Metais, cimento ósseo, tribologia e metal contra metal na artroplastia do quadril

Como ler este capítulo

Fundamento

Este resumo é inspirado nos capítulos 15 (Basic Science of Metals), 16 (Basic Science of Bone Cement), 17 (Tribology) e 20 (Metal-on-Metal Articulations) do The Adult Hip: Hip Arthroplasty Surgery, editado por John J. Callaghan, Aaron G. Rosenberg e Harry E. Rubash, com trechos do capítulo 12 (Biomaterials Overview) e do capítulo 1 (história). Ele completa o resumo de polietileno e cerâmica: lá estão as superfícies de apoio não metálicas; aqui estão as estruturas que sustentam a prótese (hastes e conchas metálicas), o cimento que as fixa, a ciência do atrito e do desgaste que vale para todos os pares e a história inteira do metal contra metal.

São capítulos de ciência básica, e a prova os cobra de dois jeitos: pela definição exata (o que é o escoamento, o que é um tribossistema, qual é a espessura do filme passivo) e pela consequência clínica (por que a haste de titânio é sensível ao risco, por que a haste polida afunda no cimento, por que o recapeamento falhou quando a cúpula ficou vertical). O fio condutor é sempre o mesmo: o processamento define a estrutura, a estrutura define a propriedade, e a propriedade define o desempenho no paciente.

O roteiro:

1. A estrutura dos metais e como se endurece uma liga. 2. As propriedades mecânicas e a fadiga. 3. As ligas: história, aço inoxidável e cobalto. 4. O titânio. 5. O filme passivo e a corrosão mecanicamente assistida, inclusive no cone. 6. O cobalto-cromo fundido e os seus tratamentos. 7. O cimento ósseo: o material. 8. A técnica de cimentação no fêmur e no acetábulo. 9. Haste polida contra haste rugosa. 10. A interface: retração e porosidade. 11. Antibiótico no cimento e o que dizem os registros. 12. O tribossistema e o atrito. 13. A lubrificação e os mecanismos de desgaste. 14. As entradas do sistema: atividade, forças e a equação de ARCHARD. 15. Os mecanismos em cada par. 16. O metal contra metal: história e geometria. 17. O recapeamento, os registros e as reações ao metal. 18. Revisão rápida.

A estrutura dos metais e o endurecimento

Fundamento

Metais são cristais. Os átomos de um metal ficam arrumados num arranjo periódico tridimensional, o cristal. Um implante é policristalino: muitos cristais (grãos) unidos por contornos de grão. Há 14 arranjos possíveis (as redes de Bravais), mas as ligas ortopédicas usam três (cap. 15, p. 225, figura 15.2):

Os defeitos mandam nas propriedades. Nenhum cristal é perfeito. Os defeitos se classificam pela dimensão: lacunas (pontos sem átomo, que permitem a difusão), discordâncias (linhas: o fim de um semiplano extra de átomos), contornos de grão (áreas de desordem entre cristais) e vazios e trincas (volumes). As discordâncias são o defeito mais importante para a mecânica: quando a tensão é suficiente, elas se movem pela rede, e o metal muda de forma de maneira permanente. Deformação plástica é criação e movimento de discordâncias. Um risco pequeno na superfície já pode baixar a resistência à fadiga.

Endurecer é impedir as discordâncias de andar. Todos os mecanismos de endurecimento das ligas ortopédicas funcionam do mesmo jeito: dificultam o movimento das discordâncias (cap. 15, p. 226 e 227).

• Solução sólida. Átomos de soluto entram na rede do metal, no lugar de um átomo (substitucional) ou entre os átomos (intersticial: carbono, oxigênio, nitrogênio, boro). Os intersticiais são mais efetivos: menos de 0,1% de carbono no ferro aumenta a resistência cerca de dez vezes, e pequenas quantidades de oxigênio endurecem muito o titânio. Os solutos se acumulam em volta das discordâncias e as "prendem".
• Trabalho a frio. Deformar o metal multiplica e emaranha as discordâncias: o escoamento e a resistência máxima sobem, mas a ductilidade cai. É usado no aço 316L. O recozimento (aquecer abaixo de qualquer transformação) faz novos grãos sem discordâncias nascerem (recristalização) e devolve a ductilidade.
• Trabalho a quente (forjamento, peças conformadas): dá a forma e muda a microestrutura. O Ti-6Al-4V das normas ASTM F-136 e F-1481 pede uma microestrutura bimodal alfa mais beta, obtida deformando a liga no alto do campo alfa mais beta, abaixo da temperatura beta transus, de cerca de 930 °C.
• Tamanho de grão. Os contornos barram as discordâncias; grãos menores significam mais contornos por volume, e a liga fica mais resistente. As ligas novas de cobalto usam metalurgia do pó para manter os grãos pequenos.
• Precipitação. Partículas de uma segunda fase (os carbonetos do cobalto-cromo, por exemplo) espalhadas pela estrutura prendem as discordâncias; o tratamento térmico que as faz crescer chama-se envelhecimento.

As propriedades mecânicas e a fadiga

Fundamento

A curva tensão e deformação (cap. 15, p. 227, figura 15.3). No começo, a tensão é proporcional à deformação: a inclinação é o módulo de elasticidade (módulo de Young), que mede a rigidez e depende da força das ligações entre átomos. O capítulo é explícito: o módulo é relativamente insensível a defeitos como as discordâncias (por isso o trabalho a frio aumenta a resistência mas quase não muda o módulo). Depois, as discordâncias começam a se mover e a relação deixa de ser linear: é o limite de proporcionalidade. O limite de escoamento é, por convenção, a tensão em que a deformação permanente chega a 0,2%. A resistência máxima é a maior tensão do ensaio. O alongamento percentual (e a redução de área) medem a ductilidade.

Rigidez de uma haste é material mais geometria. No fêmur, a haste trabalha em flexão, e a sua rigidez é a rigidez flexural (EI): o módulo vezes o segundo momento de área, que mede como o material se espalha em volta do eixo. Por isso uma fenda distal na haste reduz a rigidez flexural na ponta e diminui o stress shielding, sem trocar o material.

A fadiga. É a falha sob carga cíclica: depois de muitos ciclos (até 10 milhões ou mais), uma trinca nasce e se propaga até a fratura. A resistência à fadiga é a tensão cíclica que causa a falha num número de ciclos; a vida em fadiga é o número de ciclos até a falha numa tensão fixa. As duas se leem na curva de WÖHLER (curva S-N): tensão cíclica contra o logaritmo do número de ciclos (cap. 15, figura 15.4).

O capítulo 17 dá outro número de atividade: 6.048 passos por dia, cerca de 1,1 milhão de ciclos de marcha por ano. As duas fontes concordam no que importa: é alto ciclo, muito acima de 10 mil.

Quem resiste mais. Na tabela 15.8, o Ti-6Al-4V bimodal tem a maior resistência à fadiga entre as ligas relatadas; as microestruturas beta, com grãos alfa aciculares, têm menos. O aço 316L fica na parte de baixo da tabela; o capítulo 12 dá cerca de 310 MPa para o cobalto fundido e 500 a 700 MPa para o titânio. Mas esses números são de corpos de prova lisos e polidos: o titânio é sensível ao entalhe, e um risco ou uma mudança brusca de geometria (como a junção do revestimento poroso numa região de alta tensão) acelera muito a falha.

As ligas: história, aço inoxidável e cobalto

Fundamento

A história que a prova distorce. O capítulo 15 corrige três lendas (p. 224):

• O cobalto-cromo-molibdênio veio da odontologia. As ligas foram desenvolvidas por HAYNES no início do século XX (Stellite); nos anos 1930, o Vitallium já era usado em próteses dentárias parciais e foi testado nas artroplastias de interposição. Ele não foi criado pela aeronáutica: foi adaptado aos motores de avião em 1941, e por isso as ligas de cobalto são chamadas de superligas.
• O aço inoxidável 18-8 (18% de cromo, 8% de níquel) só apareceu em 1926, e a sua resistência à corrosão não bastava para implantes de longa duração até se descobrir que 2% a 3% de molibdênio reduziam a corrosão por pite e em fresta.
• O titânio foi desenvolvido para a aeronáutica e adotado pelos biomateriais no fim dos anos 1950 e início dos 1960.

A artroplastia moderna se apoia em parte em WILES, que fez uma prótese total de aço inoxidável em 1938; McKEE e FARRAR fizeram, nos anos 1950, a primeira articulação metal contra metal, primeiro de aço e depois de Vitallium.

O aço inoxidável. É uma liga de ferro e carbono com cerca de 18% a 22% de cromo, 12% a 14% de níquel e 2,5% de molibdênio. O 316L é austenítico (CFC); o L indica baixo carbono, para evitar a formação de carbonetos que tiram cromo dos contornos e pioram a corrosão (sensitização). Não é tratável termicamente, mas pode ser trabalhado a frio. É usado em placas, parafusos e hastes intramedulares; em próteses, foi menos confiável que as ligas de cobalto e titânio, embora seja usado no Reino Unido. O capítulo 12 resume: como alguma corrosão é inevitável, recomenda-se o aço para uso de curta duração, e poucos implantes de artroplastia nos Estados Unidos usam aço. A ideia de que ele é o mais usado nos Estados Unidos "por não corroer" está errada duas vezes.

O cobalto. As ligas de cobalto têm cromo, molibdênio, carbono e outros elementos. Pontos do capítulo 15 (p. 229 e 230):

• A única diferença entre as normas ASTM F-1537 e F-75 é o maior teor de nitrogênio na F-1537 (não de carbono).
• São CFC acima de cerca de 400 °C e HC abaixo.
• Endurecem por solução sólida e por precipitação de carbonetos.
• A liga fundida tem grãos grandes e variáveis (2 a 5 mm), estrutura dendrítica com segregação e carbonetos interdendríticos, e é menos resistente que a forjada, de grãos pequenos e equiaxiais (cerca de 10 µm; 2 a 5 µm no forjado de alto carbono).
• Encrua muito rápido: pouca deformação plástica dá muito aumento de resistência, o que, junto com os carbonetos duros, dá grande resistência ao desgaste. O lado ruim: é difícil de usinar e de deformar. O capítulo 12 diz que por isso o implante precisa ser fundido ou forjado, e não usinado de barras como rotina.
• Resiste bem à corrosão em soluções com cloreto.

O titânio

Fundamento

O titânio comercialmente puro. É monofásico, hexagonal compacto, e vem em quatro graus que diferem sobretudo no teor de oxigênio. O titânio tem enorme afinidade pelo oxigênio e o absorve em alta temperatura. Em pequena quantidade, o oxigênio é um soluto intersticial que endurece muito: o escoamento vai de cerca de 150 MPa no grau 1 a 480 MPa no grau 4. Em excesso, forma o alfa-case: uma camada superficial contínua estabilizada em alfa, que reduz a resistência à fadiga e a ductilidade superficial. O titânio puro não tem resistência para as tensões de uma artroplastia total, e por isso é usado como revestimento poroso ou em aplicações de baixa carga (cap. 15, p. 231).

O Ti-6Al-4V. É a principal liga de implante: alta resistência e alta resistência à fadiga. A microestrutura é bimodal: grãos alfa (HC) pequenos e arredondados, de 10 a 20 µm, em meio a regiões de beta transformada (beta retida, CCC, com alfa acicular). Ela nasce da deformação no alto do campo alfa mais beta, abaixo da beta transus (cerca de 930 °C). Se a liga for aquecida acima, no campo beta, a microestrutura volta a ser acicular e perde resistência à fadiga. É o exemplo clássico de como a forma dos grãos muda a mecânica (cap. 15, p. 231 e 232).

O módulo baixo. O módulo do titânio é cerca de metade do do cobalto-cromo e do aço 316L (110 GPa no Ti-6Al-4V; 70 a 90 nas ligas beta, ainda em estudo). O módulo menor reduz a rigidez flexural e ajuda a transferir carga ao osso, diminuindo o stress shielding. Não é o dobro: quem diz isso inverte a principal vantagem do titânio.

As fraquezas. O titânio é sensível ao entalhe: um risco na superfície pode acelerar a falha por fadiga (o capítulo 12 mostra uma haste de revisão de titânio fraturada com 29,5 meses). O seu óxido também se rompe com cargas abrasivas muito menores que o do cobalto-cromo, e por isso o titânio contra polietileno desgasta muito: não serve como superfície articular. E está sujeito à corrosão em fresta, na qual os íons concentrados acidificam o meio. Por outro lado, forma o filme passivo tão depressa que não se estabelecem reações galvânicas com outros metais (cap. 12, p. 173 e 174).

Outras ligas: Ti-6Al-7Nb na Europa; ligas de zircônio (Zr-2,5Nb, base do Oxinium) e tântalo (o "metal trabecular", malha parecida com o osso, usada como substrato de crescimento ósseo).

O filme passivo e a corrosão mecanicamente assistida

Fundamento

O filme passivo. As ligas ortopédicas corroeriam depressa se não fosse uma película de óxido na superfície, formada pela oxidação dos átomos mais externos. Ela é extremamente fina: 2 a 10 nanômetros. É termodinamicamente estável no ar e no soro e funciona como barreira cinética à liberação de íons. Não é estática: imagens de microscopia de força atômica mostram domos que mudam com o tempo de imersão, com a química da solução e com o potencial elétrico do metal. No aço e no cobalto-cromo, a proteção vem sobretudo do óxido de cromo (Cr2O3); no titânio, do TiO2 (cap. 15, p. 233 a 236).

A passivação. A norma ASTM F-86 manda imergir as peças em ácido nítrico. O capítulo 15 diz que o tratamento é útil nas ligas que formam Cr2O3, em particular o aço 316L, e que há pouca evidência de benefício no titânio e no cobalto-cromo.

A corrosão mecanicamente assistida (MAC, ou tribocorrosão). A corrosão sempre existe; o filme passivo só a mantém lenta. Quando há abrasão ou fretting, o filme é rompido, refeito, rompido de novo, e cada ciclo libera íons e elétrons. Em espaços confinados, como a fresta do cone modular, a solução local muda radicalmente. O capítulo 15 resume os achados (p. 236 e 237):

• Todas as ligas usadas em ortopedia são suscetíveis, e o lugar clássico é o cone entre a cabeça e o colo, mas também os cones colo e haste e os de joelho.
• As cabeças metálicas grandes, o metal contra metal e as múltiplas junções modulares trouxeram reações biológicas: osteólise e pseudotumor. O cobalto-cromo parece dar mais reação biológica quando a MAC é intensa.
• Os ataques incluem corrosão intergranular do cobalto-cromo, dissolução seletiva da fase beta do titânio, pites no Ti-6Al-4V e fragilização por hidrogênio. Para o titânio ser atacado assim, o pH na fresta precisa cair abaixo de 1.
• URBAN associou os produtos de corrosão do cone a osteólise; JACOBS viu cobalto e cromo séricos elevados em pacientes com corrosão grave no cone.

O cone como articulação secundária (cap. 17, p. 264). A maior parte das próteses liga a cabeça à haste por um cone. As superfícies têm marcas circunferenciais de usinagem; numa aplicação normal, um impacto de cerca de 4 kN basta para uma conexão estável, porque os picos das marcas se deformam plasticamente e travam. Se o encaixe é inadequado, surgem micromovimentos cíclicos: forma-se um tribossistema secundário não pretendido, em que o modo de desgaste é o fretting (deslizamento muito pequeno), e não o deslizamento multidirecional da articulação principal. Com o fretting, o filme passivo se rompe e não se refaz completamente; no espaço confinado, a corrosão se amplifica em corrosão em fresta, e ligas diferentes podem somar corrosão galvânica. O nome do conjunto é corrosão por fretting. Acontece com cabeças metálicas e cerâmicas, em hastes de cobalto ou de titânio.

O cobalto-cromo fundido e os seus tratamentos

Fundamento

O capítulo 20 conta a metalurgia do cobalto-cromo do ponto de vista de quem fabrica, e as questões vêm dele (p. 289 a 297).

Como se funde. A liga (normas atuais ASTM F75 e ISO 5832-IV: cobalto, cromo, molibdênio, níquel, ferro, manganês, silício e carbono) é fundida acima de 1.550 °C em forno de indução a vácuo ou sob gás inerte, para evitar inclusões não metálicas. As peças são feitas por cera perdida: modelos de cera montados numa "árvore", cobertos por uma casca cerâmica de cerca de 5 mm, derretidos e substituídos pelo metal líquido. A solidificação começa na parede (uma camada coquilhada de cerca de 100 µm) e cresce em dendritas (como galhos de árvore de Natal). O último líquido, entre os galhos, é rico em cromo, molibdênio e carbono e forma carbonetos interdendríticos e nos contornos de grão, descontínuos. Pequenas diferenças de composição entre os galhos dão a segregação (coring). A estrutura é bifásica: matriz rica em cobalto e carbonetos. A falta de alimentação de metal líquido durante a solidificação cria microporosidade.

Os números da condição como fundida.

• O carboneto predominante é o M23C6 (o M7C3 aparece nas ligas de alto carbono processadas termomecanicamente, do fim dos anos 1980).
• O teor máximo atual de carbono é 0,35%, que evita a rede contínua de carbonetos nos contornos, que tiraria propriedades mecânicas; as especificações antigas, com 0,5%, arriscavam saturação e fragilização.
• A condição como fundida tem menor resistência à fadiga: nas hastes longas e finas, como a de RING, contribuiu para fraturas, muitas vezes a partir de microporosidade interdendrítica.
• Mas os carbonetos em bloco do como fundido dão baixo desgaste: por isso a primeira geração de metal contra metal (McKEE-FARRAR, RING, Stanmore) durou décadas em muitos pacientes.

Os tratamentos que vieram para a fadiga.

A armadilha clássica é trocar as temperaturas: a homogeneização fica abaixo da eutética justamente para não fundir os carbonetos. E o preço dos tratamentos pós-fundição é que eles pioram a resistência ao desgaste do par metal contra metal, porque desfazem os carbonetos em bloco. Por isso o BHR voltou ao como fundido.

O cimento ósseo: o material

Fundamento

Rejunte, não cola. CHARNLEY descreveu em 1960 o uso do polimetilmetacrilato (PMMA) como meio de ancoragem da haste femoral. O capítulo 12 é taxativo: CHARNLEY descrevia o modo de ação como o de um rejunte (grout), porque o PMMA não tem propriedades adesivas próprias; o capítulo 1 repete que o cimento não é cola, e a fixação vem do travamento mecânico com o osso. O PMMA nasceu no início do século XX como Plexiglas.

As duas partes (cap. 12, p. 174; cap. 16, p. 240):

Ao misturar, o líquido polimeriza e o pó quase não muda quimicamente. Por que parte do MMA já vem polimerizado no pó? O capítulo 16 responde: para limitar a retração que acontece quando monômeros polimerizam e reduzir a energia exotérmica liberada. Não é para acelerar a presa, aumentar a porosidade nem permitir a eluição de antibiótico.

A reação é exotérmica. A polimerização do PMMA é muito exotérmica e pode aquecer bastante o local. Com um manto fino e uma prótese metálica, o metal conduz o calor para longe; mantos espessos ou grande penetração no esponjoso (como no recapeamento) podem causar osteonecrose térmica (cap. 12, p. 174).

O que enfraquece o cimento. O capítulo 12 lista os fatores ligados à menor resistência clínica: porosidade alta, excesso de radiopacificante, concentração alta de antibiótico e proporção de mistura incorreta. O capítulo 16 acrescenta a homogeneidade: a mistura deve ser rápida e uniforme, sem ilhas de pó; o vácuo elimina o ar preso; as bolhas aumentam a porosidade e reduzem a resistência.

A "doença do cimento". Em 1987, JONES alarmou a comunidade com a "doença do cimento", dizendo que o cimentado só servia para o idoso pouco ativo. O capítulo 16 explica que o problema não era toxicidade do PMMA, mas uma mudança no desenho da haste da época; ainda assim, o uso do cimento declinou desde então.

A técnica de cimentação no fêmur e no acetábulo

Fundamento

As gerações. Na primeira geração, o canal era curetado, o cimento misturado à mão e colocado de modo anterógrado, com os dedos, pressurizado à mão. Na segunda, entraram a irrigação, a pistola e o restritor distal. A técnica moderna acrescenta a lavagem pulsátil, a mistura a vácuo, a pressurização e cimento de viscosidade média ou alta (cap. 16, p. 240 e 241).

O fêmur, passo a passo.

1. Abrir o canal como para a haste não cimentada, preservando cerca de 2 a 3 mm de osso esponjoso forte, que dá a melhor interdigitação com o cimento. Fresar agressivamente até a cortical reduz a resistência ao cisalhamento da interface osso e cimento. 2. Lavagem pulsátil para tirar sangue, gordura e trabéculas soltas; secar com gaze. 3. Restritor distal de cimento. 4. Cimento misturado a vácuo e aplicado de forma retrógrada pela pistola. 5. Pressurização com o pressurizador femoral; o restritor sozinho não substitui a pressurização. 6. Centralizador distal, quando houver; haste introduzida devagar (cerca de 1 cm/s) e mantida até a presa.

O acetábulo. Os princípios são os mesmos (cap. 16, p. 242 e 243):

• Fresar como para a cúpula não cimentada e fazer orifícios de ancoragem no leito, que aumentam a pega do cimento; não se deve evitá-los.
• Lavagem pulsátil para tirar sangue e medula.
• Aplicar o cimento com pressão contínua (pressurizador ou uma esponja dentro de uma luva estéril). A pressão deve exceder 5 kPa, o limiar que impede o sangue de laminar entre o osso e o cimento.
• A pressurização deve estar completa antes de inserir a cúpula; a cúpula não é o pressurizador.
• As cúpulas flangeadas (desde 1976; a Ogee em 1981) foram feitas para aumentar a pressão de injeção e orientar a cúpula; estudos mais recentes mostraram que elas não geram, de forma consistente, pressões maiores que as sem flange. A sobrevida em longo prazo da cúpula flangeada cimentada foi de 77% em 21 anos.

Haste polida contra haste rugosa

Fundamento

A ligação metal e cimento não dura. Ao implantar, forma-se uma ligação mecânica entre o metal e o cimento, mas ela acaba, e toda haste cimentada migra algum tanto. O que importa é como o desenho lida com isso. CHARNLEY obteve resultados melhores com hastes polidas do que com hastes jateadas (cap. 16, p. 240).

Dois modos de fixação (cap. 16, p. 244 e 245):

A subsidência da haste polida não é falha: é o mecanismo previsto, com relaxamento das tensões do cimento (viscoelástico) e carga equilibrada entre cimento e osso.

O que os resultados mostraram. As hastes rugosas têm interface mais forte, maior vida em fadiga da interface e boa sobrevida a curto e médio prazo. Mas, em longo prazo, perderam: num estudo, as pré-revestidas tiveram 24% de soltura em 8 anos, pior que as polidas, achado confirmado por vários outros. Em comparação, a Exeter polida teve sobrevida de 85,8% a 93,5% em 27 anos, com soltura asséptica femoral como desfecho. O capítulo conclui que, apesar da vantagem teórica, o pré-revestimento é hoje uma desvantagem para a sobrevida em longo prazo. O colar, que pretendia transferir a carga para o calcar, tem resultado clínico controverso.

A interface: retração e porosidade

Fundamento

A retração ajuda. O cimento retrai depois de aplicado (polimerização, vaporização, temperatura, absorção de água), até cerca de 10%. Isso parecia uma desvantagem, mas mostrou-se importante para a revascularização rápida da interface osso e cimento. O cimento misturado a vácuo retrai afastando-se da cortical e em direção à haste metálica, e ao mesmo tempo se agarra às trabéculas da cortical interna: o espaço entre o cimento e a cortical vira um favo de trabéculas reforçadas por cimento, onde os pequenos vasos da cortical voltam a crescer (figura 16.12). A retração acontece nos primeiros 4 a 10 minutos depois da aplicação, é maior no cimento a vácuo do que no manual e aumenta com a pressão (cap. 16, p. 245 a 247).

A porosidade. A evaporação durante a polimerização forma poros, sobretudo na interface cimento e haste; parte do ar vem da aplicação e da introdução da haste. Os pontos que a prova cobra (cap. 16, p. 247 e 248):

• A mistura manual cria uma distribuição uniforme de poros pequenos; a mistura a vácuo elimina a microporosidade, mas cria poros grandes.
• Os microporos podem iniciar trincas por fadiga, mas também podem pará-las: quando a ponta da trinca entra num poro redondo, fica romba.
• LESAKA mostrou que mais porosidade na interface reduz a resistência ao cisalhamento entre cimento e haste: mecanicamente, convém reduzir os poros ali.
• O pré-aquecimento da haste perto da temperatura corporal diminui a porosidade na interface cimento e haste e o tempo de presa, mas aumenta a temperatura transitória na interface osso e cimento, com maior risco de necrose térmica pela exposição mais longa ao calor. Quem diz que o pré-aquecimento protege o osso do calor inverte o achado.

Antibiótico no cimento e o que dizem os registros

Fundamento

O cimento como sistema de liberação. BUCHHOLZ começou em 1969, com LODENKÄMPER, a estudar a difusão de antibióticos pelo PMMA: nem todos eram liberados, mas a gentamicina difundia de forma constante e prolongada, e BUCHHOLZ reduziu a infecção perioperatória de 7% para 1% (cap. 16, p. 248).

Como sai. A eluição segue a lei de Fick (LAW). LINDNER mostrou que ela acontece por difusão em massa: a taxa é máxima nos primeiros minutos depois do contato com o meio sem solvente; VAN SORGE confirmou o pico em poucos minutos, com queda importante depois. Não é constante e linear por meses.

O antibiótico certo. Precisa ser hidrofílico (para se distribuir na solução), resistente ao calor da polimerização, sem efeito químico sobre o MMA e os mediadores, liberado em concentração bactericida ou ao menos inibitória, e relevante para os germes da infecção periprotética. Na profilaxia, a gentamicina é a mais usada (boa eluição e espectro amplo). Acrescentar mais antibiótico muda as proporções, reduz a homogeneidade e piora as propriedades mecânicas, e torna a eluição imprevisível.

A evidência clínica. O registro norueguês: desde 2003, todo quadril cimentado leva antibiótico. ENGESAETER (22.170 artroplastias em 14 anos): a melhor profilaxia é cimento com antibiótico mais antibiótico sistêmico; só o sistêmico teve risco de infecção 1,4 vez maior. O ensaio randomizado sueco mostrou infecção significativamente menor com gentamicina no cimento, e a soltura asséptica não aumentou.

Os registros e a idade. O uso do cimento varia muito: Suécia cerca de 70%, Noruega 62%, Inglaterra e País de Gales 36% de totalmente cimentadas e 16% de híbridas, Austrália 35% e Dinamarca 33%. Todos os registros mostram queda do cimento; Dinamarca e Inglaterra tiveram o maior aumento do não cimentado, e a Suécia, conservadora, o menor. Quando se estratifica por idade, Dinamarca (60 anos ou mais) e Inglaterra e País de Gales (65 ou mais) mostram risco de revisão significativamente menor com a fixação cimentada, e a Nova Zelândia e a Austrália (acima de 75) vão no mesmo sentido; abaixo de 60 anos, os dados são inconclusivos (cap. 16, p. 249 e 250). Para uma mulher de 76 anos com artrose e baixa demanda, o registro favorece o cimento.

O tribossistema e o atrito

Fundamento

A palavra e a ideia. Tribologia vem do grego (esfregar e ciência) e é a ciência e a tecnologia das superfícies que interagem em movimento relativo: atrito, desgaste e lubrificação. O termo foi definido em 1966 por uma comissão britânica. LEONARDO DA VINCI já tinha visto que a força de atrito depende da carga normal e não da área aparente de contato; AMONTONS e COULOMB confirmaram; NEWTON descreveu a viscosidade dos lubrificantes; STRIBECK separou adesão, deformação e lubrificação. Na ortopedia, quem trouxe o pensamento tribológico foi CHARNLEY, depois do fracasso clínico do Teflon, que tinha atrito baixíssimo e desgaste péssimo (cap. 17, p. 252).

O tribossistema. O ponto central do capítulo 17: atrito e desgaste não são propriedades intrínsecas do material, como a resistência e a tenacidade. São características de um tribossistema, formado por quatro elementos: corpo, contracorpo, meio interfacial e ambiente (figura 17.1). As variáveis de operação (carga, velocidade, temperatura, tempo) entram como trabalho; saem trabalho, perdas de energia (calor, som) e perdas de material (detritos). No quadril: a cabeça é o corpo, a cúpula é o contracorpo, o líquido sinovial a 37 °C é o meio interfacial, e o corpo humano é o ambiente.

Área real e aparente. Superfícies técnicas são rugosas da escala do nanômetro ao milímetro, e o contato acontece só nos picos das irregularidades: a área real de contato é uma fração mínima da aparente (de menos de 10^-4 a 1), e muda o tempo todo. O atrito e o desgaste nascem nessa área real.

O que é desgaste e por que os detritos importam. O desgaste é a perda progressiva de partículas de uma superfície por ação mecânica; muda a forma e a topografia das peças. Mas, para o paciente, a geração de detritos é muitas vezes mais prejudicial que a própria mudança dimensional: as partículas presas viram meio interfacial e mudam o mecanismo, e as que escapam ativam a biologia.

Para onde vai a energia do atrito. Atrito é introdução, transformação e dissipação de energia, por deformação das asperezas e por adesão entre átomos das duas superfícies (cap. 17, p. 253 e 254):

• Pelo menos 90% da energia vira calor na zona de contato.
• A temperatura média é governada sobretudo pela força normal.
• A temperatura instantânea (flash) dos picos depende sobretudo da velocidade relativa e dura poucos milissegundos.
• Os 10% restantes ficam armazenados em defeitos de rede, transformações de fase ou reações químicas.

Molhabilidade. Molhar as superfícies reduz a adesão. A cerâmica, de estrutura iônica hidrofílica, é o material mais molhável dos pares de atrito: tem o menor ângulo de molhamento (o líquido se espalha mais), o que favorece a película de fluido (caps. 13 e 19). Quanto menor o ângulo, melhor o espalhamento do líquido e a lubrificação.

A lubrificação e os mecanismos de desgaste

Fundamento

A espessura específica do filme (λ). A eficácia de um lubrificante é medida pela razão entre a espessura do filme e a rugosidade das superfícies, λ, que depende da viscosidade, da velocidade relativa, da pressão e da rugosidade. O gráfico clássico (figura 17.3) mostra que, quanto maior λ, menores o atrito e o desgaste (cap. 17, p. 254):

Onde ficam os pares do quadril. Sob cargas realistas e com líquido sinovial, o metal contra polietileno trabalha em regime misto ou limítrofe. Os pares duro contra duro trabalham sobretudo em regime elastoidrodinâmico e misto, e com cabeças acima de 28 mm pode haver uma passagem para o filme completo. Para o polietileno, recomenda-se cabeça com Ra abaixo de 0,05 µm.

A curva de STRIBECK no metal contra metal (cap. 20, p. 295). O capítulo 20 mostra a mesma ideia na curva de STRIBECK, com os regimes limítrofe (BL), misto (ML) e de película fluida completa (FFL): o coeficiente de atrito cai com o aumento da velocidade de deslizamento e do raio da cabeça. Na lubrificação limítrofe, a carga passa pelo contato direto das asperezas, com abrasão e adesão (teoria de BOWDEN e TABOR). Na película completa, o lubrificante separa as superfícies. A lubrificação mista é provavelmente a condição mais frequente in vivo, como mostra o desgaste baixo mas mensurável até de uma articulação metal contra metal que funciona bem. (O eixo horizontal da curva de STRIBECK é, na tribologia em geral, um parâmetro que cresce com a viscosidade e a velocidade e diminui com a carga, como o número de SOMMERFELD; é a mesma lógica da λ.)

O que é e o que não é desgaste. O capítulo 17 é preciso: desgaste é remoção de material por ação mecânica. Por isso a fluência (creep) e a deformação plástica do polietileno não são desgaste: mudam a dimensão, mas não geram detritos. A corrosão também não é desgaste, porque pode acontecer sem nenhuma ação mecânica (quando os dois se somam, chama-se tribocorrosão).

Os quatro mecanismos.

O capítulo 17 separa também modo de desgaste (as condições mecânicas: deslizamento, rolamento, fretting, abrasão de dois ou três corpos), aparência (o que se vê) e mecanismo (a interação física e química). O modo pode mudar: os detritos de uma abrasão de dois corpos podem virar terceiro corpo.

As entradas do sistema: atividade, forças e ARCHARD

Fundamento

O que o paciente faz o dia todo. Um estudo de pacientes depois da artroplastia mostrou que a atividade mais frequente é ficar sentado (44,3% do tempo), seguida de ficar em pé (24,5%), caminhar (10,2%), deitado (5,8%) e subir escadas (0,4%). O paciente médio dá 6.048 passos por dia, cerca de 1,1 milhão de ciclos de marcha por ano, e sobe 164 degraus. O desgaste se correlaciona com o uso (SCHMALZRIED), mas só moderadamente. Pausas em pé de 10 a 30 segundos ocorrem até 26 vezes por hora e podem romper a lubrificação; o metal contra metal teve o maior aumento de atrito no reinício do movimento (cap. 17, p. 257).

As forças medidas. BERGMANN mediu diretamente, com próteses instrumentadas e telemetria (cap. 17, p. 258):

A equação de ARCHARD. O volume desgastado é proporcional à carga vezes a distância de deslizamento. Num estudo de 13 pacientes (seis homens e sete mulheres, 54 anos na cirurgia) com a mesma prótese e o mesmo diâmetro de cabeça, o desgaste linear variou de 0,009 a 0,395 mm/ano, uma diferença enorme. O produto dos momentos externos do quadril (marcador da carga) pelo arco de flexão e extensão (marcador da distância) explicou 43% da variância do desgaste, e 65% sem os pontos fora da curva (figura 17.5). Ou seja: o modo como cada um anda pesa muito.

A equação de desgaste do metal contra metal (cap. 20, p. 295, figura 20.16). O capítulo 20 escreve: volume de desgaste = k × L × x ÷ 3p, em que k é a probabilidade de produzir uma partícula, L é a carga, x é a distância de deslizamento e p é a dureza do material mais macio do par. O volume é proporcional à carga e à distância e inversamente proporcional à dureza. No metal contra metal, há um detalhe: aumentar o raio da cabeça aumenta a distância, mas também melhora a lubrificação, o que reduz k; por isso a cabeça maior pode desgastar menos nesse par, se a geometria for correta.

O caminho do desgaste. Os trajetos de cada ponto da cabeça sobre a cúpula se cruzam durante a marcha: o polietileno sofre cisalhamento multidirecional, que desorganiza as cadeias e acelera os detritos. A folga diametral de mais de 150 µm faz a área de contato menor que o curso: o modo é de deslizamento, misto de alternado e multidirecional.

Os mecanismos em cada par

Fundamento

Os modos de McKELLOP. Para a artroplastia, McKELLOP definiu quatro modos de desgaste (cap. 17, p. 259):

1. Modo 1: o movimento pretendido (as superfícies articulares contra si). 2. Modo 2: uma superfície articular contra uma não articular, como na microsseparação da cabeça seguida da colisão contra a borda da cúpula. 3. Modo 3: partículas duras de terceiro corpo entre as superfícies (abrasão de dois ou três corpos). 4. Modo 4: duas superfícies não articulares em contato, como o impacto do colo na borda da cúpula.

Metal ou cerâmica contra polietileno. Há adesão (fibrilas puxadas do polietileno), abrasão ocasional por cimento e osso, e fadiga superficial (pites na transição, delaminação quase só nos insertos muito oxidados). A aparência mais comum é o polimento. Não há reações triboquímicas relatadas no polietileno. O desgaste do fundo (backside) por fretting entre o liner e o metal-back pode formar granulomas nos furos de parafuso.

Cerâmica contra cerâmica. Tem o menor desgaste de todos os pares. O mecanismo dominante é a fadiga superficial leve, com aspecto polido; não há adesão, por causa da baixa ductilidade; e as partículas cerâmicas, frágeis, se quebram em detritos finos que polem, em vez de produzir abrasão de três corpos. O desgaste em faixa (NEVELOS) na parte superior da cabeça é atribuído principalmente à microsseparação seguida de colisão contra a borda: o modo 2 de McKELLOP, com fraturas inter e intragranulares. Uma cúpula muito inclinada também dá carga na borda; os problemas de lubrificação e o stick-slip são apontados como causa do rangido. Os pontos de contato sofrem ciclos térmicos, por causa da baixa condutividade, que podem induzir transformação de fase, sobretudo na zircônia; a alumina resiste melhor (cap. 17, p. 261).

Metal contra metal. O par contraria uma regra básica da tribologia: não se deve articular materiais iguais e dúcteis, que tendem à adesão. Pela estrutura CFC do cobalto-cromo, seriam esperadas partículas adesivas em flocos de vários micrômetros. Mas as partículas reais têm cerca de 50 nm. Os autores estudaram 42 próteses McKEE-FARRAR com média de 11,7 anos no corpo e não encontraram aparência de adesão. A explicação (cap. 17, p. 262 e 263):

• O mecanismo dominante num par que funciona bem é a fadiga superficial leve: carbonetos fraturados e aglomerados de partículas rolam entre as superfícies, fazem micropites e polem, e ao mesmo tempo separam as superfícies e impedem a adesão.
• A liga de cobalto-cromo forma, sob a superfície, um gradiente de deformação que termina numa camada nanocristalina na superfície; as partículas se soltam dessa camada, e por isso são tão pequenas. É uma propriedade das ligas de cobalto; o aço 316L não faz isso e solta partículas maiores.
• As camadas triboquímicas (tribofilmes), ricas em carbono e derivadas de proteínas (com até material grafítico), reduzem o atrito e impedem a adesão: são benéficas. Nos simuladores, o EDTA foi usado para reduzir depósitos de fosfato de cálcio, e o efeito no desgaste foi desprezível; as camadas não foram "removidas por aumentarem o desgaste".
• MATHEW estimou que cerca de um terço da perda de material no metal contra metal vem da sinergia entre desgaste e corrosão (tribocorrosão).

O problema clínico do metal contra metal é, sobretudo, de desenho das cabeças grandes; abaixo de 36 mm, o par se mostrou relativamente seguro.

O metal contra metal: história e geometria

Fundamento

As origens (cap. 20, p. 289):

• WILES, em 1938: par de aço inoxidável contra aço.
• SMITH-PETERSEN, em 1939: a artroplastia de molde em cobalto-cromo-molibdênio, uma "concha oca" colocada sobre o fêmur proximal, articulando com o acetábulo natural, tão fina que era um recapeamento do osso, não uma ressecção. Foi a base da biocompatibilidade do cobalto-cromo e do princípio do recapeamento.
• McKEE: o primeiro uso registrado da liga de cobalto-cromo numa artroplastia total metal contra metal, com uma cúpula metálica articulando com a prótese de Thompson. Era cimentada nos dois lados, com haste de secção em diamante e cúpula com projeções como um "sputnik".
• RING: logo depois, a prótese não cimentada, com haste chata parecida com a Austin-Moore e cúpula com uma longa haste rosqueada no ílio.
• Depois vieram Huggler, Müller e Stanmore, todas fundidas, na condição como fundida.

O capítulo 1 lembra que essas primeiras próteses falharam cedo por materiais ruins, geometria equatorial e fixação inferior; o metal contra metal não surgiu nos anos 1990. O renascimento veio em 1988, com o Metasul de WEBER (28 mm, cobalto forjado de alto carbono, sanduíche de polietileno que reduz o contato em cerca de 50%; mais de 400 mil implantados).

As vantagens descritas. O capítulo 1 dá desgaste do metal contra metal em torno de 0,004 mm/ano, contra 0,1 mm/ano do polietileno; componentes mais finos, cabeça de diâmetro maior, mais estabilidade, mais arco de movimento até o impacto do colo, autopolimento dos riscos. E as desvantagens: íons de cobalto e cromo detectáveis sistemicamente e reações de partes moles.

A geometria: polar, congruente ou equatorial. As primeiras próteses tinham medidas imperiais e técnicas de medição primitivas; com a decimalização, produtos marcados ao mesmo tempo como 19/16 polegadas e 40 mm (32 µm de diferença) misturaram geometrias (cap. 20, p. 294):

O capítulo conclui: o metal contra metal exige geometria polar. A folga radial é a diferença entre os raios da cabeça e da cúpula (a diferença entre os diâmetros é a folga diametral, o dobro). McMINN observou que os rolamentos que CHARNLEY testou no seu comparador de atrito eram anulares, sem entrada de lubrificante, o que ajudou a condenar injustamente o par; o atrito alto passava à interface com o cimento e soltava a cúpula. BROWN e JACOBSSON viram sobrevida comparável entre McKEE-FARRAR e Charnley em 20 anos.

O recapeamento, os registros e as reações ao metal

Fundamento

O BHR. O Birmingham Hip Resurfacing, de Derek McMINN, foi o primeiro a juntar as lições da primeira geração (cap. 20, p. 297 a 299):

• Liga como fundida, de alto carbono (acima de 0,25%), com as contas da superfície acetabular fundidas junto (Porocast), justamente para evitar os tratamentos térmicos pós-fundição, que pioram a resistência ao desgaste.
• Geometria polar, com folga suficiente para manter a "folga efetiva" mesmo depois da deformação da cúpula ao ser impactada no osso duro do paciente jovem.
• Fixação híbrida: componente femoral cimentado com cimento de baixa viscosidade e componente acetabular não cimentado com hidroxiapatita.
• Na série do próprio McMINN, com 3.205 BHR, 96% continuavam sem revisão 14 anos depois. Os pacientes que CHARNLEY considerava de maior risco (jovens e ativos) passaram a ser os candidatos ideais. O recapeamento é mais durável em homens jovens, que comportam componentes maiores.

O que os registros mostraram. No registro australiano de 2013 (AOANJRR):

Seis dos dez recapeamentos listados não atingiam o limite do NICE de 1% de revisão por ano até 10 anos, e vários produtos foram recolhidos. O capítulo atribui o mau desempenho ao desenho e ao material, não só à técnica: ligas modificadas em relação ao como fundido (menos resistência ao desgaste, partículas menores), folgas alteradas que reduziram o ângulo de entrada do fluido (sobretudo depois da deformação da cúpula no osso duro) e, no ASR, uma redução importante do ângulo subtendido da cúpula, que antecipa a carga na borda com qualquer erro de inclinação ou versão. No ASR, os três fatores ocorreram juntos: microestrutura mista, folga diametral baixa (cerca de 100 µm) e ângulo subtendido muito reduzido para caber o sistema de introdução.

O pseudotumor. O grupo de Oxford descreveu em 2008 derrames e massas sólidas em volta do quadril, chamados de pseudotumores, e previu uma epidemia. Depois se viu que a maioria dos casos tinha carga na borda, associada à inclinação e à versão acetabulares inadequadas e a desgaste alto; a epidemia não veio. E os pseudotumores não são novos nem exclusivos do metal contra metal: ocorrem com partículas de outros materiais (cap. 20, p. 300). A corrosão do cone também aparece em pares que não são metal contra metal. Quanto ao câncer, três trabalhos importantes (entre eles VISURI, que seguiu portadores de McKEE-FARRAR por 30 anos) mostraram que o metal contra metal não aumenta o risco de câncer em geral nem em locais específicos.

Os íons e o organismo (cap. 12, p. 181 e 182). As partículas metálicas são minúsculas (25 a 26 nm, 10 a 120 nm) em comparação com as de polietileno (400 a 1.150 nm), e por isso circulam pelo corpo, com efeitos locais e sistêmicos. Pontos que caem:

• Cobalto acima de 10 µg/L e cromo acima de 1 µg/L indicam desgaste importante (Mayo Clinic); metalose mais provável com cromo acima de 17 e cobalto acima de 19 µg/L (De SMET).
• No recapeamento, mulheres, componentes pequenos, displasia e idade abaixo de 40 anos se associaram a mais pseudotumor e revisão (GLYN-JONES).
• Cobaltismo artroprotético: com cobalto sérico acima de 60 µg/L, casos de cardiomiopatia, cegueira, surdez, cefaleia, declínio cognitivo, neuropatia, convulsões e fadiga.
• A revisão para metal contra polietileno reduz significativamente os íons, mas não os normaliza imediatamente após a cirurgia.
• O uso do metal contra metal nos Estados Unidos caiu para menos de 0,5%, quase só em recapeamentos de homens jovens ativos.

Revisão rápida

Fundamento

Metais.

1. CFC: 316L; CCC: titânio beta; HC: titânio alfa e cobalto abaixo de 400 °C. 2. Endurecer = bloquear discordâncias (intersticiais mais que substitucionais; trabalho a frio no 316L; grão fino; precipitação). 3. Escoamento a 0,2%; módulo pouco sensível a defeitos; fenda distal reduz a rigidez flexural. 4. Fadiga de alto ciclo: 2 a 5 milhões de ciclos por ano; vida gasta na iniciação; 0,3 a 0,5 da resistência máxima. 5. Cobalto veio da odontologia; aço 18-8 de 1926 precisou de molibdênio; titânio veio da aeronáutica. 6. Ti-6Al-4V bimodal abaixo de cerca de 930 °C, módulo metade do cobalto, sensível ao entalhe; titânio puro só para revestimento (graus pelo oxigênio, alfa-case). 7. Cobalto encrua e é difícil de usinar; F-1537 difere da F-75 no nitrogênio. 8. Filme passivo de 2 a 10 nm; passivação nítrica serve ao 316L; pH abaixo de 1 na fresta. 9. Como fundido: M23C6, carbono até 0,35%; homogeneização abaixo e solubilização acima da eutética; HIP tira a porosidade; forjado tem mais fadiga.

Cimento.

1. Rejunte, não cola; pó com PMMA pré-polimerizado (menos retração e calor), líquido com o monômero. 2. Preservar 2 a 3 mm de esponjoso; lavagem pulsátil; pistola retrógrada; pressurizar; acetábulo acima de 5 kPa, antes da cúpula. 3. Haste polida subside e comprime o cimento; pré-revestida soltou 24% em 8 anos. 4. Vácuo retrai para a haste e revasculariza a cortical; pré-aquecer a haste aquece o osso. 5. Antibiótico hidrofílico, eluição pela lei de Fick, pico em minutos; registros favorecem o cimento acima de 60 a 65 anos.

Tribologia e metal contra metal.

1. Atrito e desgaste são do tribossistema; 90% do atrito vira calor. 2. λ maior, menos atrito e desgaste; misto é o mais comum in vivo; metal contra polietileno misto ou limítrofe. 3. Fluência não é desgaste; quatro mecanismos; adesão em metais dúcteis iguais. 4. Tropeço até 8 vezes o peso; ARCHARD explicou 43% da variância; V = k × L × x ÷ 3p. 5. Faixa de desgaste da cerâmica = modo 2 de McKELLOP; metal contra metal com camada nanocristalina e tribofilme. 6. McKEE cimentado (primeiro total de cobalto); RING não cimentado; geometria polar. 7. BHR como fundido, híbrido, 96% em 14 anos; ASR com três defeitos; pseudotumor por carga na borda; cobaltismo acima de 60 µg/L.