Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Analysis of the surface condition of removed bone implants

Mierzejewska Ż. A., Kuptel P., Sidun J.

Eksploatacja i Niezawodność

|

2016

|

Vol. 18, no. 1

65--72

EN

The requirements that must be met by implant materials are rigorous and diverse. These materials are tasked with supporting or replacing sick or damaged parts of the musculoskeletal system, where loads and a heterogeneous stress state frequently occur. Thus, they must have the appropriate strength properties and resistance to many types of corrosion, which is related to biotolerance, or neutrality of the material to the human body during use. This article presents the results of studies of three implant groups: set for stabilization of long bones made of 316L austenitic steel, set for intramedullary nail insertion in grafts of femur bones made of Ti6Al4V titanium alloy, and a straighty reconstruction plate made of Ti6Al4V titanium alloy coated with an oxide layer. These implants were implanted into the human body and then removed at the end of the treatment process or due to implant failure during its operation. Next, implants were studied in order to determine the level of wear. Investigations were carried out using an Hitachi S-3000N scanning microscope. Their results indicate a series of changes that took place on implant surfaces and confirm the existence of typical implant wear mechanisms presented in reports in the literature. Traces of corrosion, fatigue cracks, tribological wear, and traces of fretting were found on examined implant surfaces. The study of implant wear cases, determination of their character, and evaluation of the intensity of destructive processes may contribute to the improvement of both the mechanical properties of these implants and their shape, so that modern bone implants perform their roles without the risk of failure during their operation.

PL

Wymagania stawiane materiałom na implanty są wysokie i bardzo zróżnicowane. Mają one wspomagać lub zastępować chore lub uszkodzone części układu kostno-mięśniowego, gdzie często pojawiają się obciążenia i różnorodny stan naprężeń. Muszą zatem charakteryzować się odpowiednimi własnościami wytrzymałościowymi i odpornością na różne rodzaje korozji, powiązaną z biotolerancją oznaczającą neutralność materiału wobec organizmu podczas użytkowania. W pracy przedstawiono wyniki badań trzech grup implantów: zestawu do stabilizacji kości długich, wykonanego ze stali austenitycznej 316L, zestawu do gwoździowania śródszpikowego do zespoleń złamań kości udowej, wykonanego ze stopu tytanu Ti6Al4V oraz płytki rekonstrukcyjnej prostej, wykonanej ze stopu tytanu Ti6Al4V pokrytego warstwą tlenków. Implanty te wszczepione były do organizmu ludzkiego, a następnie usunięte, wraz z zakończeniem procesu leczenia lub wskutek uszkodzenia implantu podczas jego eksploatacji. Następnie poddano je badaniom w celu określenia stopnia zużycia. Badania realizowano z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego Hitachi S-3000N. Wyniki badań wskazują na szereg zmian, które zaszły na powierzchni implantów i potwierdziły istnienie typowych mechanizmów zużycia implantów prezentowanych w doniesieniach literaturowych. Na powierzchni badanych implantów zauważono ślady korozji, pęknięcia zmęczeniowe, zużycie tribologiczne oraz ślady frettingu. Badania zużycia implantów, określenie ich charakteru oraz ocena intensywności zachodzenia procesów niszczenia mogą w przyszłości znacznie wpłynąć na poprawę zarówno właściwości mechanicznych tych implantów, jak również na próbę zmiany ich kształtu tak, by nowoczesne implanty kostne spełniały swoją rolę bez ryzyka zniszczenia w trakcie ich eksploatacji.

2

Technologia SLS – charakterystyka i zastosowanie selektywnego spiekania laserowego w inżynierii biomedycznej

Mierzejewska Ż. A.

Journal of Technology and Exploitation in Mechanical Engineering

|

2015

|

Vol. 1, nr 1-2

178--190

PL

Technologie szybkiego prototypowania (RP), oparte na projektowaniu i wytwarzaniu wspomaganym komputerowo są szeroko stosowane w tradycyjnych gałęziach przemysłu. Jednak ze względu na zdolność do dokładnego i precyzyjnego odwzorowywania zaprojektowanych elementów o różnych wymiarach i skomplikowanej geometrii są coraz częściej stosowane w dziedzinie inżynierii biomedycznej. Selektywne spiekanie laserowe (SLS) to uniwersalna technika RP, wykorzystująca wiązkę laserową do spiekania sproszkowanych materiałów i tworzenia obiektów trójwymiarowych. Dane do wytworzenia elementów zastępczych tkanek wynikają z możliwości obrazowania medycznego i przedstawiania wyników tych badań w formie cyfrowej. W tej pracy przedstawione zostały: ogólna klasyfikacja metod RP, idea i metodyka przeprowadzania spiekania laserowego, mechanizmy spiekania oraz zastosowanie elementów wytwarzanych tą technologią w inżynierii biomedycznej, zwłaszcza w produkcji scaffoldów, stosowanych jako rusztowanie dla hodowli tkankowych, implantologii stomatologicznej do wytwarzania protez szkieletowych i implantów zębowych, produkcji implantów tzw. „custom made” – dopasowanych indywidualnie do pacjenta oraz do wytwarzania modeli ćwiczeniowych, na których zespół chirurgów może ćwiczyć technikę operacyjną

EN

Rapid prototyping (RP) technologies, which are based on computer-aided design and computer-aided manufacturing, are widely employed in traditional industries. They are capable of achieving extensive and detailed control over the architecture of objects to be formed and therefore are increasingly used in the biomedical engineering field. Selective laser sintering (SLS), a versatile RP technique, uses a laser beam to selectively sinter powdered materials to form three-dimensional objects according to designs that can be based on data obtained from computer-based medical imaging technologies. In this article relating to biomedical applications, the principle, materials, machine modification, and parameter optimization for SLS are reviewed. Biomedical applications of SLS, especially in the fabrication of tissue engineering scaffolds and drug/biomolecule delivery vehicles, are presented and discussed. SLS exhibits great potential for many applications in biomedical engineering.

3

Selective laser sintering – binding mechanism and assistance in medical applications

Mierzejewska Ż. A., Markowicz W.

Advances in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, nr 3(45)

5--16

EN

Rapid prototyping technology (RP), based on designing and computer aided manufacturing, is widely used in traditional branches of industry. Due to its ability to accurately and precisely manufacture designed elements of various dimensions and complicated geometry, this technology is more and more frequently applied in the field of biomedical engineering. Selective laser sintering (SLS) is a universal RP technique, utilizing a laser beam to sinter powdered materials and create three-dimensional objects. Data for producing parts for tissue replacement come from medical imaging capabilities and digital presentation of test results. This paper presents the following: general classification of RP methods, the concept and methodology of performing laser sintering, sintering mechanisms, and the application of elements manufactured using this technology in biomedical engineering, particularly for the production of scaffolds used in tissue cultures, skeletal and dental prostheses in dental implantation, manufacturing of custom-made implants that are individually adjusted to the patient, and for production of training models on which a team of surgeons can train a surgical technique.

4

Process optimization variables for direct metal laser sintering

Mierzejewska Ż. A.

Advances in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, nr 4(46)

38--51

EN

Manufacturing is crucial to creation of wealth and provision of quality of life. Manufacturing covers numerous aspects from systems design and organization, technology and logistics, operational planning and control. The study of manufacturing technology is usually classified into conventional and non-conventional processes. As it is well known, the term "rapid prototyping" refers to a number of different but related technologies that can be used for building very complex physical models and prototype parts directly from 3D CAD model. Among these technologies are selective laser sintering (SLS) and direct metal laser sintering (DMLS). RP technologies can use wide range of materials which gives possibility for their application in different fields. RP has primary been developed for manufacturing industry in order to speed up the development of new products (prototypes, concept models, form, fit, and function testing, tooling patterns, final products - direct parts). Sintering is a term in the field of powder metallurgy and describes a process which takes place under a certain pressure and temperature over a period of time. During sintering particles of a powder material are bound together in a mold to a solid part. In selective laser sintering the crucial elements pressure and time are obsolete and the powder particles are only heated for a short period of time. SLS uses the fact that every physical system tends to achieve a condition of minimum energy. In the case of powder the partially melted particles aim to minimize their in comparison to a solid block of material enormous surface area through fusing their outer skins. Like all generative manufacturing processes laser sintering gains the geometrical information out of a 3D CAD model. This model is subdivided into slices or layers of a certain layer thickness. Following this is a revolving process which consists of three basic process steps: recoating, exposure, and lowering of the build platform until the part is finished completely.

5

Case study and failure analysis of a total hip stem fracture

Mierzejewska Ż. A.

Advances in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, nr 2(44)

5--13

EN

A total hip replacement is a procedure that requires removal of the affected joint lesions and replacing it with artificial elements. Nevertheless, like any invasive surgery, it is associated with the risk of complications, including joint infection, fracture of the bone during and after surgery, scarring and limitation of motion of the hip, and loosening of the prosthesis. In this work we present and describe the results of its investigations. In order to determine the mechanism of failure, a broken stem components were analyzed by means of macroscopic and microscopic observations and hardness measurements. The hardness, microstructure and chemical composition of the broken part of the hip stem were analyzed. Microscopic examination revealed numerous defects in material. Among them are pores and emptiness, located on the outskirts of the tested samples and a plurality of micro-cracking, debonding and delamination of the material due to the overloading of a fatigue character. There were no changes caused by intergranular corrosion or pitting, which may indicate for an even distribution of the major alloying components such as chromium and nickel. Observations of the material by using scanning electron microscopy (SEM), clearly proved that the destruction was caused by material fatigue. The investigation showed that the crack had originated due to a high stress concentration on the lateral corner section of the stem. Large surface of the fatigue crack zone area indicated for small stresses and small crack propagation velocities. There was a clear correlation between the grain size of the steel hardness. The results of hardness test revealed a significant increase hardness of stem in relation to the normative values. In addition, the measured average grain size is less than the standard accepted. Using Solid Works simulation and FEM a model of the stem was created and analyzed in terms of strength and rated the distribution of the generated stress. The finite-element analysis confirmed that there is the highest stress concentration in the middle of the stem.

6

Izolowane złamanie trzpienia endoprotezy stawu biodrowego – opis dwóch przypadków

Mierzejewska Ż. A., Oksiuta Z.

Engineering of Biomaterials

|

2014

|

Vol. 17, no. 128-129

28--31

PL

Staw biodrowy zbudowany jest z panewki biodrowej, anatomicznie uformowanej z kości miednicy oraz głowy kości udowej. Oba te elementy pokryte są chrząstką i otoczone torebką stawową, wypełnioną płynem synowialnym, którego zadaniem jest odżywianie chrząstki oraz amortyzowanie sił działających na staw. Jakiekolwiek zmiany w tym układzie mogą prowadzić do uszkodzenia i deformacji stawu, co skutkuje utratą funkcjonalności oraz bólem. Terapią, która przywraca pacjentowi możliwość bezbolesnego funkcjonowania jest endoprotezoplastyka, polegająca na chirurgicznym wycięciu zmienionych chorobowo powierzchni stawowych i zastąpieniu ich sztucznymi elementami. Jednakże, jak każda chirurgiczna interwencja, endoprotezoplastyka niesie ze sobą ryzyko powikłań. Jednym z nich jest izolowane złamanie trzpienia stawu biodrowego – trzpień ulega złamaniu w kanale szpikowym przy czym tkanki otaczające implant nie zostają uszkodzone. W pracy przedstawione i porównane zostały dwa przypadki izolowanego złamania trzpienia endoprotezy stawu biodrowego, rozpoznane ok. 3 lata po wszczepieniu implantów. Celem pracy było zbadanie cech i mikrostruktury reimplantowanych trzpieni, zdefiniowanie relacji pomiędzy strukturą a wielkością ziaren i zidentyfikowanie ognisk pękania. W tym celu zbadane zostały mikrostruktura, wielkość ziaren, skład chemiczny oraz twardość obu trzpieni. Badania mikroskopowe ujawniły defekty materiału. Obserwacje przełomu za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) ujawniły obecność prążków zmęczeniowych, co wskazuje na zmęczeniowy charakter przełomu. Liniowy pomiar twardości ujawnił znaczną niejednorodność materiału. Uzyskane wyniki stanowią podstawę do dalszych badań tego zjawiska.

EN

The hip joint is composed of acetabular, anatomical surface of pelvis and the femoral head. Both of these elements are covered with cartilage and enclosed in a capsule, filled with synovium, which aim is to nourish the cartilage and depreciate forces acting on the hip joint. Any lesions in this system can lead to damage and deformation of the joint, which results in loss of function and pain. The treatment that restores the patient’s ability to functioning is the total hip replacement, which consists of surgical excision of the damaged joint surface and implanted in place of artificial elements. However, like any surgical intervention, this procedure carried the risk of complications. One of them is isolated stem fracture, which consisting of the stem break inside the medullary canal without damaging surrounding tissue. The work presents and compares two cases of isolated fracture of hip stems, which were recognized three years after the operation. The aim of the study was to investigate the properties and microstructure of reimplanted stems, made of austenitic, to define the relationship between the structure and the size of the grains and to identify outbreaks of cracking. Microstructure, grain size, chemical composition and hardness of both stems have been investigated. Microscopic examination revealed defects in material. A breakthrough observation, carried out by scanning electron microscopy (SEM) revealed the presence of fatigue striations, which clearly indicated the nature of the fatigue fracture. Linear hardness measurements revealed significant heterogeneity of the material. The results obtained in this work will be used for further research on this topic.

7

Failure analysis of a femoral hip stem made of stainless steel after short time of exposure

Mierzejewska Ż. A., Oksiuta Z.

Acta Mechanica et Automatica

|

2014

|

Vol. 8, no. 3

146--150

EN

This paper describes a case study summarising the failure analysis of a stainless steel femoral stem, which failed prematurely within 36 months of exploitation in human body. In order to determine the mechanism of failure, a broken stem component were analyzed by means of macroscopic and microscopic obserwations and hardness measurements. Metallurgical obserwations revealed that the tested material does fulfill ASTM requirements. Scanning electron microscopy images revealed the presence of stress-induced cracking. The results of the hardness revealed significant nonuniformity from the surface towards the inner part of the stem. It is assumed that any discontinuity or defect on the fracture surface of the stem acted as preferential site for a crack nucleation and propagation by fatigue until the cross section of stem was not able to sustain a load generated by a patient.