Friction and Wear Test of Components of a Hip Joint Endoprosthesis with Ceramic–Polyethylene Material Contact Using Hip Joint Movement Simulator

• Autorzy: Wiśniewski Tomasz , Rubach Rafał , Łapaj Łukasz , Garncarek Wacław

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.8434

Warianty tytułu

PL

Badania tarciowo-zużyciowe komponentów endoprotezy stawu biodrowego o skojarzeniu materiałowym ceramika–polietylen przy użyciu symulatora ruchu stawu biodrowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of friction and wear tests of a total hip joint endoprosthesis. The research material consisted of three pairs of components of a hip joint endoprosthesis with a ceramic-polyethylene material contact for use in total hip arthroplasty. The rubbing pair was made of an acetabular cup made of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and a head made of ZTA oxide ceramic (Al₂O₃+ZrO₂) with a diameter of 28 mm. All the components of the endoprosthesis were made by the Polish company "Laser Polska" Marcin Garncarek. Friction and wear tests were carried out utilizing an SBT 01.2 simulator, designed and made in the Łukasiewicz Research Network – Poznań Institute of Technology. The simulator is designed to test the tribological properties of hip joint endoprostheses in accordance with the ISO 14242-1 standard. An aqueous solution of bovine serum, was used as the lubricant. For each rubbing pair, the set number of motion cycles was 5·106. Based on the recorded values of friction torque and downforce, the coefficient of friction as a function of the number of cycles was determined. The exact wear value of the acetabular cups was determined after the tests, in accordance with the ASTM F1714- 96 standard.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań tarciowo-zużyciowych, całkowitej endoprotezy stawu biodrowego. Materiał badawczy stanowiły trzy pary komponentów endoprotezy stawu biodrowego o skojarzeniu materiałowym ceramika–polietylen do zastosowania w całkowitej endoprotezoplastyce stawu biodrowego. Parę trącą tworzyła panewka wykonana z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (PE-UHMW) oraz głowa wykonana z ceramiki tlenkowej ZTA (Al₂O₃+ZrO₂) o średnicy 28 mm. Wszystkie komponenty endoprotezy wykonane zostały przez polską firmę ,,Laser Polska” Marcin Garncarek. Badania tarciowo-zużyciowe przeprowadzone zostały przy użyciu symulatora SBT 01.2, zaprojektowanego i wykonanego w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Poznański Instytut Technologiczny. Symulator przeznaczony jest do badań właściwości tribologicznych endoprotez stawu biodrowego zgodnie z normą ISO 14242-1. Jako medium smarujące zastosowano roztwór wodny surowicy bydlęcej. Dla każdej pary trącej zadana liczba cykli ruchu wynosiła 5·106. Na podstawie zarejestrowanych wartości momentu tarcia i siły docisku wyznaczono współczynnik tarcia w funkcji liczby cykli. Określona została wartość zużycia panewek po przeprowadzonych testach, zgodnie z normą ASTM F1714-96.

Słowa kluczowe

EN

hip joint movement simulator; endoprosthesis; wear; coefficient of friction; ceramics-polyethylene contact

PL

symulator ruchu stawu biodrowego; endoproteza; zużycie; współczynnik tarcia; skojarzenie materiałowe ceramika-polietylen

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 2
• Strony: 121--129
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wiśniewski Tomasz

• Łukasiewicz Research Network – Poznan Institute of Technology, Ewarysta Estkowskiego 6 Street, 61-755 Poznań, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8112-8967

autor

Rubach Rafał

• Łukasiewicz Research Network – Poznan Institute of Technology, Ewarysta Estkowskiego 6 Street, 61-755 Poznań, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8620-2855

autor

Łapaj Łukasz

• Department of General Orthopaedics, Musculoskeletal Oncology and Trauma Surgery, Poznan University of Medical Sciences, Poznan, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5766-2924

autor

Garncarek Wacław

• ,,Laser Polska” Wacław Garncarek, Złotno 173 Street, 94-411 Łódź Polesie, Poland

Bibliografia

• 1. Wendland, J., Gierzyńska-Dolna, M., Rybak T., Wiśniewski, T., Rajchel, B.: Badania nad opracowaniem nowego biomateriału przeznaczonego na elementy endoprotez stawu biodrowego, Obróbka Plastyczna Metali t. XX nr 2 (2009).
• 2. Ciećkiewicz, A., Cwanek J.: Historia endoprotez stawu biodrowego do roku 1962. Problemy Nauk Stosowanych, 2014. 2, pp. 131–142.
• 3. Sieczka, Ł., Bohatyrewicz, A., Pituch, S.: Endoprotezy stawów biodrowych wczoraj i dziś, Forum Reumatol. 2017, tom 3, nr 4, pp. 216–221, Copyright © 2017 Via Medica, ISSN 2450–3088.
• 4. Malerba, G., Basilico, M., Bonfiglio, N., Vitiello, R., Ruberto, P., D’Adamio, S., Sirgiovanni, M., De Santis, V., Maccauro, G.: Ceramic-on-ceramic versus ceramic-on-polyethylene in total hip arthroplasty: a comparative study at a minimum of 13 years follow-up, BMC Musculoskeletal Disorders 2021, Volume 22, Supplement 2, Artic.
• 5. Kurtz, S.: UHMWPE Biomaterials Handbook – Second edition, Elsevier, London, 2009.
• 6. Wendland, J., Gierzyńska-Dolna M., Rybak T., Wiśniewski T. Rajchel B.: Badania nad opracowaniem nowego biomateriału przeznaczonego na elementy endoprotez stawu biodrowego, Obróbka Plastyczna Metali, t. XX, nr 2 (2009).
• 7. Wiśniewski, T.: Charakterystyka materiałów stosowanych na endoprotezy, Endoproteza krążka międzykręgowego – konstrukcja, technologia wytwarzania i przygotowania do zastosowań medycznych, in Endoproteza krążka międzykręgowego – konstrukcja, technologia wytwarzania i przygotowania do zastosowań medycznych, K. Skalski, Editor. 2013: Poznań.
• 8. https://www.nfz.gov.pl/o-nfz/publikacje/.
• 9. (ISO 14242-1:2012) 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.
• 10. (ISO 14242-2:2012) Implants for surgery – Wear of total hip-joint prostheses – Part 2: Methods of measurement.
• 11. Wiśniewski ,T., Wielowiejska-Giertuga, A., Rubach, R., Łapaj, Ł., Magda, J.: Research on friction wear of hip joint endoprostheses of polyethylene-metal material combination on hip joint simulator, Tribologia 281–285, 2018, pp. 153–158.
• 12. (ASTM F1714-96) Standard Guide for Gravimetric Wear Assessment of Prosthetic Hip Designs in Simulator Devices.
• 13. Cho, H.J., Wej, W.J., Kao, H.C., Cheng, C.K.: Wer behawior of UHMWPE sliding on artificial hip arthroplasty materials Materials Chemistry and Physics 88 (2004), pp. 9–16.
• 14. Banchet, V., Fridrici, Abry J.C., Kapsa Ph.: Wear and friction characterization of materials for hip prosthesis, Wear 263 (2007), pp. 1066–1071.
• 15. Kowalewski, P.: Modelowanie tarcia w endoprotezie stawu kolanowego, praca doktorska, Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn (2007).
• 16. Yu Yan, Dowson D., Neville A.: In-situ electrochemical study of interaction of tribology and corrosion in artificial hip prosthesis simulators, Journal of Mechanicla behavior of Biomedical Materials 2013, 18, pp. 191–199.
• 17. Zikai Hua, Pingchuan Dou, Haili Jia, Fei Tang, Xiaojing Wang, Xin Xiong, Leiming Gao, Xiuling Huang, Zhongmin Jin: Wear test Apparatus for friction and wear evaluation hip prostheses, Frontiers in Mechanical Engineering (April 2019), volume 5, Article 12.
• 18. Rama Sreekanth, P.S., Kanagaraj, S.: Influence of multi walled carbon nanotubes reinforcement and gamma irradiation on the wear behaviour of UHMWPE, Wear 334-335 2015), pp. 82–90.
• 19. Mohamad N., Srinivasan V.: A study on wear behavior of γ-UHMWPE sliding against 316L stainless steel counter face, Volume 306, Issues 1–2, 30.08.2013, pp. 22–26.
• 20. Shahemi, N., Liza, S., Abbas, A.A., Merican, A.M.: Long-term wear failure analysis of uhmwpe acetabular cup in total hip Replacement, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 87 (2018), pp. 1–9.
• 21. Saikko, V., Vuorinen, V., Revitzer, H.: Analysis of UHMWPE wear particles produced in the simulation of hip and knee wear mechanisms with the Random POD system, Biotribology 1–2 (2015), pp. 30–34.
• 22. Ribeiro, R., Carlos Gonçalves, A., da Consolação Fonseca de Albuquerque, M.: Planning and construction of mechanism for surface wear testing and fault analysis in quadril joint prosthetic tribosystem, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2020, Volume 106, pp. 4193–4202.
• 23. Schwartz Ch.J., Bahadur S.: Studies on the tribological behavior and transfer film – counterface bond strength for polyphenylene sulfide filled with nanoscale alumina particles, Wear 237 (2000) 261–273.
• 24. Kernick, M., Allen, C.: The sliding wear of UHMWPE against zirconia in saline containing proteins, Wear, Volumes 203–204, March 1997, pp. 537–543.
• 25. Hall, R.M, Unsworth, A.: Friction in hip prostheses, Biomaterials 18 (1997), pp. 1017–1026.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).