUMO O presente trabalho analisou as principais propriedades físico-químicas, mecânicas e biológicas das ligas metálicas utilizadas na confecção de próteses femorais. Foi revisada a literatura para a reunião de artigos científicos abordando os temas de ortopedia, ligas metálicas e próteses femorais. Dentre as ligas metálicas utilizadas na fabricação destas próteses, o aço inoxidável (aço 316L), as ligas de titânio e a liga cobaltocromo (Co-Cr) mostraram propriedades mais significativas no desempenho da função do fêmur. O aço 316L possui maior resistência à corrosão quando exposto ao líquido corpóreo, e à fadiga. As ligas de titânio possuem maior tendência à osteointegração, característica importante de implantes de longa permanência. Assim, é de grande relevância o estudo sobre biomateriais utilizados em próteses femorais nas áreas de engenharia de materiais e ciências médicas, sendo a construção destas uma contribuição a saúde da população. Palavras-chave: ortopedia, ligas metálicas, próteses ortopédicas. INTRODUÇÃO O fêmur é o maior osso do esqueleto e é classificado como um osso longo, apresentando, portanto, duas epífises, proximal e distal, e um corpo, ou diáfise. Ele articula-se pela sua extremidade proximal com o osso do quadril e pela extremidade distal com a tíbia. A conexão da cabeça femoral com o corpo do osso faz-se pelo colo do fêmur. O corpo do fêmur (diáfise) tem uma secção de forma aproximadamente triangular no terço médio e, assim, apresenta as faces anterior, medial e lateral. (TORTORA, 2013) 3864

2 Como se observa na figura ao lado, o quadril é uma articulação esferoidal que possui três planos de movimento, constituída pela articulação da cabeça do fêmur com o acetábulo, que se apresenta em um formato côncavo proporcionando um encaixe Fonte: Tortora, 2013 profundo. A articulação do quadril ainda apresenta vários ligamentos resistentes e que interferem nos movimentos da articulação do quadril. (TORTORA, 2013) O implante de prótese de fêmur é um procedimento que está inserido dentro da artroplastia de quadril onde ha a substituição ou troca da articulação do quadril e tem como objetivo restabelecer a função da articulação coxofemoral. Estes implantes são produzidos a partir de materiais biocompatíveis como o cobalto, cromo, titânio e aço. (MAGALHÃES, 2014). Os critérios para escolha da prótese dependem de situações como: a idade do paciente, o tipo de doença que esta acometendo o quadril, a qualidade do osso e a experiência de cada cirurgião com um determinado tipo de prótese. (ALVES, 2010) Também para se ter uma boa escolha de um biomaterial deve levar em consideração as condições anatômicas e funcionais do órgão ou tecido a ser substituído. Os biomateriais, ainda, devem ter boas características de biocompatibilidade, devendo resistir às ações do sistema imunológico sem sofrer danos e/ou perda de função, bem como sem liberar substâncias lesivas ao corpo humano, de forma que o hospedeiro não deve sofrer problemas físicos ou químicos pela presença da prótese. (DRUMOND, 2017) Desta forma, após a escolha do material que compõe a prótese, será escolhido o tipo de técnica a ser realizada para o implante. Dentre as técnicas mais utilizadas, temos o implante de próteses cimentadas e próteses não cimentadas. A prótese não cimentada é constituída de uma liga metálica, 3865

3 revestida de superfície microporosa em toda a superfície externa do componente. A camada microporosa é formada por um aglomerado de micro esferas com o tamanho de 300 μm, contribui para o processo de osteointegração (ALVES, 2010). A artroplastia cimentada é uma das técnicas cirúrgicas com maior sucesso e constitui na introdução de uma massa entre a prótese e o osso para que haja maior adesão da prótese. Este cimento geralmente é constituído de polimetacrilato de metilo (PMMA), designado também por cimento ósseo o que garante a fixação da prótese ao osso. (MAGALHÃES, 2014) Como qualquer procedimento cirúrgico, o implante de prótese de fêmur também tem suas complicações relacionadas a vários fatores. As complicações principais deste procedimento são: reações às pequenas partículas de metal ou do cimento ósseo a nível celular que com o passar do tempo, devem evoluir a nível tecidual como o desencadeamento da osteoporose o que pode deixar o implante frouxo e até mesmo levar a dor e a ruptura do osso que alberga a prótese. (FALCÃO, 2016) A infecção, que mesmo sendo rara devido a lisura do procedimento cirúrgico, geralmente quando ocorre é grave, levando a osteomielite e à sepse. Outra complicação do procedimento é a luxação da prótese, que geralmente ocorre durante as primeiras semanas após o procedimento e a também soltura da prótese, que é a principal complicação em longo prazo. (LANDUCI, 2016) Atualmente é rara a ruptura de prótese de fêmur. Esse dado está relacionado à melhoria do design do implante, e também ao uso de materiais mais resistentes e bem elaborados, bem como à evolução da técnica operatória. Na maioria das rupturas de prótese de fêmur já descritas pela ciência foram relacionadas às próteses cimentadas, sendo a ruptura da haste femoral em próteses não cimentadas uma ocorrência rara (PINHEIRO, 2017) Uma das maiores intercorrências na interface osso-cimento é o aparecimento de necrose no osso devido à toxicidade do cimento. Isso acontece, devido a uma reação exotérmica do cimento com a superfície óssea, levando à contração do cimento podendo causar problemas de luxação das próteses. O cimento deve permitir uma transição leve dos esforços da prótese 3866

4 femoral para o osso adjacente, principalmente nas extremidades do implante onde as forças de tensão são mais elevadas (MAGALHÃES, 2014). O implante de prótese de fêmur não cimentada é utilizado devido à complexidade do implante cimentado, sendo uma das soluções para pacientes jovens e ativos. O que diferencia os dois tipos de implante é o fato de a fixação das próteses cimentadas dependerem de uma ligação mecânica, e as próteses não cimentadas dependerem de uma ligação biológica e metálica. O implante de prótese não cimentada depende de um longo tempo de imobilização dos pacientes para que a fixação seja efetivada. (ARAUJO E COUTO, 2017) O osso, por ser uma estrutura de apoio ao organismo está sempre sujeito a um estado de tensão e deformação, uma vez que a carga é transmitida pela articulação e pelos músculos. A prótese de fêmur neste caso é quem vai conduzir a carga em relação ao fémur intacto, ou seja, vai provocar uma deformação no fémur, e consequente atrofiamento do osso. Este processo ocasiona doenças e destruição do tecido ósseo, o que dificulta a fixação da prótese ao osso. (COSTA, 2014) MATERIAIS E MÉTODOS Trata-se de um estudo qualitativo, para a identificação de produções sobre as principais propriedades das ligas metálicas utilizadas na confecção de prótese de fêmur. Adotou-se a revisão integrativa da literatura (POLIT, 2006) que inclui a análise de pesquisas relevantes que dão suporte para a tomada de decisão e a melhoria da prática, possibilitando a síntese do conhecimento de um determinado assunto. A estratégia para a identificação e seleção dos estudos foi a busca das publicações listadas nas bases de dados dispostas na internet acessados no mês de janeiro a abril de Para a seleção dos artigos, os seguintes critérios foram adotados: apenas artigos originais e completos; além de conter em seu resumo os descritores: ortopedia, ligas metálicas, próteses ortopédicas. Do material coletado, 111 artigos, procedeu-se a leitura minuciosa, destacando aqueles que correspondem ao objetivo proposto a fim de organizar os dados. Seguindo os critérios de inclusão, 18 artigos foram selecionados para análise, os quais são referenciados no decorrer deste texto. 3867

5 DESENVOLVIMENTO A biomecânica da articulação do quadril difere da apresentada pelos parafusos e placas de fixação óssea, os quais tem apenas a função de suporte até a consolidação. Os componentes da prótese de fêmur devem suportar muitos anos de carregamento cíclico igual a 3 a 5 vezes o peso corporal e ocasionalmente podem suportar sobrecarga de 10 a 12 vezes o peso corporal (CORREA, 2014) Para que um material possa ser utilizado em implantes, é necessário que apresentem propriedades mecânicas as mais próximas possíveis dos ossos humanos. As mais importantes propriedades mecânicas para aplicações ortopédicas são resistência mecânica à tração, compressão e flexocompressão e o módulo de elasticidade. O interessante é ter materiais que tenham módulo de elasticidade próximo ao tecido ósseo (VALENTE, 1999). Os biomateriais utilizados na confecção de implantes cirúrgicos incluem os aços inoxidáveis, ligas de Co-Cr e ligas de titânio. A combinação de elevada resistência mecânica, resistência à degradação no meio fisiológico, isoladamente ou associado com esforços mecânicos cíclicos ou estáticos, fazem de alguns materiais metálicos os preferidos para a fabricação de implantes ortopédicos (CORREA, 2014). AÇOS INOX Um dos materiais mais utilizado para a fabricação de próteses metálicas no Brasil é o aço AISI 316L, pois apresenta bom desempenho mecânico e um custo relativamente menor se comparado com os outros biomateriais destinados ao mesmo fim. O AISI 316L é um aço inoxidável austenítico, não magnético, dúctil, e normalmente apresenta um percentual residual de enxofre em sua composição química. O AISI 316L tem a mesma composição do 316, porém ele apresenta um teor extra baixo de carbono, no máximo 0,03% em peso de C. Isso contribuiu para uma melhor resistência à corrosão. (FOSECA, 2005). Os aços inoxidáveis austeníticos são os mais empregados na fabricação de implantes ortopédicos de quadril, cotovelo, joelho e como material de 3868

6 osteosínteses, que são hastes, placas e parafusos utilizados para consolidação de fraturas (SILVA, 2006). As composições químicas dos implantes de aço inoxidável são padronizadas pela norma ISO a ASTM F138 e F139. O conteúdo de níquel de um aço inoxidável empregado para implante é maior do que em um aço inoxidável comercial sendo que esse teor irá garantir a microestrutura completamente austenítica e não magnética. Todos os outros elementos são limitados pela ISO O limite de resistência à tração para barras, arames e chapas de aço inoxidável para aplicações biomédicas também são especificados por essa norma sendo que a os menores valores de resistência mecânica são verificados para a condição recozida (490 a 690 Rm). Essa condição é empregada na fabricação de fios e placas de reconstrução onde a baixa resistência mecânica é satisfatória sendo a ductilidade importante nessas situações. Materiais submetidos a trabalho a frio apresentam valores intermediários sendo empregados na confecção de parafusos onde elevada resistência mecânica é necessária. (DISEGI, 2000). COBALTO-CROMO As ligas Co-Cr foram amplamente usadas nas décadas 1970 e 1980, mas seu uso decaiu nos últimos anos devido aos efeitos tóxicos dos metais, Co e Cr liberados de implantes protéticos decorrentes da corrosão no meio corpóreo (CORREA, 2014). Nas ligas de Cromo-Cobalto (ASTM F75, F90, F562, F563 e outras) o maior teor de Cromo promove maior resistência à corrosão, e o Molibdênio produz grãos mais finos. Diferentemente das ligas de aço Inox, sua microestrutura permite maior concentração de carbono cujos carbonetos resultantes encontram-se dispersos no interior dos grãos e em seus contornos, e assim sua precipitação pode resultar em maior resistência e maior dureza da liga. Desta forma estas ligas são caracterizadas por elevada resistência mecânica e à corrosão, o que as credenciam para o uso em implantes protéticos. Sua elevada dureza permite seu uso como superfície articular constituindo assim o par tribológico com o polietileno ou com a própria liga 3869

7 metálica (articulação metal-metal). Apresentam como desvantagem a grande dificuldade para serem usinados. Sua elevada rigidez e portanto maior resiliência pode produzir grande remodelação óssea adaptativa por blindagem, de consequências mais observadas em implantes não cimentados. (FALCAO, 2016) TITÂNIO A liga de titânio mais utilizada para aplicações como biomaterial é a Ti- 6Al-4V (TAV). Dependendo do fabricante e do padrão escolhido, sua formulação pode variar ligeiramente. Quanto maior for o conteúdo de oxigênio, nitrogênio ou vanádio, maior será sua resistência e o inverso, quanto menor for o conteúdo destes elementos maior será a tenacidade à fratura, a ductilidade e a resistência à corrosão. Entretanto, recentemente, foi descoberto que o vanádio causa efeitos citotóxicos e reações adversas em alguns tecidos, enquanto o alumínio tem sido associado com desordens neurológicas. (GRANDINI, 2006) Em aplicações como biomaterial, o titânio e a liga Ti-6Al-4V tem sido usados desde 1960, com Ti-6Al-4V gradualmente substituindo o titânio comercialmente puro devido à resistência mecânica superior. A temperatura ambiente, o titânio tem estrutura hexagonal representada como fase α. Essa estrutura transforma-se em cúbica de corpo centrado, fase β a aproximadamente 883 C. Esta temperatura de transformação pode ser alterada através da adição de elementos de liga. (COUTO, 2006) As propriedades mecânicas desta mesma liga dependem da sua microestrutura. Como um exemplo deste fato é a variação das propriedades mecânicas desta liga em função da direção que se está analisando, uma vez que tanto a fase α como a fase β possui tendência em recristalizar com microestrutura texturada. Um controle microestrutural por meio de tratamentos térmicos, processamentos termomecânicos ou termoquímicos têm sido realizados na tentativa de aumentar a resistência e a tenacidade de ligas de titânio. (OLIVEIRA, 2013) 3870

8 RESULTADOS E DISCUSSÃO Atualmente as pesquisas que envolvem biomateriais metálicos, se voltam para o estudo da sua microestrutura, resistência a fadiga, resistência a corrosão e a superfície desses materiais. A influência do pós-processamento do aço inoxidável, da liga cobaltocromo e do titânio foi avaliada no trabalho de Correa (2014) onde pode-se observar que a resistência a fadiga de um mesmo material está também ligada ao seu processamento. Segundo esses autores, todos esses materiais são indicados uma vez que a resistência a fadiga dos mesmos, são superiores ao dos ossos inferiores que possuem valores em torno de 100 a 200 Mpa. Figura 2 - Resistência à fadiga de materiais metálicos usados na fabricação de implantes Fonte: adaptado de Correa (2014). Dentre as várias propriedades mecânicas a serem consideradas na escolha de um biomaterial metálico, uma das mais importantes é o módulo de elasticidade desse material. Quando o modulo de elasticidade do osso e da prótese forem muito diferentes pode ocorrer uma atrofia óssea e uma nova fratura e consequentemente a perca do implante. Esse fenômeno de diferença entre os módulos de elasticidade do osso e da prótese são conhecidos como stress shielding. (FONSECA, 2010) Os biomaterias metálicos possuem maior módulo de elasticidade do que o osso humano, por exemplo, o aço inoxidável possui um modulo de elasticidade de 210 GPa, a liga Co-Cr 180 GPa e o titânio apesar de possuir módulo correspondente a metade desses valores, cerca de 100 GPa ainda apresenta um valor alto se comparado ao osso humano que é de 10 a 30 GPa (CORREA, 2013). Tabela 1- Módulo de elasticidade de diversos materiais utilizados em implantes e tecidos naturais 3871

9 Material Módulo de Elasticidade em GPa Aço inox 316 l 200 Liga cr-co fundida 248 Titânio 110 Ti6Al4V 124 Cortical 3,8-25 Trabecular 07-4 Fonte: adaptado de Valente (1999) Segundo Fonseca (2010), Pode-se observar que a máxima tensão na prótese é sempre junto à mudança da descontinuidade geométrica, entre a cabeça e o corpo do implante, ou seja, para qualquer material utilizado no implante os maiores esforços serão na mesma região. Figura 2- Aço 316 l Com relação a diferença das tensões, do implante e o osso cortical, a liga Ti6Al4V produz os níveis mais baixos de tensão; os maiores valores de tensões são obtidos geralmente com a liga CoCr; e a liga 316L tem um comportamento muito semelhante. Para o caso em estudo, a liga Ti6Al4V Figura 3- liga Cr-Co apresenta os melhores resultados no conjunto osso-implante, podendo desta forma provocar um menor efeito do fenômeno de stress shielding. Vale lembrar que a maior solicitação ocorre sempre no lado direito do conjunto, sob efeito de tração. (FONSECA, 2010) Figura 4- Ti6Al4V Podemos observar que dentre esses materiais metálicos a liga de Ti6Al4V apresenta como implante protético, alta resistência e baixo módulo de elasticidade (E= 110 GPa) que resultam em flexibilidade 2 vezes maior e resistência à fadiga no mínimo 30% maior que as ligas de aço Inox. (CORREA, 2014) 3872

10 CONCLUSÃO Fica evidente que para selecionar um material, no caso das ligas metálicas para que seja utilizada em implantes, é necessário que apresentem não só uma considerável biocompatibilidade com o organismo do paciente, mas também propriedades mecânicas mais próximas possíveis dos ossos humanos, desde os movimentos aos esforços por eles realizados. Dentre os materiais metálicos abordados nesses estudos, o titânio liga (mais especificadamente Ti6Al4V) é uma dos biomateriais mais indicados, se destacando por sua alta biocompatibilidade com corpo humano, alta resistência a corrosão e suas excelentes propriedades mecânicas quando comparadas a outras ligas também utilizadas, como o aço 316 L e a liga Cr-Co. Atualmente no Brasil a maioria das próteses é fabricada em aço inoxidável, principalmente o aço 316L devido ao alto custo das mesmas fabricadas em titânio. Isso se torna um problema que afeta diretamente a integridade física dos pacientes que esperam nesses dispositivos melhorar a qualidade de vida. Ficando assim a necessidade de maiores estudos sobre esses materiais para que se torne cada vez mais viável a aquisição desses dispositivos fabricados com outros materiais, que tenham características semelhantes ou superiores ao Titânio. REFERENCIAS ALVES, H. A.; MANFREDINI, M. I.; RIBEIRO, M. A.; RAMOS, E. C. T.; RAMOS, A. S. prótese total de quadril: blindagem e lubrificação. In: XII ENCONTRO LATINO AMERICANO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA. São José dos Campos, SP, Anais. São Paulo 2010 p Ref Disponível em: Acesso em: 13 de julho de ARAUJO, T. L.; COUTO, A. A. estudo do aço inoxidável aplicado como implante ortopédico. Rev. Bras. Ortop., v. 53, n. 1, p CARRASCO, A.C.; FREITAS, J. P.; PEREIRA, C. S.; NOVAK, V. C.; ESPIRITO SANTO, A. M. Biomateriais utilizados em artroplastia total de joelho: da matéria prima às normas de fabricação. In: XIII ENCONTRO LATINO AMERICANO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA. São José dos Campos, SP, Anais. São Paulo 2011 p Ref Disponível em: Acesso em: 10 de julho de CORREA, M. E. C. Processamento e caracterização mecânica da liga a base de Titânio (Ti-7,5Mo) para confecção de prótese ortopédica. C p. 3873

11 Dissertação (Mestrado em Engenharia mecânica) Faculdade de engenharia mecânica, UNESP, São Paulo. COSTA, J. M. O. Qual a melhor prótese em uma artroplastia total de quadril?. Rev. Esp. V. 01, n. 10, p COUTO, A. A.; FALDINI, S. B.; ALMEIDA, G. F. C.; SEKERES, T. S.; KUNIOSHI, C. T. Caracterização microestrutural da liga Ti-6Al-4V comercial utilizada como biomaterial. In: 17º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciencias dos Masteriais. Foz do Iguaçu PR Anais. Paraná p ref Disponível em: Acesso em 15 de julho de DRUMOND, S. N.; DRUMOND, F. C. F.; MARANHÃO, B. K. A.; LA CRUZ, L. C. R. Revisões femorais de artroplastia totais de quadril com afrouxamentos assépticos e fratura periprotéticas: análise de 49 casos tratados com haste de Wagner. Rev. Bras. Ortop., v. 42, n. 7, p FALCÃO, F. R. C.; DIAS, B. A. G.; WOLFOVITCH, L. A.; SADIGURSKY, D. Complicações pós-artroplastia total de quadril em portadores e não portadores de diabetes mellitus controlado durante a internação. Rev. Bras. Ortop.., v. 51, n. 5, p FONSECA, E. M. M.; MENDES, C. S.; NORONHA, J. K. Avaliação das tensões numa prótese do fêmur sob influencia de diferentes materiais. Mec. Exp., v. 18, n. 3, p FONSECA, K. B. Avaliaçao de falas de implantes metálicoscoxo-femoral e joelho retirados de pacientes. Rev. Mat. V. 10, n. 3, p GRANDINI, C. R.; ALMEIDA, L. H.; PINTAO, C. A. F. Modulo de elasticidade dinâmico de ligas de TI usadas como Biomaterial. In: 17º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciencias dos Masteriais. Foz do Iguaçu PR Anais. Paraná p ref Disponível em: Acesso em 15 de julho de JESUINO, G. A.; RIBEIRO, L. M. F.; NAKAZATO, R. Z.; CORADO, E. N.; HEIN, L. R. propriedades mecânicas e resistência à corrosão da liga Ti-4Al-4V obtida da reciclagem da liga Ti-.Al-4V. Mat. Res., v. 4, n. 2, p LANDUCI, M. C. Caracterização das propriedades mecânicas de biomateriais metálicos. C p. Dissertação (Mestrado em Engenharia mecânica) Faculdade de engenharia mecânica, UNESP, São Paulo. MAGALHÃES, K. Avaliação biomecânica do desempenho de prótese femoral com rigidez variável. C p. Dissertação (Mestrado em tecnologia biomédica) Escola Superior de Tecnologia e Gestão ESTG/IPB. Bragança. NIEMEYER, T.C.; GRANDINI, C. R.; FLORENCIA, O.; SCHNEIDER, S. G. Atrito interno em baixa temperatura para amostras da liga Ti-12Nb-13Zr usadas como biomaterial. Ver. Bras. Apli. Vac., v. 25, n. 2, p OLIVEIRA, F. S. Caracterização e propriedades mecânicas de próteses de quadril. C p. Dissertação (Mestrado em ciências dos materiais) Instituto Militar de Engenharia IME. Rio de Janeiro. 3874

12 PINHEIRO, A.; SÁ, PEDRO.; SILVA, B.; SOUSA, C. V.; LEAL, M.; RODRIGUES, A. Falência de artroplastia total de anca por rutura: a propósito de um caso clínico. Rev. Port. Ortop.., v. 25, n. 3, p POLIT D.F; BECK C. T. Using Research in Evidence-based Nursing Practice. In: Polit DF, Beck CT, editors. Essentials of nursing research. Methods, appraisal and utilization. p QUEIROZ, L. P. Simulação numérica através do método dos elementos finitos e comparação experimental Para obtenção de tensões e deformações específicas em fêmur com prótese total de quadril. Q p. Dissertação (Mestrado em Engenharia mecânica) Faculdade de engenharia mecânica, UNESP, São Paulo. TORTORA, G. J. Princípios de anatomia humana. 12ª. edição. Guanabara Koogan. Rio de Janeiro, VALENTE, M.C. Síntese de hidroxiapatita e sua aplicação como biomaterial. D f. Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear-Aplicações) - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, Universidade de São Paulo, São Paulo, ANALYSIS OF THE MAIN PROPERTIES OF METALLIC ALLOYS USED IN THE MANUFACTURE OF FEMALE PROSTHESES. ABSTRACT The present work aimed at the chemical, mechanical and biological physical properties of the metallic alloys used in the manufacture of femoral prostheses. A series of scientific articles were reviewed to address issues of orthopedics, metal alloys and femoral prostheses. Among the high order metallic alloys, stainless steel (316L alloy steel), titanium alloys and cobalt-blue alloy (Co-Cr) were the most used in the performance of femoral function. 316 steel has higher corrosion resistance when exposed to body fluid, and fatigue. As titanium ligatures, greater intensity to osseointegration, greater importance of long-stay implants. The Co-Cror alloy presents anticorrosive properties due to the formation of oxides. Thus, the study of biomaterials in femoral prostheses in the areas of materials engineering and medical sciences is one of the ways in which the health of the population is performed. Key words: orthopedics, metal alloys, orthopedic prostheses. 3875