Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Stand for Tribological Studies of Hip Joint Endoprosthesis with the Possibility of Changing Acetabulum Anteversion Angle and Head Anti Torsion Angle

Wiśniewski Tomasz, Libera Michał, Łapaj Łukasz

Tribologia

|

2022

|

nr 4

103--112

EN

The article presents the construction of a hip joint movement simulator intended for friction and wear studies of hip joint endoprostheses. The endoprosthesis head is mounted on a special base in the lower position with a neck-shaft angle of 135°, while the acetabular cup of the endoprosthesis is mounted in the upper part in the mounting head with an inclination angle of 45°. The production of three heads (responsible for the anteversion angle of the acetabulum) and three special bases (responsible for the antitorsion angle of the head) with different fixing angles of the components of the hip joint endoprosthesis, made it possible to carry out tribological tests with nine variants of alignment settings. The hip joint endoprosthesis tester is designed to simulate the following movements: flexion and extension as well as loads occurring in the human hip joint while walking. The subject of friction and wear studies were hip joint endoprostheses with a head diameter of 44 mm, made of high-carbon Co28Cr6Mo alloy. For each of the nine variants of endoprosthesis component alignment settings, average values of the coefficient of friction were calculated based on the recorded values of the friction. torque.

PL

W artykule przedstawiono konstrukcję symulatora ruchu stawu biodrowego, przeznaczonego do badań tarciowo-zużyciowych endoprotez stawu biodrowego. Głowa endoprotezy mocowana jest na cokole w dolnym położeniu z kątem szyjkowo-trzonowym 135°, natomiast panewka endoprotezy zamontowana jest w górnej części w głowicy mocującej z zachowaniem kąta inklinacji 45°. Wykonanie trzech głowic (odpowiedzialnych za kąt antywersji panewki) oraz trzech cokołów (odpowiedzialnych za kąt antetorsji głowy) różniących się kątami osadzenia komponentów endoprotezy stawu biodrowego umożliwiło przeprowadzenie testów tribologicznych z dziewięcioma wariantami ustawień. Tester endoprotezy stawu biodrowego przeznaczony jest do symulacji ruchów: zgięcia i wyprostu oraz obciążeń występujących w stawie biodrowym człowieka podczas chodu. Przedmiotem badań tarciowo-zużyciowych były endoprotezy stawu biodrowego o średnicy głowy 44 mm, wykonane z wysokowęglowego stopu Co28Cr6Mo. Dla każdego z dziewięciu wariantów ustawień komponentów endoprotezy obliczone zostały średnie wartości współczynnika tarcia w oparciu o rejestrowane wartości momentu tarcia.

2

Postural stability and functional disorders in patients with loosened hip prosthesis

Drzał-Grabiec Justyna, Truszczyńska-Baszak Aleksandra, Tarnowski Adam

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2020

|

Vol. 22, no. 1

41--46

EN

The number of primary hip arthroplasties is growing every year. One of the most common long complications is the aseptic loosening of the prosthesis leading to serious complications in patients life, pain and following surgeries. In the literature, there is a lack of studies regarding balance impairment in this group of patients, which is why there was a need to conduct the study in order to find possible falling risk factors and simple functional, diagnostic test. The aim of the study was to assess functional state and static balance disorders in patients admitted to orthopaedic department due to loosened hip prosthesis prior to its replacement or removal. Methods: The study population were 30 patients (15 women and 15 men) admitted to Orthopaedic Department for diagnosis and treatment of loosened hip prosthesis. Patients’ mean age was 71.67 ± 9.21, body height 169.20 ± 8.75 cm, body weight 77.83 ± 12.96 kg. The clinical control group consisted of 30 healthy subjects age-, body height- and weight-matched, without degenerative disorders of lower extremities. Function was assessed with Harris Hip score. The static balance test was conducted in the mornings, in quiet separate room on bi-modular stabilometric platform CQStab2P, registering the movement of centre of foot pressure (COP). Results: Measurements with eyes open and closed showed significant differences in limb loads – the load to the healthy limb was several times greater. Results of tests on the platform with eyes closed showed significantly worse balance in patients group. Their total statokinesiogram path was longer, and their COP sways number was greater. Similarly to the test with eyes open, the load of the healthy limb was much greater. Conclusion: Hip replacement loosening results in significant worsening of balance parameters. Balance assessment could be an additional useful diagnostic tool for hip replacement loosening available for physiotherapists.

3

Badania tribologiczne i biotribologiczne w Laboratorium Inżynierii Powierzchni i Tribologii Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Obróbki Plastycznej

Wiśniewski Tomasz, Sulej-Chojnacka Joanna, Leshchynsky Volf, Lijewski Marcin, Łapaj Łukasz

Obróbka Plastyczna Metali

|

2019

|

T. 30, nr 3

247--272

PL

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań, które są efektem realizowanych w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Obróbki Plastycznej zarówno projektów krajowych, jak i międzynarodowych, dotyczących tematyki tribologicznej oraz biotribologicznej. Przedstawiono wyniki badań, których efektem jest opracowanie nowej generacji narzędzi kuźniczych (zaprojektowanie narzędzi do kucia na zimno z odpowiednio przygotowaną powierzchnią roboczą i opracowanie nowych wielowarstwowych, nanostrukturalnych powłok gradientowych) oraz rozwiązanie problemu wczesnego zużywania się części pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Dla elementów trących pracujących w wysokiej temperaturze opracowano rozwiązanie, które znalazło praktyczne zastosowanie w przemyśle w zakresie poprawy technologii smarowania. Opracowanie technologii wprowadzenia cząstek smarów stałych na powierzchnie współpracujących tribologicznie części pracujących w podwyższonych temperaturach stało się niezwykle istotne dla wielu gałęzi przemysłu, które spotykają się na co dzień z problemami wczesnego zużywania elementów współpracujących. W drugiej części pracy skupiono się na problemach biotribologicznych, gdzie głównym wyzwaniem jest wydłużenie trwałości endoprotez stawu biodrowego. W związku z tym prowadzono prace związane z dokładnym poznaniem procesu zużywania się endoprotez. Bardzo ważną kwestię stanowi również badanie właściwości tribologicznych nowych materiałów przeznaczonych na elementy endoprotez. Badania prowadzono na specjalnie do tego celu zaprojektowanym i zbudowanym symulatorze stawu biodrowego, który spełnia wymogi normy ISO.

EN

This paper presents the results of research, which are the effect of national and international projects carried out at the Łukasiewicz Research Network – Metal Forming Institute, concerning both tribological and biotribological topics. The research results, the effect of which is the development of a new generation of forging tools (the design of cold forging tools with a properly prepared work surface and the development of new multilayered, nanostructured gradient coatings) and the solution to the problem of early wear of the parts working in difficult conditions are presented. For friction elements operating at high temperature, a solution has been developed that has found practical applications in the industry in the field of improving lubrication technology. The development of the technology of introducing solid lubricant particles onto the surfaces of tribologically cooperating parts operating at elevated temperatures has become extremely important for many industries that daily face problems with the early wear of cooperating elements. The second part of the work focuses on biotribological problems and the main challenge is to extend the durability of hip joint endoprostheses. In connection with this, work was carried out to thoroughly understand the process of endoprosthesis wear. Examination of the tribological properties of new materials intended for elements of endoprostheses is also a very important issue. The research was conducted on a specially designed and built hip joint simulator, which meets the requirements of the ISO standard.

4

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

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

Tribologia

|

2018

|

nr 6

137--148

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.

5

Research on Friction Wear of Hip Joint Endoprostheses of Polyethylene-Metal Material Combination on Hip Joint Simulator

Wiśniewski T., Wielowiejska-Giertuga A., Rubach R., Łapaj Ł., Magda J.

Tribologia

|

2018

|

nr 5

153--158

EN

The article presents the results of friction wear tests of hip joint endoprostheses. The study comprised tests of endoprostheses, commercially available on the European market, used in total hip arthroplasty. The friction pair was formed by an actual cupacetabular cup made of ultra-high molecular weight polyethylene (PE-UHMW) along with a head having a diameter of 28 mm made of stainless steel FeCrNiMnMoNbN. The friction and wear tests were performed using an SBT 01.2 hip joint simulator of the authors’ own design, which was constructed taking into account the ISO 14242-1 standard. Bovine serum was used as the lubricant. The tests of each friction pair were made up to 5·106cycles of motion. During the tests, simulator operation was interrupted every 5·105 cycles to replace the lubricating liquid, and mass control was performed every 1·106 cycles. Prior to testing, the polyethylene cup was soaked in the lubricant to minimize liquid absorption during the test. Proper preparation of the cup and testing by taking into account a control group weight measurement allowed an accurate determination of the mass loss of the polyethylene cup.

PL

Przedstawiono wyniki badań tarciowo-zużyciowych endoprotez stawu biodrowego. Materiał badany stanowiły endoprotezy komercyjne dostępne na rynku europejskim, stosowane w alloplastyce całkowitej stawu biodrowego. Parę trącą tworzyła panewka wykonana z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej PE-UHMW wraz z głową o średnicy 28 mm wykonaną ze stali o symbolu producenta SS (FeCrNiMnMoNbN). Badania tarciowo-zużyciowe przeprowadzono przy użyciu symulatora ruchu stawu biodrowego SBT 01.2 własnej konstrukcji, który skonstruowany został w oparciu o normę ISO 14242-1. Jako medium smarujące zastosowano surowicę bydlęcą, która przygotowywana była do testów zgodnie z wytycznymi opisanymi w normie ISO 14242-1. Dla każdej pary trącej zadana liczba cykli ruchu wynosiła 5·106. W trakcie trwania testów, co 5·105 cykli praca symulatora była przerywana celem wymiany cieczy smarującej, a co 1·106 przeprowadzano kontrolę masy próbek. Przed przystąpieniem do testów tarciowo-zużyciowych polietylenowa panewka namaczana była w cieczy smarującej celem zminimalizowania absorpcji cieczy w trakcie trwania testu. Odpowiednie przygotowanie panewek oraz przeprowadzenie testu z uwzględnieniem grupy kontrolnej pozwoliło na określenie zużycia masowego panewek polietylenowych.

6

Fretting Corrosion Studies of Materials Used for Elements of Hip Joint Endoprostheses

Wielowiejska-Giertuga A., Wiśniewski T., Rubach R.

Tribologia

|

2018

|

nr 5

143--151

EN

The operational durability of a hip endoprosthesis depends, among others, on the intensity of the damage processes of kinematic junction elements caused by fretting corrosion processes. In the article, the results of comparative studies on the fretting corrosion resistance of alloys commonly used for hip joints, i.e. Ti6Al4V, CoCrMo, stainless steel M30NW, and 316LVM, are presented. The research was carried out by means of a tribological pin-on-disc tester working in reciprocating motion, integrated with a potentiostat equipped with a triac electrode. The tribosystem was a pin pressed by a constant force to a reciprocating disc with a certain amplitude and frequency. The tests were carried out in a medium of aqueous bovine serum heated to 37°C. The conducted comparative tests of the above mentioned materials will allow selection of the best material combination in terms of tribological and fretting corrosion resistance. Under optimized conditions, the modified oils obtained a needed appropriate viscosity class.

PL

Trwałość eksploatacyjna endoprotez stawu biodrowego zależna jest między innymi od intensywności procesów niszczenia elementów połączeń kinematycznych wywołanych procesami korozji frettingowej. W artykule przedstawiono wyniki porównawczych badań odporności na korozję frettingową stopów powszechnie stosowanych na elementy endoprotez stawu biodrowego: Ti6Al4V, CoCrMo, M30NW oraz 316LVM. Badania realizowano za pomocą testera tribologicznego typu pin-on-disc pracującego w ruchu posuwisto-zwrotnym, zintegrowanego z potencjostatem wyposażonym w układ trójelektrodowy. Skojarzenie badawcze stanowił trzpień dociskany ze stałą siłą do płytki poruszającej się ruchem posuwisto-zwrotnym o określonej amplitudzie i częstotliwości. Testy przeprowadzono w środowisku roztworu wodnego surowicy bydlęcej podgrzanej do temperatury 37°C. Przeprowadzone testy porównawcze wymienionych materiałów pozwolą na wytypowanie najkorzystniejszego skojarzenia materiałowego pod względem tribologicznym oraz odporności na fretting-korozję.

7

Badanie tarcia sztucznych stawów biodrowych : przegląd

Leshchynsky V.

Obróbka Plastyczna Metali

|

2018

|

T. 29, nr 4

381--398

PL

W artykule analizowany jest stan wiedzy na temat warunków kinematycznych, tarcia i zużycia THR. Pokazano, że: 1) geometria złącza HIP określa warunki wpływu tarcia i zużycia; 2) tribologia (tarcie i zużycie) sztucznych stawów HIP (związanych z biokompatybilnością) to dwa kluczowe aspekty odpowiedzialne za kliniczny sukces implantu stawu biodrowego; 3) konieczna jest symulacja tarcia i zużycia w rzeczywistych warunkach pracy stawu biodrowego HIP, w celu oceny skuteczności różnych rozwiązań implantów biodrowych, poprzez porównanie ich parametrów tarcia w zależności od warunków smarowania i mechanizmów zużycia kontrolowanych za pomocą tarcia. Opracowano zmodyfikowany schemat kinematyczny symulatora ruchu z uwzględnieniem poszczególnych składowych ruchu oraz pomiarem siły tarcia komponentów i momentu obrotowego. Zainstalowane osobne czujniki obciążenia pozwalają mierzyć siłę osiową Fz wzdłuż osi kości udowej (z), moment Mz wokół osi z oraz momenty w osiach Mx i My. Opracowano procedurę obliczania parametrów tarcia i smarowania podczas całego cyklu symulacji, która zostanie wykorzystana do przetwarzania danych eksperymentalnych z testów symulacyjnych. Wyniki obliczeń parametrów Sommerfelda w każdym punkcie cyklu ruchu wraz ze schematem obciążenia normalnego pokazują, że parametr Sommerfeld zmienia się nieznacznie w zakresie 11,2·10-8–4,0·10-8 dla 50% cyklu. Zatem zmienność rzeczywistych warunków smarowania obciążonej części dla danego cyklu jest stosunkowo niewielka.

EN

State-of-art of studies of kinematic conditions, friction and wear of THRs is analysed. It is shown that: 1) geometry of the HIP joint defines the friction and wear regimes of its action; 2) tribology (friction and wear) of the artificial HIP joints, associated with biocompatibility, are two critical aspects responsible for the clinical success of a hip implant; 3) the simulation of the friction and wear in real conditions of artificial HIP joint action is needed to assess the performance of different hip implant designs by comparing their friction parameters depending on lubrication conditions and wear mechanisms controlled by friction. The modified kinematic scheme of the friction simulator with separate moving and measurement of the frictional torque components is developed, and the simulator is built. The separate load cells installed allow to measure axial force Fz along the femoral (z) axis, moment Mz about the z-axis and moments about orthogonal axes Mx and My. The calculation procedure of the friction and lubrication parameters during the whole simulation cycle is developed, and will be applied for processing of the experimental data of simulation tests. The results of Sommerfeld parameter calculation in each point of the gain cycle together with normal load diagram reveal that Sommerfeld parameter varies slightly within the range of 1.2·10-8–4.0·10-8 for 50% of the cycle. So, the variation of the real lubrication regime of the loaded part of the gain cycle is relatively small.

8

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

Ryniewicz A. M., Madej T., Ryniewicz W., Bojko Ł., Choromański M

Tribologia

|

2017

|

nr 3

137--146

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.

9

The use of finite elements method for analyzing the load occurring in components of endoprostheses

Sobociński M., Nabrdalik M.

Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna

|

2017

|

Vol. 23, nr 3

166--175

EN

This paper presents numerical analysis of strength in virtual hip and knee joints by means of the finite elements method FEM. Predicting the places in implants, where damage or premature wear may occur, is extremely important. The obtained results helped to exhibit weak points in examined models, and thus may be used to protect premature wear of endoprosthesis elements. The numerical analysis was based on the finite elements method FEM using Autodesk Simulation Mechanical 2016 software and the ADINA 7.5.1.

PL

Celem pracy była numeryczna analiza wytrzymałościowa zmian w wirtualnym stawie biodrowym i kolanowym. Zastosowano metodę elementów skończonych. Zastosowanie rozwiązań analitycznych mających na celu wykazanie możliwych miejsc w modelu, gdzie dochodzić może do uszkodzeń lub przedwczesnego zużycia współpracujących elementów, jest niezmiernie ważne. Otrzymane wyniki uwidoczniły takie miejsca, a tym samym mogą być wykorzystane do przeciwdziałania skutkom wynikającym z przedwczesnego zużycia elementów endoprotezy. Analiza numeryczna została wykonana w oparciu o metodę elementów skończonych przy wykorzystaniu oprogramowania Autodesk Simulation Mechanical 2016 oraz ADINA 7.5.1.

10

Stand for tribological testing of hip endoprostheses

Wiśniewski T., Mróz A., Magda J., Wielowiejska-Giertuga A.

Tribologia

|

2016

|

nr 6

167--177

EN

The paper presents a new construction of hip-joint simulator. The SBT-01.2 simulator is designed for conducting tribological testing of hip endoprostheses based on ISO 14242-1, which specifies the requirements for the range of motion and load characteristics of the friction pair (femoral head vs. acetabular cup) during one test cycle. The construction of the simulator is based on the anatomical structure of the human hip joint. The prosthesis acetabulum is mounted in the upper part of the mounting head while maintaining the inclination angle relative to the axis of the socket to the direction of the loading force. The head of the prosthesis is mounted on a pin embedded in the bottom, movable base. After placing a special sleeve on the lower base, liquid lubricant is applied on the head-cup tribological system. The employed software enables continuous control, online visualization, and data recording. During testing, parameters such as lubricant temperature, instantaneous loading force, friction torque, and the number of cycles are recorded.

PL

W artykule przedstawiono nową konstrukcję symulatora ruchu stawu biodrowego. Symulator SBT-01.2 przeznaczony jest do realizacji badań tribologicznych endoprotez stawu biodrowego w oparciu o normę ISO 14242-1, która określa wymogi dotyczące zakresu ruchów i charakterystyki obciążenia pary trącej (głowa-panewka) w czasie jednego cyklu badawczego. Konstrukcja symulatora oparta została na anatomicznej budowie stawu biodrowego człowieka. Panewka endoprotezy zamontowana jest w górnej części w głowicy mocującej z zachowaniem kąta inklinacji osi panewki względem kierunku przyłożenia siły obciążającej. Głowa endoprotezy mocowana jest na trzpieniu osadzonym w dolnej, ruchomej podstawie. Po założeniu specjalnego rękawa na dolnej podstawie układ tribologiczny głowa-panewka zalewany jest cieczą smarującą. Zastosowane oprogramowanie umożliwia stałą kontrolę, wizualizację online i zapis danych. Podczas testu rejestrowane są takie parametry jak: temperatura cieczy smarującej, chwilowa wartość siły obciążającej, moment siły tarcia i aktualna liczba cykli.

11

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

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

Tribologia

|

2016

|

nr 6

149--158

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.

12

The structural analysis of socket inlays of the hip endoprosthesis

Karpiński R., Jaworski Ł.

Journal of Technology and Exploitation in Mechanical Engineering

|

2016

|

Vol. 2, nr 1

36--39

EN

The paper presents results of the preliminary structural analysis of socket inlays model of the endoprosthesis of the hip joint. Basics of anatomy and biomechanical analysis of the hip joint were introduced. The prototype of socket inlay of the hip endoprosthesis was modeled using Solid Edge ST8 software. After determining physical properties of structural materials for socket inlays, the Finite Elements Analysis of the model was conducted using SolidWorks software under various load conditions. Finally the results of analysis were presented.

PL

W pracy przedstawiono wyniki wstępnej analizy strukturalnej wkładki endoprotezy stawu biodrowego. Zaprezentowano podstawowe informacje z anatomii oraz biomechaniki stawu biodrowego. Model wkładki endoprotezy wykonano z wykorzystaniem oprogramowania Solid Edge ST8. Po określeniu właściwości fizycznych materiałów stosowanych na wkładki endoprotezy przeprowadzono analizę Metodą Elementów Skończonych w programie SolidWorks dla różnych warunków obciążenia. Zaprezentowano uzyskane wyniki.

13

Numerical analysis of stress distribution generated in polyethylene inserts by knee joint endoprotheses’ sleds made of different titanium alloys

Nabrdalik M.

Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics

|

2016

|

Vol. 15, nr 1

107--114

EN

The paper presents analysis of stress distribution in the friction node of knee joint endoprosthesis where sleds are made of various titanium and CoCrMo alloys and cooperate with flat polyethylene inserts. Currently used titanium alloys consist of Nb, Ta, Zr or Mo and with lesser value of Young’s modulus than Ti6Al4V alloy, or steel CoCrMo, which significantly varies from other metal materials. The analysis was conducted with numerical method of ADINA System 8.6. The Finite Elements Method makes it possible to compute and present stress distribution quickly in all elements of the model.

14

Analysis of the loads occurring in a modular hip joint endoprosthesis

Sobociński M.

Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics

|

2016

|

Vol. 15, nr 3

135--142

EN

This paper contains the results of the load analysis of a modular hip joint endoprosthesis, performed by means of the finite elements method, using Autodesk Simulation Mechanical 2016 software. A geometric model was created based on real solutions using Autodesk Inventor Professional. The obtained results make it possible to indicate the “weak points” of the accepted solution, and thus counteract the subsequent effects resulting from premature wear of endoprosthesis elements.

15

Dynamic parameters of three-point crutch gait in female patients after total hip arthroplasty

Murawa M., Dworak L. B., Kabaciński J., Syczewska M., Rzepnicka A.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2016

|

Vol. 18, no. 2

131--135

EN

Purpose: Patient recovery after a surgical procedure depends, among other factors, on the amount of the body weight with which patient loads lower limb. Research studies report different results of the degree of body weight with which lower limb is loaded during three-point crutch gait. The aim of this study was to evaluate the level of the ground reaction forces (GRF) during crutch gait used by patients after total hip arthroplasty (THA) in the first week after discharge from the orthopaedic units. Methods: Ten female patients diagnosed with primary unilateral coxarthrosis participated in a single measurement session. In order to record kinematic and dynamic variables of this gait pattern motion analysis system was used together with two force plates. The static test of body weight distribution between lower limbs was performed on a dual-top stabilometric plate. Results: The average peak values of loading on the operated (O) limb during mid stance and terminal stance of three-point crutch gait were 64.6% and 64.3% of body weight (BW), respectively, whereas in the case of the nonoperated (NO) limb 103.5%BW and 108.8%BW, respectively. The maximum loads on the crutches were significantly higher (by 9%BW) on the NO side as compared to the O side ( p < 0.05). During the static test, average values of body weight distribution on the O and NO limb were 36%BW and 64%BW, respectively. Conclusions: The patients showed surprisingly similar level of loading on the O limb. The weight bearing on the O limb was lower during static trial than during three-point crutch gait.

16

Zastosowanie teorii zbiorów przybliżonych do analizy wyników badań emisji jonów metali w endoprotezach stawu biodrowego

Wiśniewski T., Libera M.

Tribologia

|

2015

|

nr 4

207--219

PL

Celem pracy była ocena przydatności teorii zbiorów przybliżonych w analizie zużycia endoprotez. W pracy wyodrębnić można dwie zasadnicze części: w pierwszej opisano badania tribologiczne endoprotez stawu biodrowego, natomiast w drugiej dokonano analizy wyników tych badań, wykorzystując metodę generowania reguł decyzyjnych w oparciu o teorię zbiorów przybliżonych. W efekcie stwierdzono, że wygenerowane reguły decyzyjne nie są sprzeczne z aktualnym stanem wiedzy, a zaproponowana metoda analizy może być przydatna w analizie tego rodzaju zagadnień.

EN

The aim of the study was to evaluate the usefulness of rough set theory in the analysis of endoprosthesis wear. In the article, two main parts can be distinguished: the first describes the tribological study of hip endoprosthesis, while the second analyses the results of these tests using the method of generating decision rules based on rough set theory. There were generated two sets of decision rules describing the impact of roughness, friction, wear and the angle of the prosthesis head on the chromium, and cobalt ions emission. As a result, it was found that the generated decision rules are consistent with the current state of knowledge, and the proposed method of analysis may be useful in the analysis of such issues.

17

Analiza procesów tribologicznych występujących w skojarzeniu panewka–główka endoprotezy stawu biodrowego

Niemczewska-Wójcik M., Piekoszewski W.

Tribologia

|

2015

|

nr 6

81--92

PL

W pracy przedstawiono staw biodrowy jako idealne biołożysko. Omówiono przyczyny uszkodzenia naturalnego stawu biodrowego człowieka oraz sposoby przywrócenia utraconych funkcji, w tym alloplastykę stawów. W części badawczo- -analitycznej pracy omówiono przyczyny obniżenia trwałości endoprotez stawu biodrowego w oparciu obadania własne in vitro. Przedmiotem badań było skojarzenie panewka–główka endoprotezy stawu biodrowego. Powierzchnie badanych elementów zostały przygotowane zgodnie z wytycznymi norm. Badania tribologiczne przeprowadzono w otoczeniu płynu Ringera. Badania stanu powierzchni przed i po eksploatacji przeprowadzono na trzech urządzeniach: współrzędnościowej maszynie pomiarowej, mikroskopie interferometrycznym oraz skaningowym mikroskopie elektronowym. Wyniki przeanalizowano pod kątem procesów tribologicznych (mechanizmów zużycia) występujących w skojarzeniu polimerowa panewka–metalowa główka endoprotezy stawu biodrowego.

EN

The paper presents a hip joint as an ideal system. The causes of the damage to a natural human hip joint and the ways of restoring its lost functions along with hip joint alloplasty are discussed. In the research part of this paper, based on in vitro study, the reasons for the loss of artificial hip joint durability are described. The subject of the research was the socket-andball friction pair, making the elements of a hip joint endoprosthesis. The surfaces of the analysed samples were prepared in accordance with the guidelines of the standards. The tribological tests were conducted in the environment of Ringer's solution. The examination of the surface topography before and after tribological tests was carried out with three units: a coordinate measurement machine, white light interferometry, and a scanning electron microscope. The results were analysed in terms of tribological processes (wear mechanisms) occurring in the friction pair consisting of the polymer socket and the metal head of a hip joint endoprosthesis.

18

Stress occurring in the friction node of elements in the total knee endoprosthesis

Nabrdalik M.

Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics

|

2015

|

Vol. 14, nr 2

41--48

EN

The paper presents the numerical analysis of stress occurring in the friction node of bi-condylar knee endoprostheses. The Finite Elements Method allows one to calculate and present the stress distribution in all elements of the computing model.

19

Wybrane problemy endoprotezoplastyki „custom-design" stawu biodrowego

Haraburda M., Kwiatkowski K.

Inżynieria Powierzchni

|

2015

|

nr 3

28--36

PL

W pracy przedstawiono metodyką tworzenia przez projektowanie konstrukcji endoprotezy dopasowanej do zmienionej anatomii stawu biodrowego po przebytym urazie. Założono, że geometria endoprotezy będzie uwzględniać paramenty anatomiczne związane z kością udową oraz z panewką stawu biodrowego, takie jak: kąty szyjkowo-trzonowy i przodoskręcenia, długość szyjki, położenie środków obrotów stawu, kąty inklinacji i antewersji. Ponadto trzpień endoprotezy powinien spełniać kryterium maksymalnego wypełnienia jamy szpikowej po osadzeniu w niej. Przedstawiony proces parametryzacji pozwoli finalnie zaprojektować endoprotezę na miarę (ang. custom-design) lub potencjalnie na optymalny jej dobór z katalogów wybranych producentów.

EN

The paper presents the methodology of proper anatomy reconstruction conducted, by means of a designed endoprosthesis matched to the changed anatomy of a hip joint which was damaged by a disease. It was assumed that the endoprosthesis geometry would take into account joint anatomical parameters connected with a famour bone and a pelvis bone such as: cervical-moral and front-rotation angles, neck length, location of the rotation centres of joints, inclination and anteversion angles. Moreover, endoprosthesis mandrel should meet the criterion of the maximum filling of a marrow cavity after having been matched in it. The presented process of endoprosthesis paramerization will finally allow to get custom-design or potentially to choose it optimally from the chosen producers catalogues.

20

Project of hip joint endoprosthesis for an individual patient with materials selection

Bartmański M., Świeczko-Żurek B.

Advances in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, nr 1(43)

30--36

EN

Nowadays the joint replacement orthopaedic surgery is most frequently performed surgery associated with the damage of the join surface. The implantation is mainly placed in hip and knee area. This work includes the hip replacement design, based on the patient's medical records, the description of creation process and materials used for individual components.