Ocena odporności na zużycie ścierne stopów Ti na elementy pary trącej endoprotez stawu kolanowego

• Autorzy: Majkowska B. , Jażdżewska M. , Miotke D. , Zieliński A.

Warianty tytułu

EN

Evaluation of resistance to abrasion wear of the Ti alloys for elements on pair of friction of the knee endoprosthesis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Najczęściej stosowanym biomateriałem tytanowym na elementy endoprotez stawu kolanowego jest stop Ti6Al4V. Ze względu na zawartość wanadu, zaliczanego do pierwiastków o dużej toksyczności, są podejmowane działania w kierunku zastąpienia tego stopu stopami bezwanadowymi. Jednym z najbardziej obiecujących jest stop Ti13Nb13Zr zawierający w swoim składzie jedynie pierwiastki witalne, niewywołujące stanów zapalnych i odczynów alergicznych. W artykule zaprezentowano wyniki badań odporności na zużycie ścierne stopów tytanu: Ti6Al4V (powszechnie stosowanego) i Til3Nbl3Zr (stopu nowej generacji) w skojarzeniu z polietylenem (PE-UHMW) predysponowanych na elementy pary trącej w endoprotezie kolanowej. Otrzymane wyniki przeanalizowano pod kątem możliwości zastosowania stopu tytanu nowej generacji na komponenty tej endoprotezy. Próby odporności na zużycie ścierne wybranych par ciernych przeprowadzono z wykorzystaniem tribometru PT-3 w środowisku cieczy symulującej płyn ustrojowy - roztworu Ringera. Zastosowano obciążenie rzędu 2 kN przy prędkości obrotowej próbek tytanowych 30 obr/min przez 1 lub 2 godziny. Zużycie ścierne w parze trącej Ti13Nb13Zr-PE-UHMW jest mniej sze niż w przypadku pary Ti6Al4V-PE-UHMW i to zarówno globalnie w odniesieniu do całego skojarzenia, jak i w odniesieniu do pojedynczych próbek. Udział produktów zużycia w strefie tarcia także jest większy w przypadku skojarzenia Ti6Al4V-PE-UHMW. Produkty te, przemieszczając się pomiędzy współpracującymi materiałami, działają jak ścierniwo, intensyfikując procesy zużycia ściernego. Średni ubytek masy określany na podstawie metody wagowej próbki Z Ti6Al4V wyniósł 0,00177 g, a Ti13Nb13Zr 0,00062 g. W przypadku próbek UHMW-PE współpracujących Z Ti6Al4V ubytek wynosił 0,0043 g, a dla skojarzonych Z Ti13Nb13Zr 0,00234 g. Badania struktury geometrycznej powierzchni próbek roboczych z rejestracją zmian chropowatości Ra wykazały większe zużycie po stronie próbek ze stopu Ti6Al4V, dla których mimo mniej szych, początkowych wartości Ra, końcowa, uśredniona wartość była równa 0,53 um. Dla próbek Ti13Nb13Zr wyniosła ona 0,43 um. W przypadku próbek UHMW-PE współpracujących z Ti6Al4V to 0,85 um, a dla skojarzonych Z Ti13Nb13Zr 0,61 um.

EN

The Ti6Al4V alloy is commonly used titanium biomaterial in elements of knee joint endoprosthesis. Taking into consideration the content of vanadium, which is ranked as the element ofhigh toxicity, there are taken efforts to substitute this alloy with non-vanadium alloys. One of the most promising is Ti13Nb13Zr alloy. It contains only vital elements which do not cause infiammations or allergic reactions. The paper presents research results of resistance to abrasive wear of titanium alloys: Ti6Al4V (commonly used) and Ti13Nb13Zr (alloy of new generation) in association with polyethylene (PE-UHMW) predisposed for elements on pair ofthe knee endoprosthesis. Results were analyzed considering the possibility of use new generation titanium alloys for components for these endoprosthesis. Tests of resistance to abrasive Wear of selected friction pair were conducted in PT-3 tribometer in Ringer”s solution environment under constant load 2.0 kN, rotational speed of the moving specimens (Til3Nbl3Zr and Ti6Al4V): 30 rpm, test duration: 1 or 2 hours. Resistance to abrasive wear of selected pair of friction Til3Nb13Zr-PE- UHMW is lower than fon Ti6Al4V-PE-UHMW pair, not only globally - in reference to whole join - but also in reference to individual samples. Contribution of wear products is also higher in Ti6Al4V-PE-UHMW pair. These products move between mating materials, they act as grindings, thus intensifying the process of abrasive Wear. average mass losses determined by weight method for Ti6Al4V and Ti13Nb13Zr sample were 0.00177 g and 0.00062 g, respectively. In case of PE-UHMW samples associated with Ti6Al4V it Was 0.0043 g, whereas for Til3Nbl3Zr it Was 0.00234 g. Geometric structure analysis of sample surfaces, from registration Ra roughness changes, revealed higher wear on Ti6Al4V alloy samples, despite lower initial value of Ra, their final average value was 0.53 um while for Ti13Nb13Zr sample was 0.43 um. In case of UHMW-PE samples associated with Ti6Al4V this value equaled to 0.85 um, while in case ofTi13Nb13Zr it was 0.61 um.

Słowa kluczowe

PL

stopy tytanu; zużycie ścierne; endoprotezy; biomateriały

EN

titanium alloy; abrasive wear; endoprostheses; biomaterials

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 5
• Strony: 501--504
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Majkowska B.

• Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska

autor

Jażdżewska M.

• Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska

autor

Miotke D.

• Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska

autor

Zieliński A.

• Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska

Bibliografia

• [1] Domingo J. L.: Vanadium and diabetes. What about Vanadium toxicity? Molecul. Dellul. Biochem. 203 (2000) 185÷187.
• [2] Okazaki Y., Ito Y.: New Ti alloy without Al and V for medical implants. Advanced Engineering Materials 2 (2000) 278÷281.
• [3] Shi W., Dong H., Bell T.: Tribological behaviour and microscopic wear mechanism of PE-UHMW sliding against thermal oxidation-treated Ti6Al4V. Materials Science and Engineering A291 (2000) 27÷36.
• [4] Płaza S., Margielewski L., Celichowski G.: Wstęp do tribologii i tribochemia. Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź (2005).
• [5] Biel M.: Mikrostruktura i właściwości biomateriałów tytanowych po obróbce powierzchniowej. Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków (2006).
• [6] Surowska B.: Biomateriały metalowe oraz połączenia metal-ceramika w zastosowaniach stomatologicznych. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin (2009).
• [7] Schneider S. G., Nunes C. A., Rogero S. O., Higa O. Z., Bressiani J. C.: Mechanical properties and cytotoxic evaluation of the Ti-13Nb-13Zr alloy. Biomecánica 8 (2000).
• [8] Kowalewski P.: Modelowanie tarcia W endoprotezie stawu kolanowego. Praca doktorska, Wydział Mechaniczny, Politechnika Wrocławska, Wrocław (2007).
• [9] Ozwoniarek J., Wiśniewska-Weinert H., Lisowski J., Kędzia Ł.: Nowe rozwiązania w zakresie biotribologii i biomateriałów. Stanowisko do badań zużycia elementów endoprotez stawu biodrowego, Obróbka Plastyczna Metali t. XVIII nr 1 (2007).