Dr. A. Ozols

Transcripción

1 DESGASTE de PRÓTESIS Dr. A. Ozols Gentileza: Dr. Claudio Alonso Grupo de Biomateriales para Prótesis Instituto de Ciencias de la Ingeniería Instituto de Ingeniería Biomédica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires Dr. A. Ozols 1

2 Resumen 1- Principios básicos de la tribología en ingeniería: Metrología M t l í superficial i Mecánica de contacto Fricción Lubricación Desgaste. 2- Superficies articulares y biomateriales 3- Aplicación a las prótesis de cadera de varios tipos de pares articulares. Dr. A. Ozols 2

3 TRIBOLOGÍA La ciencia y la tecnología de superficies inter-actuantes en movimiento relativo y las prácticas relacionadas con ello: Lubricación, fricción y desgaste Z.M. Jina,, M. Stoneb, E. Inghamc, J. Fishera, Biotribology, MINI-SYMPOSIUM: BIOMECHANICS FOR THE FRCS ORTH EXAM, Current Orthopaedics (2006) 20, Dr. A. Ozols 3

4 Tribología aplicada a la biología Desgaste de dentaduras Fricción en piel Tribología de las lentes de contacto Tribología a micro niveles (dentro de células, vasos sanguíneos lubricados por plasma sanguíneo) Desgaste D t de válvulas l cardíacas Lubricación de bombas en corazones artificiales Desgaste de tornillos y placas en reparación de fracturas óseas. Lubricación en pericardio y superficies pleurales Tribología de articulaciones con líquido sinovial. Dr. A. Ozols 4

5 RUGOSIDAD SUPERFICIES La desviación vertical de una superficie real respecto a su forma original. Rugosidad media (Ra) es la desviación aritmética media de la altura de una superficie. Dr. A. Ozols 5

6 SUPERFICIES Todas las superficies reales son rugosas en escala microscópica Los detalles atómicos están en el orden de nm (1 nm =10-9 m = 1/100,000, m). La superficie más lisa alcanzada puede tener defectos de 2 nm (en mica) Las superficies articulares de prótesis de cadera puede tener irregularidades de hasta 5 m (1 m = =10-6 m = 1/1,000,000 m) en superficies cerámicas 10 m en superficies metálicas Dr. A. Ozols 6

7 SUPERFICIES COTILO (UHMWPE) de CADERA SIN USO Rayas de mecanizado con rebarbas causadas por la elasticidad del polímero Dr. A. Ozols 7

8 MATERIALES ARTICULARES Los materiales utilizados en las superficies son del tipo Metales: Átomos unidos por enlaces metálicos Polímeros: Moléculas unidas en cadenas largas Cerámicos: Compuestos inorgánicos unidos por enlaces iónicos covalentes Dr. A. Ozols 8

9 MATERIALES ARTICULARES METALES Co-Cr-Mo Ti-6Al-4V Ti-Nb Acero 316 L Nitinol (Ni-Ti) Zr-Ti Ventajas Alta resistencia a esfuerzos de corte y tensión Desventajas Falta de compatibilidad completa con el medio fisiológico. Desajuste de las propiedades p mecánicas con sistema músculo- esqueleto. Corrosión en Acero 316 Características Alta resistencia al desgaste Buen control del acabado superficial Superficiales Reacción adversa del organismo a partículas. Sensibilidad al rayado Dr. A. Ozols 9

10 MATERIALES ARTICULARES CERÁMICOS Alúmina Zirconia Revestimientos sobre metales (tipo diamante, DLC, óxidos, nitruros) Ventajas Compatibilidad con sistema músculo- esqueleto. Similitud ilit con prop. físicas hueso. Resistencia a la corrosión. Inertes a los tejidos. Adherencia a los tejidos. resistencia a compresión alta. Características Dureza alta Resistencia al desgaste alta Bajo coeficiente de fricción Excelente control del acabado superficial Buen mojado Desventajas Resistencia a tensión corte baja. Conformación difícil Falta de elasticidad. Reproducibilidad de prop. mecánicas baja. Falta de resiliencia. Superficiales Resistencia al impacto baja Sensibilidad d al mellado Dr. A. Ozols 10

11 MATERIALES ARTICULARES POLÍMEROS Ventajas Desventajas Polietilenos Elasticidad Baja resistencia Fácil moldeo y diseño de transversal y propiedades. compresiva. UHMWPE & CROSSLINKED Biocompatibilidad piezas grandes. Esterilizable. Características en Tenacidad d y alta resistencia al impacto. Ritmo de desgaste fricción bajos respecto a otros polímeros. Alto régimen de deformación. Superficiales Desgaste alto contra superficies metálicas y cerámicas. Acabado superficial dificultoso. Degradación por oxidación. Reacción adversa del organismo a partículas micrométricas. Dr. A. Ozols 11

12 RUGOSIDAD COMPUESTA Rugosidad efectiva producida por una combinación de superficies en contacto (superficies articulares) 2 2,, R R R a a cabeza a copa Pares articulares Femoral R a,cabeza ( m) Acetabular R a,copa ( m) R a compuesta ( m) UHMWPE sobre metal Cobalto- Cromo UHMWPE metal Cobalto Cobalto sobre Cromo Cromo metal Cerámico Alúmina Alúmina sobre 0.01 cerámico Dr. A. Ozols 12

13 SUPERFICIES Valores de rugosidad en distintos tipos de superficies Proceso de producción Ra ( m) Arenado Aserrado Forjado Perforado Inyectado Desbastado (fino) Super pulido Super acabado Proceso de producción Ra ( m) Rulemanes de turbinas Rulemanes en cajas de engranajes Engranajes en motores Cartílago articular 1-6 Endoprótesis (metal) Endoprótesis (plástico) Dr. A. Ozols 13

14 TIPOS de DESGASTE (a) Abrasivo: El desplazamiento de materiales por partículas duras. (b) Adhesivo: La transferencia de material desde una superficie a otra durante el movimiento relativo por el proceso de soldadura en fase sólida. (c) Fatigua: La remoción de materiales como resultado de variaciones de tensiones cíclicas. (d) Erosivo: La pérdida de material desde la superficie sólida en contacto, debido al movimiento relativo, con un fluido que contiene partículas sólidas. Tiene dos categorías: 1 Erosión por impacto 2 Erosión abrasiva (e) Corrosivo: Proceso en el que interviene reacciones químicas o electroquímicas, Dr. A. Ozols 14

15 a- DESGASTE ABRASIVO Co-Cr-Mo Ti-6Al-4V UHMWPE Ralladuras en múltiples direcciones Reacción tribo-química y agrietamiento de películas Dr. A. Ozols 15

16 b- DESGASTE ADHESIVO Co-Cr-Mo Ti-6Al-4V Picado Co-Cr-Mo Ti-6Al-4V UHMWPE Dr. A. Ozols 16

17 d- EROSIVO DESGASTE por TERCER CUERPO Superficie metálica X100 X200 Rayas producidas con rodado de partículas duras de borde filoso X50 Dr. A. Ozols 17

18 d- EROSIVO CAUSAS de las FALLAS Maltrato de superficies Cotilo de UHMWPE con incrustaciones de cemento óseo cantidad de partículas polietileno de desprendidas por desgate por tercer cuerpo falla por fatiga del UHMWPE osteólisis Gentileza: Dr. Claudio Alonso Gentileza: Dr. Claudio Alonso Dr. A. Ozols 18

19 d- EROSIVO DESGASTE por TERCER CUERPO PARTICULAS METALICAS Partículas Co-Cr-Mo Partículas Ti-6Al-4V ( part/mm 3 ) J. L. Tipper, et at. J. Mat. Science: Mat. in Medicine 10 (1999) Dr. A. Ozols 19

20 c- DESGASTE por FATIGA Apilamiento por deformación plástica del UHMWPE deformación plástica cíclica Co-Cr-Mo Ti-6Al-4V Delaminación por fatiga UHMWPE Dr. A. Ozols 20

21 c- DESGASTE por FATIGA Gentileza Dr. Claudio Alonso Grietas por fatiga Delaminación por fatiga Posibles Causas: UHMWPE no médico excesiva i irradiación ió gamma en esterelización oxidación durante esterelización y almacenamiento Dr. A. Ozols 21

22 FATIGA y DEFORMACION PLASTICA Gentileza Dr. Claudio Alonso Dr. A. Ozols 22

23 FUERZA de FRICCIÓN Las tres leyes de la fricción seca: I. La fuerza de fricción (F) es proporcional a la carga aplicada (Rc) II. La fuerza de fricción (F) es independiente del área aparente de contacto III. La fuerza (F) es independiente de la velocidad de deslizamiento (V) Dr. A. Ozols 23

24 FUERZA de FRICCIÓN Fuerza de fricción (rozamiento) F FR F FR R C Carga (fuerza de contacto de superficies) Coeficiente de fricción estático (rozamiento entre pares de superficies) Dr. A. Ozols 24

25 FUERZA de FRICCIÓN Valores típicos del coeficiente de fricción, Combinación de Coeficiente de fricción Materiales Acero sobre acero Polietileno sobre acero 0.3 Polietileno sobre polietileno PTFE sobre PTFE PTFE sobre acero Dr. A. Ozols 25

26 MÉTODOS DE ENSAYO DE DESGASTE Permiten comparaciones semicuantitativas entre: pares de materiales procesos de manufactura terminación superficial efectos de esterilización No representan exactamente las condiciones de desgaste en el cuerpo: geometría condiciones de carga condiciones de lubricación, etc. Dr. A. Ozols 26

27 MÉTODOS DE ENSAYO DE DESGASTE PRÓTESIS DE CADERA La fuerza fricción y las condiciones de lubricación son medidas en máquinas de ensayo de desgaste sobre: distintos t pares de superficies i bajo diferentes condiciones de carga (velocidad y fuerza) Máquina con control hidráulico, aplicación vertical de carga, y registro digital de datos Dr. A. Ozols 27

28 LEYES de DESGASTE I. Desgaste volumétrico (V) crece con la fuerza de contacto o reacción de carga de la cadera (R C ) V Rx C H II. Desgaste (V) crece con la distancia de deslizamiento (x) III. Desgaste (V) disminuye con el incremento de la dureza (H) del componente blando Dr. A. Ozols 28

29 PROPIEDADES MECÁNICAS del UHMWPE PROPIEDAD GUR 1120 por compresión GUR 4150HP por extrusión Límite Elástico (Mpa) Tensión de ruptura (Mpa) Elongación a rotura (%) Módulo Elástico (Gpa) Creep (%) Resistencia al impacto 950 (Jm -1 ) Cristalinidad (%) Densidad (g cm -3 ) Punto de fusión ( C) Dr. A. Ozols 29

30 EFECTO DEL PROCESADO DEL POLIETILENO PRÓTESIS DECADERA Comparación de UHMWPE moldeados: GUR 1120 por compresión GUR 4150HP por extrusión Estación de 6 ensayos uni-axiales de pin-on-disk Dr. A. Ozols 30

31 FUERZA de FRICCIÓN El en las superficies articulares de prótesis debe mantenerse en el mínimo valor posible, a fin de reducir: El desgaste de las superficies articulares El volumen de partículas generadas La propensión a la osteólisis La magnitud de las tensiones transmitidas a la interfase de la superficie externa de la copa acetabular y el cemento o hueso (en prótesis cementadas) Dr. A. Ozols 31

32 LUBRICACIÓN Lubricación es la adición de un lubricante entre dos superficies de deslizamiento para controlar: La fricción El desgaste Regímenes Lubricación de borde de Lubricación de película líquida lubricación Lubricación mixta Dr. A. Ozols 32

33 REGÍMENES de LUBRICACIÓN Asperezas significativas ifi Película en contacto con el borde de las superficies sólidas. Desgaste y fi fricciónió significativos. Preservación de las propiedades físicas qy químicas. Regímen intermedio EL DESGASTE ES INEVITABLE Separación completa las dos superficies. Importancia de la viscosidad del lubricante. Desgaste mínimo y baja fricción. Esta es la mejor situación Dr. A. Ozols 33

34 LUBRICACIÓN Radio equivalente de la superficie articular diámetro de la cabeza femoral dd ( c ) d d d R 1 2cd 2 cd separación diametral entre cabeza y copa R d d: mm R: 1-3 m Vl Velocidad iddde la cabeza femoral l( (entraining t i i velocity) ) u d. 4 Velocidad angular de la cabeza femoral Dr. A. Ozols 34

35 LUBRICACIÓN Espesor mínimo de la película lubricante h min Viscosidad de lubricante (liquido sinovial) Velocidad de deslizamiento de superficie u RC hmin R ER. ER. a Módulo elástico equivalente del par articular Carga (fuerza de contacto de la articulación) radio equivalente Rugosidad compuesta de la superficie articular Dr. A. Ozols 35

36 LUBRICACIÓN Es definido id el parámetro para relacionar rugosidad d y espesor de film de lubricación Parámetros valor Diámetro de Cabeza femoral hmin Separación diametral 60 m R Módulo elástico (Co-Cr) a 28 mm 210 GPa Relación Poisson (Co-Cr) Cr) 0.3 Cálculo del Load 2500 N parámetro para viscosidad 2.5 Pas una prótesis de Rugosidad Composite 14 cadera metal m Cálculo sobre metal Radio equivalente 6.55 M Velocidad Módulo elástico equivalente Espesor de película mínimo 10.5 mm/s 230 GPa 24 m Relación Régimen de lubricación mixto Dr. A. Ozols 36

37 LUBRICACIÓN Cálculol del parámetro para una prótesis de cadera cerámico sobre cerámico Parámetros valor Diámetro de Cabeza femoral Separación diametral Módulo elástico (alúmina) 28 mm 80 m 380 GPa Coeficiente de Poisson (alumína) 0.3 Carga viscosidad 2500 N 2.5 Pas Rugosidad d Composite 7 m Cálculo Radio equivalente m Vl Velocidad idd 10.5 mm/s Módulo elástico equivalente Espesor de película mínimo 418 GPa 15 m Relación 2.12 Régimen de lubricación mixto Dr. A. Ozols 37

38 ESPESOR de la CAPA LUBRICANTE Parámetros Prótesis de reemplazo total de cadera Prótesis de reconstrucción de superficie (resurfacing) Diámetro (mm) Separación diametral ( m) Carga (N) Velocidad angular (rad/s) Viscosidad (Pas) Diámetro equivalente (m) (70%) Velocidad (mm/s) Espesor de película l ( m) Dr. A. Ozols 38

39 FACTOR de FRICCIÓN PRÓTESIS DE CADERA Factor de fricción, f Radio de la cabeza femoral f T RR 1 C Torque de fricción Carga Pares articulares Tamaño y diseño de implante El factor de fricción permite comparar efecto de: Acabado superficial Lubricante Perfiles de carga y movimiento Dr. A. Ozols 39

40 FACTOR de FRICCIÓN vs LUBRICACIÓN Régimen Factor de fricción lubricación ió de borde lubricación Mixta lubricación de película fluida Dr. A. Ozols 40

41 FUERZA de FRICCIÓN La fuerza friccional F FR en esa interfase (por equilibrio de los momentos de fuerza) F. R. R. R FR 2 C 1 Radio de cabeza femoral Radio externo de la copa Fuerza de contacto de la cadera ( N durante la marcha) La reducción de F FR, requiere: La reducción de (superficies muy pulidas) Reducción del diámetro de la cabeza femoral (Charnley) Dr. A. Ozols 41

42 DESGASTE EN EL REEMPLAZO TOTAL DE CADERA Dr. A. Ozols 42

43 MÉTODOS DE ENSAYO DE DESGASTE PRÓTESIS DE CADERA Simulador de desgaste La determinación del desgaste de prótesis en condiciones similares a las fisiológicas requiere de dispositivos especiales Máquinas de ensayo de desgaste de la articulación de cadera Posición anatómica Representan condiciones dinámicas complejas que permiten predecir algunos aspectos de laprestación clínicos Posición invertida Dr. A. Ozols 43

44 FACTOR de FRICCIÓN vs. PARES ARTICULARES PRÓTESIS DE CADERA Valores típicos del factor de fricción en presencia de suero bovino (lubricante) Pares de Articulares Factor de fricción UHMWPE sobre metal UHMWPE sobre cerámico Metal sobre metal Cerámico sobre cerámico Cerámico sobre metal Dr. A. Ozols 44

45 DESGASTE VOLUMÉTRICO En máquinas de ensayo de prótesis de cadera Combinación ió de materiales Desgaste volumétrico (mm 3 /millón de ciclos) UHMWPE sobre metal 40 UHMWPE sobre cerámico 25 UHMWPE entrecruzado 5-10 sobre metal Metal sobre metal 1.0 Cerámico sobre cerámico Dr. A. Ozols 45

46 DESGASTE PRÓTESIS DE CADERA NS: no especificado; FE: flexión-extensión; AA: ab-adducción; IO: en rotación; DOF: grado de libertad; BMR: balanceo biaxial Dr. A. Ozols 46

47 DESGASTE ANUAL PRÓTESIS DE CADERA Ritmo de lineal Desgaste anual Pares articulares Desgaste (mm/año) Metal-UHMWPE 0.15 Cerámico -UHMWPE 0.06 Metal-Metal Cerámico- Cerámico Dr. A. Ozols 47

48 LUBRICACIÓN vs PROPIEDADES MECÁNICAS PRÓTESIS DE CADERA Módulo elástico equivalente CoefIciente de Poisson de cabeza E 2 1 v E v cabeza copa E cabeza copa Coeficiente de Poisson de copa Módulo elástico de cabeza Módulo elástico de copa Dr. A. Ozols 48

49 DESGASTE EN REEMPLAZO TOTAL DE TOBILLO Dr. A. Ozols 49

50 DESGASTE PRÓTESIS DE TOBILLO Componentes de prótesis en posición neutra Dr. A. Ozols 50

51 ENSAYO DE DESGASTE PRÓTESIS DE TOBILLO Desplazamiento Antero-Posterior t Estación de ensayo de prótesis de tobillo Desgaste del menisco de polietileno Dr. A. Ozols 51

52 ENSAYO DE DESGASTE PRÓTESIS DE TOBILLO Componentes de próstesis ensayados a 2 millones de ciclos montaje sobre los soportes Dr. A. Ozols 52

53 ZONAS DE DESGASTE PRÓTESIS DE TOBILLO in vitro in vivo superficie inferior anticlástica PE del menisco de hombro después del ensayo in vitro e in vivo recuperado. Combinación de las cinéticas de rodado y deslizamiento durante la simulación in vitro generando ralladuras longitudinales y patrones aleatorios de desgaste similares a los encontrados en especímenes recuperados Dr. A. Ozols 53

54 MUCHAS GRACIAS!!! Espero que no se hayan aburrido!!! Los interesados en disponer de la presentación escriban a aozols@fi.uba.ar Dr. Andres Ozols Dr. A. Ozols 54