Dispositivo oscilatório para avaliação tribológica em biomateriais, utilizando tribômetro linear

Abstract

Resumo: Após mais de cinco décadas de utilização, as endopróteses ainda apresentam restrições quanto a sua durabilidade. As partículas oriundas do seu desgaste permanecem responsáveis pela sua falha asséptica. Um dos fatores contribuintes para o melhor desempenho desses implantes está no entendimento do comportamento tribológico dos biomateriais utilizados. Assim sendo, a realização de ensaios é relevante para ampliar esse conhecimento e permitir a avaliação do biomaterial antes da sua utilização na fabricação da endoprótese. O presente estudo tem como objetivo o desenvolvimento e a implementação de um dispositivo para acoplamento em tribômetro linear recíproco, para simulação do desgaste in vitro de biomateriais, medindo a força de atrito e possibilitando o cálculo desse coeficiente. Tal dispositivo consiste em uma estrutura acoplada ao tribômetro, que transforma o seu movimento linear recíproco em oscilatório do conjunto mecânico que contém os corpos de prova para o ensaio dos biomateriais desejados. Para aquisição e tratamento dos dados, desenvolveu-se uma interface de comunicação paralela à existente, cuja finalidade é a obtenção dos valores da força tangencial. O par tribológico utilizado nos ensaios é constituído pelo Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE) em articulação com um eixo em liga de aço inoxidável austenítico AISI 316L. Os resultados demonstraram que o acoplamento do dispositivo não provocou interferências no funcionamento do tribômetro, os valores dos coeficientes de atrito no modo linear e oscilatório foram consistentes com a hipótese do estudo e a curva de vida mostrou uma redução na taxa de desgaste a qual pode ser explicada pela preponderância de um mecanismo de desgaste frente aos demais atuantes, validando o dispositivo.

Abstract: Despite being in use for over fifty years,orthopedic implants still have limitations on their durability. Particles arising from wear due to the relative motion of their surfaces remain responsible for aseptic failure. Understanding the wear resistance characteristics and particle formation of the biomaterials is one of the factors that can contribute to the improved performance of these implants. Therefore, the carrying out of tribological tests is key to enhancing this understanding, and to the evaluation of biomaterial performance prior to use in the manufacture of the endoprosthesis. This thesis presents the development and implementation of a device for coupling in a reciprocal linear tribometer in order to simulate the in vitro wear of biomaterials, allowing for the measurement of force and friction coefficient. The device consists of a structure connected to the tribometer that transforms its reciprocal linear motion into one that is oscillatory for the mechanical assembly that contains the samples for testing of the biomaterials desired. For the acquisition and processing of data, a parallel communications interface was developed, whose purpose was to obtain the values of tangential force. The tribological pair used for testings consisted of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) in conjunction with an alloy of austenitic stainless steel AISI 316L. The results showed that the device coupling did not cause interference with the operation of the tribometer, and that the values of the friction coefficients in the linear and oscillatory mode were consistent with the hypothesis of the study. Moreover, the life curve shows a reduction in wear rate that can be explained by the preponderance of one wear mechanism over others, thus providing compelling validation for the device.