Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Tribokorozja jako efekt działania pary trącej w medium płynu synowialnego na przykładzie implantu – endoprotezy stawu biodrowegoTribokorozja jako efekt działania pary trącej w medium płynu synowialnego na przykładzie implantu – endoprotezy stawu biodrowego

Stanek Wiktor

Ochrona przed Korozją

|

2021

|

nr 12

387--395

PL

Idealny materiał implantu endoprotezy stawu biodrowego powinien mieć elastyczność modułu kości, wysoką odporność na korozję i zużycie oraz doskonałą biokompatybilność. Aby osiągnąć maksymalną wydajność i trwałość implantu, producenci używają różnych materiałów do różnych części implantu. Korozja odgrywa znaczną rolę w uwalnianiu jonów metali, jednak zarówno zużycie (proces mechaniczny) jak i korozja (proces chemiczny) działają synergistycznie („tribokorozja”) w obecności płynu maziowego/synowialnego bogatego w białko. Ta interakcja powoduje generowanie złożonych produktów degradacji. Gdy dwa metale stykają się ze sobą i przechodzą proces trybologiczny (zużycie przez tarcie lub fretting), zużyty materiał w postaci gruzu zostaje uwolniony z ich węzła par trących. Są to cząstki zużycia mechanicznego lub produkty korozji i/lub jony metali. Ogólnie rzecz biorąc, tribokorozja jest procesem nieodwracalnym, skutkującym transformacją/degradacją materiału z wynikającą zmianą funkcji mechanicznej urządzenia. Wynika to z synergicznej interakcji mechanizmów ślizgowych, ściernych, frettingu, korozji szczelinowej i galwanicznej prowadzących do mechanicznej zmiany implantu. Tribokorozja systemów biologicznych jest trudna do przetestowania ze względu na złożoność struktury powierzchni i dużą liczbę zaangażowanych procesów. Odkrycie efektu synergicznego może wnieść wiele istotnych informacji na temat powstawania biotribowarstw, ich struktury i jednorodności na powierzchni implantu oraz wszelkich korzystnych (lub szkodliwych) efektów.

EN

An ideal hip joint endoprosthesis material should have bone module flexibility, high corrosion and wear resistance, and excellent biocompatibility. To achieve maximum implant performance and durability, manufacturers employ different materials for different parts of the implant. Corrosion plays an important role in the release of metal ions, however both wear (mechanical process) and corrosion (chemical process) act synergistically („tribocorrosion”) in the presence of protein-rich synovial fluid. This interaction generates complex degradation products. When two metals come into contact with each other and undergo a tribological process (wear by means of friction or fretting), the waste material is released as debris from the friction pair. These are wear particles or corrosion products and / or metal ions. In general, tribocorrosion is an irreversible process, resulting in the transformation / degradation of material, and leading to a change of the mechanical function of a device. This is due to the synergistic interaction of sliding and abrasive mechanisms, fretting, crevice and galvanic corrosion leading to a mechanical change of the implant. Tribocorrosion of biological systems is difficult to analyse due to surface structure complexity and a large number of processes involved. The discovery of the synergistic effect can provide much important information on the formation of biotribolayers, their structure and uniformity on the implant surface and any beneficial (or harmful) effects. An ideal hip joint endoprosthesis material should have bone module flexibility, high corrosion and wear resistance, and excellent biocompatibility. To achieve maximum implant performance and durability, manufacturers employ different materials for different parts of the implant. Corrosion plays an important role in the release of metal ions, however both wear (mechanical process) and corrosion (chemical process) act synergistically („tribocorrosion”) in the presence of protein-rich synovial fluid. This interaction generates complex degradation products. When two metals come into contact with each other and undergo a tribological process (wear by means of friction or fretting), the waste material is released as debris from the friction pair. These are wear particles or corrosion products and / or metal ions. In general, tribocorrosion is an irreversible process, resulting in the transformation / degradation of material, and leading to a change of the mechanical function of a device. This is due to the synergistic interaction of sliding and abrasive mechanisms, fretting, crevice and galvanic corrosion leading to a mechanical change of the implant. Tribocorrosion of biological systems is difficult to analyse due to surface structure complexity and a large number of processes involved. The discovery of the synergistic effect can provide much important information on the formation of biotribolayers, their structure and uniformity on the implant surface and any beneficial (or harmful) effects.

2

Analysis of Stresses and Strains Distribution of Polyethylene Cups in Hip Joint Endoprosthesis at Various Articular Joints and Friction Conditions

Mordal Katarzyna, Szarek Arkadiusz

Archives of Metallurgy and Materials

|

2021

|

Vol. 66, iss. 2

523--530

EN

The article has been devoted to issues connected with the alloplasty and hip joint endoprostheses, that elements are being developed, which is supported by strength, tribological tests on used biomaterials, incl. polyethylene or computer modelling based on e.g. finite element method (FEM). In this paper, the results of research on the impact of the material articulations of the system head – acetabular and friction conditions on strength parameters of polyethylene components in the hip joint endoprosthesis. Numerical analysis of this friction node was carried out, using the ADINA System computer program and the simulations were performed at various friction conditions for metal/ polyethylene and ceramic/ polyethylene articulations with various UHMWPE modifications. The simulations results have shown the influence of tested material associations and friction conditions on parameters related to the strength of polyethylene cups, i.e. their displacements, stresses and deformations.

3

Analiza materiałoznawcza deimplantowanego elementu endoprotezy stawu biodrowego

Płatek Marta, Dudek Agata, Ucieklak Jarosław

Engineering of Biomaterials

|

2019

|

Vol. 22, no. 150

2--9

PL

Pomimo postępu jaki dokonał się w ostatnich latach w zakresie endoprotezoplastyk stawu biodrowego jednym z nierozwiązanych do końca zagadnień pozostaje problem aseptycznych i septycznych obluzowań elementów endoprotez. Dlatego stale trwają poszukiwania rozwiązań pozwalających zminimalizować ryzyko zapaleń okołoprotezowych i aseptycznych obluzowań endoprotez. Przedmiotem badania był trzpień endoprotezy Mittelmeiera usunięty z powodu aseptycznego obluzowania po 16 latach od wszczepienia. Przeprowadzano analizę strukturalną wykorzystując mikroskop świetlny i skaningowy oraz zbadano skład chemiczny materiału, z którego wykonano implant. Dokonano również oceny stopnia degradacji jego powierzchni. Analiza składu chemicznego porównana do pierwotnego składu tego trzpienia ujawniła, iż bezpośredni kontakt implantu z płynami ustrojowymi i żywą tkanką wpływa na zmianę ilościową poszczególnych pierwiastków. Mikroskopia skaningowa elektronowa ujawniła na metalowym trzpieniu liczne wżery, pęknięcia oraz ubytki powstałe na skutek zużycia oraz korozji. Wykonane badania wykazały, że nie tylko implant osadzony w kości oddziałuje na okoliczne tkanki, ale zachodzą zmiany również w obrębie wszczepionego implantu. Bezpośrednią przyczyną obluzowania implantu była osteoliza związana z nagromadzeniem w przestrzeni pomiędzy implantem a kością elementów zużycia korozyjnego i erozyjnego. Na podstawie zebranych danych z Oddziału Chirurgii Urazowo-Ortopedycznej Szpitala Czerniakowskiego Sp. z o.o. w Warszawie wykonano ponadto analizę statystyczną przeprowadzonych endoprotezoplastyk pierwotnych i rewizyjnych oraz występujących powikłań, ze szczególnym uwzględnieniem obluzowań elementów endoprotez, które wymagały operacji rewizyjnych.

EN

Despite the progress that has been made in recent years in the field of hip joint endoprostheses, the problem of aseptic and septic loosening of endoprosthetic elements remains one of the unresolved issues. Therefore, the research on solutions to minimize the risk of periprosthetic inflammations and aseptic loosening of endoprostheses is still ongoing. The subject of the study was a stem of the Mittelmeier’s endoprosthesis removed due to its aseptic loosening after 16 years of implantation. The structural analysis was carried out using a light and scanning microscope and the chemical composition of the implant material was examined. The analysis of the chemical composition compared to the original composition of the stem revealed that direct contact of the implant with body fluids and living tissue affects the quantitative change of individual elements. Scanning electron microscopy revealed numerous pitting, cracks and losses caused by wear and corrosion on the metal stem. The research carried out showed that not only does the implant inserted in the bone affect the surrounding tissue, but there are also changes within the implanted prosthesis. The direct cause of the implant loosening was osteolysis in the space between the implant and the bone, associated with the accumulation of elements of corrosion and erosion wear. Based on the collected results from the Trauma and Orthopaedic Surgery Department of the Czerniakowski Hospital in Warsaw, a statistical analysis of primary and revision endoprostheses and complications was performed, with particular emphasis on the loosening of the endoprostheses elements that required revision surgeries.

4

Hip joint and hip endoprosthesis biomechanics

Gryka J.

Journal of Technology and Exploitation in Mechanical Engineering

|

2017

|

Vol. 3, nr 1

21--27

EN

This article contains a description of the basic issues related to anatomy, loading of hip joint and its endoprosthesis research methods. The methods of testing and simulating hip joint loads, factors that influence the selection of parameters during the design of prostheses, typical solutions to engineering problems related to this topic are presented. The article concludes with short summary of the finite element method for the design of hip replacements.

PL

Artykuł zawiera opis podstawowych zagadnień związanych z anatomią, obciążeniami i metodami badawczymi dotyczących stawu biodrowego oraz jego endoprotezy. Przedstawione są sposoby badania i symulowania obciążeń w stawie biodrowym, czynniki wpływające na dobieranie parametrów podczas projektowania endoprotezy oraz typowe rozwiązania problemów inżynierskich związanych z tym tematem. Artykuł zakończony jest krótkim streszczeniem zastosowań metody elementów skończonych podczas projektowania endoprotezy stawu biodrowego.

5

Analysis of wear of polyethylene hip joint cup related to its positioning in patient’s body

Rońda J., Wojnarowski P.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2013

|

Vol. 15, no. 1

77--86

EN

Polyethylene parts of endoprosthesis are the weakest parts of each medical implant. They can be worn out within several years. During this period, a patient can enjoy good physical efficiency until the wear of polyethylene part limits his/her mobility. Then the reoperation is necessary and positioning of all parts of endoprosthesis has an effect on future patient’s mobility and durability of implant. Elements of endoprosthesis during exploitation are heavily loaded both by normal and tangential forces and moments. In this paper, the dependence of wear of polyethylene cup on its positioning in pelvis is the major problem. Wear of the cup is determined by two measures: the depth and volume of a material rubbed off from the contact surface. The sensitivity of the depth of rubbing off is evaluated relative to two angles of anteversion and abduction, and radii of the cup. Numerical results are obtained by using Abaqus FE system with data related to patient’s activity identified on the basis of medical reports.

6

Projektowanie i kształtowanie przyrostowe minimalnie inwazyjnej endoprotezy powierzchniowej stawu biodrowego z wieloszpilkowym rusztowaniem łączącym

Uklejewski R., Rogala P., Winiecki M., Mielniczuk J.

Mechanik

|

2010

|

R. 83, nr 7

464-467

PL

W pracy przedstawiono tok projektowania i kształtowania przyrostowego minimalnie inwazyjnej endoprotezy powierzchniowej typu RA (Resurfacing Arthroplasty) stawu biodrowego. Nowy typ beztrzpieniowej endoprotezy stawu biodrowego przeznaczony jest do całkowitej artroplastyki powierzchniowej stawu biodrowego THRA (Total Hip Resurfacing Arthroplasty), polegającej na wymianie powierzchni stawowych bez uszkadzania szyjki i jamy szpikowej kości udowej. Całkowicie bezcementowe mocowanie powierzchni stawowych endoprotezy w kości okołostawowej zapewnia rusztowanie łączące w formie systemu szpilkowo-palisadowego.

EN

Presented is the process of design and incremental development work on the micro invasive Resurfacing Arthroplasty of the hip joint. This is a new model of the stemless Total Hip Resurfacing Arthroplasty THRA, which consists in replacement of the joint surfaces without any intervention to femoral neck or femoral marrow cavity.

7

Geometria powierzchni ceramicznych i metalowych głów endoprotez stawu biodrowego

Cwanek J.

Tribologia

|

2008

|

nr 2

107-115

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań SGP 4 nieeksploatowanych głów korundowych, 3 nieeksploatowanych głów cyrkonowych endoprotez stawu biodrowego oraz 4 nieeksploatowanych głów metalowych sztucznych stawów biodrowych Wellera. Badania geometrii powierzchni wykonano aparatem Rank Taylor Hobson (model Talyskan 150). Skanowaniem objęto powierzchnie o wymiarach od 1,0 mm2 do 4 mm2. Badano parametry St, Sz, Sfd, powierzchnię zajmowaną przez mikrojamki (w %), objętość mikrojamek (w žm3/mm2), średnią głębokości mikrokanałów w žm oraz średnią długość mikrokanałów w cm/cm2 . Na powierzchniach głów korundowych i cyrkonowych wartości parametru St zamykały się w granicach od 7,27 do 7,91 žm (x = 7,53 -7,65; žm s = 0,19 - 0,22), Sz od 5,7 do 6,19 žm (x = 5,79 - 5,97; s = 0,18 - 0,21), na powierzchniach głów metalowych St od 1,179 do 1,232 žm (x = 1,199; s = 0,023), Sz od 0,868 - 0,984 žm (x = 0,928; s = 0,05). Powierzchnie głów pokryte były mikrojamkami, które zajmowały od 11,4 - 12% powierzchni. Najwięcej mikrokawern znajdowało się na powierzchni głowy cyrkonowej (450/cm2), trzykrotnie mniej na powierzchni głowy korundowej (150/mm2) i ponad jedenaście razy mniej na powierzchni głowy metalowej (40/cm2 ). Na powierzchni głowy cyrkonowej mikrojamki miały największą objętość (25100 žm /cm2 ), mniejszą objetość na powierzchni głowy korundowej (20800 žm3 /cm2 ) i najmniejszą na powierzchni głowy metalowej (2850 žm3/cm2). Najbardziej rozwiniętą sieć mikrokanałów stwierdzono na powierzchni głowy cyrkonowej (351 cm/cm3), znacznie mniej rozwinięte na powierzchni głowy korundowej (117,0 cm/cm3) i metalowej (99,6 cm/cm3). Najgłębsze mikrokanały występowały na powierzchni głowy cyrkonowej (544 žm), znacznie płytsze na powierzchni korundowej (0,12 žm) i metalowej głowy (0,098 žm).

EN

The article presents the results of the SGP (scanning of surface geometry) researches of non exploited hip joint endoprostheses' heads - 4 corundum, 3 zirconium and it describes the results of 4 metal heads of artificial Weller hip joints. The tests were performed with a Rank Taylor Hobson apparatus (Talyscan 150 model). The area of scanned head surface was 1,0 mm2-4 mm2. The article also examines the parameters St, Sz, Sfd, the surface covered with microcaverns (in %), capacity of microcaverns (in žm3/mm2), the average depth of micro-caverns in žm and average length of microcaverns in cm/cm2. The values of the St parameter on the surfaces of corundum and zirconium heads was from 7,27 to 7,91 fim (x = 7,53 - 7,65; s = 0,19 -0,22), Sz from 5,7 to 6,19 žm (x = 5,79 - 5,97; s = 0,18 - 0,21), St on surfaces of metal heads was from 1,179 to 1,232 žm (x = 1,199; s = 0,023), Sz from 0,868 - 0,984 žm (x = 0,928; s = 0,05). The surfaces of heads were covered with microcaverns which took up from 11,4-12% of the surface. The biggest number of microcavities were located on the zirconium head surface (450/cm2), three times less on the corundum head surface (150/mm2) and more then eleven times less on the surface of the metal head (40/cm2). On the surface of the zirconium head the microcaverns capacity was the highest (25100 žm3/cm2). A smaller volume of microcaverns was on the corundum head (20800 žm3/cm2) and the smallest on the metal head surface (2850 žm3/cm2). On the surface of zirconium head was noticed the most spread net of microchannels (351 cm/cm3), on corundum head it was much less developed (117,0 cm/cm3) and on metal (99,6 cm/cm3). The deepest micocavities were located on the zirconium head surface (544 žm), and the were much shallower on the corundum head surface (0,12 ža) and metal (0,098 žm).

8

Photoelastic investigation of mechanical problems in applying acetabulum cups to hip prosthesis

Beer R., Eberhardsteiner J., Kodvani J., Jecic S.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2006

|

Vol. 8, nr 1

47-54

EN

Acetabulum cups are the counterparts of endoprostheses, which are mounted in the pelvis. There are different designs of such cups. They differ in their form and in the way of mounting. This paper deals with the threaded acetabulum cups with conical shape mounted in the pelvis. In general, one has to distinguish between stresses caused by the mounting process and lifetime stresses of the mounted cup. Stresses remaining of the mounting must ensure the so-called primary stability; however, they will disappear to some degree due to rheological properties of bone. The question arises whether the mounting stresses are responsible for local plastic deformations and the corresponding residual stresses or not. In this paper, mostly loading stresses and their dependence on the contact properties between pelvis and cup or between cup and polyurethane inlay are considered.

9

Stress and reliability analyses of the hip joint endoprosthesis ceramic head with measured manufacturing inaccuracies

Fuis V.

Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej / Politechnika Śląska

|

2003

|

nr 21

51-56

EN

The paper presents the results of the computational modelling of the stress and reliability of the ceramic head of the total hip joint endoprosthesis under ISO 7206-5 loading. Endoprosthesis consists of the two fmain parts - ceramic head and the steel stem. The joint of these two parts is realised by the self-locking cone and the manufacturing inaceuracies of these cones significantly influence the tensile stresses in the head and head's failure probability. The manufacturing inaceuracies were measured on 3D measuring devrce, stress in the analysed system is calculated using FEM system ANSYS and the head's reliability calculation is based in the Weibull weakest link theory.

10

Kompozytowe trzpienie dla endoprotez stawu biodrowego psa

Chłopek J., Degórska B., Stoch A., Kmieciński W., Brożek A., Kmita G.

Inżynieria Biomateriałów

|

2000

|

R. 3, nr 10

8--17

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań nad otrzymaniem polimerowo-ceramicznych endoprotez stawu biodrowego psa. Na główki protez stosowano ZrO2, natomiast trzpienie otrzymano z kompozytu włókna węglowe-żywica epoksydowa i włókna węglowe-polisulfon. Badano właściwości mechaniczne trzpieni oraz określono zdolność do łączenia z tkanką kostną. Wytrzymałość statyczna kompozytowych trzpieni obciążonych zgodnie z kierunkiem działania sił na staw biodrowy psa wynosi dla trzpieni z kompozytu polisulfonowego ok. 1000N, natomiast dla kompozytu epoksydowego 3000N. Kompozyty te poddano także badaniom in vivo implantując je do kości. Po okresie 3 miesięcy po implantacji badano wytrzymałość złącza kość-implant oraz przy pomocy badań mikroskopowych i mikrosondy rentgenowskiej charakter granicy złącza. W badaniach tych stosowano także włókno węglowe żywica epoksydowa pokryte hydroksyapatytem. Porównanie wytrzymałości na ścinanie złącza kość-implant wskazuje, że największą wartość osiąga ona dla kompozytu pokrytego hydroksyapatytem. Obserwacje mikroskopowe wskazują na bezpośredni kontakt między implantem i kością z obecnością na granicy złącza oprócz węgla i tlenu także wapnia i fosforu. Takich efektów brak w przypadku kompozytów bez warstwy z hydroksyapatytem. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość zastosowania jako trzpienia endoprotez stawu biodrowego psa kompozytów polimerowych pokrytych hydroksyapatytem o korzystnych właściwościach mechanicznych (duża wytrzymałość, niska sprężystość) z możliwością tworzenia więzi naturalnej pomiędzy kością a implantem.

EN

The paper presents the investigations on manufacturing polymer-ceramic endoprostheses of dog's hip joint: Prosthesis heads were made of ZrO2, the stems-from carbon fibre-epoxy resin composite or carbon fibre-polysulphone composite. Mechanical strength of the stem and capability of its bonding with the bone tissue were tested. Static strength of the composite stems, loaded in the direction of forces operating in the hip joint of a dog, was about 1000 N and 3000 N for the polysulphone and epoxy composite, respectively. The composites were additionally tested in the in vivo conditions, i.e: they were implanted in. bones. After three months the strength of bone-implant interface was evaluated. Its structure and composition were examined by means of microscopic observations and electron probe microanalysis. Carbon-fibre/epoxy resin composites coated with hydroxyapatite were also investigated. Shear strength measurements of the bone- implant interface showed that the highest values were obtained when the epoxy composite was coated with hydroxyapatite. According to microscopic observations good contact was developed between the bone and the implant. The interfacial region contained calcium and phosphorus along with carbon and oxygen. These effects were not observed in the case of implants with- out the hydroxyapatite coating. The results obtained in this work indicate that it is possible to produce the hip joint endoprosthesis stems from polymeric composites with hydraxyapatite and that these elements have good mechanical properties (high strength, low elasticity) and can develop natural bond at the bone-implant interface.

11

Powłoki węglowe i diamentopodobne /DLC/ formowane dwuwiązkową metodą IBAD w zastosowaniach na ostrza narzędzi skrawających do obróbki HSM.

Wantuch E., Rajchel B., Burakowski T.

Inżynieria Materiałowa

|

1999

|

R. XX, nr 5

318-321

PL

W artykule przedstawiono analizę przyczyn zużywania sie ostrzy narzędzi z węglików spiekanych w szerokim zakresie prędkości skrawania od ok. 20m/min do blisko 1000m/min, stosowanych przy obróbce High Speed Cutting. Na podstawie analizy literatury wykazano, że w zakresie prędkości skrawania powyżej 250m/min dominujacą formą zużycia węglików spiekanych jest dyfuzja W, Ti oraz Co do obrabianego przedmiotu. W prezentowanej pracy podjęto próbę wytworzenia powłok DLC na podłożu monokryształu krzemu i materiale endoprotezy stawu biodrowego celem wstępnej oceny cech mechanicznych formowanych powłok. Badania odporności na zużycie ścierne wytworzonych powłok wykazują ich wzrost odporności na zużycie w porównaniu z badaniami zużycia podłoża. Stwierdzono bardzo duży wpływ późniejszego wygrzewania formowanych powłok w próżni w temperaturze z zakresu od 823 K do 923 K na przyrost odporności na zużycie ścierne.

EN

The article presents the analysis of reason for wear of tool blades made of sintered carbides in a wide range of cutting speed from c.a. 20m/min to speeds close to 1000m/min, used at High Speed Cutting machining. On the basis of available sources analysis, it was proved that within the cutting speed above 250m/min a dominating form of sintered carbides wear is diffusion of W, Ti and Co to the machined object. The presented work undertakes the attempt to produce DLC coatings on a silicon monocrystal substrate and the hip joint endoprosthesis material in order to conduct a preliminary assessment of mechanical features of formed coatings. The research in abrasive wear resistance of formed coatings indicates on their increase in the wear resistance in comparison to substrate wear tests. The research revealed a very large influence of further heating of formed coatings in vacuum at the temperature ranging from 823 K to 923 K upon the increase in abrasive wear resistance.