Badania tarciowo-zużyciowe skojarzeń materiałowych typu metal–polimer znajdujących zastosowanie w implantach ortopedycznych

• Autorzy: Wielowiejska-Giertuga A. , Miler M. , Sulej-Chojnacka J.

Warianty tytułu

EN

Friction and wear tests of metal-on-polymer articulations applicable to orthopedic implants

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Rosnące wśród pacjentów zapotrzebowanie na endoprotezy stawów, związane m.in. ze starzeniem się populacji, wymaga od współczesnej medycyny ciągłego postępu i udoskonalania stosowanych w implantologii materiałów. W pracy przedstawiono wyniki wstępnych badań tarciowo-zużyciowych materiałów wybranych spośród powszechnie stosowanych w endoprotezoplastyce stawu kolanowego. Badania przeprowadzono z zastosowaniem testera T-17 pracującego w skojarzeniu badawczym typu trzpień–płytka (block–on–disk), przeznaczonego do wyznaczania charakterystyk tribologicznych skojarzeń materiałowych współpracujących ślizgowo w ruchu posuwisto- -zwrotnym, ze szczególnym uwzględnieniem materiałów przeznaczonych na elementy protez stawów człowieka, np. polimerów. Wyznaczeniu charakterystyk tribologicznych oraz określeniu zużycia liniowego poddano trzpienie wykonane z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE) oraz polietylenu UHMWPE modyfikowanego witaminą E. Materiał przeciwpróbki (płytki) stanowił stop CoCrMo. Badania prowadzono przez milion cykli w środowisku surowicy bydlęcej o temperaturze 37°C±2°C. Częstotliwość ruchu wynosiła 1 Hz±0,1 Hz. W celu określenia mechanizmu zużycia, powierzchnie trące badanych materiałów po testach poddano obserwacjom przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej. Analiza uzyskanych wyników badań tribologicznych pozwoliła wskazać spośród badanych próbek korzystniejsze skojarzenie materiałowe, którym była para trąca: modyfikowany witaminą E polietylen UHMWPE–stop CoCrMo. Dla powyższej pary trącej odnotowano nieznacznie większe wartości współczynnika tarcia, ale jednocześnie mniejsze zużycie liniowe. Natomiast na podstawie obserwacji morfologii powierzchni określono główny mechanizm zużycia, którym było zużycie ścierno-adhezyjne.

EN

The growing demand among patients for endoprosthesis joints associated, among others, with an aging population, requires from modern medicine continuous progress and improvement of materials used in implantology. The paper presents the preliminary results of friction-wear tests of materials chosen from among those commonly used in knee endoprostheses. The tests were conducted using a T-17 tester working in a block-on-disk tribosystem designated to determine the tribological characteristics of material combinations articulating in a reciprocating motion with particular reference to the materials used for elements of human joint prostheses, e.g. polymers. The tribological characteristics were determined and the linear wear was identified for pins made of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) and UHMWPE modified with vitamin E. The counter specimen materials (discs) consisted of a CoCrMo alloy. The study was conducted throughout a million cycles in an environment of bovine serum at a temperature of 37°C±2°C. The frequency of movement was 1 Hz±0.1 Hz. In order to determine the wear mechanism, the friction surfaces of the tested materials were subjected to observation using scanning electron microscopy after testing. Analysis of the tribological test results enabled the authors to indicate from among the tested samples the most advantageous material combination, which was the vitamin E modified UHMWPE– CoCrMo alloy friction pair. For the above friction pair a slightly higher friction coefficient was recorded, but also at the same time reduced linear wear. In contrast, based on the surface morphology observations, the main wear mechanism was defined which was abrasive-adhesive wear.

Słowa kluczowe

PL

tribologia; badania tarciowo-zużyciowe; UHMWPE; stop Co-Cr-Mo; witamina E

EN

tribology; friction-wear tests; UHMWPE; Co-Cr-Mo; vitamin E

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 27, nr 1
• Strony: 73--82
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Wielowiejska-Giertuga A.

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

autor

Miler M.

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

autor

Sulej-Chojnacka J.

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

Bibliografia

• [1] Gray H., Lewis W.H. 2000. Anatomy of the human body. New York: Bartleby.com.
• [2] Narkiewicz O., Dziewiątkowski J., Moryś J., Scisłowska S. 2015. Anatomia człowieka: Podręcznik dla studentów. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL.
• [3] Reicher M., Bilikiewicz T., Hiller S., Stołyhwo E., Sieńkowski E., Łasiński W. 2010. Anatomia ogólna: Kości, stawy i więzadła, mięśnie. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL.
• [4] Kurtz S.M. 2016. The Clinical Performance of UHMWPE in Knee Replacements. W UHMWPE Biomaterials Handbook. Ultra-High Molecular Weight Polyethylene in Total Joint Replacement and Medical Devices, 123–144. Elsevier.
• [5] Spiegelberg S., Kozak A., Braithwaite G. 2016. Characterization of Physical, Chemical, and Mechanical Properties of UHMWPE. W UHMWPE Biomaterials Handbook. Ultra-High Molecular Weight Polyethylene in Total Joint Replacement and Medical Devices, 531–552. Elsevier.
• 6] Świeczko-Żurek B., Zieliński A.S., Ossowska A., Sobieszczyk S. 2014. Biomateriały. Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej.
• [7] Oral E., Muratoglu O.K. 2016. Highly CrossLinked UHMWPE Doped with Vitamin E. W Biomaterials Handbook. Ultra-High Molecular Weight Polyethylene in Total Joint Replacement and Medical Devices, 307–325. Elsevier.
• [8] Renò F., Cannas M. 2006. „UHMWPE and vitamin E bioactivity: An emerging perspective”. Biomaterials 27 (16): 3039–3043.
• [9] Halma J.J., Eshius R., Vogely C., van Gaalen S., de Gast A. 2015. „An Uncmented Iso-Elastic Monoblock Acetabular Component Preliminary Results”. The Journal of Arthroplastry 30 (4): 615–621.
• [10] Lerf R., Zurbrügg D., Delfosse D. 2010. „Use of vitamin E to protect cross-linked UHMWPE from oxidation”. Biomaterials 31 (13): 3643–3648.
• [11] ASTM F732-00(2011), Standard Test Method for Wear Testing of Polymeric Materials Used in Total Joint Prostheses, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2011, www.astm.org.
• [12] ISO 14242: Implants for surgery -- Wear of total hipjoint prostheses -- Part 1: Loading and displacement parameters for wear-testing machines and corresponding environmental conditions for test.
• [13] Baena J., Wu J., Peng Z. 2015. „Wear Performance of UHMWPE and Reinforced UHMWPE Composites in Arthroplasty Applications: A Review”. Lubricants 3 (2): 413–436.
• [14] Teramura S., Sakoda H., Terao T., Endo M.M., Fujiwara K., Tomita N. 2008. „Reduction of wear volume from ultrahigh molecular weight polyethylene knee components by the addition of vitamin E”. Journal of Orthopedic Research 26 (4): 460–464.
• [15] Kurtz S.M., ed. 2009. UHMWPE Biomaterials Handbook: Ultra-high Molecular Weight Polyethylene in Total Joint Replacement and Medical Devices. Elsevier.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.