Superfícies de apoio da artroplastia do quadril: polietileno e cerâmica

Como ler este capítulo

Fundamento

Este resumo é inspirado em quatro capítulos do The Adult Hip: Hip Arthroplasty Surgery, editado por John J. Callaghan, Aaron G. Rosenberg e Harry E. Rubash: o 12 (Biomaterials Overview), o 13 (Basic Science of Ceramics), o 14 (Basic Science of Polyethylene) e o 19 (Ceramic Articulations). São os capítulos que a prova de título e os simulados de fellowship de quadril usam para perguntar sobre as superfícies de apoio, e eles se completam: o capítulo 14 ensina a química e a mecânica do polietileno, o 13 a ciência e a engenharia da cerâmica, o 19 a tribologia e a clínica dos pares cerâmicos e o 12 dá a visão panorâmica, com a zircônia, o compósito e o zircônio oxidado.

Por que esse assunto importa tanto. A artroplastia do quadril de CHARNLEY combinou, em 1962, uma cabeça de aço inoxidável, um soquete de polietileno e o cimento de polimetilmetacrilato. O par metal contra polietileno continua sendo o padrão-ouro, mas o que limita a vida longa da prótese, sobretudo no jovem ativo, é o desgaste: as partículas de polietileno ativam os macrófagos, que liberam citocinas, que reabsorvem o osso em volta do implante, e a osteólise leva ao afrouxamento. O capítulo 14 lembra que as causas de revisão do quadril nos Estados Unidos são a luxação (23%), a soltura mecânica (20%) e a infecção (15%), e que a fatia de pacientes de 45 a 64 anos operados subiu de 28% em 1990 para 42% em 2002: cada vez mais gente precisa de uma prótese para trinta anos. Toda a história deste resumo é a tentativa de diminuir o desgaste sem trocar um problema por outro: o polietileno mais resistente ao desgaste ficou menos tenaz; a cerâmica que quase não se desgasta pode quebrar e ranger; o metal contra metal liberou íons.

O roteiro:

1. O que é o polietileno: polímero, cristal e peso molecular. 2. A radiação, os radicais livres e a oxidação: por que o polietileno antigo delaminava. 3. A reticulação: o que a dose dá e o que ela tira. 4. A estabilização térmica: refundir ou recozer. 5. A vitamina E e as estratégias novas. 6. A fadiga, a borda e o tamanho da cabeça. 7. O que é cerâmica: inerte ou bioativa, e a alumina. 8. A história das cerâmicas no quadril. 9. Zircônia, compósito de matriz de alumina e ZTA. 10. Os ensaios, a fabricação e o cone. 11. Cerâmica contra polietileno. 12. Cerâmica contra cerâmica: tribologia, faixa de desgaste e resposta tecidual. 13. A confiabilidade e a fratura. 14. O rangido. 15. O zircônio oxidado (Oxinium). 16. Revisão rápida.

Uma advertência de leitura vale para o capítulo inteiro. Os capítulos 13 e 19 foram escritos por grupos diferentes e às vezes dão números diferentes para a mesma coisa: a norma ISO 6474 aparece como de 1980 no capítulo 13 e de 1984 no 19; a composição do BIOLOX delta aparece como 80 a 83% de alumina; a série de ZICHNER aparece como revisão cinco vezes menor (capítulo 13) ou 30% menor (capítulo 19) com a cabeça cerâmica. A prova costuma pegar a ideia (qual é maior, qual é a direção do efeito), e quando pega o número, a alternativa errada costuma estar muito longe do certo.

O polietileno: polímero, cristal e peso molecular

Fundamento

Polimerizar não é reticular. O polietileno é uma longa cadeia de unidades de etileno (CH2) ligadas umas às outras: a formação dessa cadeia é a polimerização, e é ela que faz do material um polímero. A reticulação (crosslinking) é outra coisa: é a criação de ligações covalentes entre cadeias vizinhas que já existem, feita depois, no material já polimerizado e consolidado, em geral pela radiação ionizante. A família dos polietilenos (linear de baixa densidade, de muito baixa densidade, de baixa densidade, de alta densidade e de ultra-alto peso molecular) se distingue pelo comprimento das cadeias e pelo grau de ramificação, não pela reticulação (cap. 14, p. 201 e 202).

O que é UHMWPE. O capítulo 14 é preciso nos números, e a prova também:

CHARNLEY chamava o seu material de HDPE, e o capítulo diz que o nome era historicamente correto: o que hoje se chama UHMWPE é uma classificação posterior. Quem diz que o material de 1958 "já era classificado como ultra-alto peso molecular" erra a história.

Semicristalino, não amorfo. O UHMWPE tem duas fases: lamelas cristalinas (cadeias dobradas e organizadas, com 10 a 50 nm de espessura e 10 a 50 µm de comprimento) dentro de uma matriz amorfa, atravessada por moléculas de ligação (tie molecules) que unem as lamelas. O comportamento é viscoplástico. Essa dupla estrutura é a chave de tudo o que vem depois: a radiação age de modo diferente em cada fase, e o tratamento térmico muda a proporção entre elas. A resistência ao impacto é máxima entre 2,4 e 3,3 milhões g/mol, e a resistência à abrasão estabiliza perto de 3,3 milhões.

Como se faz a peça. A viscosidade de fusão do UHMWPE é tão alta que ele não pode ser injetado como um plástico comum. A resina em pó é consolidada por moldagem por compressão ou por extrusão em aríete (ram extrusion), e a peça final é usinada da barra ou moldada diretamente. O resfriamento lento dá mais cristalinidade e um módulo maior; a têmpera em água dá um material mais mole. Sob pressão e temperatura muito altas (acima de cerca de 210 °C e centenas de MPa) aparece uma fase cristalina hexagonal, de cadeias estendidas, mais cristalina e mais forte: é a base da cristalização sob alta pressão, que reaparece na seção da vitamina E.

Aditivos que falharam. Dois lembretes históricos aparecem na prova. O estearato de cálcio, usado na resina, associou-se a oxidação, a faixa branca e a defeitos de fusão entre os grânulos. O Poly II, polietileno reforçado com fibra de carbono, falhou: as fibras aderiam mal à matriz e funcionavam como pontos de nucleação de trincas, o contrário do que se esperava.

Radiação, radicais livres e oxidação

Fundamento

O que a radiação faz. A radiação ionizante (gama ou feixe de elétrons) quebra ligações carbono e hidrogênio e cria radicais livres de carbono nas cadeias. O destino desses radicais depende de onde eles estão:

• Na fase amorfa, as cadeias têm mobilidade, e dois radicais próximos se encontram e formam uma ligação entre as cadeias: é a reticulação (ligações em Y e em H).
• Na fase cristalina, as cadeias estão presas nas lamelas, a cerca de 4,1 Å umas das outras, distância grande demais para formar a ligação carbono e carbono (1,5 Å). Os radicais ficam aprisionados e decaem muito devagar, ao longo de anos (cap. 14, p. 203).

Como o radical vira oxidação. O oxigênio reage com o radical aprisionado e forma um radical peroxila, que arranca um hidrogênio de uma cadeia vizinha e cria um novo radical: a reação se perpetua. Os hidroperóxidos se decompõem em cetonas, ésteres e ácidos e provocam cisão de cadeia: a massa molecular cai, e com ela a resistência, a ductilidade e a resistência à fadiga. Os radicais são medidos por ressonância de spin eletrônico; a oxidação é medida pelos grupos carbonila, por espectroscopia de infravermelho (índice de oxidação).

A banda branca e a delaminação. O polietileno convencional era esterilizado por radiação gama ao ar, com 25 a 40 kGy. A dose produzia alguma reticulação (por isso o polietileno esterilizado por gama até se desgastava menos no começo do que o nunca irradiado), mas deixava muitos radicais presos, e o oxigênio fazia o resto, na prateleira e no corpo. A oxidação é máxima cerca de 1 mm abaixo da superfície, e aparece no corte da peça retirada como uma banda branca: uma faixa mais oxidada e frágil, que racha ao ser cortada. In vivo, essa camada é onde as trincas começam; elas se propagam até a superfície e soltam grandes pedaços: pites, trincas e delaminação (cap. 12, p. 175; cap. 14). A figura clássica do capítulo 14 mostra insertos retirados com 8, 13, 17 e 24 anos, com desgaste progressivo, delaminação e destruição estrutural. Os laboratórios de peças retiradas chegaram a relatar taxas de falha por fadiga perto de 50% nos insertos gama ao ar, o que mudou a indústria inteira (cap. 12, p. 175).

A primeira resposta: tirar o oxigênio. A partir de 1995, os fabricantes passaram a irradiar em gás inerte (nitrogênio ou argônio) com embalagem de barreira, ou a vácuo. Isso resolveu a oxidação na prateleira, mas não a oxidação no organismo: o oxigênio dissolvido e as espécies oxidantes do corpo continuam a reagir com os radicais que a radiação deixou, e as peças retiradas embaladas em barreira também mostram a banda branca (cap. 12, p. 175 e 176).

As alternativas que não usam radiação. O óxido de etileno (gás tóxico, em uso desde os anos 1970) e o plasma gasoso esterilizam sem radiação e não mudam a química do UHMWPE: não deixam radicais e por isso não oxidam, e as peças não mostram delaminação por oxidação. O preço é que também não reticulam: o polietileno esterilizado assim é um polietileno sem ligações cruzadas, que se desgasta como o nunca irradiado. O óxido de etileno, além disso, é demorado e gera resíduos perigosos (cap. 12, p. 176). Quem diz que o óxido de etileno "reticula intensamente" ou que o plasma "gera muitos radicais" inverte o mecanismo.

A descoberta incômoda: oxidação sem radicais. O capítulo 14 traz dois achados que derrubaram a ideia de que bastava eliminar os radicais. Os lipídios do líquido sinovial são absorvidos pelo polietileno e podem iniciar a oxidação. E a carga cíclica aumenta a oxidação: no gráfico de perfis de oxidação do polietileno irradiado com 100 kGy e refundido, envelhecido a 80 °C, as amostras submetidas a carga cíclica oxidaram mais do que as sem carga, mesmo sem radicais residuais detectáveis, e a oxidação se concentra junto às superfícies, não no centro. É um dos argumentos para adicionar antioxidantes (vitamina E) mesmo ao material refundido.

A reticulação: o que a dose dá e o que ela tira

Fundamento

Por que reticular reduz o desgaste. O capítulo 14 explica o mecanismo do desgaste do polietileno no quadril: a superfície sofre grande deformação plástica, as cadeias se orientam na direção do movimento e formam fibrilas; quando o movimento muda de direção (o quadril se move em várias direções a cada passo, o chamado movimento multidirecional), as fibrilas orientadas são rompidas e viram partículas. A reticulação amarra as cadeias umas às outras, reduz a deformação plástica e a orientação, e o desgaste cai muito. Foi, segundo o capítulo, o avanço mais importante do polietileno: OONISHI, nos anos 1970, já irradiava com doses altíssimas (600 a 1.000 kGy ao ar) e obtinha penetração de 0,006 mm/ano contra 0,098 do convencional.

A curva da dose. A densidade de ligações cruzadas aumenta com a dose, mas satura perto de 100 kGy, e o desgaste no ensaio multidirecional cai de forma assintótica: a queda é grande nas primeiras dezenas de kGy e o ganho fica cada vez menor depois. McKELLOP mostrou que doses acima de 100 kGy davam retorno decrescente, e por isso o material refundido comercial nos Estados Unidos raramente passa de 100 kGy (cap. 12, p. 177; cap. 14).

O preço da dose. A reticulação reduz justamente a capacidade de deformação plástica que dava tenacidade ao polietileno. Com a dose, caem a ductilidade, a resistência à tração, a tenacidade ao impacto e a resistência à propagação de trincas por fadiga. HUOT mostrou a queda da tenacidade à tração e ao impacto com a dose crescente; o capítulo 12 resume: comparando a curva de desgaste de McKELLOP com a de tenacidade de HUOT, fica claro que não se melhora a resistência ao desgaste sem diminuir as propriedades mecânicas do polímero. Há relatos de cúpulas de polietileno altamente reticulado que falharam por propagação de trinca em evento único ou por fadiga, atribuídos à menor ductilidade (cap. 12, p. 178).

Essa é a leitura do gráfico de dose contra tenacidade ao impacto e taxa de desgaste: o desgaste cai muito nas doses iniciais, o ganho fica pequeno acima de 100 kGy, e a tenacidade cai continuamente. Não é uma relação linear e sem limite, a tenacidade não fica constante, e o desgaste não volta a subir acima de 100 kGy (a razão de não usar doses maiores é o retorno pequeno somado à perda mecânica).

Gama ou feixe de elétrons. As duas fontes reticulam. A gama (cobalto-60) penetra sem limite prático, e a taxa de dose depende da atividade da fonte. O feixe de elétrons usa partículas aceleradas: com 10 MeV penetra cerca de 4 a 4,5 cm, a taxa de dose é cerca de cem vezes maior, e o aquecimento adiabático aquece o material durante a irradiação (irradiar a quente aumenta as ligações em H).

A estabilização térmica: refundir ou recozer

Fundamento

Reticular resolve o desgaste, mas deixa radicais livres, e radicais significam oxidação. Por isso todo polietileno altamente reticulado passa por um tratamento térmico depois da irradiação, e a prova adora a diferença entre as duas maneiras de fazê-lo (cap. 12, p. 177; cap. 14, p. 205 a 207).

A frase de memorização: refundir troca mecânica por estabilidade química; recozer troca estabilidade química por mecânica. O capítulo 12 acrescenta que, até a data do livro, não havia relatos publicados de delaminação da superfície articular de materiais recozidos no quadril, embora haja a preocupação com oxidação em situações de impacto do colo ou subluxação.

Os nomes comerciais da primeira geração. O capítulo 14 traz a tabela das séries clínicas: Crossfire (75 kGy e recozido, esterilizado por gama em nitrogênio), Marathon (50 kGy e aquecido acima da fusão, esterilizado por plasma), Durasul (95 kGy e fundido, óxido de etileno), Longevity (100 kGy por feixe de elétrons e fundido, plasma). O uso em larga escala começou em 1998 e 1999. A penetração clínica de todos ficou muito abaixo da do convencional em 7 a 10 anos (Marathon com 0,05 mm/ano em 10 anos; Longevity com 0,005 mm/ano depois da acomodação).

A segunda geração tentou ter as duas coisas. O X3 (Stryker) é irradiado de modo sequencial: três ciclos de 30 kGy seguidos de recozimento a 130 °C (abaixo da fusão), com esterilização final por plasma. A dose total é alta, a cristalinidade fica preservada (cerca de 62%) e os radicais ficam baixos, mas ainda detectáveis. O erro clássico da alternativa é dizer que o X3 "foi refundido acima da fusão em três ciclos": ele foi recozido abaixo da fusão. Outra estratégia de segunda geração é a vitamina E, na seção seguinte.

A vitamina E e as estratégias novas

Fundamento

Por que a vitamina E. A vitamina E (α-tocoferol) é o antioxidante mais abundante do corpo: doa o hidrogênio do grupo hidroxila do anel cromano a um radical e interrompe a cascata de oxidação; um tocoferol pode neutralizar dois radicais peroxila. É lipofílica (dissolve-se bem no polietileno, que também é apolar) e não piora o desgaste nem a mecânica. A ideia é estabilizar os radicais sem refundir, guardando a cristalinidade e a resistência (cap. 14, p. 213 a 216).

Dois caminhos, com consequências opostas para a reticulação.

O material difundido teve desgaste cerca de 90% menor que o convencional em simulador, independente do tamanho da cabeça, e resistência à fadiga maior que a do refundido (0,70 a 0,77 contra 0,55 a 0,69 MPa·m½). A vitamina E é lipofílica, e não hidrofílica: é justamente isso que permite difundi-la pela espessura do polímero.

As outras estratégias do fim do capítulo 14 (p. 217 e 218):

• Vitamina E misturada, irradiada e recozida mecanicamente (ECiMa, Corin): a deformação mecânica com recozimento abaixo da fusão elimina os radicais; não há fusão, e a mecânica fica preservada.
• Cristalização sob alta pressão: acima de cerca de 210 MPa aparece a fase cristalina hexagonal, de cadeias estendidas; a cristalinidade sobe para cerca de 70% e a fadiga melhora. O antecessor foi o Hylamer (DePuy e DuPont, 1991), mais cristalino, mais forte e mais rígido, que falhou clinicamente (associado à zircônia, NORTON relatou 67,6% de falha em 5 anos; cap. 19).
• Reticulação limitada à superfície: com penetração de 0,05 mm/ano, uma camada reticulada de cerca de 2 mm duraria 40 anos; usa-se pouca vitamina E na superfície (que reticula) e muita no núcleo (que fica tenaz).
• Fusão em alta temperatura (280 a 320 °C) do material com vitamina E antes de irradiar: aumenta o alongamento e reduz os defeitos de fusão entre os grânulos, sem mudar a cristalinidade.

A fadiga, a borda e o tamanho da cabeça

Fundamento

Onde o reticulado quebra. O polietileno refundido tem menos resistência à fadiga, e a preocupação clínica é a fratura da borda. O capítulo 14 é objetivo: as falhas por fadiga dos insertos irradiados e refundidos são raras, ocorrem na borda e estão associadas quase sempre a uma concha muito vertical (abdução alta) ou muito antevertida, que deixa o colo bater na borda (impacto) e concentra a carga num polietileno fino. A zona considerada segura no capítulo é de 5 a 25 graus de anteversão e 30 a 45 graus de abdução. Não ocorrem no centro do inserto, e não são causadas por componente horizontalizado e retrovertido. A combinação perigosa, que o capítulo também cita, é cabeça grande com polietileno fino na borda.

O tamanho da cabeça, em duas medidas diferentes. É preciso separar o desgaste linear (a penetração da cabeça no polietileno, em mm por ano) do desgaste volumétrico (o volume de polietileno perdido, em mm³ por ano, que é o que determina o número de partículas e a osteólise).

• Uma cabeça grande tem área de contato maior, logo pressão de contato menor: penetra menos, o desgaste linear é menor. Mas percorre uma distância maior a cada ciclo, e o volume perdido é, de forma simplificada, a área do círculo da cabeça vezes a penetração (o capítulo 18 calcula o volume como um cilindro de raio igual ao da cabeça e altura igual ao desgaste linear): o desgaste volumétrico é maior.
• Uma cabeça pequena concentra a carga: penetra mais, desgaste linear maior, mas volume menor. Foi o raciocínio de CHARNLEY com a cabeça de 22 mm (baixo atrito, pouco volume), à custa da estabilidade e do arco de movimento.

O capítulo 14 resume: no polietileno convencional, o desgaste aumenta com o tamanho da cabeça, porque o aumento da distância percorrida domina a redução da pressão; por isso se usavam cabeças de 22 a 28 mm. Com o altamente reticulado, os simuladores não mostraram aumento significativo do desgaste com cabeças maiores (um liner reticulado de 46 mm desgastou menos que um convencional de 22 mm), e foi isso que liberou as cabeças acima de 32 mm, mais estáveis. O X3 e o polietileno com vitamina E difundida também não mostraram influência do tamanho da cabeça.

O que é cerâmica: inerte ou bioativa, e a alumina

Fundamento

Definição e fabricação. Cerâmicas são materiais não metálicos e inorgânicos, compostos de um metal e um não metal (cap. 12; cap. 19). A peça nasce de um pó misturado com água e um ligante orgânico, prensado num molde, seco, com o ligante queimado, e depois sinterizado a uma temperatura muito mais alta, que adensa o material. A microestrutura final depende do ciclo térmico, e a pureza do pó, o tamanho e a distribuição dos grãos e a porosidade decidem as propriedades mecânicas e biológicas. A biocompatibilidade excelente vem do alto grau de oxidação: o material já está "queimado" ao máximo.

A classificação pela resposta tecidual. O capítulo 19 classifica as cerâmicas ortopédicas pelo que acontece quando elas são implantadas no osso:

As bioativas são osteocondutoras: funcionam como arcabouço e só formam osso dentro de um ambiente ósseo. Material osteoindutor é outra coisa: induz osso até fora do osso. A hidroxiapatita é osteocondutora, não osteoindutora. O capítulo 19 cita ainda os números da hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2, relação cálcio e fósforo de 1,67, aplicada por plasma spray; revisão femoral de 0,3% em 8,1 anos numa série multicêntrica) e do fosfato tricálcico β (relação 1,5, reabsorvível por dissolução e osteoclastos).

A alumina, a cerâmica de referência. A alumina de grau cirúrgico (Al2O3) é sinterizada entre 1.600 e 1.800 °C. A fase que interessa é a alfa-alumina (coríndon), hexagonal compacta, com ligações iônicas e covalentes muito fortes. O que a prova cobra (cap. 13, p. 186; cap. 19, p. 278 a 280):

• Já está oxidada no seu estado de equilíbrio (maior estado de oxidação): é termodinamicamente estável e quimicamente inerte, não corrói e não libera íons, ao contrário dos metais. O capítulo 13 chama isso de segurança biológica funcional.
• É muito dura (o capítulo 12 diz que a dureza da cerâmica é cerca de cinco vezes a do cobalto-cromo), o que dá enorme resistência ao risco.
• É muito molhável: os ânions de oxigênio da superfície atraem a água e as proteínas (quimiossorção); a estrutura iônica é hidrofílica, as proteínas cobrem a superfície numa monocamada, e forma-se uma película de fluido que lubrifica. A molhabilidade da alumina é maior que a dos metais e dos polímeros.
• O defeito: baixa tenacidade. É frágil.

Elástica linear e frágil. A alumina tem excelente resistência à compressão e resistência à flexão limitada. Tem comportamento elástico linear: deforma de modo proporcional à carga até romper, sem deformação plástica antes da fratura. Não existe um estágio de deformação que avise da falha iminente, nem na radiografia nem na peça. É exatamente o contrário dos metais, que escoam antes de quebrar. O módulo de elasticidade da alumina é cerca de 300 vezes o do osso esponjoso e 190 vezes o do cimento.

Como a alumina quebra. A tenacidade à fratura (KIc) mede a capacidade de resistir à propagação de uma trinca. A fratura acontece quando o fator de intensidade de tensão K1 de algum ponto do material passa do KIc. Na prática, o modo de falha é o crescimento subcrítico de trinca: pequenas imperfeições (poros, inomogeneidades, riscos, microentalhes) crescem com a carga repetida, numa velocidade que depende do tamanho da falha inicial, da qualidade do material e da carga. Não dá para eliminar todas as imperfeições, mas é fundamental que a trinca inicial seja menor que 100 µm; WILLMANN mostrou que, assim, o K1 fisiológico não chega ao limite de fadiga (cap. 19, p. 279).

A carga de ruptura. A resistência ao estouro de uma cabeça de 32 mm num cone 12/14 é de 102 kN, bem acima da exigência da FDA (46 kN) e muito acima das cargas fisiológicas (abaixo de 20 kN, segundo o capítulo 19). Quem diz que 46 kN é a resistência da cabeça de 32 mm, ou que fica próxima das cargas fisiológicas, confunde o mínimo regulatório com o valor medido e esquece a margem.

A história das cerâmicas no quadril

Fundamento

BOUTIN, 1970. Pierre BOUTIN, em Pau, na França, implantou em abril de 1970 a primeira artroplastia de alumina contra alumina: haste de aço, cúpula toda de alumina, ambos cimentados, e a cabeça colada com resina epóxi num munhão cilíndrico curto (ou, até 1977, rosqueada). O resultado mostrou o defeito da fixação: dissociação cabeça e haste em 45 de 791 quadris (5,7%) entre 1970 e 1977, e 10 fraturas (1,3%), porque a alumina da época tinha grão grande, distribuição larga e baixa pureza (cap. 19, p. 284). A virada veio em 1977, com o cone Morse em haste de titânio e a alumina densa de grau cirúrgico.

A contribuição alemã. Na Alemanha, MITTELMEIER (Autophor e Xenophor, cúpula rosqueada não cimentada) e HEIMKE (Lindenhof, press-fit) trabalharam com DÖRRE, da Feldmühle (hoje CeramTec), que desenvolveu a alumina médica BIOLOX. A grande inovação alemã foi a conexão cônica de travamento: DÖRRE e SEMLITSCH introduziram a modularidade com cone Morse em 1972 (cap. 13, p. 187). Quem atribui o cone a BOUTIN em 1970 erra: BOUTIN usava epóxi.

CHARNLEY não usou cerâmica. A artroplastia de CHARNLEY de 1962 era aço, polietileno e cimento. A cerâmica entrou para resolver o problema do polietileno, não com ele.

As normas. A primeira norma para a alumina médica foi a ISO 6474, de 1980 segundo o capítulo 13 (baseada na DIN 58835; o capítulo 19 dá 1984), seguida da ASTM F603. A zircônia estabilizada por ítrio ganhou a ISO 13356 em 1997.

A cúpula: o elo fraco. Quando a fratura ficou rara, o problema passou a ser a fixação do soquete. As primeiras séries tiveram muitas falhas, e o capítulo 13 insiste que a culpa foi do desenho (cúpulas monobloco rosqueadas, ausência de superfície de crescimento ósseo), não do par cerâmico: a série francesa (172 pacientes, 15 cúpulas revistas por soltura e 5 fraturas de cabeça), a alemã (109 pacientes, 24 revisões por soltura femoral e 5 cabeças fraturadas) e a americana de MILLER com o MITTELMEIER (26% de soltura femoral, sem fratura). Na série histórica de BOUTIN revista por HAMADOUCHE (118 quadris de 1979 e 1980), a sobrevida da cúpula em 20 anos foi de 85,6% na não cimentada contra 61,2% na cimentada; a haste ficou parecida (84,9% não cimentada, 87,3% cimentada); o desgaste foi indetectável e não houve fratura (cap. 19, p. 284). A evolução da cúpula passou pelo cimento, pelo press-fit monobloco e pela concha rosqueada, até a concha de titânio com hidroxiapatita e inserto modular de alumina.

Os resultados modernos e a mudança do problema. O ensaio randomizado de LEWIS comparou alumina contra alumina com alumina contra polietileno convencional: em mediana de 8 anos, o desgaste foi de 0,11 mm/ano no alumina contra polietileno e 0,02 mm/ano no alumina contra alumina; com 10 anos, fora o desgaste, os resultados foram iguais (cap. 13; cap. 19). As cabeças de zircônia, introduzidas em 1985, foram recolhidas pela FDA em 2001. E o capítulo 19 fecha a parte clínica com um aviso: nos pares cerâmicos modernos de alumina e de compósito, a fratura ou o lascamento do inserto já ocorre com mais frequência que a fratura da cabeça.

Zircônia, compósito de matriz de alumina e ZTA

Fundamento

A zircônia e o seu problema. A zircônia (ZrO2) veio para resolver a baixa tenacidade da alumina: é mais tenaz (KIc de cerca de 5,5 contra 4,2 MPa√m) e mais resistente à flexão (900 a 1.200 contra 400 MPa), o que permitia cabeças pequenas de 22 ou 26 mm com pouco risco de fratura (cap. 12, p. 179; cap. 19, p. 285). Mas a zircônia pura é instável: tem três fases cristalinas (monoclínica, tetragonal e cúbica), e a mudança de uma para outra vem com grande variação de volume e trincas. Por isso ela precisa ser estabilizada com outros óxidos, sobretudo o óxido de ítrio (Y-TZP), que mantém os grãos tetragonais num estado metaestável.

O ponto fraco é a degradação a baixa temperatura: no ambiente úmido do corpo, a fase tetragonal metaestável tende a se transformar em monoclínica. A consequência é perda de resistência, mais chance de fratura e aumento da rugosidade da superfície, com mais desgaste do polietileno (cap. 12, p. 179). Numa cabeça fraturada, a fase monoclínica chegava a 60% perto do cone. HARAGUCHI mostrou em cabeças retiradas a fase monoclínica subindo de 1% para cerca de 30% na superfície, com crateras e rugosidade de 0,006 para 0,12 µm. Clinicamente, ALLAIN encontrou sobrevida de 63% em 8 anos com cabeças de zircônia contra polietileno, e HERNIGOU e BAHRAMI viram a zircônia desgastar menos nos primeiros 5 anos e muito mais entre 5 e 12 anos, com o dobro de osteólise no calcar. Em 2001, o maior fabricante recolheu lotes de cabeças por um problema no processamento térmico desses lotes, com fraturas inaceitáveis, e a zircônia monolítica caiu em desuso (cap. 12, p. 179; cap. 19, p. 286). A zircônia sobrevive hoje dentro do compósito.

O compósito de matriz de alumina (BIOLOX delta). Introduzido em 2002 pela CeramTec, combina a dureza da alumina com a tenacidade da zircônia. A composição, em volume:

Os três mecanismos de reforço (cap. 13, p. 189; cap. 19, p. 280):

1. Transformação tetragonal para monoclínica da zircônia: quando uma trinca chega, a tensão na ponta dela faz o grão de zircônia tetragonal virar monoclínico, com expansão de volume de cerca de 4%. A expansão gera tensões de compressão em volta da ponta da trinca, que a "apertam" e a impedem de avançar, absorvendo energia. É a figura clássica do capítulo 13: alumina em cinza, zircônia tetragonal em amarelo e zircônia transformada em vermelho, ao longo do caminho da trinca, sob carga crescente. 2. Plaquetas alongadas (aluminato ou óxido de estrôncio, de estrutura hexagonal): pela forma, desviam e param a trinca. 3. Óxido de cromo: devolve a dureza que a zircônia tiraria, deixando o compósito tão duro quanto a alumina pura.

Ao contrário da zircônia pura, o compósito é hidrotermicamente estável: envelhecido em autoclave por 6 horas (ASTM F2345), não mostrou diferença em relação ao não envelhecido. A palavra que a prova usa é microestruturalmente estável.

A ZTA. O capítulo 12 chama de ZTA (zirconia-toughened alumina) a mesma ideia: alumina reforçada por partículas de zircônia, com a matriz de alumina dando a dureza e a zircônia dando a resistência à trinca, e, ao contrário da zircônia pura, microestruturalmente estável. Com 10% de zircônia, o KIc sobe para 5,9 com dureza igual à da alumina; uma ZTA comercial com cerca de 75% de alumina e 25% de zircônia declara 1.150 MPa e KIc de 8,5.

O que mais reduziu a fratura. Os dois capítulos concordam que o grande ganho de confiabilidade das cerâmicas veio da melhora dos processos industriais (pureza, densidade, grão pequeno, sala limpa, prensagem isostática a quente, marcação a laser, proof test) e do cone bem desenhado, e não de trocar a alumina por zircônia pura. O compósito acrescentou tenacidade, mas sobre uma alumina já muito melhor fabricada.

Os ensaios, a fabricação e o cone

Fundamento

Dois ensaios, duas perguntas. O capítulo 13 mostra os dois testes lado a lado (p. 190):

• Flexão em quatro pontos (ISO 6474-2): uma barra do material apoiada em dois pontos e carregada em outros dois. Mede a resistência do material, independente do desenho.
• Ruptura (burst) da cabeça (ISO 7206): a cabeça acabada é montada num cone metálico (de titânio, no ensaio da tabela 13.2) e comprimida até estourar. Simula a carga in vivo no componente. A referência mínima é de 46 kN, muito acima da carga máxima estimada no corpo (o capítulo 13 fala em cerca de 10 kN). O compósito rompe com carga maior que a alumina.

A margem é proposital: o valor mínimo do ensaio de ruptura não é igual à maior carga do organismo, é várias vezes maior.

A fabricação que salvou a cerâmica. Os processos críticos, muitos além do que as normas exigem: sala limpa (impurezas criam fases vítreas nos contornos dos grãos, pontos fracos), sinterização a temperatura menor, prensagem isostática a quente (cerca de 1.200 atm e mais de 1.400 °C, fecha a porosidade), grão abaixo de 0,7 µm, marcação a laser (a gravação antes da sinterização criava pontos de tensão) e o proof test: desde 1995, cada componente, e não uma amostra do lote, recebe uma carga não destrutiva parecida com a clínica, alta o bastante para revelar uma falha interna crítica e baixa o bastante para não danificar a peça (cap. 13, p. 191).

O cone, o ponto mais importante na mão do cirurgião. O capítulo 13 diz que a conexão cônica entre a haste e a cabeça cerâmica é um dos fatores mais importantes da confiabilidade das cerâmicas atuais. As regras:

1. Os cones da haste e da cabeça têm de ser compatíveis. 2. As superfícies têm de estar sem dano. 3. As superfícies têm de estar limpas e sem detritos durante o acoplamento. 4. A cabeça deve ser impactada com bom alinhamento axial.

Qualquer material interposto (sangue, gordura, osso, partículas, até água) ou qualquer dano no cone altera a distribuição da carga e reduz a carga de ruptura da cabeça (figura 13.9). O capítulo 19 acrescenta: o material interposto entre o metal e a cerâmica pode elevar o fator de intensidade de tensão acima do limite de fadiga; por isso a limpeza rigorosa do cone Morse e a introdução suave da cabeça, sem marteladas fortes, são obrigatórias. A película de sangue não amortece nada: concentra tensão. E a cabeça definitiva não deve ser testada em cone metálico de prova, nem ter contato prévio com instrumentos metálicos, que podem riscar a superfície interna do cone cerâmico.

O que 12/14 não diz. A designação "12/14" indica só dois diâmetros do cone em dois pontos. Não define o ângulo e sua tolerância, a rugosidade, o comprimento e outros detalhes críticos do desenho. Cones 12/14 de fabricantes diferentes não são automaticamente compatíveis. O ângulo importa: ângulos menores aumentam as tensões na cabeça cerâmica e podem levar à fratura; o capítulo 13 mostra a queda da capacidade de carga quando o ângulo diminui a partir do valor ótimo de 5,73 graus (figura 13.10). Para a revisão sobre um cone já usado, existe a cabeça de compósito com manga de titânio (BIOLOX Option).

Cerâmica contra polietileno

Fundamento

O ganho. A cabeça de alumina contra polietileno convencional produz de duas a cinco vezes menos detritos que o par metal contra polietileno, e cabeças de alumina retiradas depois de mais de 20 anos não mudaram de diâmetro, esfericidade ou rugosidade. O afrouxamento caiu mais de duas vezes (cap. 13, p. 193). As séries citadas pelo capítulo 13:

O capítulo 19 é mais cauteloso: depois de 3 a 5 milhões de ciclos o atrito sobe, e com concentração fisiológica de proteína no lubrificante a redução real do desgaste do polietileno é da ordem de duas vezes. Os ensaios de zircônia contra polietileno são enganosos: o aquecimento por atrito precipita proteínas e forma uma camada protetora que não existe in vivo.

Com o polietileno altamente reticulado. O reticulado é mais frágil e mais sensível a uma cabeça metálica riscada. A cerâmica não risca nem fica rugosa, e por isso protege o reticulado: LEE mostrou que cabeças de compósito reduziram o desgaste do reticulado de 65% a 97% em comparação com cabeças metálicas artificialmente riscadas. HENDRICH, o único ensaio randomizado citado de alumina contra metal sobre reticulado (28 mm, pacientes abaixo de 60 anos), encontrou desgaste linear significativamente menor com a alumina em 5 anos. O uso de cerâmica chegou a cerca de 35% das artroplastias na Europa e 50% nos Estados Unidos, segundo o capítulo 13.

Cerâmica contra cerâmica: tribologia, faixa de desgaste e resposta tecidual

Fundamento

Por que o par funciona. A alumina contra alumina é um par de atrito excelente porque junta baixa rugosidade (Ra de 0,02 µm, pelo grão pequeno), alta dureza (resistência ao risco), alta molhabilidade e lubrificação por película de fluido (cap. 19, p. 281). Os números in vitro que a prova usa:

A faixa de desgaste e a microsseparação. Os primeiros simuladores não reproduziam o desgaste das peças retiradas. O grupo de FISHER, em Leeds, introduziu a microsseparação: uma mola lateral, com carga baixa na fase de balanço, separa a cabeça da cúpula; no retorno, a cabeça bate na borda do inserto. Assim apareceram as faixas de desgaste (stripe wear) na cabeça, com desgaste correspondente na borda da cúpula, e um desgaste de 1,24 mm³ por milhão de ciclos, muito maior que sem microsseparação. As partículas tiveram distribuição bimodal: nanométricas (1 a 35 nm), do polimento normal, e micrométricas (0,05 a 10 µm), da fratura transgranular na faixa (cap. 19, p. 281). O capítulo 12 resume a hipótese: microsseparação dos centros na fase de balanço e carga na borda no contato do calcanhar. A figura do capítulo 12 mostra a faixa marcada em azul (lápis azul usado na análise) e, ao microscópio eletrônico, a superfície da faixa com grãos inteiros arrancados. Não é oxidação subsuperficial (isso é do polietileno), não é transformação de fase da alumina (a alumina não tem a transformação da zircônia) e não é corrosão do cone. Uma ressalva honesta do capítulo 19: KOMISTEK não viu microsseparação in vivo na fluoroscopia de pacientes com alumina contra alumina, talvez por baixa sensibilidade do método. O compósito, mesmo com microsseparação e abdução excessiva, teve desgaste muito pequeno.

O que as peças retiradas mostraram. PRUDHOMMEAUX estudou 11 pares de alumina retirados por soltura do soquete (11 anos em média) e os classificou em três grupos: baixo desgaste, desgaste em faixa (área oblonga visível na cabeça, penetração abaixo de 10 µm/ano) e desgaste grave (perda de material nos dois componentes, penetração acima de 150 µm). O desgaste da alumina é ou mínimo ou catastrófico; os dois casos graves eram anteriores a 1978 e ficaram em uso por mais de 15 anos com o soquete inclinado e solto. Depois de 1978, a mediana foi de 5 µm/ano. Com a melhora da alumina, o limite deixou de ser o desgaste maciço e passou a ser a soltura do soquete (cap. 19, p. 282 e 283).

Os detritos e a biologia. As partículas de alumina incomodam muito menos o organismo:

• BOHLER: concentração de partículas nos tecidos 2 a 22 vezes menor que no metal contra polietileno.
• Depois de uma fase inflamatória inicial, as partículas são quase bioinertes: pouca resposta celular, cicatriz fibrosa discreta. Não se veem células gigantes em contato com elas, ao contrário das partículas de polietileno e metálicas. Reação de corpo estranho só com grande volume de detrito, depois de longa soltura.
• LEROUGE comparou membranas de 12 alumina contra alumina e 18 metal contra polietileno soltos: a intensidade da reação celular foi igual, mas no grupo da alumina a reação era às partículas de zircônia do radiopacificador do cimento: só 12% dos detritos eram de origem articular, e 76% eram de zircônia. A partícula média de alumina tinha 0,5 µm, menor que o grão original (1 a 5 µm).
• SEDEL: a prostaglandina E2 nos tecidos foi menor no alumina contra alumina (69 contra 202 fmol/mg no metal contra polietileno).
• CATELAS e PETIT: a liberação de TNF-α foi 8 a 10 vezes maior com o polietileno do que com a alumina; a alumina induz apoptose dos macrófagos mais cedo e mais intensamente, o que talvez explique a menor liberação de citocinas e a raridade da osteólise (cap. 19, p. 283).
• A osteólise com alumina contra alumina é rara e se concentrou no MITTELMEIER (alumina de grão grande, baixa densidade e porosa, com soquete ruim e falha de 27% em 26 meses).

A confiabilidade e a fratura

Fundamento

Os números atuais. O capítulo 13 reúne a literatura de 2000 a 2012: 65.177 artroplastias com 24 componentes fraturados, cerca de 0,036% (p. 196). D'ANTONIO e CAPELLO, em 52.000 pares cerâmicos implantados desde a aprovação de 2003, viram 4 fraturas acetabulares (0,008%) e 9 de cabeça (0,017%). O capítulo 19 cita 0,02% para a alumina e 0,03% para a zircônia (WILLMANN, 1,5 milhão de cabeças desde 1974) e HECK, com 22 fraturas em 10.000 cabeças num levantamento dos membros da AAHKS. A primeira geração, sem normas, tinha fratura de 3% a 5%.

A fratura não é espontânea. O capítulo 13 insiste num ponto que a prova transforma em alternativa errada: as fraturas cerâmicas têm causas: contaminação ou dano do cone, assentamento incorreto dos componentes, componentes incompatíveis (mismatch), sobrecarga, trauma. Não são um evento espontâneo e isolado do material. As falhas da primeira geração, por sua vez, foram sobretudo de desenho e fixação (cúpulas monobloco, ausência de superfície de crescimento), e não do par cerâmico.

O inserto. Nos estudos de aprovação, o problema que restou foi o assentamento do liner: HAMILTON teve três eventos intraoperatórios na colocação do inserto cerâmico, e MURPHY, em 1.709 quadris, teve 4 fraturas de inserto, quase todas lascas intraoperatórias (0,27%). Um inserto mal assentado na concha cria tensões altas e pode lascar ou fraturar; uma concha deformada ou uma partícula presa (tecido, cimento) dificulta o assentamento. É por isso que o capítulo 19 diz que hoje o inserto lasca ou fratura mais que a cabeça.

Classe III. Nos Estados Unidos, os pares cerâmica contra cerâmica são dispositivos de classe III da FDA: exigiram ensaios prospectivos randomizados com cerca de 300 pacientes, seguimento mínimo de 2 anos e relatórios anuais por pelo menos 5 anos.

A corrosão do cone. A cabeça cerâmica também ajuda no cone: WALTER, em 52 explantes do mesmo desenho com quatro pares diferentes, e KURTZ, em 50 cabeças cerâmicas contra 50 metálicas, encontraram menos dano por fretting e corrosão no cone com as cabeças cerâmicas. O problema da corrosão do munhão está ligado sobretudo às cabeças metálicas grandes.

O rangido

Fundamento

O que é e quanto acontece. O rangido (squeaking) é um ruído audível do quadril. A incidência relatada varia muito entre as séries: de menos de 1% a mais de 20% (cap. 12; cap. 19), e não é uniforme. O capítulo 12 diz que o rangido contribuiu para a queda do uso de cerâmica contra cerâmica para menos de 2% das artroplastias novas nos Estados Unidos.

Não é exclusivo da cerâmica. O capítulo 13 é enfático: ruídos de articulação foram associados ao metal contra polietileno, ao metal contra metal, ao recapeamento e à cerâmica contra cerâmica.

É multifatorial. Os fatores reunidos pelos capítulos 13 e 19:

O capítulo 12 registra que STANAT e RESTREPO concluíram que o mau posicionamento não é a causa, o que é coerente com a ideia de que nenhum fator isolado explica o ruído.

O desenho pesa muito. Conchas com travamento cônico e inserto cerâmico rente à borda tiveram incidência abaixo de 1%; um desenho com o liner encapsulado em titânio e rebaixado teve de 2,7% a mais de 20%. Numa instituição, os cirurgiões que usavam uma haste específica tiveram mais rangido com o mesmo acetábulo (cap. 13, p. 197).

Mecanismos propostos. WALTER encontrou nas peças desgaste excessivo, carga na borda e movimento entre o inserto e a concha, e sugeriu que a concha se torna um oscilador. Outros defendem a perda da película de fluido (carga na borda, terceiro corpo cerâmico, superfície danificada), com vibração por atrito amplificada pela concha metálica por ressonância (cap. 19, p. 284).

O que dizer ao paciente. Em geral o paciente aceita o ruído sem prejuízo da função; o rangido pode desaparecer espontaneamente; não demonstrou prever mau desempenho clínico nem comprometer a integridade mecânica; alguns pacientes precisam de revisão, mas não todos. A possibilidade deve ser discutida antes da cirurgia, no consentimento (cap. 13, p. 198; cap. 19, p. 284).

O zircônio oxidado (Oxinium)

Fundamento

Não é cerâmica, embora se comporte como uma na superfície. O zircônio oxidado (Oxinium, Smith & Nephew) é uma liga metálica de 97,5% de zircônio e 2,5% de nióbio (Zr-2,5Nb), introduzida no quadril em 2003. A peça é aquecida ao ar a 500 a 700 °C por cerca de 6 horas, e a superfície se transforma numa camada de óxido de zircônio (zircônia monoclínica) de cerca de 4 a 5 µm, preta. Essa camada não é um revestimento: é um continuum com o substrato metálico, através de uma zona de metal enriquecido de oxigênio, sem interface. É exatamente o que a distingue dos revestimentos cerâmicos aplicados (plasma, carbono tipo diamante por deposição), que falharam (cap. 12, p. 180; cap. 19, p. 280 e 281).

As vantagens. A superfície tem a dureza e a baixa rugosidade da cerâmica e é muito resistente ao risco em comparação com o cobalto-cromo; o núcleo é metálico, com alta tenacidade e resistência à fadiga, e por isso, no ensaio de ruptura, a cabeça deforma, mas não quebra. A liga não tem níquel. Contra polietileno convencional, o capítulo 12 cita 45% menos desgaste com cabeças lisas e 61% menos com cabeças rugosas em comparação com o cobalto-cromo. O capítulo 19 faz a ressalva que a prova cobra: contra o polietileno altamente reticulado, com cabeças lisas, não houve diferença significativa entre o Oxinium e o cobalto-cromo; a vantagem esperada vem da resistência ao risco in vivo.

O ponto fraco: a luxação. A camada dura tem só alguns micrômetros. Quando a cabeça luxa e entra em contato com a borda metálica da concha, ou quando a redução é feita contra o metal, a camada pode ser destruída e expor o zircônio metálico, mole. O capítulo 19 cita EVANGELISTA (dano após redução aberta de luxação anterior irredutível), KOP (três cabeças danificadas contra a concha metálica após redução fechada) e McCALDEN (dano após artroplastia de rotina por via lateral); a figura 19.5 mostra uma cabeça riscada depois de múltiplas luxações. O capítulo 12 conta um caso em que um liner trincado deixou a cabeça tocar a concha de titânio, a camada se destruiu, e os detritos de zircônio e nióbio causaram inflamação, sem necrose.

Para revisar os números da cerâmica nesta comparação. A dureza da cerâmica é cerca de cinco vezes a do cobalto-cromo; a cerâmica não tem deformação plástica importante antes de fraturar (é elástica linear); o compósito de alumina reforçado por zircônia é microestruturalmente estável; o rangido ajudou a reduzir o uso da cerâmica contra cerâmica; o zircônio oxidado perde a camada dura com luxação e contato metálico.

Revisão rápida

Fundamento

Polietileno em dez linhas.

1. Polimerização forma a cadeia de etileno; reticulação liga cadeias já formadas, pela radiação. 2. UHMWPE: semicristalino, acima de 3,1 milhões g/mol (ASTM). 3. Radicais na fase amorfa reticulam; na cristalina ficam presos por anos e oxidam. 4. Gama ao ar: banda branca cerca de 1 mm abaixo da superfície, cisão, delaminação; gás inerte (1995) não impede a oxidação in vivo; óxido de etileno e plasma não reticulam. 5. A reticulação satura perto de 100 kGy e tira tenacidade, ductilidade e fadiga. 6. Refusão: sem radicais, menos cristalinidade e fadiga. Recozimento: mecânica preservada, radicais residuais. 7. X3: três ciclos de 30 kGy recozidos a 130 °C. 8. Vitamina E difundida (E-Poly, 2007): cristalinidade preservada, mais fadiga que o refundido. Misturada antes: reduz a reticulação. 9. Fadiga do refundido: rara, na borda, com concha vertical ou antevertida. 10. Cabeça grande: menos linear e mais volumétrico; no reticulado, o desgaste não aumentou de forma relevante.

Cerâmica em dez linhas.

1. Inertes deslizam; bioativas fixam e preenchem (osteocondutoras). 2. Alumina: já oxidada, dura (cerca de cinco vezes o cobalto-cromo), molhável, pouco tenaz, elástica linear, falha por crescimento subcrítico de trinca (trinca inicial abaixo de 100 µm). 3. BOUTIN, 1970: cabeça colada com epóxi; cone Morse alemão em 1972; ISO 6474 e depois ASTM F603. 4. Zircônia pura instável; tetragonal para monoclínica piora resistência e rugosidade; recall de 2001. 5. BIOLOX delta: cerca de 80 a 82% de alumina, 17% de zircônia, 3% de aluminato de estrôncio; zircônia expande cerca de 4% e comprime a trinca. 6. Flexão em quatro pontos testa o material; ruptura da cabeça testa o componente (mínimo de 46 kN). 7. Cone limpo, sem dano, compatível, impactado de forma suave e axial; 12/14 não define o cone. 8. Cerâmica reduz o desgaste do polietileno de duas a cinco vezes. 9. Faixa de desgaste: carga na borda pela microsseparação; detritos quase bioinertes; 24 fraturas em 65.177; o inserto lasca mais que a cabeça. 10. Rangido multifatorial e não exclusivo; Oxinium com 5 µm de óxido sobre metal, danificado pela luxação.

As armadilhas que mais caem.

• Trocar recozimento por refusão (o X3 é recozido; a refusão é que zera os radicais).
• Dizer que a embalagem em gás inerte acabou com a oxidação no corpo.
• Dizer que a vitamina E misturada melhora a reticulação.
• Dizer que a zircônia contrai ao se transformar, ou que a alumina se transforma.
• Dizer que a cerâmica avisa antes de quebrar.
• Confundir 46 kN (mínimo regulatório) com a resistência medida ou com a carga fisiológica.
• Dizer que o rangido é exclusivo da cerâmica contra cerâmica ou que sempre exige revisão.
• Dizer que o Oxinium é uma cerâmica monobloco ou que é imune à luxação.