Analysis of the surface condition of removed bone implants

• Autorzy: Mierzejewska Ż. A. , Kuptel P. , Sidun J.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2016.1.9

Warianty tytułu

PL

Analiza stanu powierzchni usuniętych implantów kostnych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The requirements that must be met by implant materials are rigorous and diverse. These materials are tasked with supporting or replacing sick or damaged parts of the musculoskeletal system, where loads and a heterogeneous stress state frequently occur. Thus, they must have the appropriate strength properties and resistance to many types of corrosion, which is related to biotolerance, or neutrality of the material to the human body during use. This article presents the results of studies of three implant groups: set for stabilization of long bones made of 316L austenitic steel, set for intramedullary nail insertion in grafts of femur bones made of Ti6Al4V titanium alloy, and a straighty reconstruction plate made of Ti6Al4V titanium alloy coated with an oxide layer. These implants were implanted into the human body and then removed at the end of the treatment process or due to implant failure during its operation. Next, implants were studied in order to determine the level of wear. Investigations were carried out using an Hitachi S-3000N scanning microscope. Their results indicate a series of changes that took place on implant surfaces and confirm the existence of typical implant wear mechanisms presented in reports in the literature. Traces of corrosion, fatigue cracks, tribological wear, and traces of fretting were found on examined implant surfaces. The study of implant wear cases, determination of their character, and evaluation of the intensity of destructive processes may contribute to the improvement of both the mechanical properties of these implants and their shape, so that modern bone implants perform their roles without the risk of failure during their operation.

PL

Wymagania stawiane materiałom na implanty są wysokie i bardzo zróżnicowane. Mają one wspomagać lub zastępować chore lub uszkodzone części układu kostno-mięśniowego, gdzie często pojawiają się obciążenia i różnorodny stan naprężeń. Muszą zatem charakteryzować się odpowiednimi własnościami wytrzymałościowymi i odpornością na różne rodzaje korozji, powiązaną z biotolerancją oznaczającą neutralność materiału wobec organizmu podczas użytkowania. W pracy przedstawiono wyniki badań trzech grup implantów: zestawu do stabilizacji kości długich, wykonanego ze stali austenitycznej 316L, zestawu do gwoździowania śródszpikowego do zespoleń złamań kości udowej, wykonanego ze stopu tytanu Ti6Al4V oraz płytki rekonstrukcyjnej prostej, wykonanej ze stopu tytanu Ti6Al4V pokrytego warstwą tlenków. Implanty te wszczepione były do organizmu ludzkiego, a następnie usunięte, wraz z zakończeniem procesu leczenia lub wskutek uszkodzenia implantu podczas jego eksploatacji. Następnie poddano je badaniom w celu określenia stopnia zużycia. Badania realizowano z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego Hitachi S-3000N. Wyniki badań wskazują na szereg zmian, które zaszły na powierzchni implantów i potwierdziły istnienie typowych mechanizmów zużycia implantów prezentowanych w doniesieniach literaturowych. Na powierzchni badanych implantów zauważono ślady korozji, pęknięcia zmęczeniowe, zużycie tribologiczne oraz ślady frettingu. Badania zużycia implantów, określenie ich charakteru oraz ocena intensywności zachodzenia procesów niszczenia mogą w przyszłości znacznie wpłynąć na poprawę zarówno właściwości mechanicznych tych implantów, jak również na próbę zmiany ich kształtu tak, by nowoczesne implanty kostne spełniały swoją rolę bez ryzyka zniszczenia w trakcie ich eksploatacji.

Słowa kluczowe

EN

implant; surface analysis; operating wear; tribological wear

PL

implant; analiza powierzchni; zużycie eksploatacyjne; zużycie tribologiczne

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 18, no. 1
• Strony: 65--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mierzejewska Ż. A.

• Department of Materials Science and Biomedical Engineering Bialystok University of Technology ul. Wiejska 45 C, 15-351 Białystok, Poland

autor

Kuptel P.

• Department of Materials Science and Biomedical Engineering Bialystok University of Technology ul. Wiejska 45 C, 15-351 Białystok, Poland

autor

Sidun J.

• Department of Materials Science and Biomedical Engineering Bialystok University of Technology ul. Wiejska 45 C, 15-351 Białystok, Poland

Bibliografia

• 1. Ackrermann K.: Implantologia, Urban&Partner, Wrocław 2004.
• 2. Albert K., Schledjewski R, Harbaugh M, Bleser S, Jamison R, Friedrich K.: Characterization of wear in composite material orthopaedic implants, Part 2. The implant/bone interface. Biomedical Materials Eng. 1994: 199-211.
• 3. Benea L., Mardare-Danaila E., Celis J-P.: Increasing the tribological performances of Ti–6Al–4V alloy by forming a thin nanoporous TiO layer and hydroxyapatite electrodeposition under lubricated conditions. Tribology International, 2014; 78: 168–175, http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2014.05.013.
• 4. Ciupik L. F., Krasicka-Cydzik E., Mstowski J., Zarzycki D.: Metalowe implanty kręgosłupowe. Cz. I: Techniczne aspekty biotolerancji. W: System DERO: rozwój technik operacyjnego leczenia kręgosłupa. (red.) Zarzycki D., Ciupik L. F., Wyd. Grupa DERO LfC, Zielona Góra 1997: 93-104.
• 5. Dąbrowski J.R., Klekotka M., Sidun J.: Fretting and fretting corrosion of 316L implantation steel in the oral cavity environment. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability, 2014; 16(3): 441–446.
• 6. Diomidis N., Mischler S., More N.S., Manish Roy: Tribo-electrochemical characterization of metallic biomaterials for total joint replacement. Acta Biomaterialia, 2012; 8: 852–859, http://dx.doi.org/10.1016/j.actbio.2011.09.034.
• 7. Dobrzański L. A.: Kształtowanie struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich i biomedycznych. Wyd. International OC&CO World Press, Gliwice 2009.
• 8. Geringer J., Mathew M.T., Wimmer M.A.: Synergism effects during friction and fretting corrosion experiments – focusing on biomaterials used as orthopedic implants. Biomaterials and Medical Tribology 2013: 133–180, http://dx.doi.org/10.1533/9780857092205.133.
• 9. Guo F., Dong G., Dong L.: High temperature passive film on the surface of Co–Cr–Mo alloy and its tribological properties. Applied Surface Science, 2014; 314: 777–785, http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.07.086.
• 10. Kakubo T., Kim H.-M., Kawashita M, Nakamura T.: Bioactiwe metals: preparation and properties. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2004; 15: 99-107, http://dx.doi.org/10.1023/B:JMSM.0000011809.36275.0c.
• 11. Kasemo B.: Biological surface science. Surface Science 2002; 500): 656-677, http://dx.doi.org/10.1016/S0039-6028(01)01809-X.
• 12. Krasicka-Cydzik E., Mstowski J., Ciupik L.F.: Materiały implantowe: stal a stopy tytanu. System DERO: rozwój technik operacyjnego leczenia kręgosłupa. Zielona Góra 1997.
• 13. Long M., Rack H. J.: Titanium alloys in total joint replacement – a materials science perspective. Biomaterials, 1998; 19: 1621–1639, http://dx.doi.org/10.1016/S0142-9612(97)00146-4.
• 14. Łaskawiec J., Michalik R.: Zagadnienia teoretyczne i aplikacyjne w implantach. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
• 15. Marciniak J.: Biomateriały w chirurgii kostnej. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
• 16. Marciniak J.: Biomateriały metaliczne. Biomateriały tom 4, Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, W-wa 2003.
• 17. Marciniak J.: Perspektywy stosowania biomateriałów metalicznych w chirurgii rekonstrukcyjnej. Inżynieria Biomateriałów 1997; 1: 12-19.
• 18. Skrzypiec P., Sajewicz E., Koronkiewicz T.: Analiza zużycia wybranych implantów. W: Wybrane zagadnienia z inżynierii biomedycznej. (red.) Dąbrowski J. R., Sajewicz E., Sidun J., Wyd. Politechniki Białostockiej, Białystok 2005: 95-106.
• 19. Sidun J., Dąbrowski J.R.: Aspekty biomechaniczne uszkodzeń minipłytek zespalających kości twarzoczaszki. Motrol 2009; T.11C: 176-181.
• 20. Sidun J.: Evaluation of wear processes of titanium plates used for internal maxilofacial fi xation. Scientific Journals Martime University of Szczecin, 2010; 24 (96): 88-92.
• 21. Szymański K., Olszewski W., Satła D., Rećko K., Waliszewski J., Kalska-Szostko B., Dąbrowski J.R., Sidun J., Kulesza E.: Characterization of fretting products between austenitic and martensitic stainless steels using Mossbauer and X-ray techniques. Wear 2013; 300: 90–95, http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2013.01.116.
• 22. Toshikazu Akahori, Mitsuo Ninomi, Kei-Ichi Fukunaga,: An Investigation of the Effect of Fatigue Deformation on the Residual Mechanical Properties of Ti-6Al-4V ELI. Metallurgical and Materials Transaction, 2000, 31A(8): 1937-1948, http://dx.doi.org/10.1007/s11661-000-0221-0.
• 23. Wagner W., Nawas B. A.: Materiały stosowane w implantologii oraz zasady konstrukcyjne śródkostnych części wszczepów – z chirurgicznego punktu widzenia. W: Implantologia. (red.) Koeck B., Wagner W., Wyd. Medyczne Urban & Partner, Wrocław 2004: 62-73
• 24. Wang S., Liao Z., Liu Y., Liu W.: Influence of thermal oxidation temperature on the microstructural and tribological behavior of Ti6Al4V alloy. Surface & Coatings Technology, 2014; 240: 470–477, http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.01.004.