Influência das modificações microestruturais causadas pela compressão em estado plano de deformação no comportamento tribológico do polietileno de ultra-alto peso molecular

Abstract

O polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) é utilizado em componentes de implantes ortopédicos devido às suas excelentes propriedades físicas e mecânicas. Pesquisas indicam que modificações microestruturais no UHMWPE têm efeito direto no comportamento em desgaste deste polímero. O objetivo deste presente trabalho foi determinar a correlação da resistência tribológica com a modificação microestrutural do UHMWPE resultante da aplicação de deformação por compressão mecânica. Para isso, amostras de UHMWPE GUR 1050 foram submetidas a compressão mecânica, com razão de compressão de 2,5. Uma malha quadrada com 81 quadrados desenhada sobre a superfície de uma das amostras revelou um campo de deformação heterogêneo gerado pela compressão. Dessa forma, foram identificadas 3 regiões de análise com diferentes níveis de deformação. O desempenho tribológico foi avaliado por meio de ensaios de deslizamento cíclico e de riscamento sobre a superfície perpendicular à direção de compressão mecânica, auxiliado pelas técnicas de indentação e de medição da pressão e da área de contato. A compressão em deformação plana foi capaz de modificar a microestrutura do polímero, impactando na resistência ao desgaste do material. O desgaste dos corpos de prova em escala macroscópica foi avaliado em ensaios de deslizamento cíclico realizados em um simulador de desgaste de próteses de quadril, utilizando perfilometria tridimensional para medir o volume de material perdido após 1 milhão de ciclos. O desgaste dos corpos de prova submetidos à deformação plástica no ensaio de deslizamento cíclico foi em torno de 2 vezes maior do que o dos corpos de prova no estado original. Além disso, o desgaste dos corpos de prova deformados apresentou uma presença maior do mecanismo de abrasão, que foi associado ao maior desgaste observado. Os resultados de riscamento revelaram uma anisotropia do comportamento tribológico, em que a força de resistência ao risco reduziu significantemente na direção do fluxo plástico, visto tanto pela força de resistência quanto pela profundidade permanente do risco, enquanto na direção da compressão a força aumentou, mas a profundidade residual permaneceu inalterada em comparação com o material original. As diferenças observadas na resposta tribológica dos corpos de prova foram associadas às modificações nas características microestruturais do UHMWPE. Utilizando espectroscopia Raman, foi observado uma anisotropia no material relacionada à orientação das cadeias poliméricas do UHMWPE na direção de fluxo plástico do material, seguindo um campo de deformação não homogêneo gerado pela compressão mecânica. Marcas de Chevron geradas pela deformação do material, relacionadas a níveis de deformação elevados, foram observadas por microscopia de força atômica. Também foi observada uma diminuição na espessura das lamelas no material deformado, calculada a partir de difratogramas obtidos por difração de raios X.

Abstract: Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is used in orthopedic implant components due to its excellent physical and mechanical properties. Despite the recognized resistance to wear presented by this biomaterial, researches to improve this characteristic without negatively affecting other properties of its mechanical behavior are still necessary. Modifications in the polymer structure have a direct effect on the wear behavior of this polymer. In the present work, samples of UHMWPE GUR 1050 were subjected to compression in plane strain, with a compression ratio of 2.5. A square mesh with 81 squares drawn on the surface of one of the samples revealed that the deformation field created by the compression was inhomogeneous. Thus, 3 regions of analysis with different levels of deformation were identified. Tribological performance was evaluated by means of linear scratching and wear tests on the surface perpendicular to the surface subjected to compression, aided by indentation techniques and measurement of pressure and contact area. In the scratching technique, the scratch resistance strength was evaluated, which decreased along the plastic flow direction of the material (DF) and increased along the compressive load application direction (DC) in the deformed polymer in comparison with the scratches performed. on the undeformed polymer. Additionally, the residual deformations of the scratches along DC were greater than along DF in the deformed polymer, reaching 80% of difference in the most deformed region of the sample, revealing an anisotropy created by compression. The wear of the specimens was evaluated considering the volume of material lost after 1 million cycles in a test carried out in a hip prosthesis wear simulator, and was measured using three-dimensional profilometry. Compression in plane strain was able to modify the polymer microstructure, impacting the wear resistance of the material. The results obtained in the wear test showed that the wear of the samples subjected to plastic deformation was around 2 times greater than that of the samples that were not deformed. In addition, the wear of the deformed samples showed a greater presence of the abrasion mechanism, which was associated with the greater wear observed. The differences observed in the tribological response of the specimens were associated with changes in the microstructural characteristics of the UHMWPE. Using Raman spectroscopy, an anisotropy was observed in the material related to the orientation of the UHMWPE polymeric chains in the plastic flow direction of the material, following an inhomogeneous strain field generated by mechanical compression. Atomic force microscopy was also used, through which Chevron marks generated by the deformation of the material, originating from high levels of deformation, were observed. Fragmentation of the lamellae in the deformed material was also observed, calculated from diffractograms obtained by X-ray diffraction.