Badania doświadczalne zużycia główki endoprotezy stawu biodrowego ze stopu kobalt-chrom oraz z tlenku aluminium

• Autorzy: Leshchynsky V. , Soifer Y. , Wierusz-Kozłowska M. , Markuszewski J. , Woźniak W. , Bielousova O. , Weinert H.

Warianty tytułu

EN

An experimental study of the nano-scratch behavior of a femoral head

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł dotyczy badań doświadczalnych zużycia główek endoprotez stawu biodrowego wykonanych w ramach zakresu badań na symulatorach ruchu endoprotez kolanowych i biodrowych prowadzonych w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu we współpracy z Katedrą i kliniką Ortopedii i Traumatologii Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu z udziałem Uniwersytetu Tel Aviv. Zużycie wciąż jest znaczącym czynnikiem wpływającym na uszkodzenia implantów. Badania in-vivo wykazują, że na większe zużycie wpływa chropowatość powierzchni protez główki kości udowej. W przypadku endoprotezy stawu biodrowego z wkładką z polietylenu, zuzycie bardziej miękkiego polietylenu jest powodowane chropowatością powierzchni główki, która niszczy powierzchnię polietylenu i odłącza jego cząstki. W artykule opisano wyniki badań morfologii powierzchni główki implantu po eksploatacji oraz wyniki modelowania procesu uszkodzenia tej powierzchni poprzez nanoindentację i nanozarysowania celem lepszego zrozumienia mechanizmu procesu zużywania się endoprotezy stawu biodrowego. Badania przeprowadzono metodą mikroskopii sił atomowych (AFM). Badania wykazały poważne uszkodzenia powierzchni kobaltowo – chromowej i ceramicznej główki. Stwierdzono, ze zarysowania na główce kości udowej w nanoskali powstają w wyniku formowania się bryłowatych wypukłości o niskiej gęstości, które mogą działać jako inicjatory powstawania produktów zużycia, co wydaje się być jedną z głównych przyczyn zużycia polietylenu w pierwszym etapie eksploatacji implantu stawu biodrowego.

EN

Bearing wear continues to be a contributing factor to implant failure. Prosthetic femoral heads roughen in vivo which leads to increased wear. For a femoral head articulating against polyethylene, wear of softer polyethylene is known to be caused by the hard asperities on the surface of the femoral head, that destroy polyethylene surface and detach polyethylene particles. In the present work in order to better understand the mechanism of femoral head prosthesis wear process we studied the femoral head surface morphology after implant articulation and modeled the damage of the femoral head surface by nanoindentation and nanoscratching with Atomic Force Microscopy Technique. The Atomic Force Microscopy examination of scratching process revealed a severe surface damage cobalt-chrome and alumina femoral head surface. The nano-scale scratch of femoral heads is shown to result in formation of lumpy protuberances with low density which can act as a precursor for wear particles that seems to be one of the main reasons of polyethylene wear at least at the first (running) stage of the HIP implant articulation.

Słowa kluczowe

PL

endoprotezy stawu biodrowego; mechanizm zużycia; topografia powierzchni; mikroskopia sił atomowych

EN

hip replacement prosthesis; wear mechanism; surface topography; atomic force microscopy (AFM)

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2009
• Tom: T. 20, nr 4
• Strony: 30--42
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Leshchynsky V.

autor

Soifer Y.

autor

Wierusz-Kozłowska M.

autor

Markuszewski J.

autor

Woźniak W.

autor

Bielousova O.

autor

Weinert H.

• Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań

Bibliografia

• [1] Archibeck M.J., Jacobs J.J., Black J.: Alternate Bearing Surfaces in Total Joint Arthroplasty. Clinical Orthopaedics and Related Research: 2000; 379: 12-21.
• [2] Affatato S., Fernandes B., Tucci A., Esposito L., Toni A.: Isolation and Morphological Characterisation of UHMWPE Wear Debris Generated in Vitro. Biomaterials: 2001; 22: 2325-2331.
• [3] Jasty M., Bragdon Ch.R., Lee K., Hanson A., Harris W.H.: Surface Damage to Cobalt-Chrome Femoral Head Prostheses. The Journal of Bone and Joint Surgery: 1994; 76-B: 73-77.
• [4] Cuckler J.M., Bearcroft J., Asgian C.M.: Femoral Head Technologies to Reduce Polyethylene Wear in Total Hip Arthroplasty. Clinical Orthopaedics and Related Research: 1995; 317: 57-63.
• [5] Dowson D., Taheri S., Wallbridge NC.: The Role of Counterface Imperfections in the Wear of Polyethylene. Wear: 1987; 119: 277-293.
• [6] Lee, R., Essner, A., Wang, A., Jaffe, W.L.: Scratch and wear performance of prosthetic femoral head components against crosslinked UHMWPE sockets, Wear, Article in press.
• [7] Clarke, I.C., Manley, M.T.: How do alternative bearing surfaces influence wear behavior?, The Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons , V16 (1), 2008, pp. S86-93.
• [8] Najjara D., Bigerellea M., Migaudc H., Iosta A.: Identification of scratch mechanisms on a retrieved metallic femoral head, Wear 258 (2005) 240–250.
• [9] Dowson D., Wang F.C., Wang W.Z., Jin Z.M.: A predictive analysis of long-term friction and wear characteristics of metal-on-metal total HIP replacements, Proc. IMechE (2007)V. 221 Part J: J. Engineering Tribology, pp. 367- 378.
• [10] Isaak G.H., Wroblewsky B.M., Atkinson J.R., Dowson D.A.: Tribological Study of Retrieved Hip Prostheses. Clinical Orthopaedy:1992; 276: 115-128.
• [11] Farrar D.F., Brain A.A.: The microstructure of ultra-high molecular weight polyethylene used in total joint replacements. Biomaterials:1997;18:1677-85.
• [12] Savio J.A., Overcamp L.M., Black J.: Size and Shape of Biomaterial Wear Debris. Clinical Materials:1994; 15: 101-147.
• [13] Bos I., Johannisson R., Lohrs U., Linder B., Seydel U.: Comparative investigations of regional lymph nodes and pseudocapsules after implantation of joint endoprostheses. Pathology Res. Pract.: 1990; 186: 707-716.
• [14] Davidson J.A., Kovacs P.: Evaluation of Metal Ion Release during Articulation of Metal and CeramicFemoral Heads. Proc.8th Southern Biomed. Eng. Conference: 1989: 33-37.
• [15] Isaak G.H., Atkinson J.R., Dowson D.: The causes of femoral head roughening in explanted Charnley hip protheses. Eng. Med.:1987;16(3):167-173.
• [16] Evans AG., Wilshaw T.R.: Quasi-static solid particle damage in brittle solids. Observations, analysis and implications. Act. Met.: 1976; 24: 939-956.
• [17] Lvova N.A., Blank V.D., Gogolinskiy K.V, Kulibaba V.F.: Investigation of specificity of mechanical properties of hard materials on nanoscale with use of SPM-Nanohardness tester, Journal of Physics: Conference Series, V61,1(2007) 724-729.
• [18] Yan Y., Neville A., Dowson D., Williams S., Fisher J.: Effect of metallic nanoparticles on the bio-tribo-corrosion behavior of Metal-on-Metal hip prostheses, Wear 267 (2009) 683–688. BPB2-0035-0005 : Realizacja projektu I-Centrum w Instytucie Obróbki Plastycznej jako innowacyjne podejście do zarządzania procesami badawczymi w zakresie technologii obróbki plastycznej