CARACTERIZAÇÃO MICROSCÓPICA E TESTES DE DESGASTE EM MANCAL POLIMÉRICO DE BOMBA DE SANGUE CENTRIFUGA IMPLANTÁVEL

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1 CARACTERIZAÇÃO MICROSCÓPICA E TESTES DE DESGASTE EM MANCAL POLIMÉRICO DE BOMBA DE SANGUE CENTRIFUGA IMPLANTÁVEL Michele Aparecida Saito 1, Sergio Yoshinobu Araki 1,2, Pâmela Catherine Florentino da Slva 1, José Ricardo Corrêa de Sousa Sobrinho 1, Antônio Luiz Marques Júnior 1, Douglas Fontainha de Sousa 1, Eduardo Guy Perpétuo Bock 1. 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo IFSP. Rua Pedro Vicente, 62 Canindé São Paulo SP. 2 Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas. Rua Mendeleyev, 200 Barão Geraldo Campinas- SP Rua Pedro Vicente, 62 CEP São Paulo - SP. saito.mi@hotmail.com RESUMO Uma nova geração de Bomba de Sangue Centrífuga Implantável (BSCI) está sendo desenvolvida para fornecer Suporte Circulatório Mecânico (SCM) a pacientes com Insuficiência Cardíaca Congestiva (ICC). O projeto é baseado em um rotor suportado por rolamentos de articulação cerâmica em levitação hidráulica entre 1400 e 2300 RPM. A proposta do ensaio de desgaste consiste na verificação mecânica do mancal polimérico em atrito com o eixo cerâmico. Este artigo apresenta a caracterização superficial do mancal polimérico após o ensaio realizado em bancada que simula a operação da bomba de sangue, com eixo cerâmico de Alumina (Al 2 O 3 ) em contato com um Mancal de Polietileno de Ultra Alta Massa Molecular (PEUAMM) em uma velocidade de 1800 RPM com 5N de carga por uma hora, utilizando como fluído de trabalho água. As superfícies foram analisadas microscopicamente antes e depois do ensaio e os resultados foram comparados. Os danos superficiais foram checados e foi observada moderada modificação estrutural. Os resultados mostram a correlação entre esta modificação e o acabamento superficial realizado antes dos ensaios.

2 Palavras-chave: Bomba de Sangue Centrifuga Implantável, mancal de Polietileno de Ultra Alta Massa Molecular, Dispositivo De Assistência Ventricular, atrito e desgaste. ABSTRACT A novel generation of Implantable Centrifugal Blood Pump is being developed in order to provide Mechanical Circulatory Support to patients with Congestive Heart Failure. The project is based on a conical rotor supported by ceramic pivot bearings in hydraulic levitation between 1400 and 2300 RPM. The purpose of this work consists in checking the mechanical wear in the polymer bearing in friction with the ceramic shaft. This paper presents a superficial characterization of polymeric bearing after the test performed wear bench that simulates the operation of the blood pump. wear tests were performed with ceramic shaft Alumina (Al 2 O 3 ) in contact with a polymeric bearing of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) at a speed of 1800 RPM with a load of 5N for one hour with work fluid of water. The surfaces were microscopically examined before and after the experiments and the results were compared showing a correlation between this modification and the surface finishing before tests. Keywords: implantable centrifugal blood pump, alumina ceramic pivot bearings, ventricular assist devices, friction and wear, biotribology. INTRODUÇÃO Uma terceira geração de bombas de sangue, a Bomba de Sangue Centrífuga Implantável (BSCI) está sendo desenvolvida para servir como Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV). Os componentes das bombas devem ser estudados e analisados com critérios para que se obtenha plena eficiência e durabilidade (3), (5). Conforme pode ser visto na Figura 1, um dos componentes é o acoplamento magnético entre o rotor e o motor que movimenta o fluxo sanguíneo. O conjunto estudado neste trabalho é formado por um eixo de Al 2 O 3, e um mancal de PEUAMM

3 em cada extremidade do rotor. O rotor é apoiado sobre os dois mancais, que com a variação da rotação e do fluxo sanguíneo ora é solicitado o mancal inferior, ora o superior. Portanto, o contato direto entre eixo e mancal ocorre no ponto inferior a baixas rotações e vazões, enquanto o contato no mancal superior ocorre a altas taxas de rotação e vazão (4), (6). Figura 1. Solicitação de mancais, conforme rotação e fluxo de sangue. Rotação do motor em verde. Vale ressaltar que a força de atração magnética dos ímãs do acoplamento é constante enquanto a força de arrasto hidromecânico varia de acordo com a rotação e vazão. Assim, podem ser vistas situações em que o desgaste ocorre no mancal inferior, Figura 1(a), no mancal superior Figura 1(c). A condição ideal de trabalho desse sistema é obtida com a força resultante nula, Figura 1(b), onde não ocorre o contato superior nem inferior, caracterizada pela levitação hidrodinâmica do rotor (3), (4). Devido à solicitação de cargas mistas no mancal, o material utilizado deve apresentar resistência ao desgaste por atrito e impacto. A longa cadeia molecular, a média densidade e a ausência de ramificações, conferem ao PEUAMM às seguintes propriedades mecânicas: elevada resistência ao impacto, elevada resistência à abrasão e baixíssimo coeficiente de atrito (7).

4 O estudo do desgaste por atrito e deformação por impacto dos mancais em PEUAMM foram realizados na Bancada de Ensaios de Atrito e Desgaste (BEAD), localizada no Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais (BIOENG), no Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia de São Paulo, IFSP-SP (8). A caracterização microscópica dos mancais foi realizada antes e após os ensaios de bancada e comparada para análise dos esforços envolvidos. MATERIAIS E MÉTODOS Para caracterização do mancal de PEUAMM, foram utilizados dois microscópios: um axial (AxiolabA1, Carl Zeiss, Oberkochen) e outro vertical (Axio VertA1, Carl Zeiss, Oberkochen) conforme Figura 2 (9). (a) Figura 2. Microscópios utilizados na caracterização dos mancais: (a) microscópio axial e (b) microscópio vertical. (b) Para os ensaios de desgaste por atrito foram desenvolvidos corpos de prova em PEUAMM apresentando o seguinte perfil obtido a partir de foto digital, conforme Figura 2.

5 (a) (b) Figura 3. Desenho dos corpos de prova (a) e foto do mancal obtido em PEUAMM (b). Os parâmetros utilizados no processamento e na metodologia de análise foram os testes de desgaste e deformação durante o atrito entre mancal e o eixo. O aparato experimental BEAD foi fabricado dentro do IFSP-SP, conforme pode ser observado na Figura 4 (8). Figura 4. Desenho esquemático da BEAD mostrando seus componentes principais. Fonte: (2). Caracterização do Corpo de Prova PEUAPMM

6 O PEUAMM empregado neste estudo foi fornecido pelo IFSP-SP, sua composição e processo de fabricação estão de acordo com as normas da tabela 1 (1), (2).

7 Tabela1. Propriedades do PEUAMM utilizado nos ensaios da BEAD. Fonte: (7). RESULTADOS E DISCUSSÃO Para verificação da estrutura do (PEUAMM) antes dos testes iniciais, utilizou-se um microscópio disponibilizado pelo Instituto Federal de São Paulo, modelo vertical, que possibilitou a aproximação de 100 X, fotos da estrutura do mancal 1, antes dos ensaios em bancada, conforme Figura 5.

8 Figura 5. Micrografia da superfície do mancal do material PEUAPM e medição realizada. Aumento original de 100X. Após os ensaios realizados no mancal 1, fotos tiradas por microscopia com aproximação de 200X, conforme figura 5. Figura 5. Micrografia com aumento de 200X do mancal 1 em PEUAMM após o ensaio. Foto da estrutura do mancal 2, antes dos ensaios em bancada, com visualização em 100X, conforme figura 6. Figura 6. Micrografia da superfície do mancal 2 do material PEUAPM. Aumento original de 100X. Após os ensaios realizados no mancal 2, fotos tiradas por microscopia com aproximação de 200X, conforme figura 7.

9 Figura 7. Micrografia da superfície do mancal 2 do material PEUAPM, após o ensaio. Aumento original de 200X. CONCLUSÕES Durante a caracterização das peças nos microscópios descritos, foram observadas algumas alterações na superfície dos mancais após o ensaio, algumas áreas sofreram uma pequena deformação do mancal de PEUAMM, mas sem uma definição precisa dessa deformação. Outro aspecto verificado é presença de pontos em que existe um aspecto visual de menor rugosidade inexistente no mancal antes do ensaio realizado. Pelo aspecto pode apresentar um canal no seu local de contato com o eixo. Pelo observado, não existe nenhuma alteração dimensional ou remoção de material que possa ser expressivo na massa total dos corpos de prova. Somente pode ser visível uma provável deformação pelo impacto em um dos mancais ensaiados na BEAD. Água foi aplicada como fluido de trabalho nos ensaios para simulação do desgaste da bomba, sendo ainda necessários novos ensaios utilizando uma mistura de água com glicerina (37% no volume) para se obter uma melhor aproximação das condições do sangue, como a viscosidade, capaz de alterar a reologia, o atrito e o desgaste no conjunto. Com o desenvolvimento do protótipo da BSCI, novos testes serão realizados in loco para avaliar o desgaste real durante o funcionamento do DAV. Espera-se que, assim, seja possível obter uma melhor visualização dos fenômenos de deformação

10 do material polimérico pelo eixo de cerâmica, alterações na sua superfície, deformação permanente e possível remoção por erosão. Modelos teóricos de tribologia estão sendo estudado para a avaliação dos parâmetros funcionais do estudo de atrito e desgaste do material polimérico proposto. Como trabalhos futuros, poderão ser avaliados os modelos matemáticos do atrito no conjunto, comparando os valores teóricos e experimentais e até, mesmo, propondo simulações da vida útil dos mancais da BSCI e validando os resultados na BEAD.

11 REFERENCIAS (1) SANTOS, A. C. C. Avaliação das Propriedades e Aplicações do Polietileno de Ultra-Alto Peso Molecular (PEUAPM), Monografia, Universidade Federal da Bahia, Salvador. (2) FERREIRA, F. C. M. Comportamento sob abrasão em polietileno de ultraalto peso molecular (UHMWPE) irradiado, Dissertação (Mestrado), Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro. (3) BOCK, E. et al. 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, 32(4): , (4) BOCK, E. et al. A ceramic pivot bearing Implantable Centrifugal Blood Pump. The International Journal of Artificial Organs, 36(8): , (5) BOCK, E.; RIBEIRO, A.; SILVA, M.; ANTUNES, P.; FONSECA, J.; LEGENDRE, D.; LEME, J.; ARRUDA, C.; BISCEGLI, J.; NICOLOSI, D.; ANDRADE, A. 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 , (6) BOCK, E. G. P.; LEÃO, T. F.; UEBELHART, B.; GALANTINI, D.; ANDRADE, A.; CAVALHEIRO, A.; SANTOS FILHO, D. A ceramic pivot bearing Implantable Centrifugal Blood Pump. Int J Artif Organs, v. 36, p. 543, (7) DE FARIAS, J. X. N. Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM): Propriedades, Processamentos e Aplicações. 9º Congresso de Brasileiro de Polímeros, (8) 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, (9) ZEISS. Catalogo dos Microscópios. Disponível em: Acesso 04 de Junho de 2016.