Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 34, Nº 1, 67 - 77, 2011 Study of corrosion in femoral implant Yelitza Figueroa de Gil 1 , Glorys López 2 , Carlos Palomo 3 , José Luis Prin 1 y Alberto Albornoz 4 1 Departamento de Ciencia de los Materiales, Laboratorio de Corrosión, Instituto de Investigación en Biomedicina y Ciencias Aplicadas (IIBCA), Universidad de Oriente. [email protected]. 2 Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Departamento de Mecánica, Núcleo de Anzoátegui, Universidad de Oriente. [email protected]. 3 Coordinador Plan de Reemplazos Articulares, Hospital "Antonio Patricio de Alcalá", Cumaná, Venezuela. [email protected]. 4 Centro de Química del IVIC, Apdo. 1020-A. Km 11 Carretera Panamericana Altos de Pipe. Abstract Bioimplants are subject to severe conditions in the human body as they must coexist with tissue environment that makes their metallic parts susceptible to corrosion. Extracellular tissue fluids constitute an oxygenated aqueous solution containing different salts and glucose, an electron-conducting medium of chloride ions that elicits electrochemical corrosion phenomena and interferes with the optimum performance of implants by disturbing their interrelation with bone tissue. The intense wear and tear of implants may require surgical removal and replacement. This paper reports on the corrosion sustained by a femoral prosthesis that had been implanted in a female patient during total cemented arthroplasty due to a left femoral neck fracture in 1997. Generalized in situcorrosion was observed upon implant retrieval, prompting analysis by both optic and electron microscopy (SEM), as well as by infrared spectroscopy with a Fourier transform. The analysis confirmed the ongoing corrosion process brought about by the contact of the prosthetic component with organic and inorganic compounds in the cellular fluids. Key words: Implants, femoral component, corrosion. Estudio de corrosión en implante femoral Resumen Las condiciones en las que tienen que actuar los bioimplantes en el cuerpo humano son muy severas, ya que entran en contacto con un medio el cual tiene predisposición a producir corrosión en los metales de estos dispositivos. En condiciones normales, los fluidos extracelulares del cuerpo humano, se pueden considerar como una disolución acuosa de oxigeno, diversos complejos de sales y glucosa. Se trata, de un medio electrolítico que contiene iones cloruro y conduce electrones, lo que facilita que puedan producirse fenómenos electroquímicos de corrosión, que interfieren con el funcionamiento óptimo del implante o perturban la interrelación del implante con el hueso. El objetivo del trabajo es el estudio de un componente femoral y cabeza del componente femoral extraído de paciente femenina, quien posterior a fractura del cuello femoral izquierdo (1997), resultó intervenida,
Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007
Introducción
Cada año, aproximadamente medio millón de personas reciben un implante de cadera [1].
Estos sistemas protésicos, sustituyen el cartílago desgastado de las superficies articulares,
consecuencia de fracturas, artrosis articular y artritis reumatoidea; con el objetivo principal
de aliviar el dolor y la restauración de la función articular [2]. En el caso de la cadera se
trata del reemplazo protésico de la articulación coxo-femoral. Esto implica reemplazo de la
cabeza del femoral y de la superficie acetabular con componentes artificiales, como se
muestra en la Figura 1. Tanto el vástago como la cúpula acetabular deben ser fijados al hueso o por fijación a presión o mediante un polímero, conocido como cemento óseo.
El reemplazo de la articulación requiere de varias consideraciones como son: cargas y
velocidades, desgaste y fricción, resistencia a la corrosión y compatibilidad, requerimientos
funcionales, fijación, instrumentación, métodos de producción y selección adecuada de los
materiales. Para asegurar estabilidad a largo plazo de la parte implantada, los materiales y
las propiedades superficiales así como las características de desgaste y fricción son
particularmente importantes, ya que las partículas generadas del desgaste debido al
movimiento pueden reducir la vida útil de la junta y crear serios problemas a la salud [2, 3].
Cuando una parte metálica es colocada en un humano, los tejidos adyacentes a los objetos
colocados en el sistema músculo-esquelético, reaccionan contra el implante, como si fuera
un cuerpo extraño. Toda la junta, el metal, el cemento y el hueso son expuestos a
exigencias mecánicas como resultado de la fricción mecánica entre el hueso y la prótesis
artificial, originándose una serie de reacciones tóxicas asociadas con la fricción de las partes
y ello finalmente puede conllevar a la falla protésica ocasionada por sobrecarga y corrosión
metálica [4]. La corrosión representa un serio problema, ya que las partes implantadas
están en contacto con tejidos y fluidos del cuerpo humano [2-5]. En la mayoría de la
literatura consultada se encuentra que los productos desprendidos de los procesos de
desgaste y corrosión de las juntas femorales estimulan reacciones adversas en los tejidos
cercanos a las prótesis [5-9].
En el presente estudio se caracteriza los materiales y daños por corrosión ocurrido en una
prótesis femoral extraída de paciente femenina, de 57 años, quien posterior a fractura del
cuello femoral izquierdo (1997), se le practicó artroplastia total de cadera izquierda
cementada, sin otros antecedentes patológicos de relevancia. La paciente presentó dolor
insidioso en la articulación de la cadera izquierda, irradiado al muslo y la rodilla, que
determinó cojera desde el primer mes postoperatorio de manera persistente. Al año de la
intervención comenzó a presentar orificios fistulosos a nivel del muslo con supuración
activa, cuyos cultivos revelan presencia de estafilococo dorado. Permaneció con tratamiento
sintomático a base de antibióticos orales y analgésicos. Fue evaluada en el programa de
reemplazos articulares del Hospital Antonio Patricio de Alcalá de Cumana en el 2003 y se le
planificó para tratamiento quirúrgico, el cual consistió de Osteotomía femoral extendida,
extracción del implante, curetaje óseo, cultivos y antibiograma y aislamiento de los
componentes protésicos para su estudio. Presentó fractura patológica del fémur durante
la intervención por lo cual requirió fijación endomedular no rimada, actualmente consolidada pero continua con infección activa, esperando nueva cura operatoria.
Procedimiento
En este estudio se le presta atención a la degradación ocurrida por corrosión en la prótesis
femoral izquierda. Para la evaluación se realizó inspección visual en el momento de la
extracción, estudio macroscópico de la prótesis femoral completa y microscópico de zonas
seleccionadas para estudio. Se evaluó la composición química, microestructura y dureza de
los materiales de fabricación de la prótesis y del cemento utilizado para la fijación al hueso
femoral.
La inspección visual se realizó en todo el cuerpo de la prótesis extraída que se presenta en la Figura 2.
En esta figura, se muestran los dos lados (lados 1 y 2) de la prótesis de longitud total 200
mm, esta es del tipo modular, constituida por un cuerpo monolítico o vástago (ABC) en cuya
parte superior (C) encaja la cabeza femoral (D). El cuerpo (A) va introducido en el hueso al
cual se fija mediante cemento como el que se observa en color blanco en la Figura 2. Los
orificios A1, A2 y pestaña lateral en la parte superior del vástago, forman parte del sistema
de fijación; los orificios alojan pasadores que mantienen en posición al componente. En
la Figura 3 se presentan fotografías tomadas con lupa estereoscópica al momento de la
extracción de la prótesis, donde se puede observar superficies con presencia de proceso corrosivo el cual fue significativo para el estudio que se presenta.
Se evaluó el área total del componente (visual y estereoscopía), determinándose el
porcentaje de área afectada por corrosión en ambas caras y cantos del componente, los
resultados se presentan en la Tabla 1, mientras que otros detalles visualizados se presentan en las Figuras 4 y 5.
De la sección A, B, C y D se extrajeron probetas que fueron preparadas según norma ASTM
E3 y atacadas para estudio microestructural mediante microscopía óptica (MO). Las Figuras
6 y 7 presentan detalles de esta evaluación. Las mismas probetas fueron luego sometidas a
ensayos de microdureza realizados según norma ASTM E 384-05 a, utilizando un
microdurómetro Buehler bajo carga normal de 100 gf por 10 s, con penetrador piramidal de
diamante de base cuadrada y ángulos entre caras de 136°. Los resultados se presentan en
la Tabla 2. Otras muestras fueron extraídas para realizar análisis de la composición química
del metal en el vástago y del cemento. La composición química del metal fue analizada por
espectroscopia de rayos X por dispersión en la energía (E.D.X. o E.D.S.), mediante un
Microscopio Electrónico de Barrido PHILIPS modelo XL-30 trabajando con un voltaje de
aceleración de 25 kV y Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS), mientras que el
cemento fue analizado mediante Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR). Los resultados obtenidos se muestran a través de las Figuras 8-10.
A fin de determinar si la superficie del vástago presentaba algún tratamiento para inhibición
de la corrosión y para probar la susceptibilidad de corrosión del material del vástago en su
condición: 1) original, 2) desnudo o decapado, 3) con superficie lisa y deformada, se
diseñaron pruebas electroquímicas a fin de determinar la pérdida de masa y de espesor que
sufre el material al ser sumergido en una solución salina. Para esto se preparó una celda
electroquímica utilizando una fuente de poder externa, conectando mediante cables una
muestra de la sección A (ánodo) al polo positivo, y al polo negativo un electrodo de grafito
(cátodo) y para el electrolito se preparó una solución de NaCl 3,5% m/v. Durante la prueba
se registró una corriente de 2,1 A durante un tiempo de exposición de 10 min. Se dejó
expuesta a la solución un área de 0,5 cm × 1cm en cada cara de la muestra y el resto del
área fue recubierta con una película seca de poliuretano. Para la evolución de pérdida de
masa se utilizó una balanza digital con apreciación de 0,0001 g. La comparación de la tasa
de pérdida de masa en las distintas condiciones sería un indicativo de la protección que
ofrece la película de (color azul) observada en la superficie del vástago y de la
susceptibilidad del material a sufrir corrosión en las otras condiciones. Los resultados se
presentan en la Tabla 3, mientras que en las Figuras 11-12 se muestra gráficamente y mediante microscopía óptica la severidad y morfología del daño ocurrido en las superficies.
Cabe destacar que esta deformación no se observa hacia la salida del orificio en el lado 2
donde el área afectada por corrosión es menor, como se indica en la Tabla 1. También se
observa corrosión asociada a restos de cemento adheridos al vástago, donde es posible la
confinación de electrolito entre el metal y los espacios libres que deja el cemento al no
adherirse éste completamente al metal. Otras áreas donde se observa corrosión, son
aquellas donde se presentan cambios de sección pronunciados como la pestaña, cantos,
ángulos y filos, tal como destaca en lasFiguras 2, 3 y 4. En la Figura 5, se observa corrosión
alrededor del orifico A2 (perpendicularmente al orificio A1) en el canto superior del vástago,
donde ha desaparecido la coloración y acabado original alrededor del orificio y destaca una fuerte deformación permanente y corrosión generalizada.
Alrededor del orificio A2, se presenta deformación plástica más pronunciada hacia un lado
alrededor del mismo, y esto es indicativo de desigual sobrecarga mecánica, probablemente
aplicada en los elementos de fijación durante el acto operatorio, o mediante movimientos
bruscos realizados por el paciente. En general, se observa que existe coincidencia entre el
área afectada por corrosión y el área deformada en superficies cercanas a orificios que sirven de uniones críticas.
En la Figura 6, se muestra el acabado superficial, la estructura granular y la microestructura
en la sección transversal del vástago en la sección A. La Figura 6 (a), presenta a bajo
aumento una superficie porosa, y rugosa. Superficialmente se observaron poros de diámetro
promedio 200 micras y la rugosidad promedio se estimó en 60 micras. A mayor aumento y
mediante MEB se detectaron detalles de la topografía superficial, observándose partículas de
diferentes morfologías que no llegan a cubrir totalmente la superficie, como se muestra en
la Figura 6 (c). Internamente en la sección transversal de la sección A, la estructura es
típica de un material fundido, siendo evidencia de ello la Figura 6 (b), donde destaca una
estructura policristalina con granos equiaxiales grandes (ASTM-3) hacia la zona central de la
sección transversal, y granos alargados hacia los extremos de la misma, siendo ambos tipos
de granos, típicos de las aleaciones fundidas. La microestructura observada en la Figura 6
(d)consiste de fase beta transformada parcialmente en fase alfa acicular, que es
comúnmente el producto de la transformación de la fase beta durante el enfriamiento en
aire de las aleaciones alfa-beta a base de titanio. De la misma forma, en la Figura 7, se
observa la estructura granular y microestructura en las secciones B y C. La estructura
granular en la sección B que se presenta en la Figura 7 (a), es similar a la observada en
la Figura 6 (b)correspondiente a la sección A, encontrándose granos equiaxiales en toda la sección y el tamaño de grano promedio es menor (ASTM 1) que el estimado en la sección A.
En las Figuras 7 (b) y (c), se muestra la microestructura de la sección B, mientras que en
las Figuras 7 (d) y (e), la correspondiente a la sección C. En ambas secciones existe una
estructura similar a la sección A, detectándose los mismos microconstituyentes pero con
pequeñas variaciones en cuanto a la morfología de la fase acicular, posiblemente debido a
velocidades de enfriamientos distintas. Cada grano se caracterizó por una microestructura
de alfa-beta transformada con apariencia de tejido de cesta, siendo este tejido más fino en
la sección B, tal como se destaca en las Figuras 7 (c) y (e). En la Figura 8 (a), se muestra la
superficie de la cabeza femoral, la cual es una pieza esférica constituida por un substrato
recubierto con una película de aproximadamente 2,5 micras de espesor. El substrato posee
una microestructura consistente de granos finos (levemente alargados) de fase alfa (color claro) y fase beta dispersa e intergranular (color gris), como se observa en la Figura 8 (b).
Los resultados de las evaluaciones de microdureza se presentan en la Tabla 2, destacando
que la mayor dureza (541 HV prom.) la presenta la cabeza femoral cuyo recubrimiento le
4V subcategoría alfa-beta. Este tipo de aleación es comúnmente utilizada en implantes quirúrgicos y se recomienda utilizarla sin cemento.
La degradación del material obedece a una combinación de efectos electroquímicos, como la
corrosión, junto con efectos mecánicos. Los espacios confinados, los altos niveles de
esfuerzos superiores al de fluencia del material y los esfuerzos cíclicos debido al uso, junto
con los fluidos presentes en la cavidad medular del hueso ocasionan un ambiente mecánica
y electroquímicamente inestable para el cemento de PMMA y el material de la prótesis,
respectivamente.
Al decohesionarse parcialmente el PMMA por los altos esfuerzos impuestos en el vástago, la
pasividad de la superficie del vástago se pierde al quedar restos de este cemento adheridos
a la superficie y subsecuentemente se inicia el ataque corrosivo en hendiduras, el cual puede progresar rápidamente, a tasas mayores que la corrosión general.
Cerca de los orificios, hay una alta probabilidad de que se formaran celdas de concentración
metal-iones, iniciándose el proceso corrosivo dentro del espacio anular (espacio confinado)
para las superficies en contacto pasador –superficie interna del implante. La capacidad de
oxidación del fluido en estos espacios fue suficiente como para extenderse fuera del espacio
confinado, alrededor de los bordes de los orificios donde el metal se encontraba
mecánicamente deformado facilitando el ingreso de fluido a la cavidad.
Se intuye que los altos niveles de esfuerzos y la alternabilidad de los esfuerzos cíclicos
rompieron la película porosa destruyéndose la pasividad de zonas alrededor de los orificios,
produciéndose el deterioro observado, donde la corrosión y la disolución metálica crearon
partículas metálicas y de óxidos metálicos que posiblemente se esparcieron en los tejidos
adyacentes a las zonas mayormente afectadas por el proceso corrosivo.
Agradecimiento
A la Unidad de Traumatología del Hospital Universitario Antonio Patricio de Alcalá de la
Ciudad de Cumaná, especialmente al Dr. Carlos Palomo por permitir estar en la extracción de la prótesis y poder realizar su estudio posterior.
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