Widok Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów

Prof. dr hab. inŜ. Monika GIERZYŃSKA-DOLNA, dr inŜ. Marcin LIJEWSKI

Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: marcin.lijewski@inop.poznan.pl

Badania tribologicznych właściwości

biomateriałów i implantów

Tests of tribological properties of biomaterials

and implants

Streszczenie

W artykule zwrócono uwagę na waŜną rolę badań tribologicznych w ocenie jakości biomateriałów i implantów. Podano wyniki badań tribologicznych implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa, prowadzone na specjal-nym symulatorze. Wyznaczono wpływ obciąŜenia i rodzaju materiałów na współczynnik tarcia i zuŜycia. Bada-nia prowadzono dla par trących typu „metal – polietylen”. Obejmy metalowe implantów wykonano ze stopów 316L, CoCrMo, Ti6Al4V. Elementy pośrednie (jądro miaŜdŜyste) wykonano z UHMWPE. Wskazano na waŜną rolę produktów zuŜycia w procesie uŜytkowania implantów.

Abstract

In this article, the important role of tribological tests in the evaluation of the quality of biomaterials and im-plants was emphasised. The results of tribological tests of intervertebral disk spinal imim-plants, conducted on a special simulator, were presented. The influence of load and material types on friction and wear coefficients was determined. Tests were conducted for “metal – polyethylene” type friction pairs. The metal clamping rings of implants were made from 316L, CoCrMo, Ti6Al4V alloys. Intermediary elements (nucleus pulposus) were made from UHMWPE. The important role of wear products during the process of implant exploitation was indi-cated.

Słowa kluczowe: biomateriały, implanty, badania tribologiczne, symulator do badań implantów Keywords: biomaterials, implants, tribological tests, implant testing simulator

1. WSTĘP

WydłuŜający się czas Ŝycia człowieka, wynikający głównie z umiejętności korzystania z wielu urządzeń technicznych jak teŜ postępu w diagnozowaniu i leczeniu chorób, generuje wzrost zapotrzebowania na róŜnego rodzaju implanty. MoŜna tu wymienić takie dziedziny medycyny jak: ortopedia, traumatologia, sto-matologia, kardiochirurgia, laryngologia, oku-listyka itd. Stosowanie róŜnego rodzaju im-plantów czyli tzw. „organów zastępczych” ta-kich jak: endoprotezy stawów, steny wieńcowe uŜywane powszechnie w kardiochirurgii czy teŜ implanty kręgosłupa, stało się wyzwaniem współczesnej cywilizacji.

1. INTRODUCTION

The lengthening time of human life, mainly due to the capability of using many technical devices as well as due to advances in diagno-sing and treating diseases, has generated an increase in demand for various types of im-plants. Certain branches of medicine are re-lated to this, such as: orthopedics, traumato-logy, stomatotraumato-logy, heart surgery, laryngotraumato-logy, ophthalmology, etc. Utilization of various types of implants, so-called “substitute organs" such as: articular endoprostheses, coronary stents used widely in heart surgery, or spinal im-plants have become a challenge for modern civilization.

Aby implant spełniał właściwie swoją funkcję musi posiadać odpowiednią konstruk-cję oraz musi być wykonany z odpowiedniego biomateriału. Stąd teŜ niezaleŜnie od postępu prac w zakresie konstrukcji implantów, prowa-dzone są intensywne badania nad doskonale-niem składu chemicznego i właściwości bioma-teriałów.

W definicji własności biomateriałów, po-dawanych przez odpowiednie normy (ISO, ASTM) oraz autorów wielu prac np. Weismana czy teŜ J. Marciniaka [1] wymieniane są takie cechy jak:

• dobra jakość metalurgiczna i jednorodność struktury,

• dobra odporność na korozję,

• odpowiednie właściwości mechaniczne, • nietoksyczność,

• brak tendencji do tworzenia zakrzepów, • odporność na ścieranie,

• odpowiednie własności elektryczne, • niski koszt wytwarzania.

W grupie biomateriałów metalowych sto-sowanych na implanty badania koncentrują się ostatnio na poszukiwaniu materiałów o niskim module Younga zbliŜonym do modułu spręŜy-stości kości i małym cięŜarze właściwym. Takim materiałem jest tytan i jego stopy a zwłaszcza stopy tytanu nowej generacji z dodatkiem niobu i tantalu. Na rysunku 1 podano przykładowo moduły Younga dla kilku typowych biomateriałów oraz wskaźnik W = Em/Ek.

For an implant to correctly serve its func-tion, it must be built appropriately and must be made from the appropriate biomaterial. Thus, independently of advances in implant design, intensive studies on perfecting the chemical composition and properties of biomaterials are being conducted.

The definition of biomaterials properties, given by the appropriate standards (ISO, ASTM) as well as by authors of many works e.g. Weisman or J. Marciniak [1], lists such properties as:

• good metallurgical quality and uniformity

of structure,

• good resistance to corrosion, • appropriate mechanical properties, • non-toxicity,

• no tendency for formation of clots, • resistance to abrasion,

• appropriate electrical properties, • low production cost.

Studies on metal biomaterials used for implants have recently been focused on sear-ching for materials with a low Young’s modulus near the elasticity modulus of bone and with a low specific gravity. Titanium and its alloys are such materials, particularly titanium alloys of the new generation with the addition of niobium and tantalum. Figure 1 presents exemplary Young moduli for several typical biomaterials as well as the W = Em/Ek

index.

Rys. 1. Moduły spręŜystości materiałów stosowanych na endoprotezy Fig. 1. Elasticity moduli of materials used for endoprostheses

Istotną własnością biomateriałów metalo-wych jest takŜe odporność na zuŜycie oraz wy-trzymałość zmęczeniowa. Własności te decy-dują nie tylko i trwałości implantu (okresie uŜytkowania w organizmie człowieka) ale tak-Ŝe o wielu negatywnych procesach, które mogą być spowodowane produktami zuŜycia. Stąd teŜ od wielu lat duŜo uwagi poświęca się bada-niom tribologicznym zarówno biomateriałów jak teŜ implantów [2–5].

2. RODZAJE IMPLANTÓW W KTÓ-RYCH WYSTĘPUJĄ PROCESY TAR-CIA I ZUśYTAR-CIA

Do grupy implantów stosowanych w ukła-dzie kostno-szkieletowym człowieka, w któ-rych istotną rolę odgrywają procesy tribolo-giczne naleŜą:

• endoprotezy stawu biodrowego a zwłaszcza układ ruchowy „głowa – panewka”,

• endoprotezy stawu kolanowego: układ płoza – wkładka polietylenowa,

• endoprotezy stawów: barkowego, łokciowe-go, skokowełokciowe-go,

• implanty krąŜka międzykręgowego kręgo-słupa,

• implanty zębowe.

W grupie elementów naraŜonych na intensyw-ne zuŜycie wymienić naleŜy takŜe instrumenta-rium chirurgiczne.

Elementy trące występujące w implantach pracują w specyficznych warunkach róŜnią-cych się zasadniczo od warunków pracy wę-złów trących maszyn. Do specyficznych wa-runków charakteryzujących „węzły trące” wy-stępujące w układach ruchowych implantów takich jak np: endoprotezy stawów moŜna zali-czyć:

• brak substancji smarującej, • mała prędkość ruchu,

• stosunkowo duŜe obciąŜenie,

• cykliczne działanie obciąŜenie, powodujące zuŜycie „cierno-zmęczeniowe”,

• złoŜony rodzaj ruchu (np. implantów kręgo-słupa).

A significant property of metal biomaterials is their resistance to wear and fatigue strength. These properties not only determine the life of the implant (period of use in the human or-ganism) but also determine many negative processes that may be caused by wear pro-ducts. Thus, for many years, much attention has been devoted to tribological tests of

bio-materials as well as implants [2–5].

2. TYPES OF IMPLANTS EXHIBITING FRICTION AND WEAR PROCESSES

The group of implants used in the human musculoskeletal system, in which tribological processes play an important role, includes:

• hip joint prostheses, especially the “head-

-acetabulum” locomotor system,

• knee joint endoprostheses: runners -

poly-ethylene insert,

• articular endoprostheses: shoulder, elbow,

ankle,

• spinal inter-vertebral disk implants, • dental implants.

Surgical instruments are also among the group of elements exposed to intensive wear.

Friction elements in implants work in spe-cific conditions that substantially differ from the work conditions of friction pairs in ma-chines. The specific conditions characterizing “friction pairs” in moving implant systems, such as e.g. articular endoprostheses, include:

• a lack of lubricant, • low movement speed, • relatively large load,

• cyclic load action, causing “abrasive-

-fatigue” wear,

• complex movement type (e.g. spinal

Pomimo duŜego postępu prac dotyczących doboru materiałów na węzły ruchowe endopro-tez dotychczas nie udało się uzyskać w stoso-wanych rozwiązaniach konstrukcyjno-materia-łowych tak niskich oporów tarcia, jakie wystę-pują w naturalnych stawach człowieka. Współ-czynnik tarcia w stawie biodrowym zdrowego człowieka wynosi µ = 0,001÷0,003 [6]. Tak niskie opory tarcia zapewnia obecność mazi stawowej oraz budowa kości stawowych, które pokryte są chrząstką stawową o specyficznych właściwościach. Współczynnik tarcia występu-jący w endoprotezach stawu biodrowego za-warty jest w granicach µ = 0,1÷0,2 [3, 4, 5, 7, 8], a więc jest wielokrotnie wyŜszy od współczynnika tarcia naturalnych biołoŜysk. Stąd teŜ w dalszym ciągu prowadzone są prace nad poszukiwaniem optymalnych biomateria-łów na elementy trące implantów.

Układ ruchowy „głowa–panewka” stanowi podstawowy element, rzutujący na trwałość endoprotez stawu biodrowego. Dlatego teŜ na tym węźle tarcia koncentrują się prace doty-czące endoprotez stawu biodrowego. Jednocze-śnie rosnące z kaŜdym rokiem zapotrzebowanie na ten typ implantów, inspiruje ośrodki nau-kowo-badawcze i producentów do ciągłego doskonalenia ich jakości, a zwłaszcza:

• wydłuŜenia czasu bezpiecznego uŜytkowa-nia w organizmie człowieka poprzez zwięk-szenie ich trwałości,

• minimalizowanie oporów tarcia w węźle ruchowym „głowa–panewka”,

• ograniczenie do minimum ilości produktów zuŜycia,

• poprawienie funkcjonalności endoprotez, poprzez obniŜenie sztywności układu „trzpień–głowa–panewka”,

• doskonalenie sposobu mocowania trzpieni endoprotez.

JeŜeli chodzi o endoprotezy stawu biodro-wego to w okresie ostatnich 60 lat nastąpił wy-raźny postęp zarówno w zakresie rozwiązań konstrukcyjnych układu ruchowego „głowa– panewka”, jak teŜ doboru materiałów na ele-menty trące (rys. 2).

Despite the large advancement of work pertaining to the selection of materials for the joints of endoprostheses, it has not been possible to obtain such low friction resistance in utilized designs as is present in natural hu-man joints. The friction coefficient in the hip joint of a healthy human is equal to

µ

÷

resis-tance is ensures by the presence of synovial fluid as well as by the shape of articular bones, covered by articular cartilage with specific properties. The friction coefficient in endopros-theses of the hip joint is within the range of

µ

÷

The “head–acetabulum” locomotor system constitutes the primary element that projects onto the life of hip joint endoprostheses. That is why work pertaining to hip joint endopros-theses is concentrated on this friction pair. At the same time, demand for this type of im-plants increases with each year, inspiring re-search and development centers and manufac-turers to constantly perfect the quality of im-plants, and in particular, to:

• increase their time of safe use in the human

organism by increasing their durability,

• minimize friction resistance in the "head– –acetabulum” friction pair,

• limit the amount of wear products to a

mi-nimum,

• improve the function of endoprostheses

by lowering the rigidity of the “stem–head– acetabulum" system,

• perfect the method of affixing

endoprosthe-ses stems.

Significant advances in “head–acetabu-lum” design solutions of hip joint prostheses as well as in the selection of materials for fric-tion elements took place within the period of the last 60 years (fig. 2).

Rys. 2. Klasyfikacja implantów stawu biodrowego w ostatnich latach: a) endoproteza ceramiczna, b) kapoplastyka, c) endoproteza całkowita [8]

Fig. 2. Classification of hip implants in recent years: a) ceramic prosthesis, b) hip resurfacing, c) total hip [8]

Typowe panewki polietylenowe wprowadzone przez Charnley’a w latach 60-tych jako ele-menty pozwalające na uzyskanie niskich opo-rów tarcia, w kolejnych latach były zastępowa-ne przez nowe materiały. Nowe rozwiązania to: panewka i głowa ceramiczna (Al2O3) lub teŜ

panewki metalowe wykonane ze stopu CoCr-Mo. Zatem parę trącą typu „metal–polietylen” zastąpiono kolejno przez parę trącą typu „ce-ramika–ceramika” i w ostatnich latach wpro-wadzany układ „metal–metal”. Na rysunku 2 pokazano schemat ilustrujący ewolucję w roz-wiązaniach „głowa–panewka” endoprotez sta-wu biodrowego.

Zastępowanie panewek polietylenowych cechujących się dobrymi właściwościami śli-zgowymi, ale małą odpornością na zuŜycie, przez głowy i panewki ceramiczne czy teŜ me-talowe miało na celu głównie zmniejszenie ilości produktów zuŜycia. Rozwiązanie to po-woduje jednak znaczne zwiększenie sztywno-ści układu zwłaszcza przy zastosowaniu głowy i panewki ceramicznej.

NiezaleŜnie od wprowadzenia panewek ceramicznych czy teŜ metalowych, prowadzone są w dalszym etapie prace nad poprawieniem jakości panewek polietylenowych a zwłaszcza nad zwiększeniem odporności na zuŜycie poli-etylenu. Nowe endoprotezy stawu biodrowego i kolanowego oferowane miedzy innymi przez firmę Biomet posiadają elementy ślizgowe wy-konane z polietylenu o podwyŜszonej odporno-ści na zuŜycie o nazwie E–poly z witaminą E.

Typical polyethylene acetabuli introduced by Charnlej in the 60’s as elements allowing for low friction resistance were replaced with new materials in the following years. These new solutions were: a ceramic acetabulum and

head (Al2O3) or metal acetabuli made from

CoCrMo alloy. And so, the "metal

–polye-thylene" friction pair was replaced by a "ce-ramic–ceramic" type friction pair, and in

re-cent years, the "metal–metal” pair was imple-mented. Figure 2 illustrates the evolution of "head–acetabulum" solutions for hip joint

prostheses.

The replacement of polyethylene acetabuli, with good sliding properties but low resistance to wear, with ceramic or metal heads and acetabuli had the main purpose of decreasing wear products. However, this solution causes a significant increase in the rigidity of the sys-tem, especially when a ceramic head and acetabulum are used.

Independently of the introduction of ce-ramic or metal acetabuli, further work is being performed to improve the quality of polyethy-lene acetabuli, and especially, to increase the wear resistance of polyethylene. New hip and knee joint endoprostheses offered by the Biomet company, among others, have sli-ding elements made from polyethylene with

heightened wear resistance, called E–poly with

Znacznie trudniej jest modyfikować węzeł trący w endoprotezach stawu kolanowego. Jak-kolwiek nastąpił duŜy postęp jeśli chodzi o rozwiązania konstrukcyjne endoprotez stawu kolanowego, to jednak dotychczas nie udało się zastosować nowych biomateriałów na elementy ślizgowe. Próby zastąpienia polietylenu przez wkładki ceramiczne czy teŜ metalowe nie dały pozytywnych rezultatów.

Kolejną waŜną grupę implantów stanowią implanty krąŜka międzykręgowego kręgosłupa. Wzrastająca ilość osób ze schorzeniami kręgo-słupa inspiruje firmy do poszukiwania opty-malnych rozwiązań konstrukcyjnych i materia-łowych. Istnieje wiele typów implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa, które moŜna podzielić (sklasyfikować) wg róŜnych kryte-riów, co ilustruje rysunek 3.

Do najczęściej stosowanych implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa naleŜą takie rozwiązania jak: Charite II, Charite III, rozwiązanie konstrukcyjne firmy PRODISC - SYNTES, czy teŜ implanty w pełni metaliczne typu MAVERICK [9, 10].

It is much more difficult to modify the fric-tion pair in knee joint endoprostheses. Inas-much as significant advances have been made in the design solution of knee joint endopros-theses, it has not been possible to apply new biomaterials for sliding elements. Attempts of replacing polyethylene with ceramic or metal inserts have not given positive results.

Another important group of implants is comprised of spinal implants of the interverte-bral disk. The increasing amount of persons with spinal afflictions inspires companies to search for optimal design and material solu-tions. There are many types of spinal implants of intervertebral disks that may be classified according to various criteria, as illustrated by figure 3.

The most often used spinal implants of intervertebral disks are such solutions as: Charite II, Charite III, the design solution of the PRODISC company - SYNTES, or fully metallic implants such as MAVERICK [9, 10].

Kryterium klasyfikacji / Classification criterion

Według cech konstrukcyjnych According to design qualities Według rodzaju materiału pary trącej According to friction pair materials Przykładowe nazwy firmowe implantów Exemplary brand names of implants

Rys. 3. Propozycja podziału implantów krąŜka miedzykręgowego kręgosłupa Fig. 3. Proposal for classification of spinal implants of intervertebral disks

dwuelementowe two-element trójelementowe three-element wieloelementowe poly-element

CoCrMo - CoCrMo CoCrMo - UHMWPE -

CoCrMo CoCrMo – CoCrMo - UHMWPE Me - Me _{Me – PE – Me Me – Me – PE – Me} Maverick Prestige Charite II i III Prodisc Mobidisc Mobi – L

W większości stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych implant składa się z dwóch części metalowych (obejmy górnej i dolnej) oraz polietylenowej wkładki, spełniającej rolę jądra miaŜdŜystego, czyli elementu niskotar-ciowego (ślizgowego). Nowe rozwiązania to implanty dwuczęściowe (bez wkładki poliety-lenowej) wykonane ze stopu CoCrMo.

Z uwagi na materiały pary trącej moŜna tu wyróŜnić następujące zestawy materiałów:

• metal – polietylen – metal (implant 3

czę-ściowy),

• metal – metal (implanty dwuczęściowe).

3. CEL BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH BIOMATERIAŁÓW I IMPLANTÓW. RODZAJE STANOWISK BADAW-CZYCH

Stanowiska stosowane do badań tribolo-gicznych moŜna podzielić na dwie grupy: • stanowiska do badań tarciowo-zuŜyciowych

biomateriałów,

• stanowiska (symulatory) do badań tarciowo--zuŜyciowych implantów.

Istnieje stosunkowo niewiele publikacji dotyczących badań tribologicznych biomateria-łów. Badania te są zwykle prowadzone na ty-powych, znormalizowanych stanowiskach typu „pin on disc” (układ trzpień – tarcza) i mogą być stosowane do wstępnych badań porów-nawczych materiałów. Stanowiska te nie mode-lują ani warunków obciąŜenia ani teŜ złoŜonej kinematyki ruchu implantów (np. endoprotez stawów).

Istotne znaczenie dla celów poznawczych mają badania tribologiczne prowadzone na róŜnego rodzaju symulatorach. Symulatory są przystosowane do badań określonego rodzaju implantu i modelują zarówno określoną kine-matykę ruchu jak teŜ rodzaj obciąŜenia.

Głównymi celami badań tribologicznych implantów, prowadzonych na symulatorach jest:

• wyznaczenie oporów tarcia występujących w badanym węźle ruchowym implantu, dla róŜnych skojarzeń materiałowych,

In most applied design solutions, the im-plant consists of two metal parts (upper and lower rings) and a polyethylene insert, ful-filling the role of the nucleus pulposus, the low friction elements (sliding element). Among new solutions are two-part implants (without the polyethylene insert) made from CoCrMo alloy.

In terms of the materials of the friction pair, the following material sets can be distin-guished:

• metal – polyethylene – metal (3 part

im-plant),

• metal - metal (2 part implants).

3. PURPOSE OF TRIBOLOGICAL TESTS OF BIOMATERIALS AND IMPLANTS. TYPES OF TESTING STATIONS

The stations used for tribological tests can be divided into two groups:

• stations for friction and wear tests of

bioma-terials,

• stations (simulators) for friction and wear

tests of implants.

There is a relatively low amount of publi-cations regarding tribological studies of bio-materials. These studies are usually conducted on typical, standardized stations of “pin on disk” type and may be used for initial com-parative material tests. These stations do not model the load conditions or the complex kinematics of implant movement (e.g. articular endoprostheses).

Tribological tests conducted on various types of simulators have a great significance for cognitive goals. Simulators are adapted for testing a specific type of implant and model specific kinematics of movement as well as the type of load.

The main goals of tribological tests of im-plants conducted on simulators are:

• determining friction resistance in the

stu-died friction pair of the implant for various material pairs,

• wyznaczenie intensywności zuŜycia bada-nych elementów pary trącej (np. głowy i pa-newki),

• zbieranie i badanie powstających produktów zuŜycia (ich ilości, wymiarów, składu che-micznego),

• badanie innych procesów destrukcyjnych takich jak: biokorozja, zmęczenie materia-łów, ilość wydzielających się jonów metali mających wpływ na „metalozę”, itp.,

• moŜliwość oszacowania trwałości implantu. Główną zaletą badań na symulatorach jest to, Ŝe są one prowadzone na prototypach rze-czywistych implantów (np. endoprotezach sta-wu, implantach kręgosłupa itd.) przed ich wprowadzeniem do praktyki medycznej.

Wyniki tych badań dostarczają wielu cen-nych informacji zarówno dla konstruktorów jak i dla lekarzy.

W Instytucie Obróbki Plastycznej w Po-znaniu zaprojektowano i wykonano kilka sy-mulatorów do badań tribologicznych implan-tów. Są to:

• symulatory do badań endoprotez stawu bio-drowego wykonane w dwóch wersjach mo-cowania endoprotez,

• symulator do badań endoprotez stawu kola-nowego,

• symulatory do badań implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa.

a)

• determining the intensiveness of wear

of friction pair elements (e.g. head and acetabulum),

• collecting and studying the formed wear

products (their amount, dimensions, chemi-cal composition),

• study of other destructive processes, such

as: bio-corrosion, material fatigue,

the amount of metal ions emitted that have an influence on “metalosis”, etc.,

• evaluating implant durability.

The main advantage of simulator tests is that they are conducted on prototypes of real implants (e.g. articular endoprostheses, spinal implants, etc.) before their implementation in medical practice.

The results of these tests supply much valuable information for designers as well as doctors.

Several simulators for implant tribological tests were designed and made at the Metal Forming Institute in Poznan. These are:

• simulators for testing hip joint prostheses

made with two versions for fastening endo-prostheses,

• a simulator for testing knee joint

endopros-theses,

• simulators for testing spinal implants of

the intervertebral disk.

b)

Rys. 4. Symulatory znajdujące się w INOP: a) symulator implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa,

b) symulator endoprotez stawu biodrowego Fig. 4. Simulators located in the INOP: a) simulator spinal disc implants, b) hip endoprosthesis simulator

KaŜdy z tych symulatorów posiada układ automatycznej rejestracji badanych parame-trów. Widok symulatora do badań implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa pokazano na rysunku 4a, a natomiast na rysunku 4b po-kazano symulator do badań endoprotez stawu biodrowego.

4. BADANIA TARCIOWO-ZUśYCIOWE IMPLANTÓW KRĄśKA MIĘDZY-KRĘGOWEGO KRĘGOSŁUPA. MA-TERIAŁ I METODY BADAŃ

Badaniom tribologicznym endoprotez sta-wu biodrowego poświęcono wiele prac w tym równieŜ prac realizowanych w INOP.

W ostatnim okresie w INOP realizowane są obszerne badania tribologiczne implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa oraz prowadzone są prace nad opracowaniem no-wych rozwiązań konstrukcyjnych tych implan-tów.

Badania tribologiczne implantów krąŜka międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego, prowadzone na symulatorze mają na celu: • wyznaczenie wpływu obciąŜenia (siły

ści-skającej) i rodzaju materiałów pary trącej na opory tarcia występujące w implancie, • wyznaczenie zuŜycia elementów pary trącej

w funkcji liczby cykli,

• badanie zmiany chropowatości powierzchni współpracujących elementów implantu w funkcji liczny cykli,

• badanie produktów zuŜycia.

Do badań na symulatorze wytypowano implant 3-częściowy składający się z dwóch obejm metalowych oraz jądra miaŜdŜystego wykonanego z polietylenu wysokocząsteczko-wego o nazwie Chirulen.

Obejmy metalowe wykonano z trzech ro-dzajów materiałów najczęściej stosowanych na implanty tj:

• stali austenicznej 316L, • stopu kobaltowego CoCrMo, • stopu tytanu Ti6Al4V.

Materiały te róŜnią się zarówno składem chemicznym jak teŜ twardością. Na rysunku 5 pokazano implant krąŜka międzykręgowego kręgosłupa stosowany w badaniach na symula-torze. W tablicy 1 podano skład chemiczny badanych materiałów oraz ich twardości.

Each of these simulators has a system for automatic registration of tested parameters. A view of the simulator for testing of spinal implants of the intervertebral disk is shown on figure 4a, and figure 4b shows a simulator for testing hip joint endoprostheses.

4. WEAR AND FRICTION TESTS OF SPI-NAL IMPLANTS OF THE INTERVER-TEBRAL DISK. MATERIAL AND TEST METHODOLOGY

Many works have been devoted to tri-bological tests of hip joint endoprostheses, in-cluding works realized at Metal Forming Insti-tute in Poznań.

Metal Forming Institute has recently rea-lized expansive tribological tests of spinal im-plants of the intervertebral disk and work is being conducted for the development of new design solutions for these implants.

Tribological tests of spinal implants of lumbar intervertebral disks conducted on the simulator have the purpose of:

• determining the influence of load

(compre-ssive force) and materials used for the fric-tion pair on fricfric-tion resistance in the im-plant,

• determining the wear of friction pair

ele-ments as a function of the number of cycles,

• studying changes in the coarseness of

the surfaces of cooperating implant ele-ments as a function of the number of cycles,

• studying wear products.

A 3-part implant, called Chirulen, consis-ting of two metal rings and a nucleus pulposus made from high-molecular polyethylene, was selected for testing on the simulator

Metal rings were made from three types of materials most often for implants, that is:

• 316L austenitic steel, • CoCrMo cobalt alloy, • Ti6Al4V titanium alloy.

These materials vary in terms of chemical composition and hardness. Figure 5 shows a spinal implant of the intervertebral disk used during tests on the simulator. Table 1 shows the chemical composition of tested materials and their hardness.

Rys. 5. Fotografia implantu krąŜka międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego: a) obejma górna, b) wkładka metalowa, c) wkładka z UHMWPE, d) badany implant

Fig. 5. Photography implant lumbar intervertebral disc: a) the upper clamp, b) insertion of metal, c) the UHMWPE insert, d) the test implant

Tablica 1. Skład chemiczny badanych implantów Table1. Chemical composition of tested implants Gat. stali Steel grade Skład chemiczny w % Chemical composition in % 316L C N Si Mo Cr Mn Fe Ni Twardość Hardness Średnia % Average % 0,029 0,39 0,44 2,28 20,76 4,11 61,8 9,64 245 CoCrMo C N Si Mo Cr Mn Fe Co Twardość Hardness Średnia % Average % 0,04 0,16 0,2 5,5 27,6 0,7 0,22 65,38 391

Ti6Al4V C N Al. Ti V Fe Twardość

Hardness Średnia %

Average % 0,01 0,01 5,7 90,13 3,9 0,13 294 Parametry badań

Badania tarciowo-zuŜyciowe na symulato-rze kręgosłupa prowadzono przy następujących parametrach:

• siła ściskająca Psc = 1500 N Psc = 2 G), Psc = 2500 N (Psc = 3,3 G), gdzie G = 750N średni cięŜar ciała człowieka,

• kąt zgięcia ±5 deg (zakres ruchu dwóch są-siadujących kręgów),

• kąt skręcania ±3,5 deg (zakres ruchu obro-towego dwóch sąsiadujących kręgów), • medium smarujące: woda destylowana, płyn

Ringera,

• ilość cykli – 1 milion,

• częstotliwość – 70 cykli na minutę.

5. WYNIKI BADAŃ

Na rysunku 6 pokazano przebieg siły ob-ciąŜającej i momentu tarcia w funkcji czasu. Zmiany przebiegu siły w funkcji czasu modelu-ją obciąŜenie układu kostno-stawowego czło-wieka występującego w czasie chodu (lokomo-cji).

Testing parameters

Wear and friction tests on the spine simu-lator were conducted with the following pa-rameters:

• compressive force Psc = 1500 N (Psc =

2 G), Psc = 2500 N (Psc = 3.3 G), where G = 750 N is the average weight of the hu-man body,

• bending angle ±5 deg,

• torsion angle ±3.5 deg,

• lubricant: distilled water, fluid Ringer, • number of cycles – 1 million,

• Frequency – 70 [1/minute].

5. TEST RESULTS

Figure 6 shows the course of the loading force and moment of friction as a function of time. Changes in the course of force as a function of time model the load of the skeleto-articular system of the human body during lo-comotion.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 00:06,4 00:06,9 00:07,4 00:07,9 00:08,4 -2 -1 0 1 2 3 4 siła docisku moment tarcia

Rys. 6. Zmiany siły i momentu tarcia w funkcji czasu Fig. 6. Changes in force and friction moment as a function of time

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0 0,25 0,5 0,75 1 P1=1500N P2=2500N

Rys. 7. Wpływ ilości cykli na współczynnik tarcia dla stopu CoCrMo z wkładką jądra miaŜdŜystego wykonaną z UHMWPE

Fig. 7. Influence of the number of cycles on the friction coefficient for the CoCrMo alloy with a nucleus pulposus insert made from UHMWPE

Wpływ siły obciąŜającej implant kręgosłu-pa na wartość współczynnika tarcia, w funkcji ilości cykli pracy dla pary trącej CoCrMo – UHMWPE ilustruje przykładowo rysunek 7.

Jak to wynika z prowadzonych pomiarów, wzrost obciąŜenia z 1500 N do 2500 N powo-duje prawie 3-krotny wzrost współczynnika tarcia.

Wpływ rodzaju materiałów na wartość współczynnika tarcia dla implantów badanych przy obciąŜeniu Psc = 1500 N ilustruje przy-kładowo rysunek 8.

The influence of loading force on the spi-nal implant on the value of the friction coeffi-cient as a function of the number of work cycle for the CoCrMo – UHMWPE friction pair is illustrated on figure 7.

As results from the conducted measure-ments, an increase in load from 1500 N to 2500 N causes an almost threefold increase of the friction coefficient.

The influence of material types on the friction coefficient value for implants tests at a load of Psc = 1500 N is illustrated by fi-gure 8. M o m en t ta rc ia [ N m ] Czas [s] S ił a d o ci sk u [N ] Liczba cykli [mln] W sp ó łc zy n n ik t ar ci a µ

1500N 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0 0,25 0,5 0,75 1 316L Ti6Al4V CoCrMo

Rys. 8. Współczynnik tarcia w funkcji drogi tarcia (ilości cykli) dla róŜnych materiałów dla pary trącej obciąŜonej siłą 1500 N

Fig. 8. The coefficient of friction versus sliding distance (number of cycles) for a variety of materials for all loaded friction force 1500 N

Z przeprowadzonych badań wynika, ze istotny wpływ na wartość oporów tarcia wyra-Ŝonych przez moment tarcia i współczynnik tarcia wywiera obciąŜenie. Wraz ze wzrostem wartości obciąŜenia układu i ilości cykli pracy rośnie wartość współczynnika tarcia, przy czym prawidłowość ta dotyczy wszystkich ba-danych skojarzeń materiałowych.

Wpływ rodzaju materiału z którego wyko-nano obejmy metalowe implantu jest mniej waŜny. MoŜna jednak stwierdzić, iŜ wyŜsze opory tarcia w skojarzeniu „metal – polietylen” występują wówczas, gdy element metalowy posiada wyŜszą twardość. MoŜna to wyjaśnić większą „sztywnością układu”.

W implantach krąŜka międzykręgowego kręgosłupa w których element ślizgowy (jądro miaŜdŜyste) jest wykonany z polietylenu istot-ne znaczenie ma odporność na zuŜycie tego elementu. Wraz z postępującym procesem zu-Ŝycia elementu polietylenowego, który jest tzw. „słabym ogniwem” pogarsza się stabilność mechaniczna układu.

Na rysunku 9 pokazano przykładowo zmianę wysokości jądra miaŜdŜystego wyko-nanego z UHMWPE oraz zmianę masy, współpracującego z elementem metalowym wykonanym ze stopu CoCrMo, badanego przy obciąŜeniu Psc = 2500 N.

Test results show that load has a signifi-cant influence on the value of friction resis-tance, expressed by friction moment and the friction coefficient. The friction coefficient value increased with the increase of the value of load on the system and the number of work cycles, with this dependency pertaining to all tested friction pairs.

The influence on the type of material used to make the metal rings of the implant is less significant. It can be stated, however, that higher friction resistance in the "metal – poly-ethylene” pair is present when the metal ele-ment has greater hardness. This can be ex-plained by a greater rigidity of the system.

In spinal implants of the intervertebral disk in which the sliding elements (nucleus pulposus) is made from polyethylene, the wear resistance of this element is of great signifi-cance. The mechanical stability of the system worsens with the advancing process of wear of the polyethylene element, which is a so-called “weak link" in the system.

Figure 9 shows an exemplary change of the height and change in mass of the nucleus pulposus made from UHMWPE, cooperating with a metal element made from CoCrMo alloy, tested at a load of Psc = 2500 N.

Liczba cykli [mln] W sp ó łc zy n n ik t ar ci a µ

a) 9,8031 9,8032 9,8033 9,8034 9,8035 9,8036 9,8037 9,8038 9,8039 0 250 500 750 1000 b) 0 0,00005 0,0001 0,00015 0,0002 0,00025 0 0,25 0,5 0,75 1

Number of cycles /in miloions/

Upper ring Insert Lower ring

Rys. 9. Zmiana: a) wysokości wkładki polietylenowej, b) ubytek masy wkładki współpracującej z elementem metalowym wykonanym z CoCrMo

Fig. 9. Change in: a) the height of the polyethylene insert, b) mass decrement of the insert cooperating with the CoCrMo element

W wyniku postępującego procesu zuŜycia ulega zmianie takŜe chropowatość powierzchni współpracujących elementów. Jak to wykazały przeprowadzone badania, jądro miaŜdŜyste wykonane z polietylenu ulega „wygładzeniu” wraz ze wzrostem ilości cykli pracy, natomiast wzrasta chropowatość powierzchni obejmy metalowej. Na rysunku 10 pokazano wpływ rodzaju materiału pary trącej na zmianę chro-powatości powierzchni jądra miaŜdŜystego i obejmy metalowej, badanych przy obciąŜaniu Psc = 2500 N.

As a result of the advancing process of wear, the coarseness of the surfaces of

the cooperating elements also changes.

As shown by the conducted tests, the polyethy-lene nucleus pulposis is subjected to “smoothe-ning” with the increase of the number of work cycles, however the coarseness of the metal ring surface increases. Figure 10 shows the influence of the type of materials used in the friction pair on the change in coarseness of the surface of the nucleus pulposus and metal ring, tested at a load of Psc = 2500 N.

M as a [g ] Liczba cykli [mln] Obejma górna Wkładka Obejma dolna Liczba cykli [mln] W y so k o ść c y k li [ m m ]

a) Wkładka PE UHMWPE /2500N 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,25 0,5 0,75 1 Liczba cykli /mln/ Ra 316L Ti6Al4V CoCrMo b)

Element metalowy górny /2500N

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0 0,25 0,5 0,75 1 Liczba cykli /mln/ Ra 316L Ti6Al4V CoCrMo

Rys. 10. a) Wpływ ilości cykli na zmianę chropowatości powierzchni: a) wkładki polietylenowej UHWMPE (jądro miaŜdŜyste), b) elementu metalowego wykonanego z CoCrMo pary trącej współpracującej z wkładką jądra

miaŜdŜystego (PE UHMWPE). Siła obciąŜająca 2500 N

Fig. 10. a) Influence of the number of cycles on the change in surface coarseness: a) UHWMPE polyethylene insert (nucleus pulposus), b) CoCrMo metal element of the friction pair cooperating with the nucleus pulposus insert

(PE UHMWPE). 2500 N loading force

Przeprowadzone badania wykazały, Ŝe większa twardość elementu metalowego (obejmy) powoduje większy wzrost chropowa-tości powierzchni wkładki polietylenowej.

Widocznym objawem postępującego pro-cesu zuŜycia elementów implantu są takŜe zmiany topografii powierzchni. Na rysunku 11 pokazano przykładowe topografie powierzchni obejmy metalowej implantu krąŜka międzykrę-gowego kręgosłupa ze stali 316L wykonane na mikroskopie skaningowym.

Na załączonych fotografiach widoczne są nalepienia cząstek polietylenu, pochodzących

z jądra miaŜdŜystego wykonanego

z UHMWPE. Tworzące się na powierzchni metalowej obejmy nalepienia, wraz z rosnącą ilością cykli pracy ulegają pękaniu i wykrusze-niu, co widoczne jest na rysunku 11.

The conducted tests show that a greater hardness of the metal element (ring) causes a greater increase of surface coarseness polyethylene liner.

A visible effect of the progressive process of wear of implant elements is the change in surface topography. Figure 11 shows exem-plary topographies of the surface of the metal ring of the spinal implant of the intervertebral disk made from 316L steel, as observed under a scanning microscope.

The attached photos show adherences of polyethylene particles from the UHMWPE nucleus pulposus. The adherences formed on the metal surface of ring crack and crumble as the number of work cycles increases, as seen on figure 11. R a [µ m ] R a [µ m ] Liczba cykli [mln] 1 Liczba cykli [mln]

Rys. 11. Fotografie powierzchni obejm metalowych po zuŜyciu, wykonane na mikroskopie skaningowym po badaniach tribologicznych

Fig. 11. Photographs surface after use metal clamps made to the scanning electron microscope study of tribological test

Wykruszające się cząstki – produkty zuŜycia mogą się gromadzić w obszarze okołowszcze-powym, bądź teŜ przemieszczać się w organi-zmie człowieka powodując wiele ujemnych skutków. Stąd teŜ jednym z waŜnych celów badań tribologicznych jest ocena ilości i składu chemicznego powstających produktów zuŜycia.

6. WNIOSKI

1. Opory tarcia występujące w elementach trących implantów takich jak: endoprotezy stawów czy teŜ implanty krąŜka między-kręgowego kręgosłupa są wielokrotnie wyŜ-sze od oporów tarcia występujących w natu-ralnych biołoŜyskach.

2. Dalszy postęp w stosowaniu implantów z „węzłami trącymi” jest uwarunkowany postępem pracy w zakresie doboru optymal-nych materiałów na elementy trące.

The crumbling particles, wear elements, can accumulate around the implant area or migrate within the human organism, causing many negative effects. Thus, one important goal of tribological tests is the evaluation of

the amount and chemical composition

of formed wear products.

6. CONCLUSIONS

1. Friction resistance in friction elements

in implants such as: articular endoprosthe-ses or spinal implants of the intervertebral disk are many times higher than the friction resistance in natural biological bearings.

2. Further advances in using implants with

“friction pairs” is dependent on the ad-vances in work in the scope of selection of optimal materials for friction elements.

3. Polietylen, pomimo wielu wad jest w dal-szym ciągu stosowany na elementy ślizgowe implantów nie tylko z uwagi na korzystne właściwości tribologiczne ale takŜe z uwagi na amortyzację obciąŜeń dynamicznych. DuŜe nadzieje naleŜy wiązać z wprowadze-niem nowych gatunków polietylenu o pod-wyŜszonej odporności na zuŜycie.

4. Badania tarciowo-zuŜyciowe prowadzone na symulatorach dostarczają wielu cennych informacji zarówno o mechanizmie zuŜycia jak teŜ o odporności na zuŜycie współpra-cujących materiałów.

5. Bardzo duŜe znaczenie mają badania pro-duktów zuŜycia występujących w węźle trą-cym implantów.

Badania realizowane są w ramach projektu badawczego własnego finansowanego przez MNiSW. Projekt badawczy NN507 479 537 pt: „Badania i ocena funkcjonalności implantów kręgosłupa w aspekcie materiałowym i tribolo-gicznym”.

3. Polyethylene, despite its many shortcomings

is still used for sliding elements of implants not only due to its advantageous tribological properties, but also because of its ability to absorb shocks from dynamic loads. New grades of polyethylene with increase wear resistance that are to be introduced show much promise.

4. Friction and wear tests conducted on

simu-lators give much valuable information on wear mechanisms as well as on wear of cooperating materials.

5. Tests of wear products present in the

im-plant friction pair are of great significance.

This work is realized within the framework of research project No. NN507 479 537 „Ba-dania i ocena funkcjonalności implantów krę-gosłupa w aspekcie materiałowym i tribo-logicznym”. Financed by MNiSW.

LITERATURA/REFERENCES

[1] Marciniak J.: Biomateriały. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.

[2] Cooper J.R.; Dowson, D., Fisher J.: Macrosopic and microscopic wear mechanisms in UHMWPE. Wear, 1993 vol. 162 pp. 378-384.

[3] Dowson D.: A comparative study of the performance of metallic and ceramic femoral head components in total replacement hip joints. Original Research Article Wear, December 1995 Vol. 190 Issue 2 pp. 171-183.

[4] Hall R.M., Unsworth A.: The friction of explanted hip prostheses. Wear 1999 vol. 175. [5] Hall R.M., Unsworth A.: Friction in hip prostheses. Biomaterials 18, 1997, pp. 1017-1027.

[6] Wierzcholski K.: Bio and slide bearing their lubrication by non-Newtonian fluids and application in nonconven-tional systems. Monograph, Gdansk 2006 t. II, pp. 1-172.

[7] Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002.

[8] Gierzyńska-Dolna M., Lascki P., Szyprowski J., Wiśniewska-Weinert H.: Współczesne kierunki rozwoju kon-strukcji endoprotez stawu biodrowego. InŜynieria Biomedyczna 2006 Nr 58-60 s. 236-240.

[9] Skalski K., Skoworodko J., Gierzyńska-Dolna M.: Stabilizatory oraz implanty krąŜka międzykręgowego kręgosłu-pa – przegląd konstrukcji. Obróbka Plastyczna Metali 2011 t. 22 nr 4 s. 303-317.

[10] Gamradt S.C., Wang J.C.: Lumbar disc arthroplasty. The Spin Journal 2005 (5) pp. 95-103.

[11] Mathews H., Le Hucc J.: Design rationale and biomechanics of Maverick Total Disc arthhroplasty with earthy clinical results. The Spine Journal 2004 (4) pp. 268-275.

[12] Bono C.M., Garfin S.R.: History and evolution of disc replacement. The Spine Journal 2004 (4) pp. 145-150. [13] Kędzierski K., Pawlikowski M., Skalski K., Zagrajek T.: Are customized endoprostheses future of human joint

arthroplasty. Acta of Bioengineering and Biomechanics 2004 Vol. 6 pp. 22-33.