Mgr inŜ. Justyna WENDLAND, dr inŜ. Hanna WIŚNIEWSKA-WEINERT, prof. dr hab. inŜ. Volf LESHCHYNSKY, mgr inŜ. Tomasz RYBAK
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Prof. dr hab. inŜ. Monika GIERZYŃSKA-DOLNA Politechnika Częstochowska, Częstochowa
Badania wstępne nowych rozwiązań
w zakresie biomateriałów stosowanych
na elementy trące endoprotez
Preliminary research on new solutions concerning
biomaterials used for endoprostheses’ friction elements
Streszczenie
W artykule przedstawiono problematykę związaną z endoprotezoplastyką stawu biodrowego. Przedmiotem za-prezentowanych badań jest opracowanie biomateriału, który mógłby zastąpić dotychczas stosowane w praktyce medycznej panewki z polietylenu o ultra wysokiej masie cząsteczkowej. Autorzy prowadzą badania oraz próby wytworzenia i modyfikacji powierzchni próbek spiekanych z proszku stali 316L. Praca zawiera wstępne wyniki badań struktury, twardości i gęstości oraz własności tribologicznych wytworzonych próbek z mieszanki prosz-kowej.
Abstract
In the paper issues concerning endoprosthesoplasty of hip joint are presented. The subject of introduced research is the elaboration of a biomaterial that could replace polyethylene cups with ultra high molecular weight used in medical practice so far. The authors made an attempt to manufacture and modify the surface of sintered specimens from 316L steel. The paper contains results of structure, hardness, thickness and tribological tests of the manufactured samples.
Słowa kluczowe: panewki porowate, badania struktury, własności tribologiczne
Key words: porous cups, structure examination, tribological properties
1. WSTĘP
Endoprotezoplastyka stawu biodrowego stała się w ostatnich dziesięcioleciach najczę-ściej wykonywaną procedurą ortopedyczną. Jest wykorzystywana w leczeniu zmian zwy-rodnieniowych pierwotnych, jak równieŜ wtór-nych tzn., wynikających z wcześniejszych za-burzeń mechaniki stawu na podłoŜu chorób wieku dziecięcego czy urazów narządu ruchu. Zwiększenie ilości wykonywanych endoprote-zoplastyk stawów związane jest równieŜ z po-stępującym starzeniem się populacji w Europie i Ameryce Północnej, poniewaŜ to właśnie u osób w wieku powyŜej 65 lat, odsetek
wystę-powania zmian zwyrodnieniowych jest naj-większy.
Stale rosnąca ilość wskazań do tego zabie-gu, a takŜe ilość ośrodków, w których wykonu-ję się tego typu operacje powoduje jednocze-śnie coraz częstsze występowanie powikłań pooperacyjnych. Pomimo postępów w kon-strukcji implantów i w technice operacyjnej, a takŜe w postępowaniu farmakologicznym, wraz ze wzrostem liczby wykonywanych za-biegów, liczba powikłań zwiększa się. Jednym z podstawowych problemów współczesnej im-plantologii stała się osteoliza okołoprotezowa i w konsekwencji obluzowanie elementów en-doprotezy. Stanowi to główną przeszkodę
w długoterminowej skuteczności endoprotezo-plastyki stawów [1].
Czynnikami, które wpływają na trwałość implantów są: konstrukcja endoprotezy, tech-nika mocowania do tkanki kostnej, dobór od-powiedniej endoprotezy dla konkretnego pa-cjenta, ilość i rodzaj powstających produktów zuŜycia, zastosowana para trąca, technika ope-racyjna oraz stan zdrowia chorego poddanego zabiegowi i inne.
Z inŜynierskiego punktu widzenia jednym z najistotniejszych problemów występujących przy implantacji endoprotez stawów jest: za-pewnienie niskich oporów tarcia w układzie ruchowym endoprotezy (układ „głowa-panewka”) oraz uzyskanie stosunkowo wyso-kiej trwałości endoprotez i ograniczenie do minimum ilości powstających produktów zu-Ŝycia [4].
Pomimo bardzo duŜego postępu prac, za-równo w zakresie konstrukcji endoprotez, jak teŜ stosowania coraz doskonalszych biomate-riałów, problem uzyskiwania wysokiej trwało-ści endoprotez oraz eliminowania ujemnych oddziaływań produktów zuŜycia na organizm ludzki nie został dotychczas pomyślnie rozwią-zany. Obiecującym kierunkiem badań moŜe być zastąpienie panewek jednolitych, wykony-wanych głównie z polietylenu, przez panewki „porowate”, o budowie zbliŜonej do naturalne-go biołoŜyska. Zarówno panewki polietyleno-
we, jak teŜ ceramiczne wkładki, stosowane w panewkach składanych endoprotez stawu biodrowego są „nieprzepuszczalne” dla płynu ustrojowego, podczas gdy naturalna panewka człowieka, stanowiąca element kości miednicy, ma budowę porowatą. Zastosowanie panewki porowatej poprawiłoby znacznie warunki sma-rowania i obniŜyło opory tarcia występujące w węźle ruchowym „głowa-panewka” endo-protezy [2, 3].
2. CEL BADAŃ
Celami badań właściwości trybologicz-nych materiałów panewek endoprotez były: 1) panewki z polietylenu o ultra wysokiej
masie cząsteczkowej (UHMWPE): a) wzrost trwałości uŜytkowej,
b) zmniejszenie ilości produktów zuŜycia, c) poprawa warunków smarowania i
obni-Ŝenie oporów tarcia, 2) panewki porowate:
a) obniŜenie modułu Young’a i tym sa-mym zmniejszenie sztywności układu „kość-implant”,
b) lepsze tłumienie drgań.
Badania związane z poprawą właściwości tribologicznych materiałów stosowanych na panewki endoprotez realizowane były zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 1.
Rys. 1. Schemat realizacji badań związanych z poprawą właściwości tribologicznych materiałów stosowanych na panewki endoprotez
Fig. 1. Scheme of carrying out tests on the improvement of tribological properties of materials used for endoprostheses cups
Materiał
porowaty struktury Badania
i własności me-chanicznych Optymalizacja własności Prototyp pa-newki stawu biodrowego
Testy na symulatorze do badań endoprotez stawu biodrowego
Test pierścień-blok Badania tri-bologiczne Materiał porowaty
Badania, które obejmowały opracowanie nowego biomateriału na panewki endoprotez stawu biodrowego przeprowadzono z zastoso-waniem:
a) próbek spiekanych, jako materiału porowa-tego oraz modyfikacja ich warstwy wierzchniej poprzez azotowanie lub chro-mowanie;
b) próbek z polietylenu (UHMWPE) wzmac-nianego włóknami metalowymi.
3. METODYKA BADAŃ
Przeprowadzone badania są badaniami wstępnymi poprzedzającymi testy na symulato-rze do badań endoprotez stawu biodrowego w układzie „główka-panewka”.
W ramach badań opracowano technologię prasowania i spiekania przeciwpróbek porowa-tych w kształcie półpanewki przedstawionej na rys. 2. Próbki te poddano takŜe modyfikacji poprzez: a) azotowanie jonowe, b) chromowa-nie galwaniczne. Tak przygotowane próbki wypolerowano do chropowatości Ra 0,16µm. Wytworzone próbki poddano obserwacjom mikrostruktury, mikrotwardości, badaniom gęstości oraz testom tribologicznym.
Rys. 2. Przeciwpróbka typu blok z promieniem Fig. 2. Counter-specimen type block with radius
Równolegle prowadzono badania techno-logii wytwarzania elementów endoprotez z UHMWPE wzmacnianych włóknami meta-lowymi. Jest to nowa metoda wytwarzania ma-teriałów kompozytowych, wymagająca rozwią-zania wielu problemów technologicznych. No-wa metoda będzie opatentoNo-wana. Przewiduje
się, Ŝe uzyskany nową metodą biomateriał znajdzie zastosowanie zarówno na panewki endoprotez stawu biodrowego, łokciowego, a takŜe wkładki ślizgowe endoprotez stawu kolanowego.
Prowadzone badania obejmują równieŜ optymalizację struktury i właściwości mecha-nicznych trzpieni endoprotez. Badania wyko-nuje prof. Volf Leshchynsky z Uniwersytetu w Cambridge w Kanadzie, który zajmuje się gazodynamicznym nakładaniem na zimno po-włok hydroksyapatytu na elementy odlewane ze stopów tytanu oraz badaniami własności mechanicznych i adhezyjnych wytworzonych w ten sposób powłok.
4. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE
I STRUKTURA POROWATYCH
PRZECIWPRÓBEK
Z mieszanki proszkowej na bazie proszku stali nierdzewnej 316L wykonano bloki. Zba-dano ich gęstość wg normy PN-EN ISO 2738 „Spiekane materiały metaliczne z wyjątkiem węglików spiekanych – Przepuszczalne spie-kane materiały metaliczne – Oznaczenie gęsto-ści, zawartości oleju i porowatości otwartej“.
Metoda pomiaru polegała na wyznaczeniu masy wyrobu oraz objętości z pozornej straty masy przy zanurzeniu w wodzie na wadze la-boratoryjnej o dokładności pomiarowej 0,0005 g. Zmierzona średnia gęstość wyniosła 7,658 g/cm3. Na podstawie tych pomiarów określono średnią porowatość bloków, która wyniosła 15,3%.
Próbki poddano obserwacjom na mikro-skopie optycznym oraz skaningowym. Mikro-strukturę próbek prasowanych i spiekanych z mieszanki proszkowej na bazie stali 316L przedstawiono na rys. 3, a próbek azotowanych na rys. 4. Rysunek 5 przedstawia mikrostruk-turę próbek chromowanych.
Warstwa wierzchnia próbek po azotowaniu (rys. 4) zachowuje swoją porowatość, co jest korzystne, natomiast warstwa chromowana (rys. 5) ma strukturę zwartą.
a)
b)
Rys. 3. Mikrostruktura i porowatość bloku z mieszanki na bazie proszku stali 316L
a) mikrostruktura próbki prasowanej i spiekanej; b) nietrawio-ny blok z zaznaczonietrawio-nymi pomiarami porowatości
Fig. 3. Image of a porous block made of compound based on 316L steel powder
a) microstructure of pressed and sintered sample; b) image of an non-etched block with marked porosity sizes
Rys. 4. Mikrostruktura porowatego bloku po procesie azotowania jonowego z zaznaczoną grubością warstwy
azotowanej
Fig. 4. Image of a porous block subjected to ion nitriding process with marked thickness of the nitrided layer
Rys. 5. Mikrostruktura porowatego bloku po procesie chromowania galwanicznego z zaznaczoną grubością
warstwy chromowanej
Fig. 5. Image of a porous block subjected to chromium electroplating process with marked thickness
of the electroplated layer
Pomiary mikrotwardości wykonano przy obciąŜeniu 0,01g na twardościomierzu MICROMET2104 firmy Buchner. Dla bloków prasowanych i spiekanych twardość mieści się w zakresie od 43 do 175 HV0,01, dla warstwy azotowanej 772 do 1103 HV0,01 i dla warstwy chromowanej 660 do 839 HV0,01. Otrzymane wyniki przedstawiono na rysunkach 6, 7 i 8.
Rys. 6. Nietrawiony blok po prasowaniu i spiekaniu z zaznaczonymi pomiarami mikrotwardości Fig. 6. Image of an non-etched powder block with
Rys. 7. Warstwa azotowana na bloku proszkowym z zaznaczonymi odciskami mikrotwardości Fig. 7. Image of a nitrided layer on a powder block
with marked microhardness indentations
Rys. 8. Warstwa chromowana na bloku proszkowym z zaznaczonymi odciskami mikrotwardości Fig. 8. Image of an electroplated layer on powder block
with marked microhardness indentations
5. WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNE
Przeciwpróbki w kształcie półpanewek spiekanych ze stali 316L poddano badaniom tribologicznym na testerze T05 typu pierścień-blok, gdzie próbką był pierścień ze stopu CoCrMo. W przyszłości taka para trąca będzie badana na specjalnym budowanym w Instytu-cie stanowisku badawczym (symulatorze), przeznaczonym do badania elementów trących endoprotez stawu biodrowego w układzie główka-panewka.
Parametry przeprowadzonych badań na testerze T05 były następujące: obciąŜenie P = 250 N, 400 N, 600 N; prędkość v = 60
obr/min; smarowanie - wodą destylowaną. Część badań wykonywano takŜe bez smarowa-nia. Droga tarcia wynosiła s = 500 m lub 10 000 m .W czasie badań mierzono i rejestro-wano siłę tarcia, którą przeliczano na współ-czynnik tarcia, oraz mierzono temperaturę w węźle tarcia. Na rysunkach 9÷12 przedsta-wiono wybrane wyniki badań tribologicznych w postaci wykresów zaleŜności współczynnika tarcia w funkcji drogi tarcia.
0 100 200 300 400 500 600 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 w sp ół cz yn ni k ta rc ia droga tarcia [m] UHMWPE na sucho
Rys. 9. Współczynnik tarcia w funkcji drogi tarcia dla pary trącej CoCrMo/UHMWPE bez smarowania
i ze smarowaniem
Fig. 9. Friction coefficient in function of friction route for friction couple CoCrMo/UHMWPE without
and with lubrication
0 100 200 300 400 500 600 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 w s p ó łc z y n n ik t a rc ia droga tarcia [m] 316L z woda destylowana 316L na sucho
Rys. 10. Współczynnik tarcia w funkcji drogi tarcia dla pary trącej CoCrMo/316L bez smarowania
i ze smarowaniem
Fig. 10. Friction coefficient in function of friction route for friction couple CoCrMo/316L without
and with lubrication
1 – UHMWPE z wodą destylowaną 2 – UHMWPE na sucho 2 1 1 – 316L z wodą destylowaną 2 – 316L na sucho 1 2
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 316L azotowana w s p ó lc z y n n ik t a rc ia droga tarcia [m]
Rys. 11. Współczynnik tarcia w funkcji drogi tarcia dla pary trącej CoCrMo/316L azotowanej: smarowanie
wodą destylowaną
Fig. 11. Friction coefficient in function of friction route for friction couple CoCrMo/316L nitrided: lubrication
with distilled water
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 316L chromowana w s p ó lc z y n n ik t a rc ia droga tarcia [m]
Rys. 12. Współczynnik tarcia w funkcji drogi tarcia dla pary trącej CoCrMo/316L chromowanej, smarowanie
wodą destylowaną
Fig. 12. Friction coefficient in function of friction route for friction couple CoCrMo/316L electroplated,
lubrication with distilled water
Z przedstawionych wykresów wynika, Ŝe zastosowane dotychczas materiały, pod wzglę-dem współczynnika tarcia, nie dorównują obecnie stosowanemu materiałowi, którym jest polietylen o ultra wysokiej masie cząsteczko-wej. Jest to jednak dopiero pewien wycinek wstępnych badań. Obiecujące rezultaty dają prace nad opracowaniem materiału metalowo-polietylenowego, który będzie przedmiotem patentu, dlatego wyniki tych prac nie są obec-nie prezentowane.
Równocześnie w Instytucie prowadzone są prace związane z przygotowaniem stanowiska do badań panewek endoprotez stawu biodro-wego, które pozwoli na przeprowadzenie sy-mulacji przebiegu procesu zuŜycia pary trącej: główka-panewka stawu biodrowego. Zastoso-wane rozwiązania konstrukcyjne oraz automa-tyczne sterowanie pozwalają na realizację pro-cesu tarcia niemal w identycznych warunkach jak w ciele ludzkim. Przebiegi wymuszenia nacisku główki na panewkę, kąt obrotu panew-ki względem główpanew-ki oraz geometria całego układu odzwierciedlają rzeczywiste warunki działania endoprotezy. Jako elementy napędo-we zastosowano serwonapędy zapewniające wysoką dokładność przesuwu główki oraz kąta obrotu panewki. Przebieg funkcji nacisku główki realizowany jest poprzez zastosowanie układu krzywkowego, przy czym pełną kontro-lę nacisku zapewnia siłomierz sprzęŜony zwrotnie z serwonapędem. Układ taki pozwala na programowanie określonej charakterystyki przebiegu zmiennej siły w okresie 1 sekundy i automatyczną kompensację powstałych luzów w wyniku zuŜycia pary trącej przy kaŜdym kolejnym cyklu. Specjalne oprogramowanie pozwala na ustalenie dowolnych przebiegów odpowiadających róŜnym charakterystykom poruszania człowieka: chodu, szybkiego chodu, biegu oraz dowolnej masy człowieka do 150 kg. Obrót panewki względem główki jest reali-zowany przy uŜyciu serwonapędu a wartości kątowe w zakresie od 0 do ±40° nastawiane są przez zmianę parametrów w specjalnym opro-gramowaniu na stanowisku komputerowym. Dane dotyczące zmian momentu tarcia pod wpływem obciąŜenia mierzone są przez mo-mentomierz zainstalowany pomiędzy osią ob-rotu panewki oraz osią serwonapędu.
Oprócz badań zuŜyciowych podczas pracy symulatora w komputerze gromadzone są na-stępujące dane: przebieg funkcji nacisku głów-ki na panewkę, przebieg zmiany momentu tarcia pary trącej, zmiana temperatury pary trącej w czasie trwania procesu. Na podstawie zebranych wyników dokonuje się obliczeń siły tarcia w kaŜdym momencie przebiegu procesu oraz współczynnika tarcia w zaleŜności od cza-su procecza-su symulacji.
Na rys. 13 pokazano część roboczą symu-latora, a na rys. 14 przedstawiono panewkę z materiału porowatego.
6. PODSUMOWANIE
Wzrost zapotrzebowania na róŜnego ro-dzaju implanty, a zwłaszcza na endoprotezy stawów: biodrowego i kolanowego, generuje potrzebę intensyfikacji badań nad poszukiwa-niem nowych biomateriałów. Jedną z grup biomateriałów są materiały porowate uzyski-wane przy zastosowaniu technologii prasowa-nia i spiekaprasowa-nia proszków. Zastosowanie tych materiałów na elementy trące wymaga jednak dopracowania metod modyfikacji warstwy wierzchniej poprzez obróbkę powierzchniowa co między innymi stanowi przedmiot dalszych badań prowadzonych w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu.
Prace wykonano w ramach realizacji projektu badawczego zamawianego PBZ-KBN114/T08/ 2004 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyŜszego - Zadanie II.3.2 Opty-malizacja właściwości tribologicznych i nano-strukturalnych warstw wierzchnich wykona-nych z nanofazowych materiałów proszkowych dla części konstrukcyjnych pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych, w tym części przeznaczonych na implanty.
LITERATURA
[1] Markuszewski J., Woźniak W.: Przegląd endopro-tez stawu biodrowego, 2007, praca niepublikowana. [2] Krzemiński K.: Model matematyczny stawu
bio-drowego z panewką porowatą. Mechanika w Me-dycynie 2006 Nr 8 s. 119-127.
[3] Krzemiński K., Rudniak L.: Analiza porównawcza parametrów pracy stawu biodrowego człowieka z panewką porowatą oraz nieprzepuszczalną, Tribo-logia 2005 Nr 1 s. 89-105.
[4] Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia. Wyd. Polit. Częstochowska, 2002.
Rys. 14. Panewka z materiału porowatego Rys. 13. Stanowisko badawcze (symulator) do badań
tarciowo-zuŜyciowych endoprotez
Rys. 13. Stanowisko badawcze (symulator) do badań tarciowo-zuŜyciowych endoprotez
Fig. 13. Test stand (simulator) for friction-wear tests of endoprostheses
Rys. 14. Panewka z materiału porowatego Fig. 14. Cup made of porous material
