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. 2020 Apr 6;55(5):597–604. doi: 10.1055/s-0040-1708518

Comparative Biomechanical Study of Crosslinked Polyethylene Wear with 36-mm Ceramic Femoral Heads and with 32-mm Metal Femoral Heads

Guilherme Guadagnini Falotico 1, Pedro Takata 1, Leonardo Salani Jacob 1, Carlos Rodrigo de Mello Roesler 2, Valéria Romero 3, Edmilson Takehiro Takata 1
PMCID: PMC7593114  PMID: 33132462

Abstract

Objective  This study aims to compare the in vitro wear rate of crosslinked, high molecular weight polyethylene coupled to 36-mm diameter ceramic heads and 32-mm diameter metal heads.

Methods  Ceramic-on-polyethylene (36 mm) and metal-on-polyethylene (32 mm) tribological pairs were submitted to biomechanical tests in a simulator to determine the wear rate after 15 × 10 6 cycles.

Results  A statistically significant difference ( p  = 0.0005) was detected when comparing the wear rate of assemblies with metallic heads (average wear: 14.12 mg/MC) and ceramic heads (average wear: 7.46 mg/MC).

Conclusion  The present study demonstrated the lower wear rate in prosthetic assemblies using 36-mm crosslinked ceramic-on-polyethylene tribological pairs compared to 32-mm crosslinked metal-on-polyethylene assemblies. This finding demonstrates the effectiveness of ceramic-on-polyethylene tribological pairs, even with large diameter heads.

Keywords: hip arthroplasty, ceramic, polyethylene, hip, prosthesis design

Introduction

The last two decades witnessed an evident evolution of biomaterials and hip prosthetic implants design. 1 However, the long-term survival of total hip arthroplasty (THA) still represents an enormous challenge for orthopedics and bioengineering. 2

Several strategies have been adopted to improve THA outcomes. The use of hard on hard surfaces, that is, metal-on-metal and ceramic-on-ceramic, was widespread in the early 21 st century. However, complications related to the metal-on-metal surfaces (pseudotumor, extensive osteolysis, and increased serum chromium-cobalt levels) and ceramic-on-ceramic surfaces (noise, fractures, trunnionosis), in addition to the high cost of the latter tribological pair, reduce their use all over the world. 3 4 5

As such, more traditional tribological pairs (ceramic-on-polyethylene and metal-on-polyethylene) are still widely used, 4 5 and the development of polyethylene materials with greater wear resistance saw major advances. In this sphere, crosslinked high molecular weight polyethylene (UHMWPE) represented a great evolution since it is associated with lower production of wear particles (debris) and greater arthroplasty durability compared to conventional polyethylene. 6 7

The combination of UHMWPE with ceramic femoral heads implies in a lower wear rate compared to metal heads. 8 However, it is unclear if this advantage remains even when using large diameter heads. The increased use of larger femoral heads results from the greater freedom of movement without causing impingement, such as acetabular component and femoral stem collision. Therefore, the greater the range of movement, the lower the risk of dislocation; in addition, larger diameters are closer to natural measurements in humans, with an average of 48 mm for women and 55 mm for men. 9

Studies compared polyethylene wear on metallic and ceramic femoral heads of the same diameter, showing an obvious advantage for ceramics. 1 The current study aims to verify whether such an advantage is maintained even when using large diameter ceramic femoral heads (36 mm).

As such, the present study compares the in vitro wear rate of UHMWPE coupled to 36-mm ceramic heads and to 32-mm metallic heads.

Material and Methods

Total hip joint prostheses were submitted to wear tests performed according to the International Organization for Standardization (ISO) 14242-1 and 14242-3 10 11 at the Biomechanical Engineering Laboratory from Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brazil (Laboratory Accredited by the Brazilian Network of Testing Laboratories [ Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaio , RBLE]/Brazilian National Institute of Metrology Standardization and Industrial Quality [ Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia , INMETRO]). Six tribological pairs of hip prostheses (three metal-on-polyethylene pairs and three ceramic-on-polyethylene pairs) from the company Víncula (Rio Claro, SP, Brazil) were analyzed. To quantify liquid absorption by the polymeric component during the wear test, a tribological pair from each group was maintained as a control specimen (CS) and submitted only to loading cycles, with no movement (kinematics). Common elements in each sample were the following: an uncemented acetabular component, an acetabular insert, and two acetabular screws. The difference at each assembly was the interchangeable femoral head: the first group used a metal head with a 32-mm diameter, whereas the second group had a ceramic head with a 36-mm diameter.

Acetabula and acetabular screws were made of titanium alloy, according to the American Society of Testing and Materials (ASTM) F136, whereas acetabular inserts consisted of UHMWPE, according to the ASTM F648. The metal femoral heads were produced with stainless steel (ASTM F138), and the ceramic femoral heads were composed by Biolox Delta ceramic (Al203/Zr02). Samples are presented in Figures 1 and 2 and identified at Tables 1 and 2 .

Fig. 1.

Fig. 1

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Example of prosthetic assembly with metal femoral head

Fig. 2.

Fig. 2

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Example of prosthetic assembly with ceramic femoral head.

Table 1. Identification of assemblies with ceramic femoral head.

Identification Assay code
Manufacturer Product Identification Code / Register Lot number
Víncula PHENOM Poly acetabular insert post. roof 36 × 58/60 mm crosslinked LP .13.24.36060 12097S CP47.2018ED-01
PHENOM Poly PS acetabulum 60 mm diameter 04.01.34.00060 04859R
Interchangeable femoral head 36 mm standard neck delta ceramics 04.04.10.36002 3150387
Low-profile acetabular screw Ti Ø 6.5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula PHENOM Poly acetabular insert post. roof 36 × 58/60 mm crosslinked LP .13.24.36060 12097S CP47.2018ED-02
PHENOM Poly PS acetabulum 60 mm diameter 04.01.34.00060 04859R
Interchangeable femoral head 36 mm standard neck delta ceramics 04.04.10.36002 3150389
Low-profile acetabular screw Ti Ø 6.5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula PHENOM poly acetabular insert post. roof 36 × 58/60 mm crosslinked LP .13.24.36060 12097S CP47.2018ED-03
PHENOM Poly PS acetabulum 60 mm diameter 04.01.34.00060 04859R
Interchangeable femoral head 36 mm standard neck delta ceramics 04.04.10.36002 3150390
Low-profile acetabular screw Ti Ø 6.5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula PHENOM Poly acetabular insert post. roof 36 × 58/60 mm crosslinked LP .13.24.36060 12097S EC47.2018ED-01
PHENOM Poly PS acetabulum 60 mm diameter 04.01.34.00060 04859R
Interchangeable femoral head 36 mm standard neck delta ceramics
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Table 2. Identification of assemblies with metallic femoral head.

Identification Assay code
Manufacturer Product Identification Code / Register Lot number
Víncula PHENOM Poly acetabular insert post. roof 32 × 50/52 mm crosslinked LP .13.24.32052 11868S CP46.2018ED-01
PHENOM Poly PS acetabulum 52 mm diameter 04.01.34.00052 04450R
Interchangeable femoral head 32-mm standard neck 04.04.07.32002 05151R
Low-profile acetabular screw Ti Ø 6.5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula PHENOM Poly acetabular insert post. roof 32 × 50/52 mm crosslinked LP .13.24.32052 11868S CP46.2018ED-02
PHENOM Poly PS acetabulum 52-mm diameter 04.01.34.00052 04450R
Interchangeable femoral head 32 mm standard neck 04.04.07.32002 05151R
Low-profile acetabular screw Ti Ø 6.5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula PHENOM Poly acetabular insert post. roof 32 × 50/52 mm crosslinked LP .13.24.32052 11868S CP46.2018ED-03
PHENOM Poly PS acetabulum 52 mm diameter 04.01.34.00052 04450R
Interchangeable femoral head 32 mm standard neck 04.04.07.32002 05151R
Low-profile acetabular screw Ti Ø 6.5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula PHENOM Poly acetabular insert post. roof 32 × 50/52 mm crosslinked LP .13.24.32052 12276S EC46.2018ED-01
PHENOM Poly PS acetabulum 52-mm diameter 04.01.34.00052 00544P
Interchangeable femoral head 32-mm standard neck 04.04.07.32002 05151R
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Procedures

Three prosthetic assemblies from each sample were subjected to both angular displacement (kinematics) and loading; these samples were referred to as test specimens (TSs) for wear. The other two assemblies from each sample were subjected to loading only to assess changes in mass resulting from fluid absorption and referred to as CSs. A hydraulic hip joint simulator with six stations for TSs and two stations for CS was used, as shown in Figure 3 . The simulator and other equipment and instruments used at testing are listed in Table 3 . The test was carried out in a laboratory environment at a room temperature of 23 °C ± 4 °C.

Fig. 3.

Fig. 3

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Hydraulic simulator.

Table 3. Average mass loss in specimens 1, 2, and 3 with 32-mm metal femoral heads.

NUMBER OF CYCLES (x 10 6 ) [mg]
0.5 1 2 3 4 5
CP.462018ED-01 -2.87 -2.05 -20.51 -31.67 -40.74 -56.45
CP.462018ED-02 -2.89 -4.06 -20.70 -30.42 -40.11 -57.47
CP.462018ED-03 -1.25 -3.07 -21.03 -31.93 -44.14 -65.11
MEAN -2.34 -3.06 -20.75 -31.34 -41.66 -59.68
STANDARD DEVIATION 0.94 1.01 0.26 0.81 2.17 4.73
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Test parameters were configured according to the Brazilian National Standards Organization ( Associação Brasileira de Normas Técnicas , ABNT), Brazilian Standards (Normas Brasileiras, NBR) ISO 14242-1: 2016 Technical Standard (Implants for surgery—wear of total hip joint prostheses—Part 1: Loading and displacement parameters for wear-testing machines and corresponding environmental conditions for test).

The TS acetabulum was fixed to the upper simulator support with bone cement and two acetabular screws to ensure no mobility between the acetabular component and support. The assembly was carried out with a template, assuring a 30° ± 3° inclination of its polar axis in relation to the compressive load line. Subsequently, the acetabular insert was attached to the acetabulum. The TS femoral head was mounted on a conical coupon manufactured with the same design conditions as defined for the finished product. The coupon was designed to ensure component orientation in their intermediate positions, that is, at midpoint of angular movements in relation to the load line after mounted on the lower simulator support ( Figure 4 ). The CSs were assembled with the polar axes of the femoral head and the acetabular insert coinciding with the compressive load line.

Fig. 4.

Fig. 4

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Variable loading profile over time for testing. Source: Technical Standard ABNT NBR ISO 14242-1:2016

After assembly, the TSs and CSs were enclosed and immersed in a biological test fluid (fetal bovine serum with 30 g/L of protein). To avoid microbial proliferation, 2 g/L of sodium azide was added, along with 8 g/L of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) as a chelating agent. The fluid was kept at 37 ± 2°C and circulated through the test chamber using an active, closed system. The fluid was replaced every 500,000 cycles until the end of the test.

The femoral and acetabular components of the TS were subjected to compressive loading varying in time, simultaneously to angular movements simulating the physiological conditions of the hip joint. The test was carried out at a frequency of 1 Hz, and it was completed when reaching the programmed threshold of 5 million cycles. The wear rate of the acetabular component was evaluated using the gravimetric method, according to the Technical Standard ABNT NBR ISO 14242-2: 2006 (Implants for surgery—Wear of total hip-joint prostheses—Part 2: Methods of measurement). At first, the acetabular inserts were immersed in the test fluid for 48 hours, dried, cleaned, and weighed until a stable fluid absorption rate was established. Subsequently, the TS acetabular inserts were subjected to 500 thousand cycles at the simulator and, then, wear was evaluated through mass loss analysis. The CSs were subjected only to variable loading, without angular movements, and underwent the same drying, cleaning, and weighing procedures to establish a reference parameter for mass variation resulting from fluid absorption. This procedure was repeated every 1 million cycles during the test.

The following regimen was used to clean the TS acetabular inserts and CSs:

  • Rinse in deionized water;

  • Vibration for 10 minutes in deionized water;

  • Rinse in deionized water;

  • Vibration for 10 minutes in a solution with 10% (volume) of neutral detergent in deionized water;

  • Rinse in deionized water;

  • Vibration for 10 minutes in deionized water;

  • Rinse in deionized water;

  • Vibration for three (3) minutes in deionized water;

  • Rinse in deionized water;

  • Drying in filtered nitrogen jet at 2-bar pressure;

  • Immersion in isopropyl alcohol for 5 minutes;

  • Drying in filtered nitrogen jet at 2-bar pressure;

  • Final drying in a vacuum chamber with silica at 13.3 Pa ± 0.13 Pa for 12 hours.

After cleaning, each acetabular insert was weighed twice alternately until the difference between measurements was less than 100 μg. These weighing and cleaning procedures were repeated at 24-hour intervals until the incremental mass change for each acetabular insert was less than 10% of the previous accumulated mass change.

Statistical Analysis

Statistical analysis was performed in Excel Office 2010 (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA) and SPSS V20 (IBM, ARMONK, NY, EUA). Descriptive data were expressed as mean values and standard deviation. Variables were compared using the Student t and paired t -tests after checking data homogeneity, normality, and variance. The p -value for significance was 0.05, with a 95% confidence interval.

Results

Tests were completed after reaching the programmed threshold of 5 million cycles. Gravimetric wear was calculated using the following expression:

W n  = W an  + S n ,

in which W n represents the average net mass loss in TSs after n test cycles, W an is average mass loss resulting from TS wear after n test cycles, and S n is the average mass of test fluid absorbed by CSs during the same n cycles.

Tables 3 and 4 present the average mass loss in TSs (W an ) with 32-mm metallic and 36-mm ceramic femoral heads, respectively.

Table 4. Average mass loss in specimens 1, 2, and 3 with 36-mm ceramic femoral heads.

NUMBER OF CYCLES (x 10 6 ) [mg]
0.5 1 2 3 4 5
CP47.2018ED-01 2.19 4.70 -4.35 -10.57 -13.72 -19.05
CP47.2018ED-02 -0.32 2.99 -3.19 -11.80 -13.54 -21.44
CP47.2018ED-03 -0.50 1.51 -6.46 -11.40 -16.75 -26.70
MEAN 0.45 3.07 -4.66 -11.26 -14.67 -22.40
STANDARD DEVIATION 1.51 1.60 1.66 0.63 1.80 3.91
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The mass loss in the TS was significant after 2 million cycles ( p  = 0.0013 for the 32-mm metallic head assembly, and p  = 0.046 for the 36-mm ceramic head assembly). A significant difference ( p  = 0.018) was observed when comparing the average mass losses from metal versus ceramic head assemblies.

Tables 5 and 6 present the average mass of test fluid absorbed by CSs (S n ) with 32-mm metallic heads and 36-mm ceramic heads, respectively.

Table 5. Average mass of test fluid absorbed by each control specimen (1 and 2) (S n ) with 32-mm metal femoral heads .

NUMBER OF CYCLES (x 10 6 ) [mg]
0.5 1 2 3 4 5
EC46.2018ED-01 1.10 3.13 4.94 5.93 6.97 7.89
EC46.2018ED-02 1.01 2.77 3.63 4.78 6.19 6.99
MEAN 1.05 2.95 4.28 5.35 6.58 7.44
STANDARD DEVIATION 0.07 0.26 0.93 0.81 0.55 0.64
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Table 6. Average mass of test fluid absorbed by each control specimen (1 and 2) (S n ) with 36-mm ceramic femoral heads .

NUMBER OF CYCLES (x 10 6 ) [mg]
0.5 1 2 3 4 5
EC46.2018ED-01 1.86 3.11 5.08 7.58 8.83 10.72
EC46.2018ED-02 2.08 3.63 5.74 8.32 9.56 11.68
MEAN 1.97 3.37 5.41 7.95 9.20 11.20
STANDARD DEVIATION 0.16 0.37 0.47 0.53 0.52 0.68
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There was a statistically significant difference ( p  = 0.014) in S n measures between metallic and ceramic heads.

Tables 7 and 8 present the average net mass loss (W n ) for TSs with 32-mm metallic and 36-mm ceramic heads, respectively. There was a statistically significant difference ( p  = 0.0013) between assemblies with ceramic and metallic heads.

Table 7. Average net mass loss (W n ) for each specimen (1, 2, and 3) with 32-mm metal heads .

NUMBER OF CYCLES (x 10 6 ) [mg]
0.5 1 2 3 4 5
CP46.2018ED-01 3.92 5.00 24.80 37.02 47.32 63.89
CP46.2018ED-02 3.94 7.01 24.99 35.77 46.69 64.92
CP46.2018ED-03 2.31 6.02 25.31 37.29 50.72 72.55
MEAN 3.39 6.01 25.03 36.69 48.24 67.12
STANDARD DEVIATION 0.94 1.01 0.26 0.81 2.17 4.73
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Table 8. Average net mass loss (W n ) for each specimen (1, 2, and 3) with 36-mm ceramic heads .

0.5 1 2 3 4 5
CP47.2018ED-01 -0.22 -1.33 9.76 18.52 22.92 30.25
CP47.2018ED-02 2.29 0.38 8.60 19.75 22.74 32.64
CP47.2018ED-03 2.48 1.86 11.87 19.35 25.95 37.90
MEAN 1.52 0.30 10.07 19.20 23.87 33.60
STANDARD DEVIATION 1.51 1.60 1.66 0.63 1.80 3.91
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The average wear rate was calculated from the linear regression of the wear curve [W n  = a g (n) + b], in which a g  = average wear rate in micrograms per million cycles (mg/mc), n = number of cycles, and b is a constant value.

The initial mass, measured before loading cycles and angular displacements, was not considered in this calculation. Tables 9 and 10 present the average wear rate (a g ) and the determination coefficient (R 2 ) for TSs with metallic and ceramic femoral heads, respectively.

Table 9. Wear rate and determination coefficient of specimens with 32-mm metal femoral heads.

NUMBER OF CYCLES (x 10 6 ) [mg]
WEAR RATE (mg/Mc) Determination coefficient (R 2 )
CP46.2018ED-01 13.57 0.989
CP46.2018ED-02 13.42 0.991
CP46.2018ED-03 15.36 0.990
MEAN 14.12
STANDARD DEVIATION 1.08
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Table 10. Wear rate and determination coefficient of specimens with 36-mm ceramic femoral heads.

WEAR RATE (mg/Mc) Determination coefficient (R 2 )
CP46.2018ED-01 7.24 0.977
CP46.2018ED-02 7.16 0.966
CP46.2018ED-03 7.98 0.981
MEAN 7.46
STANDARD DEVIATION 0.45
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A statistically significant difference ( p  = 0.0005) was detected when comparing wear rate measurements from assemblies with metallic (14.12) and ceramic heads (7.46).

Discussion

The main finding of our study was the significant reduction in the wear rate of the ceramic-on-crosslinked polyethylene tribological pair in comparison with the metal-on-crosslinked polyethylene tribological pair, even with a large diameter ceramic head.

The investigation of factors involved in prosthetic wear is of great interest for hip arthroplasty because aseptic loosening is the main cause for revision in hip prosthesis records. 2 12 The main wear mechanisms of high molecular weight polyethylene are polishing, abrasion, corrosion and scratching. 13 14 To reduce debris production and ensure greater prosthetic survival, hip arthroplasties with crosslinked polyethylene have been widely performed all over the world. 7 13 Currently, large diameter femoral heads, especially ceramic heads, have been used in hip arthroplasties, particularly in young and active patients, to achieve greater range of joint movement and prosthetic stability. 15 Analyzing data from the National Arthroplasty Records, Tsikandylakis et al. 16 identified that large, over 32 mm, femoral heads have a lower risk of dislocation. As such, the literature raised doubts about the wear behavior of crosslinked polyethylene in large diameter ceramic femoral heads. Our study demonstrated that, in vitro, the benefit of the reduced wear rate in ceramic-on-crosslinked polyethylene tribological pair was sustained, despite the use of a larger diameter ceramic head, even in comparison with a smaller metallic head (32 mm).

Another important finding was a significant increase in mass loss resulting from wear in each prosthetic assembly after 2 million test cycles, which was significantly greater in assemblies with metallic heads. This phenomenon may explain the greater prosthetic wear observed in more physically active individuals, especially with metallic heads. However, it is known that, in vivo, arthroplasty survival is contingent on the tribological pair, positioning of the prosthetic components, activity level, gender, age and immunological characteristics of the patient. 17

The movement cycle of a patient with total hip arthroplasty represents a complex sequence of different activities interspersed with resting periods. In addition to walking, which is generally used as a reference activity, daily living activities contributing to wear and tear are not included in laboratory standard wear tests. Thus, several studies reveal the different size of debris generated in simulator tests and in vivo samples. 18 19

The younger age of patients is related to the greater wear and tear of total hip arthroplasties. Studies evaluating wear in different age groups showed that it is higher in patients younger than 60 years old. 20 21 In a radiographic study with 1,024 hips, linear wear was 33% higher in patients under 60 .22 Perez et al., 21 in a study evaluating a group of young patients (mean age, 49; range, 18–66 years-old), reported that their wear rates were 40% higher compared to the average wear rate from the other group. Griffith et al. 23 reported that in patients with very high linear wear rates (> 0.18 mm/year), 12% were under 50 years old, and only 1.5% were over 60 years old. The greater wear and tear in younger patients result, at least in part, from the higher average activity level. In a pedometric study, 24 age was significantly associated with activity ( p  = 0.048), but with a high variability degree (standard deviation, 3,040 steps per day). On average, patients younger than 60 years-old walked 30% more than patients aged 60 and over.

Compared to women, men were associated with higher rates of polyethylene wear. Dividing their patients into high and low wear rates, Griffith et al. 23 and Nashed et al. 20 showed that, in the high wear group, 70% of the patients were male, compared to only 23 to 34% in the low-wear group. Callaghan et al. 25 found a statistically significant correlation between the male gender and polyethylene wear in a group of 210 hips. In a radiographic evaluation of 1,024 hips, the femoral head linear penetration was 37% higher in male patients. 22 In a detailed study of 37 hips of patients with functional level, activity was quantified using a step monitor. This cohort showed no difference in average walking activity between male and female patients. However, the average femoral head polyethylene penetration rate in males was approximately twice the rate seen in females. There were significant differences in average height and weight between male and female patients, and a multivariate logistic regression analysis was performed. After correction for known covariates (such as height and weight), the correlation between male gender and wear continued to be high. 26 Further studies regarding other differences related to hip prosthesis wear in men and women, including specific anatomical changes, weight distribution, gait pattern, body composition and physical chemical properties of synovial fluid, are required.

Wear is a function of use, as in a set of car tires. 26 The fundamental wear equation includes variables as the inherent wear resistance of the tribological pair, lubrication and friction coefficient, load magnitude and direction, movement pattern and sliding distance. The most common clinical assessment of wear is the radiographic analysis of femoral head linear penetration into the polyethylene component. However, limitations of this methodology to quantify specific factors contributing to wear and tear must be valued. In vivo polyethylene wear is a multifactorial event, including several factors related to the patient. Since the clinical evaluation of some of these factors is limited, retrospective variables are used. For instance, the age and condition of the patient often replace his/her activity. The factors that are most variable and difficult to quantify are the frequency and intensity of prothesis use during the lifetime of arthroplasty. A standardized evaluation of the frequency and intensity of the patient's activity related to the use of the prosthesis would reinforce the clinical evaluation of THA patients. 17

As such, in vitro studies are a parameter for clinical practice guidance in choosing the tribological pair for hip arthroplasty, which must consider all patient characteristics. In vivo wear still presents issues that have not been fully clarified.

Conclusion

The present study demonstrated a lower wear rate in -36-mm ceramic-on-crosslinked polyethylene tribological pairs compared to 32-mm metal-on-crosslinked polyethylene assemblies. This finding demonstrates the effectiveness of ceramics, even when large diameter heads are used. Its clinical effectiveness, however, must be proven by long-term follow-up studies (20 to 25 years).

Footnotes

Conflito de Interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

Referências

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Estudo biomecânico comparativo do desgaste do polietileno reticulado com cabeças femorais cerâmicas de 36 mm e com cabeças metálicas de 32 mm

Resumo

Objetivo:  O objetivo do presente estudo foi comparar, in vitro , a taxa de desgaste do polietileno de alto peso molecular reticulado acoplado a cabeças cerâmicas de 36 mm de diâmetro e acoplado a cabeças metálicas de 32 mm de diâmetro.

Métodos:  Foram realizados ensaios biomecânicos em simulador de desgaste para os pares tribológicos cerâmica-poli (36 mm) e metal-poli (32 mm) a fim de verificar a taxa de desgaste após em 15 × 10 6 ciclos.

Resultados:  Na comparação entre as medidas de taxa de desgaste dos conjuntos com cabeças metálicas (média:14,12 mg/MC) e cerâmicas (média:7,46 mg/MC) houve diferença estatitsticamente significativa ( p  = 0,0005).

Conclusão:  O presente estudo demonstrou menor taxa de desgaste em conjuntos protéticos que utilizaram o par tribológico cerâmica-polietileno reticulado de 36 mm em comparação aos conjuntos com metal-polietileno reticulado de 32 mm. Tal achado demonstra a eficácia do par tribológico cerâmica-poli, mesmo com a utilização de cabeças de grande diâmetro.

Palavras-Chave: artroplastia de quadril, cerâmica, polietileno, quadril, desenho de prótese

Introdução

Nas duas últimas décadas houve evidente evolução dos biomateriais e do design dos implantes protéticos do quadril. 1 Porém, a sobrevida a longo prazo da artroplastia total do quadril (ATQ) ainda representa um enorme desafio para a ortopedia e a bioengenharia. 2

A fim de melhorar os resultados das ATQs, diversas estratégias vêm sendo adotadas. O uso das superfícies duras (hard on hard) - metal-metal e cerâmica-cerâmica - foi amplamente difundido no início do século XXI. Porém, complicações relacionadas à superfície metal-metal (pseudotumor, osteólises extensas e elevação dos níveis séricos de cromo-cobalto), à superfície cerâmica-cerâmica (ruídos, fraturas, truniose) e, principalmente, o elevado custo do último par tribológico citado, reduzem sua utilização em grande parte do mundo. 3 4 5

Diante desta realidade, os pares tribológicos mais tradicionais (cerâmica - polietileno e metal-polietileno) são ainda amplamente utilizados, 4 5 e diversos avanços ocorreram, especialmente visando o desenvolvimento de polietilenos de maior resistência ao desgaste. Nesta esfera, o polietileno de alto peso molecular com ligações cruzadas (PAPMC) representou uma grande evolução, por propiciar menor produção de partículas de desgaste e, consequente, maior durabilidade da artroplastia em comparação ao polietileno convencional. 6 7

A combinação do PAPMC com cabeças femorais cerâmicas implica em menor taxa de desgaste em relação ao seu uso com cabeças metálicas. 8 Porém, existe dúvida se tal vantagem da cerâmica se mantém mesmo com o uso de cabeças de grande diâmetro. A tendência de aumento do uso de cabeças femorais maiores é devido ao fato de que, quanto maior o diâmetro, maior a liberdade de movimento sem causar o impingement - a colisão entre o componente acetabular e a haste femoral. Assim sendo, quanto maior o intervalo de movimento, menor o risco de luxação; além disso, um diâmetro maior se aproximaria mais das medidas naturais do ser humano, sendo a média de 48 mm para mulheres e 55 mm para homens. 9

Existem estudos que comparam o desgaste do polietileno com cabeças femorais metálicas e cerâmicas de mesmo diâmetro, apresentando evidente vantagem para as cabeças femorais cerâmicas. 1 O presente estudo buscou verificar se tal vantagem se manteria mesmo com o uso de cabeça femoral cerâmica de grande diâmetro (36 mm).

Assim, o objetivo do presente estudo é comparar, in vitro , a taxa de desgaste do polietileno de alto peso molecular reticulado acoplado a cabeças cerâmicas de 36 mm e a cabeças metálicas de 32 mm.

Material e Métodos

Foram realizados ensaios de desgaste de próteses totais de articulação do quadril conforme as normas ISO 14242-1 e 14242-3, 10 11 no Laboratório de Engenharia Biomecânica da nossa Universidade Federal (Laboratório Acreditado RBLE/INMETRO), em 6 pares tribológicos (CPs) de próteses de quadril (3 pares metal-poli e 3 pares cerâmica-poli) da empresa Víncula – Ind. e Com. Importação e Exportação de Implantes S.A (Víncula, Rio Claro – SP, Brasil). Para a quantificação da absorção de liquido pelo componente polimérico durante o ensaio de desgaste, um par tribilógico de cada grupo foi mantido como espécime de controle (EC), submetido apenas aos ciclos de carregamento, sem movimentação (cinemática). Os elementos comuns em cada amostra foram: um componente acetabular não cimentado, um inserto acetabular e dois parafusos acetabulares. O elemento que diferiu em cada conjunto foi a cabeça femoral intercambiável: no primeiro, foi usada cabeça metálica com diâmetro de 32 mm, e no segundo, cabeça cerâmica com diâmetro de 36 mm.

Os acetábulos e os parafusos acetabulares são fabricados em liga de titânio, conforme a norma ASTM F136, os insertos acetabulares em polietileno reticulado de ultra alto peso molecular, conforme a norma ASTM F648, as cabeças femorais metálicas em aço inoxidável (norma ASTM F138) e as cabeças femorais cerâmicas em cerâmica Biolox delta (Al203/Zr02). As amostras são apresentadas nas Figuras 1 e 2 , e identificadas conforme as Tabelas 1 e 2 .

Figura 1.

Figura 1

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Exemplo de conjunto protético com cabeça femoral metálica.

Figura 2.

Figura 2

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Exemplo de conjunto protético com cabeça femoral cerâmica.

Tabela 1. Identificação dos conjuntos com cabeça femoral cerâmica.

Identificação Codificação no ensaio
Fabricante Identificação do produto Código / registro Lote
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 36 × 58/60 mm reticulado LP .13.24.36060 12097S CP47.2018ED-01
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 60 mm 04.01.34.00060 04859R
Cabeça femoral intercambiável de 36 mm colo standard cerâmica delta 04.04.10.36002 3150387
Parafuso acetabular de baixo perfil Ti Ø 6,5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 36 × 58/60 mm reticulado LP .13.24.36060 12097S CP47.2018ED-02
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 60 mm 04.01.34.00060 04859R
Cabeça femoral intercambiável de 36 mm colo standard cerâmica delta 04.04.10.36002 3150389
Parafuso acetabular de baixo perfil Ti Ø 6,5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 36 × 58/60 mm reticulado LP .13.24.36060 12097S CP47.2018ED-03
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 60 mm 04.01.34.00060 04859R
Cabeça femoral intercambiável de 36 mm colo standard cerâmica delta 04.04.10.36002 3150390
Parafuso acetabular baixo perfil Ti Ø 6,5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 36 × 58/60 mm reticulado LP .13.24.36060 12097S EC47.2018ED-01
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 60 mm 04.01.34.00060 04859R
Cabeça femoral intercambiável de 36 mm colo standard cerâmica delta
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Tabela 2. Identificação dos conjuntos com cabeça femoral metálica.

Identificação Codificação no ensaio
Fabricante Identificação do produto Código / registro Lote
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 32 × 50/52 mm reticulado LP .13.24.32052 11868S CP46.2018ED-01
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 52 mm 04.01.34.00052 04450R
Cabeça femoral intercambiável de 32 mm colo standard 04.04.07.32002 05151R
Parafuso acetabular de baixo perfil Ti Ø 6,5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 32 × 50/52 mm reticulado LP .13.24.32052 11868S CP46.2018ED-02
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 52 mm 04.01.34.00052 04450R
cabeça femoral intercambiável de 32 mm colo standard 04.04.07.32002 05151R
Parafuso acetabular de baixo perfil Ti Ø 6,5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 32 × 50/52 mm reticulado LP .13.24.32052 11868S CP46.2018ED-03
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 52 mm 04.01.34.00052 04450R
Cabeça femoral intercambiável de 32 mm colo standard 04.04.07.32002 05151R
Parafuso acetabular de baixo perfil Ti Ø 6,5 × 15 mm 04.43.19.65015 11808S
Víncula Inserto act PHENOM Poly teto post. 32 × 50/52 mm reticulado LP .13.24.32052 12276S EC46.2018ED-01
Acetábulo PHENOM Poly PS diam. 52 mm 04.01.34.00052 00544P
Cabeça femoral intercambiável de 32 mm colo standard 04.04.07.32002 05151R
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Procedimentos

Três conjuntos protéticos de cada amostra foram submetidos tanto ao deslocamento angular (cinemática) quanto ao carregamento e foram então denominados corpos de prova (CPs) para desgaste. Os outros dois conjuntos de cada amostra foram submetidos somente ao carregamento, com o intuito de avaliar as alterações de massa devido à absorção de fluido, sendo denominados ECs. Para a realização do ensaio, foi utilizado um simulador hidráulico de articulação de quadril com seis estações para CPs de desgaste e duas estações para ECs, conforme mostrado na Figura 3 . O simulador e os demais equipamentos e instrumentos utilizados são listados na Tabela 3 . O ensaio foi realizado em ambiente laboratorial, com temperatura de 23° C ± 4° C.

Figura 3.

Figura 3

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Simulador hidráulico.

Tabela 3. Média da perda de massa dos corpos de prova 1, 2 e 3 com cabeça femoral metálica de 32 mm.

NÚMERO DE CICLOS ( x 10 6 ) [mg]
0,5 1 2 3 4 5
CP.462018ED-01 -2,87 -2,05 -20,51 -31,67 -40,74 -56,45
CP.462018ED-02 -2,89 -4,06 -20,70 -30,42 -40,11 -57,47
CP.462018ED-03 -1,25 -3,07 -21,03 -31,93 -44,14 -65,11
MÉDIA -2,34 -3,06 -20,75 -31,34 -41,66 -59,68
DESVIO-PADRÃO 0,94 1,01 0,26 0,81 2,17 4,73
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Os parâmetros de ensaio foram configurados de acordo com a norma técnica ABNT NBR ISO 14242-1:2016 (Implantes para cirurgia – desgaste de próteses totais de articulação de quadril – parte 1: parâmetros de carregamento e deslocamento para máquinas de ensaio de desgaste e condições correspondentes do meio de ensaio).

O acetábulo do CP foi fixado no suporte superior do simulador com cimento ósseo e dois parafusos acetabulares, de forma a garantir que nenhuma mobilidade ocorresse entre o componente acetabular e o suporte. A montagem foi realizada com gabarito, garantindo-se uma inclinação de 30° ± 3° do seu eixo polar em relação à linha de carga compressiva. Posteriormente, o inserto acetabular foi acoplado ao acetábulo. A cabeça femoral do CP foi montada em um cupom cônico fabricado com as condições de projeto idênticas às definidas para o produto acabado. O cupom foi projetado para garantir a orientação dos componentes nas suas posições intermediárias, ou seja, no ponto médio dos movimentos angulares em relação à linha de carga após montado no suporte inferior do simulador ( Figura 4 ). Os ECs foram montados com os eixos polares da cabeça femoral e do inserto acetabular coincidentes com a linha de carga compressiva.

Figura 4.

Figura 4

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Perfil do carregamento variável no tempo configurado para o ensaio Fonte: Norma Técnica ABNT NBR ISO 14242-1:2016.

Após a montagem, os CPs e os ECs foram enclausurados e imersos em um fluido de ensaio de origem biológica (soro fetal bovino com 30 g/l de proteína). Para evitar proliferação microbiana, acrescentou-se 2 g/l de azida sódica. Também foram adicionados 8 g/l do agente quelante ácido etilenodiamino tetra-ácido (EDTA). O fluido foi mantido à temperatura de 37° ± 2° C e circulado através da câmara de ensaio por um sistema ativo e fechado. O fluido foi substituído a cada 500 mil ciclos até o término do ensaio.

Os componentes femorais e acetabulares dos CPs foram submetidos a carga compressiva variável no tempo, simultaneamente a movimentos angulares que simulam as condições fisiológicas da articulação do quadril. O ensaio foi realizado a uma frequência de 1 Hz e foi finalizado ao atingir o limite programado de 5 milhões de ciclos. Para avaliação da taxa de desgaste do componente acetabular, foi utilizado o método gravimétrico, de acordo com a norma técnica ABNT NBR ISO 14242-2:2006 (Implantes para cirurgia – desgaste de próteses totais de articulação de quadril – Parte 2: métodos de medida). Para início do ensaio, os insertos acetabulares foram imersos em fluido de ensaio por 48 horas, secos, limpos e pesados até que uma taxa estável de absorção do fluido fosse estabelecida. Posteriormente, os insertos acetabulares dos CPs foram submetidos a 500 mil ciclos no simulador e, na sequência, avaliados quanto ao desgaste por meio da análise da perda de massa. Os ECs foram submetidos apenas ao carregamento variável, sem os movimentos angulares, e sofreram os mesmos procedimentos de secagem, limpeza e pesagem, com o intuito de estabelecer um parâmetro de referência quanto à variação de massa por absorção de fluido. Ao decorrer do ensaio, este procedimento foi repetido a cada 1 milhão de ciclos.

O seguinte regime foi utilizado para limpeza dos insertos acetabulares dos CPs e dos ECs:

  • Enxague em água deionizada;

  • Vibração por 10 minutos em água deionizada;

  • Enxague em água deionizada;

  • Vibração por 10 minutos em uma solução com 10% (em volume) de detergente neutro em água deionizada;

  • Enxague em água deionizada;

  • Vibração por 10 minutos em água deionizada,

  • Enxague em água deionizada;

  • Vibração por três (3) minutos em água deionizada;

  • Enxague em água deionizada;

  • Secagem com jato de nitrogênio filtrado a 2 bar de pressão;

  • Imersão em álcool isopropílico por 5 min;

  • Secagem com jato de nitrogênio filtrado a 2 bar de pressão;

  • Secagem final em câmara de vácuo com sílica entre 13,3 Pa ± 0,13 Pa por 12 horas.

Após a limpeza, cada inserto acetabular foi pesado 2 vezes alternadamente até que a diferença entre as medições fosse inferior a 100 μg. Estes procedimentos de pesagem e limpeza foram repetidos, em intervalos de 24 horas, até que a alteração incremental da massa, para cada um dos insertos acetabulares, fosse inferior a 10% da alteração de massa acumulada anterior.

Análise estatística

Para a análise estatística foram utilizados os softwares Excel Office 2010 (Microsoft Corp., Redmon, WA, EUA) e SPSS V20 (IBM, ARMONK, NY, EUA). Os dados descritivos foram expressos em média e desvio-padrão. As comparações entre as variáveis foi realizada por meio dos testes t de Student e t pareado, após verificação da homogeneidade, normalidade e variância dos dados. O valor de p utilizado como significante foi de 0,05 e o intervalo de confiança de 95%.

Resultados

Os ensaios foram finalizados após atingir o limite programado de 5 milhões de ciclos. O desgaste gravimétrico foi calculado a partir da seguinte expressão:

W n  = W an  + S n ,

em que W n representa a média da perda líquida de massa dos CPs após n ciclos de ensaio, W an a média de perda de massa por desgaste dos CPs após n ciclos de ensaio, e S n a média da massa de fluido de ensaio absorvida pelos ECs durante os mesmos n ciclos.

As Tabelas 3 e 4 apresentam o valor da média da perda de massa dos CPs (W an ), respectivamente, com cabeças femorais metálicas de 32 mm e cerâmicas de 36 mm.

Tabela 4. Média da perda de massa dos corpos de prova 1, 2 e 3 com cabeça femoral cerâmica de 36 mm.

NÚMERO DE CICLOS ( x 10 6 ) [mg]
0,5 1 2 3 4 5
CP47.2018ED-01 2,19 4,70 -4,35 -10,57 -13,72 -19,05
CP47.2018ED-02 -0,32 2,99 -3,19 -11,80 -13,54 -21,44
CP47.2018ED-03 -0,50 1,51 -6,46 -11,40 -16,75 -26,70
MÉDIA 0,45 3,07 -4,66 -11,26 -14,67 -22,40
DESVIO-PADRÃO 1,51 1,60 1,66 0,63 1,80 3,91
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A perda de massa dos CPs foi significativa a partir de 2 milhões de ciclos ( p  = 0,0013 para o conjunto de cabeça metálica de 32 mm, e p  = 0,046 para o conjunto com cabeças cerâmicas de 36 mm). Na comparação das médias de perda de massa entre o conjunto com cabeça de metal e o conjunto com cabeça cerâmica observou-se diferença estatisticamente significativa ( p  = 0,018).

As Tabelas 5 e 6 apresentam a média da massa de fluido de ensaio absorvida em cada EC (S n ) durante a realização do ensaio respectivamente com cabeça metálica de 32 mm e cerâmica de 36 mm.

Tabela 5. Média da massa de fluido de ensaio absorvida em cada espécime de controle (1 e 2) (S n ) com cabeça femoral metálica de 32 mm .

NÚMERO DE CICLOS ( x 10 6 ) [mg]
0,5 1 2 3 4 5
EC46.2018ED-01 1,10 3,13 4,94 5,93 6,97 7,89
EC46.2018ED-02 1,01 2,77 3,63 4,78 6,19 6,99
MÉDIA 1,05 2,95 4,28 5,35 6,58 7,44
DESVIO-PADRÃO 0,07 0,26 0,93 0,81 0,55 0,64
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Tabela 6. Média da massa de fluido de ensaio absorvida em cada espécime de controle (1 e 2) (S n ) com cabeça femoral cerâmica de 36 mm .

NÚMERO DE CICLOS ( x 10 6 ) [mg]
0,5 1 2 3 4 5
EC46.2018ED-01 1,86 3,11 5,08 7,58 8,83 10,72
EC46.2018ED-02 2,08 3,63 5,74 8,32 9,56 11,68
MÉDIA 1,97 3,37 5,41 7,95 9,20 11,20
DESVIO-PADRÃO 0,16 0,37 0,47 0,53 0,52 0,68
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Na comparação das medidas S n, entre cabeças metálicas x cerâmicas, houve diferença estatisticamente significativa ( p  = 0,014).

As Tabelas 7 e 8 apresentam a média da perda líquida de massa ( W n ) para cada um dos CPs durante a realização do ensaio, respectivamente, com cabeça metálica de 32 mm e cerâmica de 36 mm. Houve diferença estatisticamente significativa entre os conjuntos com cabeça cerâmica e metálica ( p  = 0,0013).

Tabela 7. Média da perda líquida de massa ( W n ) para cada um dos corpos de prova (1, 2 e 3) durante a realização do ensaio com cabeça metálica de 32 mm .

NÚMERO DE CICLOS ( x 10 6 ) [mg]
0,5 1 2 3 4 5
CP46.2018ED-01 3,92 5,00 24,80 37,02 47,32 63,89
CP46.2018ED-02 3,94 7,01 24,99 35,77 46,69 64,92
CP46.2018ED-03 2,31 6,02 25,31 37,29 50,72 72,55
MÉDIA 3,39 6,01 25,03 36,69 48,24 67,12
DESVIO-PADRÃO 0,94 1,01 0,26 0,81 2,17 4,73
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Tabela 8. Média da perda líquida de massa ( W n ) para cada um dos corpos de prova (1, 2 e 3) durante a realização do ensaio com cabeça cerâmica de 36 mm .

0,5 1 2 3 4 5
CP47.2018ED-01 -0,22 -1,33 9,76 18,52 22,92 30,25
CP47.2018ED-02 2,29 0,38 8,60 19,75 22,74 32,64
CP47.2018ED-03 2,48 1,86 11,87 19,35 25,95 37,90
MÉDIA 1,52 0,30 10,07 19,20 23,87 33,60
DESVIO-PADRÃO 1,51 1,60 1,66 0,63 1,80 3,91
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A taxa de desgaste média foi calculada a partir da regressão linear da curva de desgaste (Wn = a g (n) + b), em que a g  = taxa de desgaste média em mg/mc (micrograma por milhão de ciclos), n = número de ciclos, e b é uma constante.

A massa inicial, medida antes dos ciclos de carregamento e deslocamentos angulares, não foi considerada neste cálculo. As Tabelas 9 e 10 apresentam a taxa de desgaste média (a g ) e o coeficiente de determinação (R 2 ) para cada um dos CPs ensaiados, com cabeças femorais metálicas e cerâmicas, respectivamente.

Tabela 9. Taxa de desgaste e coeficiente de determinação dos corpos de prova com cabeças femorais metálicas de 32 mm.

NÚMERO DE CICLOS ( x 10 6 ) [mg]
TAXA DE DESGASTE (mg/Mc) Coef. de determinação (R 2 )
CP46.2018ED-01 13,57 0,989
CP46.2018ED-02 13,42 0,991
CP46.2018ED-03 15,36 0,990
MÉDIA 14,12
DESVIO-PADRÃO 1,08
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Tabela 10. Taxa de desgaste e coeficiente de determinação dos corpos de prova com cabeças femorais cerâmicas de 36 mm.

TAXA DE DESGASTE (mg/Mc) Coef. de determinação (R 2 )
CP46.2018ED-01 7,24 0,977
CP46.2018ED-02 7,16 0,966
CP46.2018ED-03 7,98 0,981
MÉDIA 7,46
DESVIO-PADRÃO 0,45
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Na comparação entre as medidas de taxa de desgaste dos conjuntos com cabeças metálicas (14,12) e cerâmicas (7,46), houve diferença estatisticamente significativa ( p  = 0,0005).

Discussão

O principal achado do presente estudo foi a significante redução na taxa de desgaste do par tribológico cerâmica-polietileno reticulado em relação ao par tribológico metal-polietileno reticulado, mesmo com o uso de cabeça cerâmica de grande diâmetro.

A investigação dos fatores envolvidos no desgaste protético é de grande interesse para a cirurgia artroplástica do quadril, visto que a soltura asséptica representa a principal causa de revisão nos registros de próteses de quadril. 2 12 Sabe-se que o polietileno de alto peso molecular tem como principais mecanismos de desgaste o polimento, a abrasão, a corrosão e o riscamento. 13 14 A fim de reduzir a produção de debris e garantir maior sobrevida das próteses, as artroplastias de quadril com polietileno reticulado vêm sendo amplamente realizadas no mundo. 7 13 Modernamente, o uso de cabeças femorais de grande diâmetro, especialmente em cerâmica, vem sendo feito nas artroplastias de quadril, principalmente em pacientes jovens e ativos, de forma a buscar maior amplitude de movimento articular e maior estabilidade protética. 15 Em 2018, Tsikandylakis et al. 16 identificaram, através da análiose de dados de Registros Nacionais de Artroplastias, que cabeças femorais grandes, maiores que 32 mm, apresentam menor risco de luxação. Neste cenário, dúvidas surgiram na literatura acerca do comportamento do desgaste do polietileno reticulado frente a cabeças femorais cerâmicas de grande diâmetro. Nosso estudo demonstrou, in vitro , que o benefício da redução na taxa de desgaste no par tribológico cerâmica-polietileno reticulado se manteve, a despeito do uso de uma cabeça cerâmica de maior diâmetro, mesmo em comparação à cabeça metálica menor (32 mm).

Outro achado importante foi aumento significativo na perda de massa por desgaste em cada conjunto protético a partir de 2 milhões de ciclos de ensaio, sendo expressivamente maior nos conjuntos que utilizaram cabeça metálica. Tal fenômeno pode explicar o maior desgaste protético observado em indivíduos fisicamente mais ativos, especialmente com o uso de cabeças metálicas. No entanto, sabe-se que, in vivo , a sobrevida da artroplastia depende, além do par tribológico, do posicionamento dos componentes protéticos, do nível de atividade, do sexo, da idade, e das características imunológicas do paciente. 17

O ciclo de movimento de um paciente com ATQ representa uma sequência complexa de diferentes atividades intercaladas com períodos de repouso. Além da caminhada, que geralmente é usada como atividade de referência, há atividades adicionais de vida diária, que também contribuem para o desgaste e não são contempladas em testes de desgaste padrão no laboratório. Assim, vários estudos revelam diferenças no tamanho dos debris gerados entre testes de simulador e amostras in vivo . 18 19

A menor idade do paciente mostra relação com o maior desgaste das artroplastias totais do quadril. Estudos que avaliaram o desgaste nas diversas faixas etárias demonstraram que o mesmo é superior nos pacientes abaixo de 60 anos de idade. 20 21 Em um estudo radiográfico de 1.024 quadris, o desgaste linear foi 33% maior em pacientes com menos de 60 anos. 22 Em um estudo que avaliou um grupo de pacientes jovens (média de 49 anos; variação de 18–66 anos), Perez et al. 21 relataram que as taxas de desgaste nos pacientes menores de 50 anos eram 40% maior em comparação com a taxa média de desgaste no outro grupo. Griffith et al. 23 relataram que entre pacientes com taxas de desgaste linear muito altas (> 0,18 mm/ano), 12% tinham menos de 50 anos, e apenas 1,5% tinham mais de 60 anos. O desgaste maior em pacientes mais jovens deve-se, pelo menos em parte, ao maior nível médio de atividades. Em um estudo podométrico, 24 a idade foi associada significativamente com a atividade ( p  = 0,048), mas com um alto grau de variabilidade (desvio padrão, 3.040 passos por dia). Pacientes com menos de 60 anos caminharam em média 30% mais do que os pacientes com 60 anos ou mais.

Em comparação com o sexo feminino, os homens foram associados a taxas mais elevadas de desgaste do polietileno. Ao dividir seus pacientes em alta e baixa taxa de desgaste, Griffith et al. 23 e Nashed et al. 20 mostraram que, no grupo de alto desgaste, 70% dos pacientes eram do sexo masculino, em comparação com apenas 23 a 34% no grupo de baixo desgaste. Callaghan et al. 25 encontraram uma correlação estatisticamente significante entre o sexo masculino e o desgaste do polietileno em um grupo de 210 quadris. Em uma avaliação radiográfica de 1.024 quadris, a penetração linear da cabeça femoral foi 37% maior em pacientes do sexo masculino. 22 Em um estudo detalhado de 37 quadris de pacientes com nível funcional, a atividade do paciente foi quantificada usando um monitor de passos. Nesta coorte, não houve diferença na atividade média de caminhada entre os pacientes do sexos masculino e feminino. No entanto, a taxa de penetração média da cabeça femoral no polietileno nos indivíduos do sexo masculino foi aproximadamente o dobro da taxa verificada no sexo oposto. Houve diferenças significativas na estatura e peso médios entre os pacientes masculinos e femininos, e uma análise de regressão logística multivariada foi realizada. Após a correção para covariáveis conhecidas (como altura e peso), o gênero masculino ainda foi altamente correlacionado ao desgaste. 26 Outras diferenças relativas ao desgaste das próteses de quadril em homens e mulheres, tais como alterações anatômicas específicas, distribuição de peso, padrão de marcha, composição corporal e propriedades físico-químicas do líquido sinovial, precisam ser investigadas em estudos futuros.

Semelhante a um conjunto de pneus de automóvel, o desgaste é uma função do uso. 26 As variáveis na equação fundamental de desgaste incluem a resistência ao desgaste inerente do par tribológico, a lubrificação e o coeficiente de atrito, a magnitude e a direção da carga, o padrão de movimento e a distância de deslizamento. A avaliação clínica mais comum do desgaste é a análise radiográfica da penetração linear da cabeça femoral no componente de polietileno. Entretanto, as limitações desta metodologia para quantificar fatores específicos que contribuem para o desgaste devem ser valorizadas. O desgaste do polietileno in vivo é multifatorial, incluindo vários fatores do paciente. Há limitações na avaliação clínica de alguns desses fatores e, por esse motivo, são utilizadas variáveis retrospectivas. Por exemplo, a idade do paciente e o diagnóstico freqüentemente são usados como substitutos da atividade do paciente. Os fatores mais variáveis e difíceis de quantificar são a frequência e intensidade de uso da prótese durante a vida útil da artroplastia. A avaliação clínica de pacientes com ATQ seria reforçada por uma avaliação padronizada da frequência e intensidade da atividade do paciente, no que se refere ao uso da prótese. 17

Assim, os estudos in vitro servem como um parâmetro para guiar a prática clínica na escolha do par tribológico da artroplastia de quadril, que deve levar em consideração todo o conjunto de características do paciente. O desgaste in vivo ainda apresenta questões não totalmente esclarecidas.

Conclusão

Este estudo demonstrou menor taxa de desgaste em conjuntos protéticos que utilizaram o par tribológico cerâmica-polietileno reticulado de 36 mm em comparação aos conjuntos com metal-polietileno reticulado de 32 mm. Tal achado demonstra a eficácia da cerâmica, mesmo com a utilização de cabeças de grande diâmetro. Sua efetividade clínica, porém, deve ser comprovada por estudos de longo tempo de seguimento (20–25 anos).

Articles from Revista Brasileira de Ortopedia are provided here courtesy of Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia

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