8º CONGREO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 ANÁLIE DA REITENCIA DE PARAFUO CIRÚRGICO CANULADO DE AÇO INOXIDÁVEL Aldoni G. Wiedenhoft 1, adro Griza 2, Heraldo J. Amorim 3, Telmo trohaecker 4 1, 3 DEMEC/UFRG, Rua armento Leite 435, Porto Alegre, Brasil. 1 aldonig@yahoo.com.br, 3 amorim@mecanica.ufrgs.br 2, 4 DEMET UFRG, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre, Brasil. 2 sandro@demet.ufrgs.br, 4 telmo@demet.ufrgs.br REUMO Componentes de próteses e órteses humanas devem ser confortáveis, capazes de realizar as funções espertadas e, mais do que tudo, confiáveis. O foco deste trabalho é o desenvolvimento e aplicação de uma metodologia de análise de parafusos cirúrgicos. Para tanto foi desenvolvido um aparato mecânico, que consiste em um atuador de torque e um sistema de aquisição de dados. O atuador, composto por um motor elétrico acoplado a um redutor, aplica torque sobre o parafuso em teste, que o transfere a uma célula de carga, e assim, ao sistema de aquisição de dados. Parafusos canulados de aço inoxidável foram testados para torque de inserção e remoção, máximo torque e ângulo de ruptura. Apesar de todos os parafusos seguirem os padrões recomendados, foram encontradas dispersões significativas entre os resultados, podendo indicar problemas de material ou manufatura. Os resultados mostraram valores mais elevados para torque de remoção que de inserção, o que não é um efeito desejável, uma vez que este efeito facilita a fratura em uma eventual remoção do parafuso. A análise dos resultados mostra a eficiência da metodologia desenvolvida, e chama a atenção para a confiabilidade dos componentes de órteses e próteses. PALAVRA-CHAVE: parafuso canulado, torque de ruptura, ângulo de ruptura, torque de inserção e remoção.
INTRODUÇÃO Este estudo vem de encontro a anseios tanto de fornecedores como de fabricantes, e também da Anvisa, que consistem na necessidade de padronizar e de qualificar parafusos de implantes atendendo à norma internacional ATM F 543-02 [1], que preconiza que sejam realizados os testes de torque máximo, torque de inserção e remoção, e ângulo de quebra para as devidas qualificações desses produtos. Conforme himano, 2005 [2], este ensaio apresenta dificuldades metodológicas importantes, tais como: a leitura da deformação angular, a incapacidade do torquímetro convencional de armazenar os dados, a manutenção da perpendicularidade entre o braço axial do parafuso, e aplicação do esforço, e a variação da velocidade. Tavares, 2003 [3], encontrou uma variação muito significativa nos torques medidos por diferentes torquímetros convencionais. A literatura mostra uma interação de fatores clínicos que podem causar o afrouxamento dos parafusos e consequentemente uma perda de tensão ou pré-carga [4], além de uma variabilidade no torque gerado por diferentes dispositivos eletrônicos ou manuais mostrados [5]. Collinge et al., 2000 [6], avaliaram torque de ruptura e o local da ruptura. Abel e um, 1998 [7], apesar de usarem uma máquina de torção, tiveram de fazer uma anotação manual das medidas, o que também dificulta o método. Outras metodologias foram utilizadas por Glauser et al. 2003 [8], que usaram uma furadeira acoplada a um transdutor de torque, que permitiu que o torque fosse imposto, sem variação de velocidade. Porém, essa metodologia não reproduz os ensaios de rotina em indústrias de implantes. Diante desses desafios, foi necessário o desenvolvimento de um dispositivo que cumprisse um pouco das exigências da norma e que também realizasse os ensaios de torque e de ângulo de quebra, com rotação controlada e um sistema de aquisição dos dados por um computador. Browner et al. 2003 [9] apresentam que o torque pelos cirurgiões durante a inserção dos parafusos variam de 2,95 N.m a 5,98 N.m, o que é suficiente para fraturar um parafuso de diâmetro interno de 2,92mm. O torque imposto pelo cirurgião, durante o ensaio de inserção pode vir a ser maior que o torque máximo suportado pelos parafusos durante o ensaio de torção na máquina, embora, durante a inserção, o alívio das tensões seja rápido, e não havendo fratura do parafuso ou mesmo do osso. Este torque pode, porém, vir a comprometer a funcionalidade e a vida útil do parafuso. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os ensaios realizados buscam a determinação das propriedades de parafusos cirúrgicos canulados de aço inoxidável, de acordo com a norma ATM F543-02. Estes componentes são assim chamados devido a seu núcleo vazado (Fig. 1), e possuem diversas vantagens sobre outros parafusos cirúrgicos, entre elas sua alta capacidade compressiva, a maior precisão de sua fixação e a facilidade com a qual esta é feita. Enquanto a primeira vantagem permite boa fixação, as demais agem na prevenção de erros e na redução do tempo de cirurgia. Três diferentes parafusos foram testados, com todas as amostras sendo inspecionadas quanto a amassados, arranhões e rebarbas. Fig. 1. Representação de um parafuso canulado. A Tabela 1 mostra as dimensões dos parafusos testados, bem como a designação adotada neste trabalho. Tab. 1: dimensões dos parafusos testados. Parafuso Material Tipo Rosca Dimensões (mm) A Aço Inoxidável Canulado Parcial φ7,0 x L 80,0 B Aço Inoxidável Canulado Parcial φ4,5 x L 62,0 C Aço Inoxidável Canulado Parcial φ3,0 x L 42,0 O dispositivo deve ser apoiado sobre uma base robusta e sólida, para absorver vibrações mecânicas ocasionadas nos ensaios para a obtenção do torque, impedindo-as de influenciar os resultados adquiridos pela célula de carga que está acoplada ao sistema. O sistema de torque possui uma placa móvel guiada por quatro eixos fixos de diâmetro 19 mm, e desliza sobre rolamentos lineares evitando o atrito. O sistema possui uma força axial de 1.4 N.m, que comprime o parafuso em direção ao corpo de prova. Essa placa é solicitada por cabos de aço flexível com roldanas e
acopladas com massas para vencer a inércia. Para guiar o parafuso foi confeccionado um sistema de pinças intercambiáveis com a forma da cabeça do parafuso que está sendo ensaiado. As pinças foram construídas em aço rápido M2 e tratadas termicamente. A medição de torque é feita através de células de carga intercambiáveis, para diferentes faixas de carregamento. Estas foram especialmente desenvolvidas para o presente estudo e usam sensores de deformação do tipo strain gauges. O uso de diferentes equipamentos para a medição de torque se faz necessário, uma vez que parafusos de diferentes dimensões e resistências são testados, para permitir o alcance de exatidões compatíveis. Para tanto, três células de carga foram desenvolvidas (Tab. 2). Devido à necessidade de medir com exatidão o ângulo de ruptura dos parafusos, se fez uso de um controlador angular, e a necessidade de realizar testes tanto de inserção quanto de remoção no mesmo equipamento, com velocidade controlada exigiu a adaptação de um redutor de velocidade com chave reversora. Tab. 2: Faixa de operação das células de carga usadas. Células de carga Faixa de operação 1 0,01 0,50 2 0,50 3,50 3 3,50 6,50 A Figura 2 (a) mostra o dispositivo desenvolvido, em vista superior. É possível identificar o parafuso em teste e a célula de carga. A Figura 2 (b) mostra uma vista frontal do aparato, incluindo sistema de aquisição de dados. Célula de carga Parafuso (a) (b) Fig. 2: Aparato experimental (a) vista superior (b) vista frontal. A norma recomenda que o ensaio seja feito por amostragem randômica em função do lote de parafusos fabricados. Além disso, a norma recomenda que seja medido o torque médio das nas quatro primeiras voltas de aperto e as quatro primeiras voltas de afrouxamento, registrando o maior torque produzido e obtendo a média. Ensaio de ângulo de ruptura e torque máximo Este método de ensaio é utilizado na avaliação do limite de escoamento sob torção, torque máximo e ângulo de rotação na fratura de parafusos ósseos nas condições estabelecidas na norma. Os resultados obtidos por este método de ensaio não pretendem estabelecer o torque necessário para a inserção ou remoção de parafusos ósseos em ossos humanos ou de animais, e sim a uniformidade dos produtos ensaiados, ou comparar as propriedades mecânicas de produtos diferentes, com tamanhos similares. Todos os procedimentos adotados estão em conformidade com o que estabelece a norma ATM F 543-02. Os parafusos (todos parcialmente roscados) foram inseridos no dispositivo de
fixação de tal modo que foi evitada a sua rotação durante a aplicação da carga de torção. Em todos os casos, ao menos um filete de rosca ficou exposto. A Tabela 3 mostra, para cada parafuso testado, o posicionamento adotado. Tab. 3: Posicionamento dos parafusos durante teste. Parafuso A B C Comprimento testado (mm) 53,4 29,3 19,5 Comprimento inserido (mm) 14,0 14,0 7,0 Comprimento exposto (mm) 12,5 18,5 15,5 O limite de escoamento sob torção foi determinado pelo método do deslocamento, usando a curva torque versus ângulo de rotação. Para a determinação do ângulo de ruptura foi identificado o ponto onde a parte do torque na curva inicia sua queda. O torque máximo foi determinado pelo maior valor de torque na curva. Para o limite de escoamento foram usados 0,2% de deslocamento conforme a fig. 3. 25 20 Torque máximo Torque 15 10 Limite de escoamento 5 Ângulo de ruptura 0 0 20 40 60 80 100 120 Ângulo de rotação 140 Fig. 3: Curva típica de ensaio de torque máximo e ângulo de ruptura. Ensaio de inserção e remoção Este método de ensaio é usado para medir o torque necessário para girar um parafuso ósseo em um material padrão. Os resultados obtidos neste método de ensaio não estabelecem correlação direta com o torque de inserção necessário para um parafuso ósseo em osso humano ou animal, apenas permitem avaliar a uniformidade do produto ensaiado. A norma usada recomenda que esteja incorporado ao dispositivo de ensaio um material com as propriedades semelhantes às do osso humano, tanto em resistência como em funções mecânicas. Para tanto, blocos de polietileno expandido de alta densidade, de acordo com o grau 15 da norma ATM F 1839-01 [10] foram usados, com furos guias adequados ao parafuso ensaiado. As buchas foram preparadas para assegurar que os parafusos tenham sido guiados dentro do bloco de ensaio de forma normal à superfície do topo do bloco de ensaio. Para cada ensaio foi preparado um bloco de ensaio com espessura de 20 mm e com diâmetro maior do que 10 vezes o diâmetro do parafuso testado. O equipamento de ensaio de torque utilizado é o mesmo usado nos ensaios de ângulo de ruptura e torque máximo, com adição do dispositivo de fixação do bloco de polietileno, sendo suficientemente rígido para não defletir ou deformar sob as condições de carregamento alcançadas durante o ensaio.
Todos os procedimentos adotados estão em conformidade com o que estabelece a norma ATM F 543-02. Os parafusos (todos parcialmente roscados) foram rotacionados dentro do bloco de ensaio, utilizando uma chave de conexão de tamanho e configuração apropriada. O torque de inserção foi a máxima leitura registrada durante quatro rotações de cada parafuso. O torque de remoção foi medido ao se inverter o sentido de rotação e registrar o torque máximo durante outras quatro rotações para remover o parafuso do bloco de ensaio. REULTADO E DICUÃO A Tabela 4 mostra os resultados de torque máximo, ângulo de ruptura e torques de inserção e remoção obtidos para os parafusos canulados de aço inoxidável testados, bem como os desvios padrão decorrentes de diferentes observações. Devido à alta plasticidade do material, o ângulo de quebra perde precisão para menores dimensões, sendo o limite de escoamento um parâmetro de comparação mais adequado. À exceção do ângulo de ruptura, todos os parâmetros testados mostram dispersão em níveis moderados. A Figura 4 mostra as fraturas observadas em amostras dos parafusos A, B e C. Parafuso Ângulo de ruptura ( ) Table 5. Results obtained for stainless steel cannulated screws. Limite de escoamento Torque máximo Torque de inserção Torque de remoção A 114,4 23,92 16,794 2,078 21,966 0,665 0,75 0,088 1,676 0,356 B 691,4 107,69 2,9 0,145 3,804 0,043 0,156 0,018 0,292 0,040 C 930 168,84 0,97 0,052 1,234 0,050 0,046 0,009 0,122 0,057 (a) (b) Fig. 6: Fraturas observadas nos parafusos A, B e C. (c) Os resultados obtidos mostram maiores torques máximos para os parafusos de maior diâmetro, o que é esperado e concorda com a literatura. Também se observa maior torque de remoção do que de inserção para todos os parafusos testados. Este efeito se deve ao atrito entre parafuso e bloco de teste, que aumenta conforme a extensão roscada do parafuso. Uma vez que o teste de remoção começa com uma porção maior da rosca em contato com o bloco de teste, este efeito, potencializado pelo atrito estático, causa um pico no valor de torque, logo após entrando em regime. CONCLUÕE A análise do procedimento experimental permite adotar as seguintes conclusões: O equipamento desenvolvido se mostrou adequado para a medição dos torques de inserção e remoção, torque máximo e ângulo de ruptura para parafusos ósseos, satisfazendo as exigências da norma ATM F-543-02. O desenvolvimento de equipamentos com estas características é necessário como meio de aprimoramento do controle de qualidade desta área. Parafusos de diâmetros maiores apresentam maiores torques e menores ângulos de ruptura. Este efeito vai de acordo com o esperado, uma vez que maior diâmetro significa maior seção resistente e, para o mesmo material sob as mesmas condições, maior resistência. O torque de remoção foi maior que o de inserção para todos os parafusos testados. Este efeito não é desejado, uma vez que problemas podem vir a acontecer após a cura do paciente, no caso de remoção do parafuso, ou mesmo em uma eventual substituição.
REFERÊNCIA 1. ATM F543-02; tandard pecification and Test Methods for Metallic Medical Bone crews.annual Book of ATM TANDARD, vol 13.1 ;112-130 2. himano,. G. N., 2005, Comportamento mecânico e análise dimensional de parafusos corticais de aço inoxidável e liga de titânio submetidos a ensaios de torção, UP, Brazil. 3. Tavarez, R. R. J, Bonachela, W. C., Xible, A.A., Araújo C. R. P., Torque Produzido por Quatro Torquímetros Diferentes Utilizados em Próteses sobre Implantes. Estudo Comparativo, Ciência odontológica brasileira, 6(1):82-8. 4. Haack 1995; McGlumphy, E 1998. akaguchi R, un T, Coffey J. Elongation and preload stress in dental implant abutment screws. Int J Maxilof Implants 1995; 10:529-36. 5. Tan, K., Nicholls, J., The effect of 3 torque delivery systems on gold screw preload at the gold cylinderabutment screw joint. International Journal of Maxilofacial Implants, 17:175-83, 2002. 6. Collinge. C. A.; tern,.; Cordes,.; Lautenschlager, E. P., 2000, Mechanical properties of small fragment screws. Clinical Orthopaedics and related Research. V.373, p.277-284. 7. Abel, E. W.; un, J., 1998, Mechanical evaluation of a new minimum contact palete for internal fracture fixation. Journal of Orthopedics trauma. v12,n6,p.382-386. 8. Glauser, C. R.; Oden, Z..M.; Ambrose, C. G.; Willits, M. B.; Coupe, K. J., 2003. Mechanical testing of small fracture implants for comparison of insertion and falilure torques. Archives of Orthopaedic and Trauma urgery: including arthoscopy and sports medicine. 00402-003-0581-1. pecial note. 9. Browner, B. D, Jupiter, J. B, Levine, A. M., Trafton, P. G., keletal trauma: basic science management and reconstruction. 3. ed v.l. New York. aunders, 2003. 10. ATM F1839-01; tandard pecification for rigid polyurethane foam for use as astandard material for testing orthopaedic devices and instruments, 2002