Fretting corrosion of cobalt and titanium implant alloys in simulated body fluids

• Autorzy: Sulej-Chojnacka J. , Wielowiejska-Giertuga A. , Mróz A. , Delfosse D.

Warianty tytułu

PL

Badania fretting-korozji implantacyjnych stopów kobaltu i tytanu w środowisku surowicy bydlęcej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The most important advantage of using modular hip joint endoprostheses is the possibility to adapt the endoprosthesis to the morphology and size of individual patients. However, the additional contact surface is subjected to fretting wear due to mutual micro displacements and the aggressive chemistry of the environment inside the human body (fretting corrosion). Today’s hip endoprostheses are generally composed of a hip stem, a femoral ball head and an acetabular cup (Figure 1). The hip stem is made of stainless steel, CoCrMo or a Ti alloys. The femoral ball head is made of stainless steel, CoCrMo, or a ceramic material. In the case of a modular hip stem, i.e. with a modular neck portion, the materials used are generally CoCrMo and Ti6Al 4V. (The interface between femoral ball head and the acetabular cup is an articulating surface and not the subject of this research project.)

PL

Najważniejszą zaletą stosowania endoprotez modularnych stawu biodrowego jest możliwość adaptacji wymiarowej endoprotezy do osobniczych cech pacjentów. Niemniej, dodatkowa powierzchnia kontaktu narażona jest na zużycie wskutek wzajemnych mikroprzemieszczeń i agresywnego działania środowiska (korozja frettingowa). Współcześnie stosowane endoprotezy stawu biodrowego zbudowane są z trzpienia, głowy oraz panewki (Rys. 1). Trzpień wykonany jest ze stali nierdzewnej, CoCrMo lub stopu tytanu. Głowa endoprotezy wykonana jest ze stali nierdzewnej, COCrMo lub materiału ceramicznego. W przypadku endoprotez modularnych, gdzie połączenie modularne znajduje się w części szyjkowej trzpienia endoprotezy, w większości stosowanymi materiałami są CoCrMo oraz Ti6Al4V. W ramach niniejszej pracy dokonano badań porównawczych odporności na korozję frettingową trzech najczęściej spotykanych skojarzeń materiałowych występujących w połączeniach modularnych endoprotez całkowitych stawu biodrowego (CoCrMo-CoCrMo, CoCrMo-Ti6Al4V i Ti6Al4V-Ti6Al4V). Badania przeprowadzono z zastosowaniem testera tribologicznego pracującego ślizgowo w ruchu posuwisto-zwrotnym, zintegrowanego z potencjostatem wyposażonym w układ trójelektrodowy. Skojarzenie badawcze składało się z nieruchomego trzpienia dociskanego stałą siłą do płytki wykonującej ruch posuwisto-zwrotny z zadaną częstotliwością i amplitudą. Testy przeprowadzono w środowisku roztworu wodnego surowicy bydlęcej w temperaturze 37°C. Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że największą odporność korozyjną w warunkach statycznych wykazywała para trąca: CoCrMo-CoCrMo, natomiast najniższą wartość ΔE CoCrMo-Ti6Al4V. Potwierdzono także występowanie korelacji pomiędzy intensywnością procesu depasywacji spowodowanego niszczeniem mechanicznym warstwy wierzchniej a wartościami oporów tarcia w systemie tribologicznym.

Słowa kluczowe

EN

fretting corrosion; biomaterials; Co-Cr-Mo alloy; Ti6Al4V alloy; endoprosthesis

PL

fretting-korozja; biomateriały; stop Co-Cr-Mo; stop Ti6Al4V; endoproteza

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 6
• Strony: 149--158
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Sulej-Chojnacka J.

• Metal Forming Institute, al. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland

autor

Wielowiejska-Giertuga A.

• Metal Forming Institute, al. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland

autor

Mróz A.

• Metal Forming Institute, al. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland

autor

Delfosse D.

• Mathys Ltd Bettlach (Switzerland)

Bibliografia

• 1. Jacobs J.J., Gilbert J.L., Urban R.M., Current Concepts Review, "Corrosion of Metal Orthopaedic Implants'', J Bone and Joint Surgery,1998, 80-A(2), 268-282.
• 2. Wielowiejska-Giertuga A., Miler M., (3) Sulej-Chojnacka J., Badania tarciowo­zużyciowe skojarzeń materiałowych typu metal-polimer znajdujących zastosowanie w implantach ortopedycznych, Obróbka Plastyczna Metali, vol. XXVII nr 1 (2016), s. 73-82.
• 3. Cooper H.J., Della Valle C.J., Berger R.A., Tetreault M., Paprosky W.G., Sporer S.M., Jacobs J.J., Corrosion at the Head-Neck Taper as a Cause for Adverse Local Tissue Reactions After Total Hip Arthroplasty, J Bone Joint Surg Am, 2012, 94, 1655-61.
• 4. Sin J.R., Suñer S., Neville A., Emami N., Fretting corrosion of hafnium in simulated body fluids, Tribology lnternational, 2014, 75, 10-15.
• 5. Billi F., Onofre E., Ebramzadeh E., Palacios T., Escudero M. L., Garcia Alonso M. C., Characterization of modified Ti6Al4V alloy after fretting-corrosion tests using near field microscopy, Surface & Coatings Technology, 2012, 212, 134-144.
• 6. Royhmana D., Patel M., Runa M. J., Jacobs J. J., Hallab N. J., Wimmer M. A., Mathew M. T., Fretting-corrosion in hip implant modular junctions: New experimental set-up and initial outcome, Tribology International, 2015, 91, 235-245.
• 7. Geringer J., Macdonald D. D., Friction/fretting-corrosion mechanisms: Current trends and outlooks for implants, Materials Letters 134(2014)152-157.
• 8. Dąbrowski J. R., Klekotka M., Sidun J., Fretting and fretting corrosion of 316L implantation steel in the oral cavity environment, Maintenance and Reliability, 2014, 16, 3, 441-446.
• 9. Yan Y., Neville A., Dowson D., Tribo-corrosion properties of cobalt-based medical implant alloys in simulated biological environments, Wear 263 (2007) 1105-1111.
• 10. Tritschler B., Forest B., Rieu J., Fetting corrosion of material for orthopaedic implants: a study of a metal/polymer contact in an artificial physiological medium, Tribology International 32, 1999, 587-596.
• 11. Kumar S., Sankara Narayanan T. S. N., Ganesh Sundara Raman S., Seshadri S. K., 2010. Evaluation of fretting corrosion behaviour of CP-Ti for orthopaedic implant applications. Tribology International 43, 7, 2010, 1245-1252.
• 12. Bryant M., Farrar R., Frejman R., Brummitt K., Neville A., The role of surface pre­ treatment on the microstructure, corrosion and fretting corrosion of cemented femoral stems, Biotribology 5, 2016, 1-15.
• 13. Swaminathan V., Gilbert J.L., Fretting corrosion of CoCrMo and Ti6Al4V interfaces, Biomaterials 33 (2012) 5487-5503.

Uwagi

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