Zeszyty Naukowe 19(91) 47
Scientific Journals
Zeszyty Naukowe
Maritime University of Szczecin
Akademia Morska w Szczecinie
2009, 19(91) pp. 47–50 2009, 19(91) s. 47–50
Właściwości eksploatacyjne nowych panewek endoprotezy
stawu biodrowego
Exploatative properties of a new cup of hip joint
endoprosthese
Małgorzata Grądzka-Dahlke
Politechnika Białostocka, Zakład Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, 15-351 Białystok, ul. Wiejska 45c, e-mail: dahlke@pb.bialystok.pl
Słowa kluczowe: biotribologia, panewka stawu biodrowego, łożysko porowate, badania tribologiczne, ana-liza przepływu cieczy
Abstrakt
Alloplastyka stawów jest jedną z dziedzin, które intensyfikują rozwój inżynierii biomedycznej. W ostatnich dziesięcioleciach obserwuje się niesłabnące działania w kierunku zwiększenia trwałości implantów. Ograni-czenia materiałowe wymuszają poszukiwanie nowych rozwiązań. W referacie przedstawiono koncepcję no-wej panewki stawu biodrowego z metaliczną warstwą porowatą. Idea oparta na założeniu łożyska samosmar-nego powinna zapewnić korzystne warunki pracy i minimalizację zużycia elementów współpracujących. Przeprowadzono analizę numeryczną przepływu cieczy w warstwie porowatej oraz weryfikujące badania eksperymentalne na symulatorze tarcia stawu biodrowego. Uzyskane wyniki potwierdziły słuszność przyjętej koncepcji. Przepływ cieczy w porowatej panewce zapewnia dobre smarowanie powierzchni trących i zmniej-sza zużycie elementów.
Key words: biotribology, hip joint cup, porous bearing, tribological test, liquid flow analysis Abstract
Joint alloplastics is one of the domains intensifying biomedical engineering development. Last decades show unabated activity towards increase of implant durability. Material restrictions force the search for new solutions. In this work the conception of new hip joint cap with metallic porous layer is presented. The idea based on self-lubricating bearing should ensure favourable conditions and minimize wear of co-working elements. Numeric analysis of the lubricating fluid flow in porous layer has been taken as well as verifying experimental research on hip joint friction simulator. Obtained results confirmed the fairness of the admitted assumptions. The fluid flow in porous cap ensures good lubrication of sliding layers and decrease wear of elements.
Wstęp
Rozwój inżynierii biomedycznej w ostatnich dziesięcioleciach stawia wciąż nowe zadania inży-nierom zarówno w obszarze konstrukcji, technolo-gii, jak też materiałów. Wysokie wymagania, które muszą spełniać implanty biomedyczne, nakazują często poszukiwanie nowych jakościowo rozwią-zań. Jedną z takich dziedzin jest alloplastyka sta-wów. Choroby zwyrodnieniowe, urazy, powodują konieczność zastąpienia uszkodzonych elementów stawów sztucznymi implantami. Rozwiązanie takie
jest dobrodziejstwem dla tysięcy pacjentów, przy-wracając im możliwość funkcjonowania w otacza-jącym świecie. Wieloletnie doświadczenia eksplo-atacyjne pozwoliły wyselekcjonować materiały do zastosowań biomedycznych, spełniające podsta-wowe wymagania, dotyczące odporności korozyj-nej, odpowiednich właściwości mechanicznych czy biotolerancji. Jednak analiza niepowodzeń allopla-styki wskazuje na konieczność zwiększenia trwało-ści implantów. W przypadku endoprotez stawów biodrowych średni czas eksploatacji szacowany jest na 10–15 lat, co jest okresem zdecydowanie
niewy-Małgorzata Grądzka-Dahlke
48 Scientific Journals 19(91)
starczającym, szczególnie w przypadku młodych, aktywnych pacjentów. Według doniesień literatu-rowych, główną przyczyną tej sytuacji jest nad-mierne zużycie elementów węzła tarciowego sztucznych stawów [1, 2, 3, 4, 5]. Dotychczasowe prace zmierzające głównie w kierunku wykorzysta-nia metod inżynierii powierzchni do modyfikacji odporności na zużycie stopów implantacyjnych nie przynoszą oczekiwanych rezultatów [6, 7].
W Katedrze Inżynierii Materiałowej i Technolo-gii Maszyn Politechniki Białostockiej zapropono-wano nowe rozwiązanie układu tarciowego endo-protezy stawu biodrowego, oparte na zasadzie pra-cy porowatego łożyska samosmarnego [8, 9, 10]. Para tarciowa składa się z głowy, wykonanej z litej stali implantacyjnej 316L, oraz panewki o 3-wars-twowej strukturze. Warstwa wewnętrzna wykonana jest z porowatego spieku z analogicznej stali. Przed eksploatacją warstwa ta jest nasycona sztuczną cieczą synowialną. Znaczna porowatość spieku pozwala na cyrkulację cieczy smarowej z porów do strefy tarcia, co wpływa na minimalizację oporów ruchu i zużycia współpracujących elementów. W pracy podjęto próbę analizy numerycznej prze-pływu cieczy w warstwie porowatej panewki oraz weryfikacji eksperymentalnej przyjętego modelu.
Materiały i metodyka badań
Przeprowadzono analizę numeryczną przepływu cieczy smarowej w porowatej warstwie panewki. Obliczenia wykonano za pomocą programu Solid-Works przy użyciu pakietu Flow Simulation. Model układu tarciowego przyjęty do obliczeń (rys. 1) odpowiada prototypowi badanego węzła tarciowe-go endoprotezy z warstwą porowatą.
Rys. 1. Model obliczeniowy przepływu cieczy w panewce z warstwą porowatą
Fig. 1. Calculation model of the fluid flow in the cup with porous layer
Uwzględniono następujące parametry wejścio-we:
głowa stalowa, chropowatość powierzchni Ra = 0,01 mm; obrót o 30 stopni (0,5 rad/s);
panewka zawierająca wewnętrzną warstwę z po-rowatej stali, porowatość 36%, wielkość porów otwartych 0,10958 mm (obliczona na podstawie zgładów poprzecznych materiału panewki me-todą analizy obrazu);
ciecz smarująca o parametrach sztucznego płynu stawowego: ciecz nieniutonowska (charaktery-styka lepkości dynamicznej przedstawiona na rysunku 2), gęstość 1,003 kg m–3;
luz pomiędzy główką a warstwą porowatą: 0,05 mm.
temperatura 36,6C, ciśnienie referencyjne, ze-wnętrzny nacisk pionowy 9,81 MPa.
W celu uproszczenia obliczeń przyjęto osiowy wycinek panewki o szerokości 1 mm. Analizowano zmiany prędkości przepływu oraz ciśnienia cieczy w warstwie porowatej panewki podczas pracy.
Rys. 2. Wykres lepkości dynamicznej cieczy smarowej przyję-ty do analizy
Fig. 2. Graph of dynamic viscosity of the fluid lubricant adopted for analysis
Badania tribologiczne przeprowadzono na sy-mulatorze tarcia stawu biodrowego w układzie gło-wa–panewka endoprotezy (rys. 3). Głowa – kulka łożyskowa ze stali 316L – wykonywała ruch obro-towo-rewersyjny z częstotliwością 1 Hz. Uchwyt, w którym zamocowana była panewka, był obciąża-ny cyklicznie za pomocą siłownika pneumatyczne-go, maksymalna wartość nacisku P = 1 kN. Cykl obciążeń i ruchów był analogiczny do warunków panujących w naturalnym stawie biodrowym pod-czas chodu. Badania realizowano w środowisku sztucznej cieczy stawowej (Diasinolumad usum
exetrum) w temperaturze pokojowej.
Podczas badania mierzono opory ruchu, które posłużyły do wyznaczenia maksymalnych wartości współczynnika tarcia w każdym cyklu. Po zakoń-czonym badaniu mierzono zużycie panewki
zgod-Właściwości eksploatacyjne nowych panewek endoprotezy stawu biodrowego
Zeszyty Naukowe 19(91) 49
nie ze znormalizowaną metodyką ISO 14242-2: 2000(E) opracowaną do oceny zużycia całkowitych endoprotez stawów biodrowych [11]. Pomiary przeprowadzono na współrzędnościowej maszynie pomiarowej (WMP) MISTRAL 07 07 05 firmy Brown&Sharpe z głowicą pomiarową TP 200. Ob-serwacji mikroskopowych powierzchni panewek dokonano na elektronowym mikroskopie skanin-gowym HITACH S-3000N.
Rys. 3. Elementy eksperymentalnego układu tarciowego gło-wa-panewka endoprotezy
Fig. 3. Elements of the experimental friction system head-cup endoprosthese
Wyniki badań i dyskusja
Wyniki analizy numerycznej, przedstawione na rysunkach 4 i 5, wskazują, że przy założonych parametrach pracy węzła tarciowego z porowatą panewką ma miejsce przepływ cieczy smarowej w przypowierzchniowej warstwie wkładki porowa-tej. Ciecz jest wyciskana do strefy tarcia, szczegól-nie w miejscach występowania największych ob-ciążeń (rys. 5). Obecność cieczy smarowej pomię-dzy współpracującymi powierzchniami powinna wpłynąć na stabilizację warunków tarcia i zmniej-szenie zużycia.
Doświadczalna weryfikacja pracy węzła tarcio-wego endoprotezy stawu biodrotarcio-wego z warstwą porowatą w pełni potwierdziła przyjęte założenia.
Opory ruchu, rejestrowane podczas pomiaru były niskie jak na parę tarciową metal/metal – na po-czątku pomiaru współczynnik tarcia osiągnął war-tość 0,14, po czym ustabilizował się na poziomie ok. 0,10. Może to świadczyć, że podczas badania utrzymywał się film smarny pomiędzy współpracu-jącymi powierzchniami. Mierzono także zużycie panewki jako zmianę położenia punktów na po-wierzchni roboczej przed i po tarciu. Pomiary wy-konane po 50 godzinach badań wykazały, że mak-symalna różnica wyniosła ok. 0,2 mm. Wielkość ta praktycznie nie uległa zmianie po kolejnych 50 godzinach tarcia (rys. 6), co potwierdza, że warunki tarcia były stabilne w całym badanym zakresie czasowym. Zmiany geometrii panewki w pierwszej fazie badań mogły być spowodowane zarówno zużyciem, jak też odkształceniem plastycznego metalu na skutek przyłożonych obciążeń.
Rys. 6. Zmany geometrii powierzchni porowatej panewki po 100 godzinach badań tarciowych
Fig. 6. Changes in the geometry of the paris porous surface after 100 hours of testing friction
Rys. 4. Zmiany prędkości przepływu cieczy w porowatej war-stwie panewki podczas tarcia
Fig. 4. Speed changes of fluid flow in porous layer of the cup during the friction
Rys. 5. Zmiany ciśnienia cieczy w porowatej warstwie panew-ki podczas tarcia
Fig. 5. Changes in fluid pressure in porous layer of the cup during the friction
Małgorzata Grądzka-Dahlke
50 Scientific Journals 19(91)
Na zdjęciach mikroskopowych powierzchni ro-boczej panewki po tarciu widoczne są odkształce-nia plastyczne ziarn metalu oraz pojedyncze ślady zużycia (rys. 7). Brak wyraźnych oznak zużycia adhezyjnego i ściernego również jest potwierdze-niem smarującego oddziaływania płynu synowial-nego, co było założeniem pracy.
Rys. 7. Zdjęcia mikroskopowe porowatej powierzchni panewki przed i po tarciu, SEM, pow. 450
Fig. 7. Microscopic images of the paris porous surface before and after friction, SEM, zoom 450
Podsumowanie
W artykule przedstawiono wyniki analizy prze-pływu cieczy w porowatej warstwie panewki stawu biodrowego oraz wyniki badań tribologicznych prototypowej panewki, przeprowadzonych na sy-mulatorze tarcia. Analiza numeryczna wykazała, że przy przyjętych założeniach dotyczących warun-ków eksploatacji możliwa jest cyrkulacja cieczy smarowej w strukturze porowatej i pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Badania ekspe-rymentalne potwierdziły zasadność przyjętego roz-wiązania węzła tarciowego endoprotezy. Obecność
cieczy smarowej pozwoliła na zminimalizowanie oporów ruchu podczas tarcia (wartość współczyn-nika tarcia kształtowała się na poziomie 0,1) oraz na ograniczenie zużycia (całkowita zmiana wymia-rów panewki po 360 tysiącach cykli wyniosła ok. 0,2 mm).
Bibliografia
1. GIERZYŃSKA-DOLNA M.: Problemy tribologiczne w endo-protezoplastyce. Inżynieria biomateriałów, Nr 1, 1997. 2. HALL R.M., UNSWORTH A.: Friction in hip prostheses.
Biomaterials 18, 1997, 1017–1027.
3. Micro-structural alterations within different areas of articu-lating surfaces of a metal-on-metal hip resurfacing system. Wear 267, 2009, 689–694.
4. BURNY F., DONKERWOLCKE M., MUSTER D.: Biomaterials education: a challenge for medicine and industry in the late 1990s. Materials Science and Engineering A 199, 1995, 53–59.
5. KATTI K.: Biomaterials in total hip replacement. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 39, 2004, 133–142.
6. REINISCH G., JUDMANN K.P., LHOTKA CH., LINTNER F., ZWEYMUELLER K.A.: Retrieval study of uncemented metal-metal hip prostheses revised for early loosening. Biomate-rials 24, 2003, 1081–1091.
7. WIMMER M.A., LOSS J., NASSUTT R., HEITKEMPER M., FISCHER A.: The acting mechanisms on metal-on-metal hip joint bearings: in vitro results. Wear 250, 2001, 129–139. 8. GRĄDZKA-DAHLKE M., HOŚCIŁO B., DĄBROWSKI B.,
DĄBROWSKI J.R.: Fatigue characteristic of porous implant steel 316L under low-cycle compression. Biomaterials in regenerative medicine: Proceedings of the International Conference, Vienna, October 22–25, The Scientific Centre of the Polish Academy of Science in Vienna, Conference Proceedings and Monographs, Vol. 6, 2006, 121–126. 9. GRĄDZKA-DAHLKE M., DĄBROWSKI J.R., DĄBROWSKI B.:
Characteristic of the porous 316 stainless steel for the fric-tion element of prosthetic joint. Wear, Vol. 263, nr 7/12, 2007, 1023–1029.
10. GRĄDZKA-DAHLKE M.: Estimation of tribological proper-ties of an artificial hip join cup with a porous metallic in-sert. 8th World biomaterials congress, Amsterdam, May 28 – June 1, 2008, CD-ROM.
11. Norma ISO 14242-2:2000(E). Implants for surgery – Wear of Total hip joint prostheses – Part 2: Methods of mea-surements.
Praca finansowana w ramach projektu ba-dawczego PB nr W/WM/2/07. Autorka dziękuje mgr inż. Michałowi Sadowskiemu z Biura Konstrukcyj-nego MiCAD Łódź za udział w przeprowadzeniu analizy numerycznej.
Recenzent: dr hab. inż. Zbigniew Matuszak profesor Akademii Morskiej w Szczecinie
