Badanie tarcia sztucznych stawów biodrowych : przegląd

• Autorzy: Leshchynsky V.

Warianty tytułu

EN

Examination of the friction behaviour of artificial HIP joints : brief overview

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W artykule analizowany jest stan wiedzy na temat warunków kinematycznych, tarcia i zużycia THR. Pokazano, że: 1) geometria złącza HIP określa warunki wpływu tarcia i zużycia; 2) tribologia (tarcie i zużycie) sztucznych stawów HIP (związanych z biokompatybilnością) to dwa kluczowe aspekty odpowiedzialne za kliniczny sukces implantu stawu biodrowego; 3) konieczna jest symulacja tarcia i zużycia w rzeczywistych warunkach pracy stawu biodrowego HIP, w celu oceny skuteczności różnych rozwiązań implantów biodrowych, poprzez porównanie ich parametrów tarcia w zależności od warunków smarowania i mechanizmów zużycia kontrolowanych za pomocą tarcia. Opracowano zmodyfikowany schemat kinematyczny symulatora ruchu z uwzględnieniem poszczególnych składowych ruchu oraz pomiarem siły tarcia komponentów i momentu obrotowego. Zainstalowane osobne czujniki obciążenia pozwalają mierzyć siłę osiową Fz wzdłuż osi kości udowej (z), moment Mz wokół osi z oraz momenty w osiach Mx i My. Opracowano procedurę obliczania parametrów tarcia i smarowania podczas całego cyklu symulacji, która zostanie wykorzystana do przetwarzania danych eksperymentalnych z testów symulacyjnych. Wyniki obliczeń parametrów Sommerfelda w każdym punkcie cyklu ruchu wraz ze schematem obciążenia normalnego pokazują, że parametr Sommerfeld zmienia się nieznacznie w zakresie 11,2·10-8–4,0·10-8 dla 50% cyklu. Zatem zmienność rzeczywistych warunków smarowania obciążonej części dla danego cyklu jest stosunkowo niewielka.

EN

State-of-art of studies of kinematic conditions, friction and wear of THRs is analysed. It is shown that: 1) geometry of the HIP joint defines the friction and wear regimes of its action; 2) tribology (friction and wear) of the artificial HIP joints, associated with biocompatibility, are two critical aspects responsible for the clinical success of a hip implant; 3) the simulation of the friction and wear in real conditions of artificial HIP joint action is needed to assess the performance of different hip implant designs by comparing their friction parameters depending on lubrication conditions and wear mechanisms controlled by friction. The modified kinematic scheme of the friction simulator with separate moving and measurement of the frictional torque components is developed, and the simulator is built. The separate load cells installed allow to measure axial force Fz along the femoral (z) axis, moment Mz about the z-axis and moments about orthogonal axes Mx and My. The calculation procedure of the friction and lubrication parameters during the whole simulation cycle is developed, and will be applied for processing of the experimental data of simulation tests. The results of Sommerfeld parameter calculation in each point of the gain cycle together with normal load diagram reveal that Sommerfeld parameter varies slightly within the range of 1.2·10-8–4.0·10-8 for 50% of the cycle. So, the variation of the real lubrication regime of the loaded part of the gain cycle is relatively small.

Słowa kluczowe

PL

endoproteza; sztuczny staw biodrowy; tarcie; zużycie; smarowanie

EN

orthopaedic implant; artificial HIP joint; friction; wear; lubrication

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 29, nr 4
• Strony: 381--398
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Leshchynsky V.

• Instytut Obróbki Plastycznej, ul. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] de Villiers Danielle, Julia C. Shelton. 2016. „Measurement outcomes from hip Simulators”. Proc IMechE Part H: J Engineering in Medicine 2016 230 (5): 398–405. DOI: 10.1177/0954411916628559.
• [2] Langton D.J., S.S. Jameson, T.J. Joyce, J.N. Gandhi, R. Sidaginamale, P. Mereddy, J. Lord, A.V.F. Nargol. 2011. „Accelerating failure rate of the ASR total hip replacement”. Journ. Bone Joint Surg 93b: 1011–1016.
• [3] Saikko Vesa. 2015. „Adverse condition testing with hip simulators”. Biotribology 1–2: 2–10.
• [4] Bergmann G., F. Graichen, A. Rohlmann, A. Bender, B. Heinlein, G.N. Duda, M.O. Heller, M.M. Morlock. 2010. „Realistic loads for testing hip implants”. Bio-Medical Materials and Engineering 20/2: 65–75.
• [5] Di Puccio Francesca, Mattei Lorenza. 2015. „Biotribology of artificial hip joints”. World J Orthop Jan 18, 6 (1): 77–94. DOI: 10.5312/wjo.v6.i1.77.
• [6] Mello Trommer Rafael, Márcia Marie Maru. 2017. „Importance of preclinical evaluation of wear in hip implant designs using simulator machines – Review”. Revista Brasileira Ortopedia 52 (3): 251–259.
• [7] Hutchings I., P. Shipwa. 2007. Tribology. Butterworth Heinemann Ltd.
• [8] Sudeep I., M. Nosonovsky, V.K. Satish, R.L. Michael, L.M. Pradeep. 2013. Tribology for Scientists and Engineers. Springer-Verlag.
• [9] ISO 14242–1, Implants for surgery -- Wear of total hip-joint prostheses -- Part 1: Loading and displacement parameters for wear-testing machines and corresponding environmental conditions for test, 2002.
• [10] ISO 14242–2. Implants for surgery -- Wear of total hip-joint prostheses -- Part 2: Methods of measurement, 2002.
• [11] Nevelos J., E. Ingham, C. Doyle, R. Streicher, A. Nevelos, W. Walter, J. Fisher. 2000. „Microseparation of the Centers of Alumina-Alumina Artificial Hip Joints During Simulator Testing Produces Clinically Relevant Wear Rates and Patterns”. The Journal of Arthroplasty 15/6: 793–795.
• [12] Shigley J.E., C.R. Mischke. 1989. Mechanical Engineering Design. New York: McGraw-Hill.
• [13] Jones E., S.C. Scholes, A. Unsworth, I.C. Burgess. 2008. „Compliant-layer tibial bearing inserts: Friction testing of different materials and designs for a new generation of prostheses that mimic the natural joint”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 222 (8): 1197–1208.
• [14] Auger D.D., D. Dowson, J. Fisher. 1995. „Cushion form bearings for total knee joint replacement. Part 1: design, friction and lubrication”. Proc. Instn Mech. Engrs, Part H: J. Engineering in Medicine 209: 73–81.
• [15] Unsworth A. 2016. „Some aspects of frictional measurements in hip joint simulators”. Proc IMechE Part H: J Engineering in Medicine 230 (5): 359–365.
• [16] Murakami T., S. Yarimitsu, N. Sakai, K. Nakashima, T. Yamaguchi, Y. Sawae. 2017. „Importance of adaptive multimode lubrication mechanism in natural synovial joints”. Tribology International 113: 306–315.
• [17] Affatato S., M. Spinelli, M. Zavalloni, C. Mazzega-Fabbro, M. Viceconti. 2008. „Tribology and total hip joint replacement: Current concepts in mechanical simulation: Review” Medical Engineering & Physics 30: 1305–1317.
• [18] Saikko V. 2005. „A 12-station anatomic hip joint simulator”. Institution of Mechanical Engineers. Proceedings. Part H: Journal of Engineering in Medicine 219 (6): 437–448.
• [19] Calonius O., V. Saikko. 2003. „Force track analysis of contemporary hip simulators”. J. Biomechanics 17 (36): 1719–1726.
• [20] Saikko V., O. Calonius. 2003. „An improved method of computing the wear factor for total hip prostheses involving the variation of relative motion and contact pressure with location on the bearing surface”. J. Biomechanics 36 (12): 1819–1827.
• [21] Haider H., J.N. Weisenburger, K.L. Garvin. 2016. „Simultaneous measurement of friction and wear in hip simulators”. Proc IMechE Part H: J Engineering in Medicine 230 (5): 373–388.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).