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Universidade do Vale do Paraíba. Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento
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Flávio de Andrade Galvão
1 Universidade do Vale do Paraíba Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento Arthur de Siqueira Rodrigues Desenvolvimento de Pinos e Parafusos de Carbono Vítreo para Aplicação em Ortopedia São José dos Campos, SP 2006
2 Arthur de Siqueira Rodrigues Desenvolvimento de Pinos e Parafusos de Carbono Vítreo para Aplicação em Ortopedia Dissertação de mestrado apresentada no Programa de Pós-graduação em Bioengenharia da Universidade do Vale do Paraíba, como complementação dos créditos necessários para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Biomédica Orientador: Prof. Dr. Laurentino Corrêa de Vasconcellos Neto São José dos Campos, SP 2006
5 DEDICATÓRIA A Deus, por ouvir as minhas orações e proporcionar tantas oportunidades boas em minha vida. Aos meus pais e minha avó, que partiram cedo deixando saudades e bons ensinamentos. Ao meu maior amigo e irmão, Francisco, pelo apoio e incentivo a tudo que me proponho fazer. A Ivana, pelo amor, compreensão, carinho e paciência.
6 AGRADECIMENTOS Aos professores, amigos e profissionais da UNIVAP, pelo apoio dedicado, sempre que solicitado. Aos colaboradores do Instituto de Química da Universidade Federal de Uberlândia- UFU, em especial aos professores Hélder Eterno da Silveira e Yaico Dirce Tanimoto de Albuquerque, pela disponibilidade da infra-estrutura. A D. Ivone Paranaíba Vilela Monteiro (IPeD), que sempre me recebeu com simpatia e tranqüilizou-me em diversos momentos. Às bibliotecárias Rosangela Regis Cavalcanti e Rúbia Gravito de Carvalho, pela atenção e disponibilidade durante as correções finais da dissertação. Aos amigos Getúlio e Marcelo Marcos, pela companhia nas longas viagens a São José dos Campos. Meus sinceros agradecimentos a meu orientador e amigo Prof. Dr. Laurentino Corrêa de Vasconcellos Neto, que através desses anos de convívio proporcionoume grande crescimento profissional e pessoal.
7 Desenvolvimento de Pinos e Parafusos de Carbono Vítreo para Aplicação em Ortopedia RESUMO Os materiais normalmente usados como estabilizadores de ossos fraturados são o titânio e o aço inoxidável, no entanto, o alto custo ou a falta de biocompatibilidade desses materiais impede sua utilização. O carbono vítreo (CV) é um material de baixo custo e biocompatível com os tecidos moles e duros. O processo para obtenção dos pinos e parafusos de CV com ou sem núcleo metálico, para aplicações em ortopedia iniciou-se com a polimerização da resina furfurílica, através da adição de solução aquosa do ácido p-toluenossulfônico a 4,9% em massa. Para fabricação desses objetos, a resina furfurílica pré-polimerizada é depositada em um molde de vidro, na forma de placa, devidamente preparado com desmoldante. O início do processo para obtenção de pinos e parafusos de CV com núcleo metálico ocorreu através do recobrimento de peças de aço inoxidável 316L com resina furfurílica, utilizando um recipiente cônico, fabricado de aço inoxidáivel. Os recipientes contendo a resina, com ou sem os núcleos metálicos, foram transferidos para um forno com temperatura de 80 o C até sua completa polimerização, para posterior usinagem do material em um torno convencional. A próxima etapa consistiu na carbonização do material polimerizado a temperatura de 1200 C, utilizando um forno com atmosfera inerte de Nitrogênio (N). Os resultados desse processo permitem concluir que pinos e parafusos de CV têm aplicabilidade imediata na área de ortopedia humana e animal, em locais cujos esforços mecânicos são desprezíveis, ou seja, servem somente como guias, devido à fragilidade do material. Entretanto, para os que contêm o núcleo metálico, este trabalho conclui que o processo de obtenção necessita ser aprimorado, tendo em vista que 100% dos resultados apresentaram falhas, porquanto da diferença entre os coeficientes de dilatação térmica do parafuso metálico e do CV. Palavras-chave: Implantes metálicos, Parafusos, Carbono Vítreo, Ortopedia.
8 Development of Bolts and Screws of Vitreous Carbon for Application in Orthopedics ABSTRACT The materials usually used as stabilizers of fractured bones are the titanium and the inoxidable steel, however, the high cost or the biocompatibility lack of those materials impedes its use. The vitreous carbon (VC) is a material of low cost and biocompatible with the soft and hard tissues. The process for obtaining the bolts and screws of VC with or without metallic nucleus, for applications in orthopedics began with the polymerization of the furfurylic resin, through the addition of aqueous solution of acid p-toluenesulfonic at 4,9% in mass. For production of those objects, the furfurylic resin earlier polymerized is deposited in a glass mold, in the plate form, properly prepared. The beginning of the process for obtaining bolts and screws of VC with metallic nucleus happened through the re-covering of pieces of inoxidable steel 316L with furfurylic resin, using a conical recipient, manufactured of inoxidable steel. The recipients that contain the resin, with or without the metallic nuclei, were transferred to an oven with temperature of 80ºC until it completes the polymerization, making possible to mold the material in a conventional lathe. The next stage consisted of the carbonization of the polymerized material at the temperature of 1200 C, using an oven with inert atmosphere of Nitrogen. The results of that process allows to conclude that bolts and screws of VC have immediate applicability in human and animal orthopedics, in places where mechanical efforts are worthless, that is to say, they only serve as guides, due to the fragility of the material. However, for the ones who contain the metallic nucleus, this work concludes that the obtaining process needs to be improved, once that a 100% of the results presented flaws, inasmuch as the difference among the coefficients of thermal dilation of the metallic screw and of the VC. Key Words: Metallic implants, Screws, Vitreous Carbon, Orthopedics.
9 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Ilustração do modelo estrutural de carbono vítreo...12 Figura 2- Foto dos pinos de Carbono Vítreo...26 Figura 3- Foto do parafuso de aço inoxidável 316L após aquecimento a C, com três orifícios...28 Figura 4- Foto do recipiente usado no recobrimento de pinos e parafusos de aço com resina furfurílica, com tampa e duas faces...28 Figura 5- Foto do recipiente revestido com cera (desmoldante)...29 Figura 6- Foto do parafuso posicionamento no interior do recipiente...29 Figura 7- Foto do recipiente fechado...30 Figura 8- Aspecto da resina furfurílica polimerizada, cobrindo o parafuso de aço inox 316L...30 Figura 9- Foto dos parafusos de aço inox 316L recobertos por resina furfurílica...31 Figura 10- Falhas decorrentes do processo de usinagem da resina furfurílica polimerizada...31
10 LISTA DE TABELAS Tabela 1- Composição química de aços inox usados na fabricação de implantes ortopédicos...06 Tabela 2- Propriedades mecânicas do osso cortical...18 Tabela 3- Características dos aços inox 316L, F138 e Tabela 4- Características do carbono vítreo obtido a partir da resina furfurílica...20 Tabela 5- Coeficientes de dilatação térmica do CV e do aço inox 316 L...25 Tabela 6- Custos para fabricação de parafusos ortopédicos...32
11 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS g/cm 3 - gramas por centímetros cúbicos Nm - Nanometros mm - Milímetro MPa - Megapascal GPa Gigapascal J - Joule W - Watts HB - Dureza Brinell g - grama l - litros CV - Carbono Vítreo
12 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REVISÃO DA LITERATURA Tecido ósseo Aço inoxidável Materiais carbonosos Carbono vítreo Parafusos ortopédicos Parâmetros para avaliação de parafusos ortopédicos Fadiga Oxidação Resistência Mecânica Resistência dos ossos Substratos de aço inox Substrato de carbono vítreo MATERIAL E MÉTODOS Matéria prima Preparo da resina furfurílica Teste do catalisador Obtenção dos parafusos em CV Coeficiente de dilatação térmica RESULTADOS CONCLUSÕES...33 REFERÊNCIAS...35
13 1 1 INTRODUÇÃO A indústria brasileira tem disponível no mercado, metais, plásticos e outros materiais que são aplicáveis na área de ortopedia humana e veterinária, os quais nem sempre são compatíveis com os tecidos ósseos e por esse motivo, podem ser rejeitados, caso sejam utilizados para este fim. Atualmente, entre os materiais metálicos empregados na fabricação das próteses, estabilizadores ósseos, pinos e parafusos, os aços inoxidáveis austeníticos têm sido requisitados, em decorrência de suas propriedades mecânicas, físicas e químicas (DISEGI; ESCHBACK, 2000; VILLAMIL et al., 2002). No entanto, é essencial o avanço tecnológico para que sejam disponibilizados no mercado, materiais que possuam biocompatibildade com os tecidos vivos. Dentre os materiais biocompatíveis com tecidos moles e duros, existentes nos seres humanos e nos animais em geral, encontra-se o Carbono Vítreo (CV), que é classificado como um material carbonoso, ou seja, composto essencialmente de carbono, de origem polimérica, devido à utilização de resina termorrígida, principal matéria-prima em sua fabricação (REZENDE, 1991). O CV é nanometricamente poroso, de fácil usinagem, requer baixo custo para ser produzido e é estudado para aplicações aeroespaciais e médicas (REZENDE, 1991) e fabricação de espelhos para fins aeroembarcados (VASCONCELLOS, 1996). As aplicações atingem a fabricação de válvulas cardíacas, cirurgias plásticas e procedimentos cirúrgicoodontológicos há mais de 15 anos, devido à biocompatibilidade do material (REZENDE, 1991).
14 2 Há mais de uma década que a literatura nacional e internacional produz referências sobre as características, a fabricação, utilização e a biocompatibilidade do CV (REZENDE, 1991; VASCONCELLOS, 1996; DISEGI; ESCHBACK, 2000; VILLAMIL et al., 2002). É inovador o seu uso no recobrimento de peças metálicas para uso ortopédico em medicina humana e veterinária, pois visa à melhoria da qualidade de vida dos seres humanos e dos animais, que necessitam de estabilizadores ósseos. O CV proporciona um produto final com boa resistência mecânica e excelente biocompatibilidade, evitando a rejeição, por conseguinte, promovendo o bem-estar do usuário (DISEGI; ESCHBACK, 2000; VILLAMIL et al., 2002). O presente estudo teve como objetivo a manufatura de pinos e parafusos de aço inoxidável recobertos por CV para a fixação de ossos fraturados e de pinos e parafusos somente de CV, com dimensões menores do que 10 mm de comprimento e 3 mm de diâmetro, para união de fragmentos de pequenos ossos.
15 3 2 REVISÃO DE LITERATURA Este capítulo trata da revisão de literatura nacional e internacional sobre os tecidos ósseos, os aços inoxidáveis, os materiais carbonosos, os parafusos e os parâmetros para a sua avaliação, visando o desenvolvimento de pinos e parafusos em CV, com ou sem núcleo metálico, para aplicações na área de ortopedia humana e animal. 2.1 Tecido ósseo Conforme Amaral (1994), Martin e Dampster (1998) e Sommerfeldt e Rubin (2001), os ossos proporcionam a sustentação estrutural do corpo, apóiam os músculos esqueléticos, servem como reservatório mineral e protegem os órgãos internos de traumatismos. Einhorn (1996) e Sommerfeldt e Rubin (2001), afirmam que os ossos são 70% compostos de componentes inorgânicos (hidroxiapatita- C10(PO4)6(OH4)), 5 a 10% de água e 22 a 25% de matriz orgânica, incluindo suas células (2-5%). A composição óssea, de acordo com Rodrigues (2003), é importante, porque os ossos suportam esforços mecânicos de tração, compressão e cisalhamento em maior ou em menor quantidade, dependendo dos seus componentes e do empacotamento ósseo. Athanasiou et al. (2000) disseram que os componentes inorgânicos do osso são responsáveis pela rigidez óssea. Segundo Comarck (1991) e Athanasiou et al.
16 4 (2000), os componentes orgânicos, principalmente o colágeno, respondem à elasticidade óssea, proporcionando resistência à tração até o seu limiar de dano. De acordo com Sabolinski et al. (1996), após a ruptura óssea, a reparação do tecido pode ocorrer de forma eficaz. Ducy, Schinke e Karsenty, (2000) e Sommerfeldt e Rubin (2001) afirmam que três diferentes tipos de células podem ser encontradas na formação do osso; os osteoblastos sintetizam a parte orgânica da matriz óssea; os osteoclastos participantes dos processos de absorção e remodelação do tecido ósseo e os osteócitos, que representam 90% de todas as células no esqueleto do homem adulto, têm papel fundamental na manutenção da integridade da matriz óssea. Comarck (1991); Amaral (1994) e Hollinger et al. (1999), classificaram os ossos macroscopicamente em corticais e esponjosos. Para Comarck (1991); Hall (1991); Amaral (1994); Einhorn (1996); Martin e Dampster (1998) e Athanasion et al. (2000), os ossos corticais são denominados de compactos, têm baixa porosidade, estrutura densa e, regra geral, são ossos longos ou constituem partes externas de vários ossos, representando 80% do esqueleto e suportam maiores valores de tensão mecânica quando comparados aos esponjosos. Comarck (1991); Hall (1991); Amaral (1994) e Einhorn (1996) afirmam que os ossos esponjosos, também conhecidos como trabeculares são bastante porosos, por isso, estão presentes nas extremidades dos ossos longos e dos corpos vertebrais. Segundo Einhorn (1996), Martin e Dempster (1998) e Rodrigues (2003), os ossos esponjosos suportam maiores esforços de alongamentos, ou seja, de deformação, como resultado da aplicação da tração, antes de fraturar. Em casos de fraturas com grandes desalinhamentos ósseos, é necessário à implantação de
17 5 dispositivos ortopédicos nos tecidos ósseos, os quais são fabricados principalmente com o uso de metais, como o aço inoxidável. 2.2 Aço Inoxidável Os aços inoxidáveis são classificados segundo as suas composições químicas e microestruturas em ferríticos, austeníticos ou em martensíticos, essas composições e estruturas são responsáveis pela resistência aos meios agressivos. É importante conhecer a composição química e o processamento termomecânico, que confere aos aços inoxidáveis propriedades diferentes, dessa forma, cada família de aço inoxidável tem uma aplicação (WOODMAN et al., 1984; DISEGI; ESCHBACK, 2000; RECLARU et al., 2006). As composições químicas dos aços inoxidáveis apresentadas na Tabela 1, conforme Villamil et al. (2002), mostram três tipos de aços usados na fabricação de implantes ósseos. Fini et al. (2003) citam o desenvolvimento de novos aços inoxidáveis com índice elevado de Manganês e de Nitrogênio e baixo teor de Níquel (<0.20%), e afirmam que estudos atuais in vitro e in vivo demonstram que este material apresenta maior ósseo-integração quando comparado ao Ti 6 Al 4 V e ISO Pelos dizeres de Reclaru et al. (2006), existem outros aços inoxidáveis com baixo teor de Níquel, que quando estabilizados com Nitrogênio e Molibidênio, liberam menores quantidades de Níquel em ambientes fisiológicos, entretanto, pode haver a liberação de outros elementos químicos em vários níveis e os efeitos biológicos destas impurezas a longo prazo são desconhecidos.
18 6 Metal 316L F138 ISO % em massa % em massa % em massa Cr 16,60 17,60 20,70 Ni 10,40 14,20 9,94 Mo 2,11 2,08 2,50 N 0,078 0,021 0,32 Mn 1,40 1,94 4,09 P 0,039 0,023 0,014 S 0,025 0,002 0,005 C 0,025 0,012 0,015 Si 0,012 0,26 0,33 Nb - - 0,28 Fe Complemento para 100% Complemento para 100% Complemento para 100% Tabela 1 Tabela com a composição química de aços inox usados na fabricação de implantes ortopédicos Fonte: (VILLAMIL et al., 2002). De acordo com Mears (1997), a fabricação de implantes ortopédicos tendo como matéria prima o aço inoxidável com ligas à base de Níquel e metais como Titânio e Tântalo, ocorreu a partir de Disegi e Escheback (2000) confirmam que diversos dispositivos médicos são fabricados com aço inoxidável, como as placas e os parafusos para fixação de fraturas, as hastes e os espinhais, ou "stents" intravenosos e uretrais. Para Woodman et al. (1984) e Disegi e Eschback (2000), a fabricação de componentes ortopédicos em aço inoxidável austenítico se deve às suas peculiares propriedades mecânicas, além de serem facilmente usináveis e apresentarem baixo custo quando comparado a outros materiais.
19 7 Para o recobrimento de parafusos em aço inoxidável, Macionczyk, Gerold e Thull (2001) utilizaram o tântalo e o óxido do tântalo; Müller et al. (2001) usaram o colágeno e obtiveram ótimos resultados. Com a finalidade de evitar o surgimento de efeitos colaterais nos tecidos vivos, outros materiais que apresentam biocompatibilidade comprovada são propostos para fabricação e recobrimento de implantes ósseos, dentre eles, podemos destacar os materiais carbonosos. 2.3 Materiais carbonosos Para Jenkins e Kawamura (1976) e Rezende (1991) os materiais carbonosos apresentam teores de carbono superiores a 90% e podem ser encontrados na natureza ou produzidos sinteticamente pelo aquecimento de polímeros em atmosfera inerte a temperaturas superiores a 300 C, cujo resultado é a eliminação de produtos voláteis. Jenkins e Kawamura (1976) e Rezende (1991) ainda afirmam que a total liberação de elementos organogenos, exceto o carbono, se dá a uma temperatura de 1000 C em um processo denominado de carbonização, originando material denominado de carbono polimérico. Os autores Jenkins e Kawamura (1976); Rezende (1991); Wang (2003) e Güttler et al. (2004) relatam que os materiais carbonosos se constituem em uma classe com variadas estruturas cristalinas e diversificadas formas geométricas, por meio das quais é possível obter materiais duros ou macios, porosos ou impermeáveis, extremamente fortes ou frágeis. São encontrados na forma de fibras
20 8 de carbono, grafites sintéticos, carbono pirolítico, carbono vítreo, carbono ativado, peneiras moleculares, coques e negro de fumo. Existem duas classes distintas de materiais carbonosos, os grafitizáveis e os não grafitizáveis. Estes apresentam uma orientação ao acaso, atribuída à presença de fortes ligações cruzadas, predominando o arranjo bidimensional dos átomos de carbono (REZENDE, 1991). Para Jenkins e Kawamura (1976), aqueles possuem menos ligações cruzadas, atribuídas a grandes quantidades de Hidrogênio em sua matéria prima, as quais são repensáveis pelas regiões denominados cristalitos. Por isso, os carbonos grafitizáveis apresentam maior ordenamento estrutural e arranjo tridimensional. De acordo com Wanci et al. (1999), existem grandes perspectivas do uso dos materiais carbonosos na área médica, por causa de sua excelente biocompatibilidade com o corpo humano. Santos, et al. (2002) afirmam que os materiais carbonosos apresentam excelente resistência a desgastes, atribuídos as suas capacidades de sustentar altas deformações elásticas sem danos, mostrandose tromborresistentes. Compostos de carbono-carbono são usados na fabricação de parafusos, placas e hastes em cirurgias ósseas; fibras de carbono são usadas como próteses de ligamentos e tendões, além da utilização de CV na fabricação de válvulas cardíacas (CHLOPEK, 2005).
21 Carbono Vítreo Rezende (1991) e Botelho et al. (2001) classificam o CV como um material isotrópico, não grafitizável, formado pela pirólise de um polímero termorrígido, ou seja, com ligações cruzadas; essa pirólise é realizada lentamente, de modo a permitir o escape dos produtos voláteis por difusão. E que o encolhimento que acompanha o fenômeno não cause nenhuma falha no material. Para Domingo-Garcia et al. (2000), a denominação CV se deve ao aspecto brilhante do material após seu polimento e fratura tipo conchoidal, semelhante a do vidro. Entretanto, de acordo com Jenkins e Kawamura (1976) e Rezende (1991), tal material não é um vidro do ponto de vista de sua estrutura cristalográfica, pois possui arranjo dos átomos de carbono com ordenação a longa distância, em duas dimensões. O CV apresenta baixa densidade comparado ao grafite, 1,5 g/cm 3 e 2.25 g/cm 3 respectivamente (GÜTTLER et al., 2004). Jenkins e Kawamura (1976); Rezende (1991); Fields e Swain (1996); Botelho et al. (2001) e Güttler et al. (2004) afirmam que o CV pertence à classe dos materiais frágeis e suas propriedades dependem da natureza do precursor polimérico, do cuidado tomado na manipulação e moldagem da resina inicial e da temperatura a qual foi submetida durante o tratamento térmico final. Segundo as afirmações de Rezende (1991) e Botelho et al. (1998; 2001) a macroporosidade reduz a resistência dos artefatos de CV em meio ambiente agressivo. Segundo Jenkins e Kawamura (1976); Edelson et al. (1986) e Rezende (1991), a estrutura do CV apresenta poros maiores que 10 nm, formados durante
22 10 sua fabricação, conseqüência da presença de vazios no precursor polimérico polemizado, bem como do aprisionamento de produtos de decomposição da pirólise. O CV possui algumas limitações em seu processo de manufatura, como a impossibilidade da produção de peças com espessura superior a 6 mm, porquanto do surgimento de trincas causadas por vazios formados pelos subprodutos voláteis durante o processo de carbonização (JENKINS; KAWAMURA, 1976; REZENDE, 1991). Apesar das complicações citadas, o CV apresenta aplicações específicas e nobres (BOKROS, 1977; JENKINS; GRIGSON, 1979 ; REZENDE, 1991). Maleki et al. (1997); Steven (1999); Domingo-Garcia et al. (2000); Botelho et al. (2001); Wang et al. (2003) e Güttler et al. (2004) enfatizam as características do CV, as quais incluem, biocompatibilidade, inércia química e térmica, resistividade elétrica, excepcional resistência à corrosão, impermeabilidade a gases, além de boas propriedades mecânicas. Essas características fazem do CV um material de interesse científico e tecnológico, tendo aplicações em diversos setores. O CV possui grande resistência a diversos produtos químicos, como os ácidos, os halogêneos, alcalóides cáusticos, e clorato do potássio. Para Jenkins e Kawamura (1976), a estabilidade do CV a altas temperaturas (na ausência de oxigênio até ~2500 C e na presença de oxigênio ~600 C) aliado à sua inércia química permitem, por exemplo, a confecção de cadinhos e béquer, que representam uma alternativa de custo mais baixo que cadinhos de platina. Quando fibras de carbono são incorporadas em uma matriz de CV, ele pode ser utilizado para prever as propriedades da matriz do compósito carbono-carbono. Atualmente, peças desse material têm sido utilizadas na confecção de freios de aeronaves, espelhos para satélites, sistemas aeroembarcados, tubeiras de foguete e
23 11 proteção térmica empregadas em sistemas que atinjam temperaturas entre 1000 e 3000 o C (JENKINS; KAWAMURA, 1976; REZENDE, 1991; VASCONCELOS, 1996). Homsy (1970); Markle et al. (1975); Grenoble e Voss (1977); Lauslahti et al. (1983) e Chlopek (2006) credenciaram como ótima a aplicação do CV na área biomédica, por possuir excelente compatibilidade com ossos, cartilagens e tecidos moles. Além da compatibilidade, Grenoble e Voss (1977) enfatizaram a resistência à degradação biológica e mecânica do CV. Tal produto tem mostrado que não altera as proteínas ou atividades enzimáticas do sangue (inércia química), sendo essa a principal razão de sua boa interação com as células sangüíneas, a qual não provoca inflamação ou reação de corpo estranho (JENKINS; GRIGSON; 1979). Bokros (1977); Jenkins e Grigson (1979) e Botelho et al. (2001) citam a biocompatibilidade do CV na construção de válvulas para o coração. O CV apresenta aplicações na área odontologia, promovendo o crescimento de tecidos em sua superfície, com ausência de processos inflamatórios, infecciosos ou outras reações adversas ao material (JENKINS; GRIGSON, 1979). Esses mesmos autores, ainda confirmam a fabricação de pequenos tubos, perfurando e polindo barras de resinas de CV, que são levados à combustão interior para subseqüentes aplicações em conexões de veias e artérias. Jenkins e Grigson (1979) relatam a moldagem do CV para fabricação de uma cabeça femoral a ser ajustada a uma base de Titânio com intuito de produzir prótese de quadril, entretanto, ocorreram fissuras no material, talvez devido ao grande tamanho da amostra. Lauslahti et al. (1983) confirmaram a biocompatibilidade do CV ao inseri-lo no interior da tíbia e espaço subcutâneo na parede abdominal de ratos. Foi observado
24 12 crescimento de tecido conectivo frouxo nas cavidades do material e ausência de processos infecciosos. Patrocínio (1985) enfatizou a biocompatibilidade do CV na correção cirúrgica de nariz ao descrever resultados estéticos satisfatórios, credenciando, tal material, como excelente nesse tipo de cirurgia em cela. Outro cientista que também defendeu a biocompatibilidade do CV foi Bokros (1977), afirmando que ele é um material bastante atrativo para uso ortopédico. Rousseaux e Tchoubar, em 1977, apresentaram um trabalho sobre a evolução estrutural do CV após tratamentos térmicos entre as temperaturas de 1000 e 2700ºC. A partir destes resultados foi possível a proposição de um novo modelo estrutural (Figura 1), baseado no proposto por Jenkins e Kawamura (1976). No modelo é assumido que a configuração final das camadas dos átomos de carbono pode ser explicada, admitindo-se que o sólido final mantém uma memória do arranjo desordenado das cadeias dos polímeros precursores. Figura 1 Ilustração do modelo estrutural do carbono vítreo, proposto por Russeaux e Tchoubar. Fonte: Russeaux e Tchoubar (1977).
25 Parafusos ortopédicos Dentre os métodos tradicionais de osteossíntese interna, usados para reparar fragmentos ósseos, encontram-se os parafusos. Para os autores Apley e Solomon (1989) e Müller et al. (1993) a função dos parafusos, na área de ortopedia, é promover a união de fragmentos ósseos ou fixar ossos com placas ou aparelhos semelhantes, resultando no alívio da dor e consolidação óssea em boa posição. Apley e Solomon (1989) afirmam que as fixações internas de implantes ósseos, dentre elas, os parafusos, permitem que os movimentos articulares comecem imediatamente após sua introdução. Crenshaw (1989) e Müller et al. (1993) dividem os parafusos usados atualmente na fixação de fraturas, em dois tipos: os parafusos de máquina e os parafusos especiais usados em osteossíntese. Os parafusos de máquina são rosqueados em toda sua extensão, podendo ser auto-perfurantes ou necessitarem que sejam feitas roscas nos ossos antes de sua inserção. Entretanto, apresentam geralmente propriedades auto-penetrantes, pela presença de estrias cortantes que seccionam o osso à medida que são introduzidas (CRENSHAW, 1989; MÜLLER et al. 1993). Parafusos especiais desenvolvidos na Suíça são bastante usados (MÜLLER et al., 1993). Em sua grande maioria, não são auto-penetrantes, sendo necessário que no orifício-piloto seja elaborada uma rosca por um rosqueador cortante, para posterior colocação do parafuso. As roscas destes parafusos são mais horizontais que os de máquina e são disponíveis para aplicações em ossos esponjosos, corticais e maleolares. São encontrados em diversos tamanhos e diâmetros, os
26 14 parafusos convencionais esponjosos e corticais, assim como os mini-parafusos para fixação de pequenos fragmentos. Estes apresentam cabeça Phillips, enquanto as demais têm recesso hexagonal (MÜLLER et al., 1993) Os parafusos especiais usados em ossos esponjosos possuem um cerne fino e uma rosca larga e funda. Os parafusos esponjosos estão disponíveis nos seguintes diâmetros: 6,5 e 4 mm, e são rosqueados em somente dois comprimentos: 16 e 32mm, independente do comprimento do parafuso (MÜLLER, 1993). Os parafusos para os ossos corticais são completamente rosqueados e são encontrados nos seguintes diâmetros: 4,5, 3,5, 2,7 e 2mm (MÜLLER et al., 1993). Segundo Schmitz (1999), os substratos usados para fabricação de parafusos ortopédicos são denominados de biomateriais e são definidos como substâncias de origens naturais ou sintéticas que são toleradas de forma transitória ou permanente pelos diversos tecidos que constituem os órgãos dos seres vivos. De acordo com Boshi (1996), os biomateriais precisam apresentar duas propriedades importantes, a fim de realizar as funções para as quais foram desenvolvidos: a biocompatibilidade e a biofuncionalidade. Conforme descreveu Henshi e Andersson (1993), a biocompatibilidade pode ser definida não somente como ausência de rejeição, mas também, pela boa interação entre um material e o meio biológico em que deve permanecer, proporcionando em sua superfície, a função de tecido normal. Os dispositivos devem apresentar características tais, que supram o desempenho da função semelhante àquelas as quais substituem, a esse conjunto de propriedades dá-se o nome de biofuncionalidade, descrita por Boshi (1996).
27 Parâmetros para avaliação de parafusos ortopédicos Além da biocompatibilidade e biofuncionalidade, outras propriedades físicas, químicas e mecânicas do material devem ser levadas em consideração na fabricação de implantes ósseos. Por exemplo: resistência mecânica, resistência à oxidação e resistência à fadiga Fadiga Araújo e Couto (2004) definem fadiga como a ruptura de componentes, mediante à propagação de uma trinca ou pequena falha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho devido às solicitações cíclicas sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material. As instabilidades na colocação de enxertos ósseos causam danos de fadiga até que seja formado um calo ósseo sólido Oxidação Villamil et al. (2003) afirmam que a oxidação espontânea de um metal consiste em sua transformação eletroquímica do estado elementar não combinado ao de composto químico por reação com o meio em que se encontra ou pela ação combinada do meio químico e esforços mecânicos a que os metais são submetidos.
28 16 Os produtos da corrosão geram respostas biológicas contrárias aos tecidos nas proximidades do implante, causados por efeito tóxico direto ou hipersensibilidade local (RECLARU et. al., 2001) Resistência Mecânica Ensaios mecânicos são importantes para determinar os parâmetros dos materiais em condições de trabalho. Dentre as principais solicitações mecânicas para fabricação de parafusos ortopédicos encontram-se a tração, a compressão, o cisalhamento, e a flexão (VAN VLACK, 1984; WILLIAM, CALLISTER, 2000) As principais propriedades mecânicas dos materiais são obtidas pelo ensaio de tração, onde os corpos de prova são alongados por uma força de tração uniaxial, até a ruptura do material, nas quais são medidas a tensão e a deformação correspondente (VAN VLACK, 1984; WILLIAM, CALLISTER, 2000). Os ensaios de compressão não são tão usados quanto os de tração. Uma carga axial é aplicada ao corpo de prova para realização dos testes ocasionando aumento dimensional na área da secção transversal, com conseqüente redução do comprimento dos corpos de prova (VAN VLACK, 1984; WILLIAM, CALLISTER, 2000). Nos ensaios de cisalhamento, se aplica uma tensão de tração ou compressão na direção perpendicular ao eixo longitudinal do corpo, essa força cortante é elevada até que ocorra a ruptura do corpo (VAN VLACK, 1984; WILLIAM, CALLISTER, 2000)