The effect of the coefficient of friction on the biomechanics of contact in hip endoprosthesis

• Autorzy: Ryniewicz A. M. , Madej T. , Ryniewicz W. , Bojko Ł. , Choromański M

Warianty tytułu

PL

Wpływ współczynnika tarcia na biomechanikę kontaktu w endoprotezie stawu biodrowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hip replacement surgery, by introducing a specific replacement head on the stem and cup, completely changes the conditions of co-operation typical for the biological correct pair. The clinical selection of endoprosthesis, apart from other conditionings, involves a dilemma between the choice of a rigid tribological node and the selection of a susceptible bearing cushioning the locomotive loads. The aim of the study is to evaluate the coefficient of friction and wear resistance of materials used for sliding contact in the endoprostheses of hip joints. On the basis of the conducted tests, it can be stated that, in the selection of material for cups of endoprosthesis, the wear resistance is important, and the coefficient of friction in contact head and cup in the prosthesis is less important. The presence of significant disproportions between the two parameters of the tribological process proves that the biomaterial is less useful on the cup. In the assessment of cooperation in the endoprosthesis, simulations of the contact of structural elements are useful, because, on that basis, in the correlation with tribological parameters, one can make conclusions about the distribution of stresses and displacements that may determine the lifetime of the implant.

PL

Zabieg alloplastyki stawu biodrowego poprzez wprowadzenie określonej zamiennej głowy na trzpieniu i panewki zmienia całkowicie warunki współpracy charakterystyczne dla biologicznej prawidłowej pary. Kliniczny dobór endoprotezy, oprócz innych uwarunkowań, wiąże się z dylematem pomiędzy wyborem sztywnego węzła tribologicznego a wyborem biołożyska podatnego, amortyzującego obciążenia lokomocyjne. Celem pracy jest ocena współczynnika tarcia i odporności na zużycie materiałów stosowanych na panewki do kontaktu ślizgowego w endoprotezach stawu biodrowego. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że w doborze materiału na panewkę endoprotezy ważna jest odporność na zużycie ścierne, a nieco mniejsze znaczenie ma współczynnik tarcia w kontakcie z głową endoprotezy. Występowanie znacznych dysproporcji między tymi dwoma parametrami procesu tribologicznego świadczy o słabszej przydatności biomateriału na panewki endoprotez. W ocenie współpracy w endoprotezie przydatne są symulacje kontaktu elementów konstrukcyjnych, ponieważ na ich podstawie, w korelacji z parametrami tribologicznymi, można wnioskować o rozkładach naprężeń i przemieszczeń, które będą decydować o żywotności implantu.

Słowa kluczowe

EN

biomaterials; wear; resistances to motion; FEM; endoprosthesis; stresses; displacements

PL

biomateriały; zużycie ścierne; opory ruchu; MES; endoproteza; naprężenia; przemieszczenia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 3
• Strony: 137--146
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab., wz.

Twórcy

autor

Ryniewicz A. M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, ul. Mickiewicza 30, 30-059 Cracow, Poland

autor

Madej T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, ul. Mickiewicza 30, 30-059 Cracow, Poland

autor

Ryniewicz W.

• Jagiellonian University Medical College, Faculty of Medicine, Dental Institute, Department of Dental Prosthodontics, ul. Montelupich 4, 31-155 Cracow, Poland

autor

Bojko Ł.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, ul. Mickiewicza 30, 30-059 Cracow, Poland

autor

Choromański M

• Medical University of Silesia in Katowice, ul. Medyków 18, 40-752 Katowice, Poland

Bibliografia

• 1. Shuster L. S., Chertovskikh S. V., Minasov B. S., Yakupov R. R., Emaev I. I.: Tribological characteristics of hip joint endoprostheses. Journal of Friction and Wear, 37, 1(2016), 1–6.
• 2. Affatato S., Spinelli M., Zavalloni M., Mazzega-Fabbro C., Viceconti M.: Tribology and total hip joint replacement: current concepts in mechanical simulation. Medical engineering & physics, 30, 10(2008), 1305–1317.
• 3. Hua Z., Yan X., Liu D., Jin Z., Wang X., Liu L.: Analysis of the friction-induced squeaking of ceramic-on-ceramic hip prostheses using a pelvic bone finite element model. Tribology Letters, 61, 3(2016), 1–7.
• 4. Zasińska K., Seramak T., Łubiński J.: The determination of abrasion resistance of selected biomaterials for the friction pairs in the hip joint endoprosthesis. Advances in Materials Science, 14, 3(2014), 53.
• 5. Cwanek J.: The usability of the surface geometry parameters for the evaluation of the artificial hip joint wear. Rzeszów University Press, Rzeszów 2009.
• 6. Ryniewicz A. M.: Identification, modelling and biotribology of human joints, AGH University of Science and Technology Press, Kraków 2011.
• 7. ASTM D2266 – 01(2015) Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Grease (Four-Ball Method).
• 8. Saikko V., Ahlroos T., Revitzer H., Ryti O., Kuosmanen P.: The effect of acetabular cup position on wear of a large-diameter metal-on-metal prosthesis studied with a hip joint simulator. Tribology International, 60(2013), 70–76.
• 9. Ryniewicz A. M., Madej T.: FEM analysis in the hip joint reconstructed with classical and modified hip resurfacing. Engineering Transactions, 65, 1(2017), 123–131.
• 10. Ciećkiewicz A., Cwanek J.: Endoprosthesis history of hip joint up to 1962. Problems of Applied Science, Vol. 2, 2014, 131–142.
• 11. Phedy P., Ismail H. D., Hoo C., Djaja Y. P.: Total hip replacement: A meta-analysis to evaluate survival of cemented, cementless and hybrid implants. World journal of orthopedics, 8, 2(2017), 192.
• 12. Khanna R., Kokubo T., Matsushita T., Takadama H.: Fabrication of dense α-alumina layer on Ti-6Al-4V alloy hybrid for bearing surfaces of artificial hip joint. Materials Science and Engineering: C, 69(2016), 1229–1239.
• 13. Zimowski S., Moskalewicz T., Wendler B., Kot M., Czyrska-Filemonowicz A.: Thick low-friction nc-MeC/aC nanocomposite coatings on Ti-6Al-4V alloy: microstructure and tribological properties in sliding contact with a ball. Metallurgical and Materials Transactions A, 45, 9(2014), 3916–3928.
• 14. Dąbrowski R., Pacyna J., Kochańczyk J.: The formation of microstructure of and fracture toughness of Ti-6Al- 7Nb alloy for biomedical applications. Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna, 22, 3(2016), 130–137.
• 15. Ozimina D., Kowalczyk J., Madej M.: The impact of biodegradable cutting fluid on the tribological properties of the friction pairs. Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie, 1(2016), 67–78.
• 16. Ruggiero A., Gómez E., Merola M.: Experimental comparison on tribological pairs UHMWPE/TIAL6V4 alloy, UHMWPE/AISI316L austenitic stainless and UHMWPE/AL 2 O 3 ceramic, under dry and lubricated conditions. Tribology International, 96(2016), 349–360.
• 17. Stiehler M., Zobel F., Hannemann F., Schmitt J., Lützner J., Kirschner S., Günther K.P., Hartmann A.: Complications of metal-on-metal tribological pairing. Der Orthopade, 43, 1(2014), 79–91.
• 18. Brockett C.L., Williams S., Jin Z., Isaac G. H., Fisher J.: Squeaking hip arthroplasties: a tribological phenomenon. The Journal of arthroplasty, 28, 1(2013), 90–97.
• 19. Nam J., Choi H., Kang J.: Finite element analysis for friction noise of simplified hip joint and its experimental validation. Journal of Mechanical Science and Technology, 30, 8(2016), 3453–3460.
• 20. Affatato S., Ruggiero A., Merola, M.: Advanced biomaterials in hip joint arthroplasty. A review on polymer and ceramics composites as alternative bearings. Composites Part B: Engineering, 83(2015), 276–283.
• 21. Brockett C., Williams S., Jin Z., Isaac G., Fisher J.: Friction of total hip replacements with different bearings and loading conditions. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 81, 2(2007), 508–515.
• 22. Jin Z., Fisher J.: Tribology of Hip Joint Replacement. In European Surgical Orthopaedics and Traumatology. Springer Berlin Heidelberg 2014, 2365–2377.
• 23. Capitanu L., Florescu V., Badita L L.: Damage estimator, a possible way to predict the failure of hip and knee endoprosthesis. Industrial Lubrication and Tribology, 69, 1(2017), 71–80.
• 24. Ryniewicz A. M., Madej T., Ryniewicz A., Bojko Ł.: A Biometrological Procedure Preceeding the Resurfacing. Metrology and Measurement Systems,23, 1(2016), 97–106.
• 25. Ryniewicz A., Ryniewicz A. M., Madej T., Sładek J., Gąska A.: Biometrological method of pelvis measurement and anatomical positioning of endoprosthesis of hip joint. Metrology and Measurement Systems, 20, 1(2013), 17–26.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).