ANÁLISE DE FALHA DE UMA HASTE INTRAMEDULAR COM PINO DESLIZANTE (PFN)

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1 ANÁLISE DE FALHA DE UMA HASTE INTRAMEDULAR COM PINO DESLIZANTE (PFN) R.E.V. Ribeiro Porto Alegre Brasil, N. A. Cè C. G. Zimmer T. R. Strohaecker Universidade Federal do Rio Grande do Sul RESUMO Muitas são as discussões sobre os mecanismos de falhas em implantes cirúrgicos metálicos. Esses, mesmo atendendo às especificações normativas do metal base, ainda podem falhar durante o seu uso. Este estudo pretende mostrar a influência do acabamento superficial no desempenho de uma haste intramedular, tipo PFN, usada em fraturas de fêmur. Um acabamento superficial irregular combinado com zonas de concentração de tensões incentiva a iniciação de trincas de fadiga. Através de análise visual em lupa e análise em microscopia eletrônica de varredura (MEV) da superfície da fratura, a morfologia e micrografia do material evidenciaram mecanismos que levaram ao seu rompimento. A partir destes resultados foi possível evidenciar a influência do acabamento superficial na redução da vida útil do implante analisado. Palavras chave: Implantes Ortopédicos, Fadiga, Acabamento Superficial. INTRODUÇÃO Quando se fala de fraturas instáveis da parte proximal do fêmur e o uso de implantes, há muitos relatos de falhas mecânicas e técnicas onde autores citam incidência de falhas desde 6 a 18% dos casos (1). No caso das hastes intramedulares, o ponto crítico está relacionado ao furo por onde passa o parafuso guia e onde, ainda, a secção do componente é até 70% menor. Esta é a zona crítica onde as forças originadas no pescoço do fêmur são transmitidas para os parafusos. Se a guia do parafuso não é apropriadamente colocada, a perfuração é inadequada ou, ainda, o parafuso não é bem centrado, pode ocorrer movimento relativo entre o parafuso e a parede da haste gerando um desgaste maior, precipitando uma falha 5417

2 (1). O estudo de K. Sitthiseripratip, et al. (2) e C. J. Wang, et al. (3) com elementos finitos em hastes intramedulares mostra que a tensão ima de carregamento ocorre ao redor do furo do parafuso guia. Dados resumidos da pesquisa de Soheil Najibi et al. (4), apontam para uma tendência de falha na junção do parafuso guia com a haste, sendo que de 12 casos de falhas em hastes intramedulares 11 eram na junção entre o parafuso guia e a haste. Outro estudo (5) também revelou que o ponto mais fraco deste tipo de implante é em volta do furo de inserção do parafuso guia. Neste trabalho foram encontradas muitas imperfeições superficiais, tais como sulcos do processo de fabricação, que contribuíram para a redução da vida em fadiga e apontou tanto para uma revisão do projeto do implante como para deficiências do processo de fabricação. O objetivo deste trabalho foi mostrar que na região onde houve o rompimento do componente existiam imperfeições na superfície interna, tais como arranhões e marcas de ferramenta, e determinar pela metodologia de análise de falhas as causas do rompimento. Esta metodologia é uma ferramenta usada para determinar as causas físicas de um problema e envolve desde princípios de engenharia até conhecimentos científicos passando ainda por ferramentas analíticas. Fractografias, que são imagens da região da fratura, podem ser utilizadas para verificar os níveis de tensão a que foi submetido o material em questão através da medida do espaçamento das estrias de fadiga (6) como mostrado na fig. 1(figura). Figura 1 Fractografia revelando propagação de trinca em fadiga. a) Espectro de carregamento constante. b) Espectro aleatório. Fonte: Strohaecker T. R., Mecânica da Fratura, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A fadiga é a falha precedida pela iniciação e propagação de uma trinca até uma condição instável que leva à fratura instantânea. Concentração localizada de tensões devido a defeitos, rugosidade ou ainda imperfeições da superfície combinadas com um carregamento cíclico são condições locais para a nucleação e 5418

3 propagação de uma trinca. Próximo a furos ocorre a concentração de tensões como ilustrado na fig. 2 Figura 2 À esquerda, representação esquemática mostrando a tendência de concentração e de redistribuição de tensões devido à existência de um defeito. À direita marcas de sargento As marcas de sargento indicam a região de início da fratura marcada com uma flecha.. Fonte: Strohaecker T. R., Mecânica da Fratura, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Mudanças nos níveis de tensão ficam registradas na macroestrutura da superfície de fratura através de marcas chamadas de marcas de sargento (6). ver fig. 2 à direita. A relação da ruptura por fadiga com o acabamento superficial de um componente está no grau de importância do desempenho deste componente e na necessidade de conservação de suas propriedades tanto mecânicas quanto físicas e químicas. 2 MATERIAL E MÉTODOS O material objeto de análise da falha foi um conjunto de haste intramedular com parafuso deslizante. O conjunto era todo de aço inoxidável (ASTM F-138) (7) (ABNT NBR ISO ) (8) explantado de uma paciente que rompeu durante o uso. A falha do componente foi no furo do parafuso guia após, aproximadamente, dezoito meses de uso. As imagens a seguir mostram, respectivamente, as condições iniciais da amostra. A fig. 3 mostra as imagens da haste implantada na paciente e a fig. 4 o conjunto haste intramedular parafuso deslizante de onde foi separada a amostra usada para análise de falha. 5419

4 Figura 3 Imagens da haste intramedular implantada no fêmur da paciente. a) Imagem por Raios-X antes da fratura da haste. b) Imagem por tomografia computadorizada onde houve a fratura da haste situação antes do explante. Figura 4 Conjunto explantado recebido para análise. a) Conjunto completo do qual foi separada a haste para análise. b) Conjunto haste parafuso deslizante de onde foi separada a haste usada para análise de falha A superfície da falha foi preparada e analisada em lupa de baixo aumento. Esta é uma das etapas da análise de falhas para verificar a presença de imperfeições na superfície, assim como identificar sinais de fadiga do material, tais como marcas de praia. Nesta etapa procurou-se também por defeitos macroscópicos, tais como, trincas superficiais, pontos de corrosão entre outros. Após, procedeu-se a observação em MEV (microscópio eletrônico de varredura) para verificação dos micro-mecanismos de fratura e também determinar a região de nucleação da trinca que levou a falha. A partir daí escolheu-se uma região representativa da falha para proceder ao preparo da amostra para análises metalográfica e química. A metalografia foi feita conforme o ASM Handbook (9) e a amostra foi então observada em microscópio ótico em aumento de 50, 100, 200 e 500 vezes para se obter informações sobre a microestrutura. Com as informações sobre a microestrutura calculou-se o tamanho de grão pela norma ASTM E112 (10) e comparou-se com as normas de material citadas. A análise química foi conduzida em espectrômetro de emissão ótica marca Magellan e o resultado foi obtido por média aritmética de três análises. 5420

5 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Para se entender melhor a situação da fratura, uma apresentação desta região e os esforços a que está submetida é apresentada na fig. 5 Observa-se que a região de maior esforço é a região onde está apoiado o parafuso guia da haste. A fig. 6 mostra a região onde houve a fratura. Figura 5 Representação dos esforços na região da fratura. a) Esforços a que está submetido o fêmur durante as atividades diárias. b) Haste intramedular com parafuso deslizante implantada em fêmur. c) Níveis de tensão na região do furo. d) Raios-X da haste que estava implantada na paciente. Figura 6 Imagem da região da fratura. À esquerda, região do furo onde houve a fratura. À direita parte superior da imagem é a superfície transversal da região da fratura, parte de cima da haste. À direita parte inferior da imagem, região do furo onde houve a fratura, parte de baixo da haste. 5421

6 3.1 ANÁLISE EM LUPA Na análise em lupa foi possível evidenciar marcas de ferramenta grosseiras em toda a superfície interna do componente como pode ser visto na fig.7. Percebeu-se que próximo da região onde ocorreu a falha as marcas de ferramenta eram mais profundas e também esta é a região onde o componente possui a menor secção. As marcas de sargento (fig. 9a) apontam para a região onde iniciou a trinca. Figura 7 Imagens da análise em lupa da superfície de fratura da haste intramedular. a) Marcas de sargento apontando para o início da falha. b) Marcas de praia indicando o carregamento cíclico. c) Marcas profundas de ferramenta na região de início da falha. 7a Marcas de sargento apontando para o início da falha 7c Marcas de praia apontando para o início da falha Marcas profundas de ferramenta na região de início de falha. 7b 3.2 ANÁLISE EM MICROSCÓPIO ELETRÔNICO, METALOGRAFIA E ANÁLISE QUÍMICA No MEV conseguiu-se observar micro estrias de fadiga, conforme fig. 8 à esquerda. A microestrutura encontrada foi típica de aço inoxidável conformado, com grãos austeníticos poligonais deformados, típicos de material conformado, e tamanho de grão 7,5 ASTM, com inclusões dentro dos limites permitidos por norma e sem a presença de ferrita delta, fases sigma e chi como pode ser visto na fig. 10 à direita. A tabela 1 mostra os valores encontrados para os elementos químicos analisados. 5422

7 Figura 8 Á esquerda, fractografia em MEV da região da fratura. Microestrias de fadiga. Á direita, microestrutura da região da fratura. Valores medidos Valores de referência da ABNT NBR ISO Valores de referência da ASTM F ANÁLISE DA CAUSA DA FRATURA Observando a fig. 9 foi possível constatar marcas de ferramentas presentes nos furos, tanto da haste fraturada quanto da haste sem uso. Constatou-se, ainda, que existem algumas marcas presentes na haste fraturada que são mais visíveis que na haste sem uso, havendo alguns riscos mais finos e outros mais grosseiros no furo de passagem do parafuso deslizante. Essas marcas podem ser provenientes do processo de usinagem do componente somadas ao processo cirúrgico no momento da colocação do parafuso. Tabela 1 - COMPOSIÇÃO QUÍMICA (% em massa) C Si Mn P N S Cr Ni Mo Cu Fe 0,023 0,465 1,947 0,011 0,100 0, ,40 14,78 2,38 0,046 Balanço 0,030 0,030 1,0 0,75 2,0 2,0 0,025. 0,025. 0,10. 0,10. 0,010. 0, ,0 19,0 17,0 19,0 13,0 15,0 13,0 15,0 2,25 3,0 2,25 3,0 0,50 0,50 Balanço Balanço Figura 9 Acabamento interno da haste. À esquerda haste fraturada usada na análise e à direita haste intacta sem uso. Imagens feitas em lupa de baixo aumento. 5423

8 4 CONCLUSÕES O componente analisado rompeu por fadiga causada pelo carregamento cíclico inerente às passadas do paciente. A fratura foi motivada pela presença de marcas profundas de ferramentas, que podem ser provenientes tanto do processo de usinagem do material quanto do procedimento cirúrgico e, ainda, devido à reduzida secção do componente que não suportou as solicitações mecânicas a que estava sendo submetido. Como a região do furo é a mais solicitada, conforme mostrado anteriormente, entende-se que o componente não foi capaz de suportar as cargas exercidas sobre ele devido aos defeitos superficiais internos que diminuíram a vida em fadiga do mesmo. 5 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1 - Efstathopoulous, N. et al. Investigation on the distal screw of a trochanteric intramedullary implant (Fi-nail) using a simplified finite element model. Injury, Int. J. Care Injured, v.41, p , Sitthiseripratip, K. et al. Finite element study of trochanteric gamma nail for trochanteric fracture. Medical Engineering & Physics, v.25, p99-106, Wang, C.J. et al. Finite element analysis of a Gamma nail within a fractured femur. Medical Engineering & Physics, v20, p , Najibi, S. et al. Mechanical Failure of the long Gamma Nail in two proximal femur fractures. The Iowa orthopaedic Journal, v.30, p , Zafiropoulos, G.; Pratt, D. J. Fractured Gamma nail. Injury, v.25, p , STROHAECKER. T.R. Mecânica da Fratura (Apostila). Gráfica UFRGS. Laboratório de Metalurgia Física, Escola de Engenharia - UFRGS, ASTM International, ASTM F a, Standard Specification for Wrought 18Chromium 14Nickel 2.5 Molybdenum less Stainless Steel Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S31673), United States, Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), ABNT NBR ISO : 2008, Rio de Janeiro, ASM International The Materials Information Company. Metallography and Microstructures, v.9, p , ASTM International, ASTM E112-13, Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. United States, 2013 FAILURE ANALYSIS OF A INTRAMEDULLARY NAIL TYPE PROXIMAL FEMORAL NAIL (PFN) ABSTRACT There are many discussions about the failure mechanisms in metallic surgical implants. These, although meet the normative specifications of base metal, may still fail during use. This study aims to show the influence of surface finish on the fatigue 5424

9 life off intramedullary nail, PFN type, used in fractures of the femur. Combined irregular surface finish with areas of stress concentration is a trigger for the propagation of fatigue cracks. Discontinuities in the material surface, such as scratches, tool marks, holes and grooves alter the stress distribution allowing its accumulation at points. Through visual analysis in morphology of the material showed the mechanisms that led to their breakup. From these results it was possible demonstrate the influence of surface finish on shortening the life of the implant analyzed. Keywords: Orthopedic Implants, Fatigue, Surface Finish 5425