Análise de falha em haste cimentada de artroplastia total de quadril André Filipe Barreto Rocha Oliveira / DCEM(ufs) / andrefilipebro@gmail.com Sandro Griza / DCEM(ufs) / sandro_griza@gmail.com Pollyana da Silva Melo / SENAI Unidade Cimatec / pollyanam@fieb.org.br Resumo A artroplastia total do quadril tem sido uma excelente alternativa no tratamento de fraturas e recuperação da função estrutural da articulação de quadril doentia. A falha dos componentes da artroplastia, no entanto, provoca problemas relativos à revisão da cirurgia, tendo custo adicional tanto ao paciente quanto ao sistema de saúde. Na tentativa de mitigar o problema de fraturas de hastes de quadril, estudos de análise de falha devem ser aplicados a fim de auxiliar na evolução do projeto dos componentes. Neste estudo foi realizada a análise de falha de uma haste cimentada de artroplastia total do quadril. Foi realizada análise de fratura, análise química, análise microestrutural e ensaios de dureza. Observou-se que a causa da falha foi o fenômeno de fadiga. Foram realizadas recomendações para reduzir a incidência de falhas com base nos resultados deste estudo. Palavras chaves: analise de falha, fadiga, analise microestrutural. 1. Introdução O emprego de biometais para realizar recuperação de tecido ósseo danificado tem crescido ao longo dos anos. Próteses, placas, pinos para coluna e outros componentes tem sido uma excelente alternativa no tratamento de fraturas ósseas, principalmente quando é necessário recuperar a função estrutural do tecido ósseo. Por estarem sujeitos à ação agressiva do organismo vivo, 5835
carregamento cíclico ou, até mesmo, marcações na superfície devido a um procedimento cirúrgico inadequado, alguns desses biometais podem provocar reações alérgicas pelo organismo ou sofrer falha estrutural. A fim de evitar que futuras falhas ocorram, deve-se investigar quais são os fatores responsáveis por provocar a ruptura desses implantes de modo que outros componentes implantados não venham a sofrer fratura causada pelos mesmos motivos. Dessa forma, neste trabalho foi analisada a qualidade de implante ortopédico que falhou e buscou-se avaliar as causas que levaram a ocorrência de falha. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais O caso estudado nesse trabalho foi o componente de prótese de quadril explantado de paciente por revisão cirúrgica. O componente analisado está mostrado na Figura 1. Trata-se de uma haste cimentada lisa, polida, sem colar e afilada. A figura mostra a fratura e dois planos de corte realizados para os ensaios. Observa-se que a fratura ocorreu na parte medial, onde costuma ocorrer falhas por fadiga de hastes. Também observa-se que a fratura coincide com a marcação a laser do fabricante. Figura 1 prótese de quadril analisada. A seta indica a fratura. Cabeça de 28 mm de diâmetro. 2.2 Métodos de Ensaio 5836
O componente foi analisado seguindo as recomendações das normas vigentes. As normas utilizadas foram: (ABNT NBR ISO 5832-1, 2008) (ABNT NBR ISO 5832-3, 1997), (ABNT NBR ISO 5832-9, 2008), e (ASTM F 138). Os ensaios realizados para este estudo foram: análise microestrutural, análise química e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A análise química foi feita no equipamento OXFORD INSTRUMENTS, MODELO FOUNDRY MASTER XPERT e a análise metalográfica no microscópio óptico LEICA, MODELO DM 2500M. O MEV utilizado foi o Jeol Carry Scope JCM 5700. Para a análise química e metalográfica foi feito um corte longitudinal na peça passando pela região de início da fratura. Para a análise metalográfica foi feito também o embutimento, polimento e ataque químico com água régia. Em seguida comparou-se o tamanho de grão das fotos obtidas após o ataque químico de acordo com as normas ABNT NBR ISO 5832-1, ASTM F138 e ASTM E112. 3. Resultados A superfície de fratura apresentou um intenso grau de amassamento devido à compressão das duas partes sob carga cíclica in vivo. Entretanto, em algumas regiões menos danificadas, especialmente junto a uma das laterais, onde as tensões de tração são maiores, foi possível verificar no MEV a formação de estrias de fadiga (figura 2). 5837
Figura 2: Estrias de fadiga observadas em MEV na superficie de fratura. A analise química do material pode ser observado na tabela 1 onde estão dispostos os resultados médios de 3 queimas. A haste de quadril apresentou composição química em conformidade com os valores especificados pela norma (ABNT NBR ISO 5832-1) estando todos os elementos analisados dentro da faixa recomendada. Podemos visualizar a microestrutura na figura 4. O aço apresenta microestrutura constituída de grãos poligonais grosseiros de austenita. Observa-se que o tamanho de grão médio medido foi maior que 5 ASTM. Tabela 1 Resultados análise química (% peso). Elemento Teor (%) Carbono 0.026 Silício 0.45 Manganês 1,82 Fósforo 0,032 Enxofre 0,008 Nitrogênio 0,008 Cromo 17,3 Molibdênio 2,71 Níquel 14,4 Cobre 0,13 5838
Figura 4: Microestrutura austenítica composta por grãos poligonais grosseiros e algumas maclas de deformação. 4. Conclusão De acordo com a norma ABNT NBR ISO 5832-1 e ASTM F138 o tamanho de grão deve ser menor que 5 ASTM. De acordo com a análise metalográfica podemos visualizar tamanho de grão. Um tamanho de grão grosseiro favorece o processo de fratura por fadiga, uma vez que a resistência do material é reduzida com o aumento do tamanho de grão. Para a haste estudada, além do tamanho de grão, podemos destacar que a falha iniciou em região próxima a marcação a laser. Isto pode provocar alterações microestruturais que levam a reducao da resistência a nucleação de trincas de fadiga. REFERÊNCIAS ASTM E3. 2001. Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. 2001. ABNT NBR ISO 5832-1. 2008. Implantes para cirurgia Materiais metálicos Parte 1: Aço inoxidável conformado. 2008. ABNT NBR ISO 14630. 2010. Implantes cirúrgicos não-ativos - Requisitos gerais. 2010. BOYER, R. RODNEY. 1995. METALS HANDBOOK. [A. do livro] Volume 9. Metallographic and Microstructures. s.l. : 6º edition, 1995. DALLA ROSA, ALEXANDRE LUÍS. 2007. Estudo Comparativo da Resistência à Fadiga dos Aços Inoxidáveis Austeníticos ASTM F 138 e ASTM F 745. UFRGS: 2007. KERLINS V., et al. 1987. METALS HANDBOOK, Volume 12, 1987. Book 12 - Modes of Fracture. s.l. : 9th edition, 1987. MAY, L.I. e al, et. 2002. Volume 11 - METALS HANDBOOK. Examination of Damage and Material Evaluation. 8th edition : s.n., 2002. VOORT, VANDER G. F. 1984. Volume 9 - Metallography, McGraw-Hill. Principles and Practice. 5839
1984. Analysis of failure of cemented stem in total hip arthroplasty Abstract A total hip arthroplasty has been an excellent alternative in the treatment of fractures and structural recovery of joint function of diseased hip. The failure of the arthroplasty components, however, causes problems concerning the revision of surgery and further both the patient and the health system cost. In an attempt to mitigate the problem stems of hip fractures, studies of failure analysis should be applied to assist in the evolution of the project components. In this study the analysis of a cemented stem in total hip arthroplasty failure was performed. Fracture analysis, chemical analysis, microstructural analysis and hardness tests were performed. It was observed that the cause of the failure was the fatigue phenomenon. Recommendations to reduce the incidence of failures based on the results of this study were conducted. Key words: analysis of failure, fatigue, microstructural analysis. 5840