Tribological Behavior of the Friction Pair “GRADE 2/PE-UHMW” and the Technology of the Production of Its Spherical Part Made of GRADE 2

• Autorzy: Sheykin S. , Pohrelyuk I. , Rostotskyi I. , Iefrosinin D. , Tuszyński W. , Mańkowska-Snopczyńska A.

Warianty tytułu

PL

Właściwości tribologiczne biomateriałów typu „GRADE 2/PE-UHMW” oraz technologia wytwarzania główki endoprotezy ze stopu GRADE 2

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An advance in the material engineering of biomaterials intended for hip joint replacement prostheses is a very important social matter due to incurable diseases or injuries of human joints happening to many people. For this purpose, a development of the tribological test techniques is also an urgent issue. The paper is devoted to the study of the tribological behaviour of the new “Nitrided GRADE 2/PE-UHMW” friction pair intended for hip joint endoprostheses. A pendulum tribometer and a ring-on-plane machine were used for tribological research. A new lubricant based on chondroitin sulphate was tribologically investigated compared to commonly used bovine blood serum. Also the technology of thermo-diffusion nitriding (TDN) of the GRADE 2 femoral head was optimised based on the results of the tribological experiments. A means of selecting of the geometrical parameters of the prosthetic implants to achieve the smallest wear is discussed. The optimum technology of machining of the femoral head made of the GRADE 2 titanium alloy to obtain the best surface quality is also presented. The paper consists of the first part of the results of the Polish-Ukrainian cooperation in testing biomaterials. The second part, to be also submitted to Tribologia, will describe the aspects of methodology of endoprosthesis simulation tests and test results, and it will present a difference in the wear of the hip joint prosthesis – the developed and commercial one.

PL

Postęp w inżynierii materiałowej biomateriałów stosowanych w endoprotezach stawu biodrowego jest bardzo ważną sprawą społeczną z powodu nieuleczalnych chorób lub urazów stawów ludzkich, które zdarzają się wielu osobom. W tym celu pilną kwestią jest także rozwój tribologicznych technik badawczych. Artykuł poświęcony jest badaniu właściwości tribologicznych nowej pary trącej nazwanej „Nitrided GRADE 2/PE-UHMW”, przeznaczonej na endoprotezy stawu biodrowego. Do badań tribologicznych wykorzystano tribometr wahadłowy i maszynę typu pierścień–płaszczyzna. Nowy smar na bazie siarczanu chondroityny został poddany badaniom tribologicznym i porównany do powszechnie stosowanej surowicy krwi bydlęcej. Również technologia azotowania termodyfuzyjnego (TDN) główki endoprotezy (GRADE 2) została zoptymalizowana w oparciu o wyniki eksperymentów tribologicznych. Omówiono sposób doboru parametrów geometrycznych implantów protetycznych w celu osiągnięcia najmniejszego zużycia. Przedstawiono również optymalną technologię obróbki głowicy endoprotezy wykonanej ze stopu tytanu (GRADE 2) w celu uzyskania najlepszej jakości powierzchni. Artykuł zawiera pierwszą część wyników uzyskanych w ramach polsko-ukraińskiej współpracy w zakresie badania biomateriałów. W drugiej części, która również jest planowana do publikacji w czasopiśmie Tribologia, zostaną opisane aspekty metodologii testów symulacyjnych endoprotez i wyniki badań oraz przedstawiona różnica w zużyciu endoprotezy stawu biodrowego – opracowanej i handlowej.

Słowa kluczowe

EN

endoprosthesis; titanium alloy; friction pair; contact pressures; roughness; accuracy; friction; wear

PL

stop tytanu; endoproteza; para trąca; naprężenia kontaktowe; chropowatość; dokładność wykonania; tarcie; zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 6
• Strony: 137--148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sheykin S.

• Bakul Institute for Superhard Materials – NAS of Ukraine, Avtozavodska str., 2, Kiev 04074, Ukraine

autor

Pohrelyuk I.

• Karpenko Physico-Mechanical Institute – NAS of Ukraine, Scientific str., 5, Lviv 79000, Ukraine

autor

Rostotskyi I.

• Bakul Institute for Superhard Materials – NAS of Ukraine, Avtozavodska str., 2, Kiev 04074, Ukraine

autor

Iefrosinin D.

• Bakul Institute for Superhard Materials – NAS of Ukraine, Avtozavodska str., 2, Kiev 04074, Ukraine

autor

Tuszyński W.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, Tribology Department, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Rado Poland

autor

Mańkowska-Snopczyńska A.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, Tribology Department, ul. Pulaskiego 6/10, 26-600 Rado Poland

Bibliografia

• 1. Miletic K. G., Taylor T. N., Martin E. T., Vaidya R., Kaye K. S.: Readmissions after diagnosis of surgical site infection following knee and hip arthroplasty. Infect Control Hosp Epidemiol., Vol. 35, 2014, pp. 152–157.
• 2. Pinchuk L. C., Nikolaev V. I., Tsvetkova E. A., Goldade V. A.: Tribology and biophysics of artificial joints. Elsevier. London 2006.
• 3. Filippenko V. A., Tankut A. V.: Evolution of joint prosthetics problem. International Medical Journal, No. 1, 2009, pp. 70–74.
• 4. Charnley J.: Аrthroplasty of the hip. А new operation. Lancet, No II, 1961, pp. 54–56.
• 5. Nadeev A., Ivannikov S. V.: Endoprostheses of the hip joint in Russia: the construction philosophy, implant review, rational choice. Knowledge Lab, 2015 (electronic source).
• 6. Kurtz S. M.: Ultra high molecular weight polyethylene in total joint replacement and medical devices. In: UHMWPE Biomaterials Handbook. Academic Press. Burlington, 2009.
• 7. Goodman S. et al.: Tissue in growth and differentiation in the bone harvest chamber in the presence of CoCr alloy and high density polyethylene particles. J. Bone Joint Surg, 77A, 1995, pp. 1025–1035.
• 8. Mc Kee G. K.: Artificial hip joint. J. Bone Joint Surg., No. 33-b, 1951, p. 465.
• 9. Pollyah M. V.: Endoprosthetics of the hip joint. http://rheumatology.com.ua/blog/articles/735.
• 10. Chechulin B. V., Ushkov S. S., Razuvaev I. N., Goldfain V. N.: Titanium alloys in mechanical engineering. Mashinostroenie, 1977.
• 11. Filippenkova V. A., Tankut A.: Evolution of the problem of endoprosthetics of joints. International Medical Journal, No. 1, 2009, pp. 70–74.
• 12. The study on the creation of a new method of arthroplasty of the hip joint. Proc. conf. specialists in osteoarticular tuberculosis of Moscow, 1956, pp. 16–52.
• 13. Pohrelyuk I. M., Sheykin S. E., Dub S. M., Mamalis A. G., Rostotskii I. Yu., Tkachuk O. V., Lavrys S. M.: Increasing of functionality of c.p. titanium/UHMWPE tribo-pairs by thermodiffusion nitriding of titanium component. Biotribology, vol. 7, 2016, pp. 38–45.
• 14. Sheykin S. Ye., Pohreliuk I. M., Iefrosinin D. V., Rostotskiy I. Yu., Sergach D. A.: The use of titanium in the friction units of artificial joints. Sci. innov., 11(3), 2015.
• 15. Fedirko V. M., Pokerglyuk I. M.: Nitration of titanium and its alloys. Scientific opinion, 1995.
• 16. Ermakov F.: Tribological physics of liquid crystals. IMMS of the National Academy of Sciences of Belarus, Gomel, 2008.
• 17. Krugelsky I. V., Dobychin M. N., Kombalov V. С.: Basics of calculations for friction and wear. Mechanical Engineering, 1977.
• 18. Chernyakova Yu. M., Pinchuk L. S.: Synovial joint as a clever friction unit. Friction and wear, vol. 28, No. 4, 2007, pp. 410–417.
• 19. Ermakov S. F., Beletsky A. V.: Tribological principles of blood serum preparations as a liquid crystalline medium for therapeutic correction of synovial joints. Friction and wear, vol. 32, No. 1, 2011, pp. 65–71.
• 20. Grushko A. V., Sheykin S. E., Rostotskiy I. Y.: Contact pressure in hip endoprosthetic swivel joints. J. Frict. Wear, 33, 2012, pp. 124–129.
• 21. Novikov N. V., Rosenberg O. A., Gavlik J.: Endoprostheses of the human joints: Materials and technologies. ISM them. VN Bakul NAS of Ukraine, Kyiv, 2011.
• 22. Paschenko Ye. A., Sheykin S. Ye., Iefrosinin D. V.: Tools for precision diamond machining of spherical heads of endoprostheses from pure titanium. Journal of Superhard Materials, vol. 35-3, 2013, pp. 175–182.
• 23. Ignatovich S. R., Zakiev I. M.: Surface quality control using an interference profilometer. Inventor and innovator, No 6, 2007, pp. 8–11.
• 24. Wisniewski T., Mroz A., Magda J., Wielowiejska-Giertuga A.: Stand for tribological testing of hip joint endoprostheses. Tribologia, No. 6, 2016, pp. 167–177.
• 25. Niemczewska-Wojcik M., Piekoszewski W.: The surface topography of a metallic femoral head and its influence on the wear mechanism of a polymeric acetabulum. ACME, vol. 17, 2017, pp. 307–317.
• 26. Niemczewska-Wojcik M.: Wear mechansisms and surface topography of artificial hip joint components at the subsequent stages of tribological tests. Measurement, vol. 107, 2017, pp. 89 98.
• 27. Gradzka-Dahlke M.: Exploatative properties of a new cup of hip joint endoprosthese. Scientific Journals of Maritime University of Szczecin, 19(91), 2009, pp. 47–50

Uwagi

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