Assessment of Tribological Properties of Ti13Nb13Zr Titanium Alloy Used in Medicine

• Autorzy: Piotrowska Katarzyna , Madej Monika , Ozimina Dariusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.5440

Warianty tytułu

PL

Ocena właściwości tribologicznych stopu tytanu TI13Nb13Zr stosowanego w medycynie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this study was to evaluate the wear and tear of titanium biomaterials used for hip endoprosthesis. The test materials were samples of titanium and its alloys: Ti grade 4, Ti6Al7Nb and Ti13Nb13Zr. Model tribological tests were carried out in reciprocal motion under conditions of technically dry friction, friction with lubrication provided by an artificial blood solution and Ringer's solution. A 6 mm in diameter Al2O3 ball was used as a counter-sample in the friction pairs. After tribological tests, traces of wear were inspected using scanning electron microscopy. A confocal microscope with interferometric mode was used to evaluate the wear of the surface of samples and counter-samples. The lowest friction coefficients among all the material associations were obtained for the Ti13Nb13Zr-Al2O3 alloy. SEM analysis has shown that as a result of the wear process, numerous scratches and grooves were generated. They were created as a result of loose products of wear moving around in the friction area. For all tested materials, a pile-up of the wear edges was observed, which indicates an abrasive wear mechanism. During the friction tests of the tested material associations, the titanium disc proved to be the most wearing material. For Ti6Al7Nb and Ti13Nb13Zr alloys, comparable wear was recorded regardless of the test conditions (TDF, AB, RS). The analysis of the obtained tribological results showed that the material association for which the lowest wear of friction pair (sample and countersample) recorded was Ti6Al7Nb-Al2O3.

PL

Celem niniejszej pracy była ocena zużycia biomateriałów tytanowych stosowanych na elementy endoprotezy stawu biodrowego. Materiałem do badań były próbki z tytanu i jego stopów: Ti grade 4, Ti6Al7Nb i Ti13Nb13Zr. Modelowe badania tribologiczne przeprowadzono w ruchu posuwisto-zwrotnym w warunkach tarcia technicznie suchego, tarcia ze smarowaniem roztworem sztucznej krwi oraz roztworem Ringera. Przeciwpróbką w badanych węzłach tarcia była kulka z Al2O3 o średnicy 6 mm. Za pomocą elektronowej mikroskopii skaningowej obserwowano ślady wytarcia po testach tribologicznych. Mikroskop konfokalny z trybem interferometrycznym posłużył do oceny zużycia powierzchni próbek i przeciwpróbek. Najmniejsze współczynniki tarcia spośród wszystkich badanych skojarzeń materiałowych uzyskano dla skojarzenia materiałowego– stop Ti13Nb13Zr-Al2O3. Analiza SEM wykazała, że w wyniku procesu zużywania generowane były liczne rysy i bruzdy. Powstały one na skutek przemieszczania się luźnych produktów zużycia w obszarze wytarcia. Dla wszystkich badanych materiałów zaobserwowano spiętrzenie obrzeży krawędzi śladów wytarcia świadczące o ściernym mechanizmie zużycia. Podczas testów tarciowych badanych skojarzeń materiałowych najbardziej zużywającym się materiałem była tytanowa tarcza. W przypadku stopów Ti6Al7Nb oraz Ti13Nb13Zr zarejestrowano porównywalne zużycie bez względu na warunki prowadzenia testów (TDF, AB, RS). Analiza otrzymanych wyników badań tribologicznych wykazała, że skojarzeniem, dla którego zarejestrowano najmniejsze zużycie pary trącej (próbki i przeciwpróbki), było skojarzenie materiałowe Ti6Al7Nb-Al2O3.

Słowa kluczowe

EN

biomaterials; titanium alloys; surface measurements; surface texture; friction; wear; hip joint

PL

biomateriały; stopy tytanu; pomiary powierzchni; struktura geometryczna powierzchni; tarcie; zużycie; staw biodrowy

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 3
• Strony: 97--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Piotrowska Katarzyna

• Kielce University of Technology, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Avenue, 25-314 Kielce, Poland

autor

Madej Monika

• Kielce University of Technology, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Avenue, 25-314 Kielce, Poland

autor

Ozimina Dariusz

• Kielce University of Technology, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Avenue, 25-314 Kielce, Poland

Bibliografia

• 1. Gajewski T., Woźnica I., Młynarska M., Ćwikła S., Strzemecka J., Bojar I.: Wybrane aspekty jakości życia osób ze zmianami zwyrodnieniowymi kręgosłupa i stawów, Medycyna Ogólna i Nauki o Zdrowiu, 19, 3, 2013, pp. 362–369.
• 2. Raport: Starzejące się społeczeństwo jako wyzwanie ekonomiczne dla europejskich gospodarek. Internet: http://amcham.pl/file/pdf/raport_starzejace_sie_społeczenstwo_jako_wyzwanie_ekonomiczne_dla_europejskich_ gospodarek.pdf?PHPSESSID=fa061811dd1fda 75f0e9d2867232185f (dostęp: 2019.07.24).
• 3. Marciniak J.: Biomateriały. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 2002.
• 4. Niemczewska-Wójcik M., Piekoszewski W.: The analysis of the tribological processes occurring in the socket-and-ball friction pair of a hip joint endoprosthesis, Tribology, 6, 2015, pp. 81–92.
• 5. Trevisan F., Calignano F., Aversa A., Marchese G., Lombardi M., Biamino S, Ugues D., Manfredi D.: Additive manufacturing of titanium alloys in the biomedical field: processes, properties and applications, Journal of Applied Biomaterials & Functional Materials, 16 (2), 2018, pp. 57–67.
• 6. Gałuszka G., Madej M., Ozimina D., Kasińska J., Gałuszka R.: The characterisation of pure titanium for biomedical applications, Metalurgija, 56, 1, 2017, pp. 191–194.
• 7. Rhoads L. S., Silkworth W. T., Roppolo M. L., Whittingham M. S.: Cytotoxicity of nanostructured vanadium oxide on human cells in vitro, Toxicol In Vitro, 2010.
• 8. Exley C.: The toxicity of aluminium in humans, Morphologie, 2016, pp. 51–55.
• 9. Chen Q., Thouas G. A.: Metallic implant biomaterials, Materials Science and Engineering: R: Reports, 87, 2015, pp. 1–57.
• 10. Dąbrowski R.: The microstructure and properties of Ti13Nb13Zr alloy for biomedical applications, Mechanika w medycynie, Rzeszów, 2014, pp. 53–62.
• 11. Niinomi M.: Materials for biomedical devices, Wood Head Publishing Limited, 2010.
• 12. Kiryczuk K., Penkała P.: Analiza biomechaniczna stawu biodrowego, Monografia, Maszyny i procesy produkcyjne, Politechnika Lubelska, Lublin, 2015.
• 13. Gierzyńska-Dolna M., Wiśniewska-Weinert H., Adamus J.: Tribological and material conditionings of the hip endoprostheses application. Tribologia: Tarcie, Zużycie, Smarowanie, 2009, pp. 47–62.
• 14. https://www.orthobullets.com/recon/12769/hip-anatomy, (dostęp: 2019.07.24).
• 15. Wendland J., Gierzyńska-Dolna M., Rybak T., Wiśniewski T., Rajchel B.: Investigation for w new biomedical for the hip endoprostheses elements, Obróbka plastyczna metali, XX, 2, 2009.
• 16. Podwysocka A.: Staw biodrowy: budowy i choroby, Poradnik zdrowie, dostęp: 13.11.2018r, link: https://www. poradnikzdrowie.pl/zdrowie/kregoslup-kosci-stawy/staw-biodrowy-budowa-i-choroby-aa-XLPG-9cGT-Lzbw. html#staw-biodrowy-budowa.
• 17. Gałuszka R., Madej M., Ozimina D., Krzyszkowski A., Gałuszka G.: The characterisation of the microstructure and mechanical properties of diamond - like carbon (DLC) for endoprosthesis, Metalurgija, 56, 1–2, 2017, pp. 195–198.

Uwagi

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