Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 18, 61-66

ANÁLISIS DE LAS CAUSAS DE LAS FALLAS DE IMPLANTES/ / /

BIOMEDICOS UTILIZADOS EN CIRUGIA ORTOPEDICA yTRAUMATOLÓGICA

Linda Gil a, Freddy Arenas b, Eric Dominguez e

"Centro de Estudios de Corrosión, Unexpo, Puerto Ordaz; Venezuela, E-mail: lindagil@telcel.net.ve.b Laboratorio de _ icroscopía Electrónica, Dpto. de Tecnología de los Materiales, IUT - RC

"Dr. Federico Rivero Palacios", Caracas, Venezuela, E-mail: fredaren@telcel.net.vee Servicio de Traumatología, 1.V.S.S - Hospital Uyapar, Puerto Ordaz, Venezuela.

Resumen

En el presente IJO muestran los resultados del análisis de falla de dos casos de implantes utilizados encirugía ortopédi tóloga. La metodología utilizada contempló la realización de análisis químicos,estudios metalográfieos, análisis fractográficos por microscopía electrónica de barrido y microanálisis pordispersión de en ' de rayo X (EDX). En la realización del análisis médico se consideraron técnicasquirúrgicas def implantación, tiempo de permanencia del implante en el organismo, edad, sexo,característica de 1 e ameritó el implante (morbilidad), etc.

De toda la el;' - encontrada, se puede afirmar que la falla de los implantes está asociada a diversas causasque actúan en fo inada. El estudio metalúrgico señala como mecanismos principales de la falla de losimplantes eval enómenos de corrosion-fatiga, corrosión-picadura, corrosión bajo tensión y corrosión-hendidura. Por parte. el análisis médico reveló, la aplicación de técnicas quirúrgicas inadecuadas deimplantación. inf _hueso osteoporótico, así como el uso incorrecto del implante por parte del paciente.

Palabras clav .: análisis de fallas, implantes, ortopedia, traumatología, corrosión.

1. Introduccíé

El desarrollo Bioingeniería ha permitido grandesavances en la de las últimas décadas. Uno de suslogros ha sido el Ilo de aleaciones metálicas usadasen Cirugía _" Traumatología, que además deuna elevada " " mecánica, al desgaste y a lacorrosión, baja - - "00 y bajo peso [1-3]. Deben,asmusrno, poseer grado de biocompatibilidad, quees la propiedad de cansar daño a los tejidos receptores.Con el impul o de tecnologías se ha podido elevarla calidad de lo . metálicos.

Un implante se idera que ha fallado cuando debeser removido premamrameme del cuerpo[4]. Existen dosclases de falla: mecáni ~ biológica [5]. El mecanismomecánico de falla puede incluir. de forma aislada ocombinada, fenómeno tal como deformaciónpermanente, fractura por obreearga, fractura por fatiga,corrosión y desgaste. La falla biológica es consecuenciade infección, inflamación u otras reacciones del cuerpo en

presencia del implante. Investigaciones realizadas [4-6]indican que la corrosión es una de las causas principalesde falla de los implantes metálicos. Se ha reportado [3]que la corrosión galvánica es uno de los tipos máscomunes presentes en implantes metálicos y ocurrecuando materiales disímiles están en contacto e inmersosen un medio electrolítico, corrosivo y altamenteconductor, como los fluídos sanguíneos; esto es típico deimplantes multicomponentes tales como prótesis decadera o entre componentes individuales como placas decompresión y sus tornillos correspondientes. La corrosiónhendidura se ha reportado [6-9] como otra causa frecuentede falla. Las grietas y los vacíos entre las partes de unimplante multicomponente son sitios potenciales para queocurra este tipo de corrosión; allí ocurre unempobrecimiento de oxígeno que acelera el proceso decorrosión al causar la rotura de la película superficialprotectora pasiva.

Es importante destacar que los implantes metálicosestán sujetos a una combinación de esfuerzos mecánicos

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como tensión y alternos tensión-compresión, encondiciones estáticas y cíclicas; ésto unido a un mediocorrosivo, puede ocasionar la falla de esto materialesmetálicos por mecanismos como corrosión bajo tensión,corrosión-fatiga y corro ión- [ 9.10].

La falla en los implantes . una vez colocadoen los pacientes, trae ncia riesgo para lasalud y aumento en los ción, irugía yrehabilitación '60 laboralactiva, el reing con elconsiguiente detrimento Enbase a lo anteriormente expoeszo.estudios en Venezuela, que permitan establecermás comunes de fallas de esto materiales. con lafinalidad de generar información técnica que asegure eluso correcto considerando aspectos médico-quirúrgicos ymetalúrgicos.

2. Metodología Experimental

En este trabajo se aplicó la metodología característicapara el análisis de falla en materiales metálicos, deacuerdo al siguiente procedimiento: a) inspección visualde la superficie de fractura de los componentes fallados,b) análisis químico, e) estudio metalográfico pormicroscopía óptica, d) estudio fractográfico de lasuperficie de fractura por Microscopía Electrónica deBarrido (MEB) observando inicialmente la superficie sinpreparación previa para detectar la presencia de posiblesproductos de corrosión mediante la técnica deEspectroscopía por Dispersión de Energía de Rayos X(EDRX) y posteriormente las muestras se limpiaron pararevelar los mecanismos de falla operantes. e) análisismédico del caso considerando los siguientes aspectos:características de los pacientes (edad, sexo, cuadro clínico,etc.), características de la lesión que ameritó el implante(morbilidad adquirida, traumática y degenerativa), tiempode permanencia del implante en el organismo yverificación de la aplicación inadecuada de técnicasquirúrgicas de implantación.

3. Resultados y Discusión

Los resultados presentados en este trabajo,corresponden a la revisión de dos casos.

Caso 1(Medina)

Historia del caso

Paciente masculino de 25 años y 125 Kg de peso,quien sufrió accidente de tránsito presentando fracturaabierta de tibia y peroné derecho. Se le realizó reducciónoperatoria con osteosíntesis con placa de compresióndinámica angosta y 12 tomillos de cortical. El pacientepresentó infección en el foco de fractura a los diez días deoperado indicándose antibioterapia. Al año de operado elpaciente manifiesta dolor en el sitio de fractura, ligerainflamación y metalosis (hemosiderosis) la cual se

manifiesta como cambio paulatino de coloración de la pielen el sitio de fractura. El estudio radiológico indicópresencia de callo óseo consolidado en la zona de fracturapor lo que se programó cirugía para extracción delimplante. Sorpresivamente, quince días después durante lacirugía de extracción se detectó que el implante estabafracturado.

La fig. 1 indica un aspecto general de la placa, de 20cm. de longitud, fracturada. Nótese que la fractura seproduce en uno de los orificios cercanos a la zona del focode fractura, donde se tiene la máxima concentración deesfuerzos.

Fig. 1. Aspecto general de placa fracturada

El análisis de la composición química del implanteseñalada en la tabla 1, indica que corresponde a un aceroinoxidable tipo 316 L.

Tabla 1. Composición Química del implante

Elemento C Cr Ni Mo(% en peso)

Implante 0,03 18,27 14,36 3,00ASTMF139 0,03 17-19 13-15 2-3

(316L)

El esrudio metalográfico reveló (ver fig. 2) que elmaterial posee la estructura característica de un aceroinoxidable austenítico, con tamaño de grano N° 6 Y unnivel de inclusiones acorde con las especificacionestécnicas ASTM F 55 [11] YF 139 [12].

Fig. 2. Microscopía Optica de acero del implante (lOOX)

La fig. 3 es una imagen de MEB que muestra en unprimer plano la zona de las paredes adyacente a la fracturacon una abundante densidad de picaduras y productos decorrosión, siendo posiblemente el punto de inicio de la

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falla una coalescencia de picaduras como se indica en lafig.4.

Fig. 3. Aspecto general de zona de falla

Fig. 4. Coalescencia de picaduras y productos de corrosión eninicio de falla

Nótese adicionalmente la presencia de microgrietas enlas aristas de la placa en la zona cercana a la superficie defractura, las cuales pueden ser producto de un malacabado superficial durante el proceso de fabricación delimplante o daño del mismo durante el proceso decolocación en el paciente.

La fig. Sa corresponde a una vista frontal de lasuperficie de fractura donde se indica la zona de inicio dela falla detallada en la fig. Sb. La fig. 6 es el espectro demicroanálisis químico por EDRX de los productos decorrosión, los cual ontienen Cl, S·, K+, siendo elcloruro el ion agresi '0 que produjo la destrucción de lapelícula pasiva del implante y su corrosión.

El análisis médico del caso indicó que el pacientepresenta una fuerte metalosis en la zona de la fractura. Lametalosis, en este caso Hemosiderosis.. e resultado de lamigración de iones hierro del· lame a los tejidoscircundantes como resultado de un proceso COITO ivo [2],el cual en este caso se produjo como consecuen ia de lainfección que presentó el paciente. Motivado a que la

fractura de tibia y peroné fue abierta, se produjocomunicación del foco de fractura con gérmenespatógenos del ambiente, provocando el metabolismo de labacteria cambios en el pR, el cual se aciduló y originó larotura de la película pasiva del implante en sitioslocalizados, por el fenómeno de corrosión picadura [8].

Fig. 5. (a) Vista frontal de la superficie de fractura

Fig. 5. (b) Detalle de inicio de falla

Esto se corrobora con la alta densidad de picaduraspresentes en la superficie de la placa. Los iones metálicosgenerados como consecuencia del fenómeno corrosivo, sedisuelven primeramente en los líquidos tisulares [4,9] y susolubilidad en las zonas anódicas del implante es mayorque en los alrededores debido al bajo pH allí reinante.

El transporte de los iones en el tejido se realizaexclusivamente por difusión. Al descender el pR pordebajo de cierto valor y al sobrepasar los iones unaconcentración determinada, se produce en los tejidos laprecipitación del hidróxido metálico. Estos productos decorrosión depositados dentro de los tejidos circundantesson capaces de producir reacciones, que a simple vista setraducen en cambios de la coloración tisular.

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1.60 2.40

Fig. 6. Análisis químico semi cuantitativo por EDRX deproductos de corrosión

La fig. 7 corresponde a un detalle de la zona de iniciode la fractura donde se observa la presencia deestriaciones de fatiga, las cuales también están presentesen el centro de la fractura, lo cual es evidenciaconcluyente de la presencia del mecanismo de corrosión -fatiga.

Fig. 7. Fotomicrografía de MEB mostrando estriaciones de fatigaen inicio de falla

Adicionalmente se observa en la zona de inicio de lafalla (fig.7) la presencia de la morfología de fractura tipoclivage transgranular conocida como "Fan- Shape" yabundantes picaduras y productos de corrosióncaracterísticas del fenómeno de corrosión bajo tensiones[1,2,7]. Este mecanismo ocurre cuando el implante essometido a condiciones muy particulares [4,9,10)] talescomo; a) altos esfuerzos de tensión, como es el caso delsobrepeso de este paciente (125Kg.), b) cuando ocurre larotura de la película pasiva del implante, lo que sucedió eneste caso como consecuencia de la infección que sufrióeste paciente luego de la cirugía, e) cuando él implante esfabricado defectuosamente, lo cual se evidenció por la

presencia de las microgrietas superficiales ya descritas,las cuales actúan como concentradores de esfuerzos [2].De toda la evidencia discutida se puede concluir que lafalla de la placa de compresión ocurrió por la acciónconjunta de los mecanismos de corrosión - picadura,corrosión - fatiga y corrosión - bajo tensión. Sin embargo,una vez iniciada la grieta, esta se propagafundamentalmente por el mecanismo de corrosión - fatigahasta la fractura final.

Caso 2 (Montilla)

r.:

Historia del caso

Paciente femenino de 67 años de edad diabética y conpmb de o teoporosis, quién sufrió fractura del terciomedio disml del fémur derecho por caída desde sus pies,indicándo le una reducción operatoria y osteosíntesis conplaca dinámica ancha de compresión de 12 tornillos masuno interfragmentario. A lo cinco meses de colocado elimplante la paciente manifiesta dolor agudo en la zona defractura e imposibilidad de caminar. El estudioradiológico (Fig. 8) reveló fractura del implante y falta deconsolidación (ausencia de callo óseo) en el foco defractura.

Fig. 8. Imagen Rayo X mostrando fractura de la placa

En la figura 9 se indica aspecto general de la placa,donde se ob erva que la misma fractura en un orificiocercano al foco de fractura, zona de máximaconcentración de esfuerzos.

• 7 • I 10 11 12 13 14

Fig. 9. Aspecto general de la placa

También se observan evidencias de corrosiónhendidura en algunos agujeros de la placa. tal como seindica en la fig.IO.

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Fig. 10. Detalle de orificio de placa

Este tipo de corro ión se presenta en las ranuras entreel tornillo y la placa.. debido a la formación de una pila deaireación diferencial. prodncto del empobrecimiento deoxígeno en la zona de la que hace que la superficiemetálica de esta zo anódica respecto a las otraszonas de la placa que ' icas [4]. El diseño de estetipo de placa, con de tornillo esférica que seintroduce en lo semicirculares de la placa,produce las co .. ideales para este tipo decorrosión, es decir. o lineal entre las dos partes.El acero ino 6 y las aleaciones concomportarnienro on susceptibles a este tipode daño.

El análi iseñalada en lainoxidable tipo .:l

Tabla 2. Análisis- ,Ql:IÚDiL-od:!U::;'tll:;mte.

aJI!::posi'Clon qumuca del implanteque corresponde a un acero

Elemento(% en peso

e er Ni Mo

2,702·3

14,2813·15

ImplanteASTMFl-'9

(316L)

El estudio ID;;ti:~:±:;::o ~ -eló que el material poseeuna microestrectzra, .:::z:::-x~isriica de un acero inoxidableaustenítico . del Caso l (fig. 2), contamaño de ~ . 1de inclusiones acorde conlas especifi _~ F 55 YF 139 .

La fig. 1 micrografia por MEB,donde se o general de la superficie defractura indieanéo Re1:Z=: .:r' - -O de la falla y productosde corrosión. . un detalle de la zona deinicio de la pon de a una picaduragenerada por e corro ión -hendidura en lazona del agujero. tacar que esta pacientees diabética.. acidulación del pHsanguíneo, ea ión de la película pasivadel implante de picaduras comoconsecuencia del s: -yo[2].

Fig. 11. Vista general de la fractura

Fig. 12. Zona Inicio de falla con picadura

Fig. 13. Evidencia de corrosión· fatiga

Adicionalmente se observa en la zona de inicio y en lazona central de la superficie de fractura (fig.13) lapresencia de estriaciones de fatiga, abundanteagrietamiento secundario y rnicropicaduras, evidenciasconcluyentes de que el mecanismo de corrosión fatiga esresponsable de la propagación de la grieta y falla final dela placa.

66 L. Gil Y col./Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

El análisis médico del caso reveló aspectosfundamentales que contribuyeron a la falla. Primeramenteesta paciente sufre de osteoporosis [2] por ende pérdidade masa ósea (calcio y fósforo). Por lo tanto, en la técnicaquirúrgica de este caso se debió considerar conjuntamentecon la colocación de la p realizar un injerto óseo paraayudar a la osteogénesis consolidación de callo óseo enla zona de fractma o colocado un inductor decrecimiento óseo. la bidroxiapatita ( 5] lo cualno se hizo. _ el' caminó inautorizacióo lo quetodo )0 anterior óseoen el foco de fractura, La defijar la fractura por compresión imerfragmenrariaque consoliden las partes del hueso fracturadas. En estecaso las evidencias indican que no hubo consolidación delfoco de fractura, lo que ocasionó que los esfuerzos detensión (peso de la persona) y esfuerzos cíclicos (la acciónde caminar), a los que estuvo sometida la placaprematuramente, no fueran uniformes en toda suextensión, sino de mayor magnitud en la zona delimplante donde no había soporte de hueso. La fig. 14indica esquemáticamente cómo la placa incurre en unaflexión cíclica, debido a una fijación interna inestable porla falta de apoyo óseo medial.

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Fig. 14. Esquema de flexión cíclica debida a una fijación internainestable

4. Conclusiones

La falla de los implantes metálicos ocurre por efectoscombinados de los mecanismos de corrosión-fatiga,corrosión bajo tensión y corrosión por hendidura.

La falla es el resultado de la combinación de factorestales como: técnicas quirúrgicas inadecuadas, usoincorrecto del implante por parte del paciente, infeccionesy presencia de hueso osteoporótico; así mismo, aspectos

metalúrgicos relacionados con defectos de fabricación delimplante, influyen notablemente en el deterioro de losimplantes y en su falla final.

5. Referencias

1. J. L. Gilbert, C. A. Bucley, "Intergranular corrosionfatigue failure of Co-Cr femoral stems: a failureanalysis of two implants"; 1. Bone Joint Surgery ,76(1994) 68-72

2. J. Black, "Orthopaedic biomaterials in researchpractice", New York, Churchill, Livigstone(1988)23-58J. L. Gilbert, C. A. Bucley, "In vivo corros ion ofmodular hip protesis components in mixed andsimilar metals combination .' the effect of crevice,stress, motion and alloy coupling; J. Biomed. Mater.Res. _ (1993) 1-33-44

4. A. Weinstein, "Corrosion and degradation of implantmaterials", ASTM Special Technical Publication684, Kansas, SyrettlAcharya Editors (1978)

5. A. Fraker, "Corrosion of metallic implants andprosthetic devices", ASM International MetalsHandbook, 4th ed., (1992) p. 1324

6. L. Gil, "Estudio de las causas de la corrosión de losimplantes utilizados en cirugía ortopédica ytraumatología en Venezuela, Parte Il", Memorias lerCongreso NACE Región Latinoamericana,Maracaibo, ASVENCOR, Nov., (1994)

7. M. Staia, "Failure analysis offixation devices used inbroken bones, Acta Microscópica, 3, 2, (1994) 25-30

8. L. Gil, E. Dominquez, Análisis de las causas de lasfallas de implantes utilizados en cirugía ortopédica ytraumatología en Venezuela, Rev. UniversidadCiencia y Tecnología. 1,3, (1997) 19

9. J. Dumbleton, "Failures of metallic orthopedicimplants", Metals Handbook, ASM, vol. 10, p. 57

10. 1. Machado, M. Staia, E. Puchi, "Fallas por fatiga ycorrosión fatiga de dos implantes biomédicosutilizados en cirugía de cadera ", BioingeneríaAplicada, Ed, . Cerrolaza, 1996, p. 102