Wear behaviors of materials for standard and anatomical condyles on temporomandibular joint total joint replacement.

Abstract

Nos últimos anos, vários materiais e designs biomédicos foram avaliados na tentativa de melhorar o desempenho mecânico das próteses de substituição total da articulação temporomandibular (ATM). No entanto, o desgaste do condilo TMJ TJR ocorre com o movimento de deslizamento contra o componente da fossa à base de polímero durante a carga, levando à perda de material e à libertação de detritos. O objectivo do presente estudo foi avaliar o coeficiente de atrito, volume de desgaste, danos de superfície e biomecânica em relação a diferentes materiais e design de côndilos para substituição total da articulação temporomandibular aloplástica. Foi realizada uma busca bibliográfica nas seguintes bases de dados eletrônicas: MEDLINE/PubMed (via National Library of Medicine) e ScienceDirect (Elsevier). Os seguintes termos de busca foram usados: "temporomandibular joint prosthesis" OR "temporomandibular joint implantes" OR "" OR "TMJ prosthesis" OR "TMJ implant" OR "aloplastic TMJ" OR "TMJR" OR "CoCr" AND "wear" OR " fricção” OU “danos na superfície” OU “detritos” OU “toxicidade”. Em seguida, foi realizado um teste com dois grupos de materiais de côndilos metálicos e dois desenhos diferentes, a saber, condilos anatómicos e esféricos. As amostras de condilos foram preparadas a partir de ligas de CoCrMo ou Ti6Al4V que foram testadas contra amostras quadradas de polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE). Testes de desgaste de com deslizamento foram realizados considerando o movimento usual da articulação, envolvendo carga de 30 N, 1 Hz de frequência de deslizamento linear de 4 mm durante 60 min. Os testes de desgaste foram realizados em solução de Ringer a 37ºC para mimetizar o ambiente ao redor. O coeficiente de atrito (COF) e o comportamento de desgaste foram registados em diferentes pares tribológicos. As superfícies desgastadas foram inspecionadas por microscopia eletrónica de varredura (MEV) acoplada à espectroscopia dispersiva de energia. As tensões de Von Mises e o deslocamento foram calculados usando uma simulação 3D de modelo de elementos finitos (FEM) construída em elementos lineares tetraédricos livres, realizada em relação ao eixo central da prótese.. A estratégia de busca rendeu 165 estudos no PubMed e 3912 no ScienceDirect, 48 estudos tenham sido selecionados para um estudo de revisão. Resultados de estudos anteriores revelaram que o atrito dos materiais de contato promoveram a libertação de detritos de desgaste em tamanho nano (1-100nm) e microescala (abaixo de 1-50 µm), como partículas e íons. Os processos de atrito e desgaste dependeram dos materiais, design e estabilidadeda prótese. Como consequência, os detritos tóxicos levam a reações teciduais localizadas realizadas por fibroblastos, linfócitos e macrófagos, induzindo a morte celular e uma reação inflamatória contínua devido a citocinas e interleucinas. No presente estudo experimental, os valores médios de COF foram registados variando entre 0,06 e 0,077, e em relação ao efeito do design do côndilo os valores médios da taxa de desgaste das superfícies de UHMWPE foram maiores contra corpos de prova de forma esférica (5,53 x10-4 mm3/Nm para CoCrMo e 4,54 x10-4 mm3/Nm para Ti6Al4V). Imagens SEM da região central das pistas de desgaste em UHMWPE revelaram a existência de tribocamadas. Os valores de tensão de Von Mises encontrados no condilo de forma anatómica de CoCrMo em torno de 25 MPa foram menores quando comparados com os valores registaados para o condilo de forma esférica tanto para CoCrMo quanto para Ti6A4lV, aproximadamente 35 MPa e 30 MPa, respectivamente. As imagens SEM revelaram deformação plástica no UHMWPE, resultando em degradação do material. Achados experimentais mostraram um baixo desgaste em Ti6Al4V contra superfícies de UHMWPE, embora a perda de volume registada para as superfícies de UHMWPE tenha sido menor para o design anatómico do condilo do que para o design esférico. Os danos causados pela carga friccional cíclica e partículas abrasivas foram mais prejudiciais para as superfícies de contacto de CoCrMo/UHMWPE quando comparado com o par UHMWPE/Ti6Al4V. O condilo de formato anatómico diminuiu as tensões nas superfícies do contacto e, portanto, a degradação e a perda de material foram diminuídas.

In the last years, several biomedical materials and design have been assessed in attempt to improve the mechanical performance of temporomandibular joint total joint replacement (TMJ TJR) prostheses. Nevertheless, the wear of the TMJ TJR condyle occurs when sliding motion against the polymer-based fossa component during loading leading to material loss and the release of debris. The purpose of the present study was to evaluate the coefficient of friction, wear volume, surface damage, and biomechanics regarding different materials and condyle design for alloplastic temporomandibular joint total joint replacement (TMJ TJR). At first, a bibliographical search was carried out using the following electronic databases: MEDLINE/PubMed (via National Library of Medicine) and ScienceDirect (Elsevier). The following search terms were used: "temporomandibular joint prosthesis" OR "temporomandibular joint implants" OR "" OR "TMJ prosthesis" OR "TMJ implant" OR "alloplastic TMJ" OR “TMJR” OR “CoCr” AND “wear” OR “friction” OR “surface damage” OR “debris” OR “toxicity”. Then, an experimental was performed regarding two groups of metallic condyle materials and two different design, namely anatomical and spherical condyles. Condyle specimens were prepared from CoCrMo or Ti6Al4V alloys which were assessed against ultra-highly molecular weight polyethylene (UHMWPE) square samples. Reciprocating sliding pin-on-plate wear tests were performed considering usual TMJ TJR joint motion involving 30 N loading, 1 Hz of sliding frequency, and linear stroke length of 4 mm for 60 min. The wear tests were performed in in Ringer’s solution at 37o C to mimic the surrounding environment. The coefficient of friction (COF) and wear behaviour were recorded for different tribological pairs. Worn surfaces were inspected by scanning electron microscopy (SEM) coupled to energy dispersive spectroscopy. Von Mises stresses and displacement were calculated using a 3D finite element model (FEM) simulation built on free tetrahedral linear elements, performed relatively to the central axis of the TMJ TJR assembly. The search strategy yielded 165 studies on PubMed and 3912 on ScienceDirect although 48 studies were selected for a review study. Results from previous studies revealed the friction of the contacting materials in TMJ TJR promoted the release of wear debris at nano-scale (1-100nm) size and micro-scale (below 1-50 µm) such as particles and ions. Friction and wear processes were dependent on the materials, design, and the stability of the TMJ TJR. As a consequence toxic debris lead to localized tissue reactions carried out by fibroblasts, lymphocytes, and macrophages inducing cell death and a continuous inflammatory reaction due to cytokines and interleukins. On the present experimental study, COF mean values were recorded ranging between 0.06 and 0.077, and regarding condyle design effect the mean values of wear rate of UHMWPE surfaces were higher against spherical-shape condyle specimens (5.53 x10-4 mm3/Nm for CoCrMo and 4.54 x10-4 mm3/Nm for Ti6Al4V). SEM images of the middle region of the wear tracks on UHMWPE revealed the existence of tribolayers. The Von Mises stress values found on anatomical-shape condyle of CoCrMo at around 25 MPa were lower when compared with the values recorded for spherical-shape condyle either for CoCrMo or Ti6A4lV, approximately 35 MPa and 30 MPa, respectively. SEM images revealed plastic deformation on the UHMWPE resulting in ploughing and material degradation. Experimental findings showed a low wear on Ti6Al4V against UHMWPE surfaces although the volume loss recorded for the UHMWPE surfaces was lower for the anatomical condyle design than that for the spherical design. The damage caused by cyclic frictional loading and abrasive particles were more detrimental to the CoCrMo/UHMWPE bearing surfaces when compared with the UHMWPE/Ti6Al4V. pair. The anatomical-shape condyle decreased the stresses on the bearing surfaces and therefore the degradation and loss of material was decreased.