Corrosão e Fretting do Cone da Haste Femoral

Corrosão e Fretting (Atrito) na Articulação Modular

A Corrosão do cone da haste femoral modular na Artroplastia Total do Quadril (ATQ) foi identificada como uma preocupação clínica já na décadas de 1980/1990. Na sequencia, as tendências de novos designs mais moderno como o par de Articulação Metal-Metal, grandes cabeças femorais e as hastes femorais modulares, reintroduziram recentemente o importante problema da corrosão dos implantes como um sério problema clínico, sendo a causa de 4,2% de todas as Cirurgias de Revisão, tendo em muitos casos consequências graves (Referência Della Valle Craig, AAHKS 2014, apresentação oral).

Über uns

Fontes: The Effect of Bearing Surface on Corrosion at the Modular Junctions in Total Hip Arthroplasty
Selin Munir, Michael B.Cross, Reza Jenabzadeh, Anna Sokolova, Christina Esposito, Dennis Molloy,
William Walter, William Walter, Bernard Zicat – Poster, 25th ISTA 2012, Sydney

With kind permission of A/Prof. William L Walter, Mater Hospital, North Sydney, Australia

A quantidade de publicações sobre este assunto é numerosa e existe o consenso de que o mecanismo de corrosão do cone da Haste Femoral é melhor caracterizado como sendo uma corrosão por micromovimento em regiões de pequeno volume de contato, como pequenas fendas. Embora o tema pareça levar fundamentalmente a um problema relacionado com corrosão em fendas, também a corrosão pelo mecanismo de fretting (desgaste mecânico pelo micromovimento) tem que ser considerada, pois contribui de forma significativa para a remoção das camadas de óxido, de espessura atômica, que protegem o ambiente do avanço da corrosão. A perda de metal é normalmente visto nas amostras explantadas das Hastes e das cabeças femorais metálicas (fabricadas em liga de cromo cobalto) e seus pares de combinação com as hastes femorais. Mesmo que tenha sido imaginado que o fenômeno seria muito mais intenso em cabeças femorais de grande diâmetro Metal-Metal, a corrosão também tem sido observada em pares Articulares Metal Polietileno com cabeças femorais metálicas de 28 milímetros de diâmetro.

A perda de metal ( por mecanismo de desgaste e corrosão) depende de um número de fatores, incluindo variáveis geométricas, tais como as dimensões e a forma da fenda na interface do cone, assim como complexas interações da composição química, metalográfica, elétrica bem como fatores tribológicos aos quais os componentes estão submetidos. Outros fatores como o tempo de implantação, a rigidez à flexão do colo da haste femoral, também foram identificadas como variáveis importantes para este processo

As publicações mais recentes apresentadas sobre este tema relacionado com as cabeças femorais de cerâmica e relacionadas com as cabeças modulares de cerâmica sendo utilizadas com os "sleeves" de titânio, conhecido sistema desenvolvido pela CeramTec para as Cirurgias de Revisão, conhecido como BIOLOX®OPTION.

Deterioração da Interface Iniciada Mecanicamente
(Desgaste, Corrosao por Micromovimento (Fretting) e Desgaste por Corrosao gerada pelo Micromovimento)

O desgaste é definida como um dano a superfície caracterizado pela perda progressiva de material devido ao movimento relativo entre as superfícies opostas. 1 Fretting é definido como: "Um processo de desgaste especial que ocorre na área de contato entre dois materiais sob carga e sujeita a movimentos relativos muito pequenos, que podem ocorrer por vibração ou alguma outra força" (Manual da ASTM de Fadiga e Fratura). Vários autores analisaram a magnitude necessária do movimento para criar este fenômeno, que tem sido geralmente definido como sendo muito pequeno, entre 1 e 100μm (mícron). 2,3 Dada a magnitude das cargas que atuam no corpo, todas as articulações protéticas podem estar suscetíveis ao fenômeno do "fretting"

Iniciação da Deterioração Química da Interface
(Corrosao e Corrosao das fendas)

Figura 1: Esquema da Interface da Solução Metal-Óxido com as moléculas de proteína e a variações de tensão

Com a devida permissao de L. Gilbert

O fenômeno da corrosão na definição da Engenharia corresponde a destruição visível de uma estrutura e por consequência final, a perda da função da mesma. Para um químico, a corrosão é uma reação irreversível que se dá na superfície de um material com o ambiente no qual ele está de modo que o material é consumido e os subprodutos (resíduos) gerados no processo tornam-se parte do ambiente. A corrosão é descrita como uma degradação da superfície devido às interações eletroquímicas que produzem íons metálicos e sais 4 e aplica-se somente aos materiais metálicos. Os metais nobres, como o ouro tem uma superfície especial a qual tem a capacidade de se auto proteger do fenômeno da corrosão, ao passo que todos os outros metais e ligas metálicas poderão sofrer uma reação espontaneamente com o oxigênio presente no ar, formando uma camada mais uma camada oxida, resultado do processo de oxidação, que pode ter características de proteção (passivação) ou não, de acordo com o metal que esta sofrendo a oxidação, como é mostrado na Figura 1

Qualquer violação desta película de óxido poderá levar à corrosão imediata (fluxo de íons) até que o filme de proteção seja formado novamente. 5 O tempo para reconstruir uma nova camada de óxido protetora é chamado de tempo repassivação. Este tempo é dependente da composição do metal e da disponibilidade de oxigênio e leva apenas alguns milissegundos 6, para o caso da liga de Ti6Al4, o tempo é de cerca de 60 milissegundos 7

Referências

  1. Fretting corrosion testing of modular implant interfaces. ASTM F1875-98, reapproved 2009
  2. Mutoh Y. Mechanism of fretting fatigue. JSME International Journal, 1995; 38(4), 405-415
  3. Bill RC. Review of factors that influence fretting wear. Materials Evaluation Under Fretting Condition, ASTM STP 780, American Society for Testing and Materials, New York, 1982, 165-182
  4. Collier P et al. Corrosion between the components of modular femoral hip prostheses. J Bone Joint Surg-Br1992; 74-B, 511-7
  5. Toni A et al. Clinical advantages and fretting concerns with modular neck total hip prosthesis, The institution of mechanical engineers, International conference “Refining future strategies in total hip replacement”, Transactions Volume two, Session 7-11, 2002
  6. Frangini S, Piconi C. Repassivation rates of surgical implantalloys by rotating disk scratching measurements. Materials and Corrosion, 2001; 52, 372-380
  7. Viceconti M et al. Fretting wear in modular neck hip prosthesis. JBiomed Mater Res 1997; 35-2, 207-216
  • Fundamentals

    Corrosion and Fretting Corrosion. A Glossary.

    by Robert M. Streicher PhD

Publications on Taper Corrosion and Fretting related to ceramic modular Heads

Fretting and Corrosion Changes in Modular Total Hip Arthroplasty
Do Ceramic Femoral Heads Reduce Taper Fretting Corrosion in Hip Arthroplasty?
A Retrieval Study

by Steven M. Kurtz PhD, Sevi B. Kocagöz BS, Josa A. Hanzlik MS, Richard J. Underwood PhD, Jeremy L. Gilbert PhD,
Daniel W. MacDonald MS, Gwo-Chin Lee MD, Michael A. Mont MD, Matthew J. Kraay MD, Gregg R. Klein MD,
Javad Parvizi MD, Clare M. Rimnac PhD

Abstract

Background

Previous studies regarding modular headneck taper corrosion were largely based on cobalt chrome (CoCr) alloy femoral heads. Less is known about headneck taper corrosion with ceramic femoral heads.

Questions/purposes

We asked (1) whether ceramic heads resulted in less taper corrosion than CoCr heads; (2) what device and patient factors influence taper fretting corrosion; and (3) whether the mechanism of taper fretting corrosion in ceramic heads differs from that in CoCr heads.

Methods

One hundred femoral head-stem pairs were analyzed for evidence of fretting and corrosion using a visual scoring technique based on the severity and extent of fretting and corrosion damage observed at the taper. A matched cohort design was used in which 50 ceramic headstem pairs were matched with 50 CoCr head-stem pairs based on implantation time, lateral offset, stem design, and flexural rigidity. Results Fretting and corrosion scores were lower for the stems in the ceramic head cohort (p = 0.03). Stem alloy (p = 0.004) and lower stem flexural rigidity (Spearman’s rho = - 0.32, p= 0.02) predicted stem fretting and corrosion damage in the ceramic head cohort but not in the metal head cohort. The mechanism of mechanically assisted crevice corrosion was similar in both cohorts although in the case of ceramic femoral heads, only one of the two surfaces (the male metal taper) engaged in the oxide abrasion and repassivation process.

Conclusions

The results suggest that by using a ceramic femoral head, CoCr fretting and corrosion from the modular head-neck taper may be mitigated but not eliminated.

Clinical relevance

The findings of this study support further study of the role of ceramic heads in potentially reducing femoral taper corrosion.

Fretting Corrosion and Trunnion Wear –
Is it also a Problem for Sleeved Ceramic Heads?

by Roman Preuss, PhD, Kim Lars Haeussler, Markus Flohr,and Robert M. Streicher, PhD

Abstract

Some modular bearing systems with large diameter metal-on-Metal articulation have exhibited higher than usual revisions due to corrosion and metal debris originating from modular metal connections. Large diameter ceramic-on-ceramic bearings exist, which use a titanium alloy adapter sleeve for fixing the ceramic ball head to the stem taper. This study addresses the issue of taper fretting and corrosion for large ceramic bearings with standard and a newly designed experimental setup. While large metal diameter heads have been shown to be a cause for failure of THA, our results demonstrate that large ceramic heads even with a metal adapter sleeve have no effect on corrosion of modular taper connections.

Corrosion in Modular Total Hip Replacements:
An Analysis of the Head-Neck and Stem-Sleeve Taper Connections

by Selin Munir, BE, MBiomedE, Michael B. Cross, MD, Christina Esposito, PhD, Anna Sokolova, and William L. Walter, MBBS, FRACS, FA OrthA, PhD

Abstract

In this retrieval study, modular junctions of retrieved S-ROM® implants were examined to determine the extent of corrosion at the head-neck and stem-sleeve junctions. Corrosion severity was graded in relation to the bearing surface material over time. It was found that the corrosion at the head-neck taper is greater for cobalt-chrome femoral heads compared to ceramic femoral heads. The stem-sleeve junction had significantly more corrosion damage (p < 0.05) in implants that had hard-on-hard bearing surfaces compared to hard-on-soft bearings. This study suggests that bearing surface materials and head size affect the amount of corrosion that is present at the modular junctions.

Does Taper Angle Clearance Influence Fretting and Corrosion Damage at the Head-Stem Interface? A Matched Cohort Retrieval Study

by Sevi B.Kocagöz, BS, Richard J. Underwood, PhD, Shiril Sivan, BE, Jeremy L. Gilbert, PhD, Daniel W. MacDonald, MS, JuddS. Day, PhD, and Steven M. Kurtz, PhD

Abstract

Previous studies have speculated that modular taper design may have an effect on corrosion and material loss at the taper surfaces. We present a novel method to measure taper angle for retrieved femoral head taper and stem trunnions using a roundness machine (Talyrond 585, Taylor Hobson, UK).We also investigated the relationship between taper angle clearance and visual fretting-corrosion score at the taper-trunnion junction using a matched cohort study of 50 ceramic and 50 metal head-stem pairs. In this study, no correlation was observed between the taper angle clearance and the visual fretting-corrosion scores in either the ceramic or the metal cohorts.

  • Fretting and Corrosion at Modular Junctions

    Can ceramics address this clinical issue?

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