Comparison of wear processes of biomaterials used in hip joint implants

• Autorzy: Ortega-Saenz J. A. , Kalbarczyk M. , Michalczewski R. , Piekoszewski W. , Szczerek M.

Warianty tytułu

PL

Porównanie procesów zużywania biomateriałów przeznaczonych na protezy stawu biodrowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the last century, two different prosthetic systems for total hip joint replacement were introduced at the same time: metal-on-metal (MOM) and metal-on-UHMWPE (MOP). The tribosystem MOP was successful, because the MOM bearing system showed unsatisfactory short-term performance and practically disappeared. But nowadays, the idea of an all-metal joint was taken up again and led to the development of the second generation of metal articulation with improved alloy microstructure, surface finish, and manufacturing tolerances. The current work presents a tribological study of the metal-on-metal and metal-on-UHMWPE bearing couples by means of a reciprocating pin-on-flat testing machine. In this study, it was found that the wear intensity and coefficient of friction are at least three times higher in the MOM friction pair than in MOP bearing system. The wear mechanisms observed for the MOM friction pair are abrasion, surface fatigue, and adhesion. For the MOP friction pair, the soft polymer smearing process on the hard metal surface was observed.

PL

Lata 60. ubiegłego stulecia to początek alloplastyki stawów biodrowych. Skojarzenia materiałowe wówczas stosowane do produkcji sztucznych stawów to głównie pary: metal-metal (MOM) i metal-polimer (MOP). Wkrótce para metal-metal została wyparta ze względu na znacznie gorsze właściwości tribologiczne. Obecnie idea stosowania skojarzeń metalowo-metalowych powraca, między innymi z powodu postępu w kształtowaniu mikrostruktury materiałów, technik przygotowania i wykończenia elementów endoprotez. Praca przedstawia wyniki wstępnych modelowych badań tribologicznych materiałów na endoprotezy w ruchu oscylacyjnym, za pomocą urządzenia typu trzpień-płytka. Badaniom poddano skojarzenia metal-metal i metal-UHMWPE (polietylen wielkocząsteczkowy). Zaobserwowano, że intensywność zużywania oraz współczynnik tarcia jest przynajmniej trzy razy wyższy dla skojarzenia metal-metal niż dla skojarzenia metal-UHMWPE. W przypadku pary metal-metal zachodzi zużywanie ścierne, zmęczeniowe i adhezyjne. W przypadku pary metal-polimer zachodzi proces przenoszenia miękkiego polimeru z trzpienia na twardą powierzchnię metalu.

Słowa kluczowe

EN

total hip joints prostheses; biomaterials; wear; metal-on-metal; tribotester

PL

endoproteza; biomateriały; zużycie; skojarzenie materiałowe; tester tribologiczny

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 43, nr 4
• Strony: 15--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., fot., rys.

Twórcy

autor

Ortega-Saenz J. A.

autor

Kalbarczyk M.

autor

Michalczewski R.

autor

Piekoszewski W.

autor

Szczerek M.

• Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), San Nicolás de los Garza, N.L., México

Bibliografia

• [1] Scholes S.C., Green S.M., Unsworth A.: The wear of metal-on-metal total hip prostheses measured in a hip simulator, Proc. Instn. Mech. Engrs. 215 Part H (2001), pp. 523-530.
• [2] Amstutz H.C., Grigoris P.: Metal on metal bearing in hip arthroplasty, Clin. Orthop. 329 (Suppl.) (1996), pp. 11-34.
• [3] McKee G.K.: Total hip replacement- past, present and future, Biomaterials 3 (1982), pp. 130-135.
• [4] Jacobsson S.A., Djerf K., Wahlstrom O.: 20 years result of McKee-Farrar vs. Charnley prosthesis, Clin. Orthop. 329 (Suppl.) (1996), pp. 60-68.
• [5] Schmalzried T.P., Jasty M., Harris W.H.: Periprosthetic bone loss in total hip arthroplasty, J. Bone Jt. Surg. 74-A (1992), pp. 849-863.
• [6] Howie D.W., Vernon-Roberts B., Oakeshott R., Manthey B.: A rat model of resorption of bone at the cement-bone interface in the presence of polyethylene wear particles, J. Bone Jt. Surg. 70-A (1988), pp. 257-263.
• [7] Doom P.F., Campbell P.A., Amstutz H.C.: Metal versus polyethylene wear particles in total hip replacements, Clin. Orthop. Relat. Res. 329S (1991), pp. S206-S215.
• [8] Margevicius K.J., Bauer T.W., McMahon J.T., Brown S.A., Merritt K.: Isolation and characterisation of debris in membranes around total joint prostheses, J. Bone Jt. Surg. 76A (1991), pp. 1664-1675.
• [9] Palacios-Carvajal J., Palacios-Cabezas J., Palacios-Cabezas P.: The reason for failures of hip prostheses, Orthopaedics International Edition 4 (1996), pp. 11-16.
• [10] Dorr L.D., Wan Z., Longjohn D.B., Dubois B., Murken R.: Total hip arthroplasty with use of the metasul metal-on-metal articulation: 4-7-year results, J. Bone Joint Surg. Am. 82 (6) (2000), pp. 789-798.
• [11] Rieker C.B., Köttig P., Schön R., Windler M., Wyss U.P.: Clinical wear performance of metal-on-metal hip arthroplasties, in: J.J. Jacobs, T.L. Craig, (Eds.), Alternative Bearing Surfaces in Total Joint Replacement, ASTM 1346 STP, American Society for Testing and Materials, 1998, pp. 144-156.
• [12] Sieber H.P., Rieker C.B., Kottig P.: Analysis of 118 second generation metal-on-metal retrieved hip implants, J. Bone Joint Surg. Br. 81 (1) (1999), pp. 46-50.
• [13] Streicher R.M., Schön R., Semlitsch M.F.: Investigation of the tribological behavior of metal-on-metal combinations for artificial hip joints, Biomed. Tech. 35 (5) (1990) 107-111.
• [14] Scholes S.C., A. Unsworth, Comparison of friction and lubrication of different prostheses, Proc. Inst. Mech. Eng. H 214 (1) (2000), pp. 49-57.
• [15] R.A. Poggie, Afflitto R., John K.St.: The wear performance of precision Co-Cr-Mo alloy metal-on-metal hip bearings, in: Proceedings of the Conference Transactions of the 12th Annual International Symposium for Technology in Arthroplasty, Chicago, 23-25 September 1999, pp. XI: 1-2.
• [16] Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Samborski T., Wasiak J.: Metoda i urządzenie do badań tribologicznych materiałów na endoprotezy. Tribologia. 5 (2002), pp. 1491-1502.
• [17] Niemczewska M.: The surface treatment of ceramic endoprosthesis components Doctoral Thesis. Politechnika Krakowska 2006.
• [18] Hernandez-Rodriguez M.A.L., Mercado-Solis R.D., Perez-Unzueta A.J., Martinez-Delgado D.I., Cantu-Sifuentes M.: Wear of cast metal-metal pairs for total replacement hip prostheses, Wear 259 (7-12) (2005), pp. 958-963.
• [19] Ortega-Sáenz J.A., Hernández-Rodríguez M.A.L., Pérez-Unzueta A., Mercado-Solis R.: Development of a hip wear simulation rig including micro-separation, Wear, Volume 263, Issues 7-12, 10 September 2007, pp. 1527-1532.
• [20] Kaddick C., Wimmer M.A.: Hip simulator wear testing according to the newly introduced standard ISO 14242, J. Eng. Med. 215 (5) (2001), pp. 429-442.
• [21] Saikko V., Ahlroos T., Calonius O., Keränen J.: Wear simulation of total hip prostheses with polyethylene against CoCr, alumina and diamond-like carbon, Biomaterials, Volume 22, Issue 12, 15 June 2001, pp. 1507-1514.
• [22] Kalbarczyk M., Piekoszewski W, Szczerek W., Wulczyński J.: The machines for testing wear and friction characteristics of materials and elements of endoprosthesis. Proc. of 9th Conference „Mechanics in Medicine”. Rzeszów. 2008, pp. 197-209.
• [23] Dowson D., McNie C.M., Goldsmith A.A.J.: Direct experimental evidence of lubrication in metal-on-metal total hip replacement tested in a joint simulator, Proc. Inst. Mech. Eng., Part C, J. Mech. Eng. Sci. 214 (2000), pp. 75-86.
• [24] Medley J.B., Bobyn J.D., Krygier J.J., Chan F.W., Tanze M., Roter G.E.: Elastohydrodynamic lubrication and wear of metal-on-metal hip implants, in: C. Rieker, S. Oberholzer, U. Wyss (Eds.), World Tribology Forum in Arthroplasty, Hans Huber, Bern, 2001, pp. 3-14.
• [25] Hernandez-Rodr'yguez M.A.L.: Influencia microestructural y dimensional en el desgaste de prototipos de protesis de cadera metal-metal fabricados en Co-Cr-Mo-C. phD thesis (in Spanish), Facultad de lngenier'ya Mecanica y Electrica, Universidad Autonoma de Nuevo Leon, 2004.
• [26] Kalbarczyk M., Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M.: The correlation between 3D surface parameters of ceramic element and tribological characteristics in ceramic-polymer joints. Scientific Problems of Machine Operation And Maintenance, 43 (2008), pp. 7-17.