Uszkodzenia korozyjne implantów ze stali Cr-Ni-Mo w warunkach elektrostymulacji prdem zmiennym *

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Uszkodzenia korozyjne implantów ze stali Cr-Ni-Mo w warunkach elektrostymulacji prdem zmiennym *"

Wacław Morawski
8 lat temu
Przeglądów:

1 AMME th JUBILEE INTERNATIONAL SC IENTIFIC CONFERENCE Uszkodzenia korozyjne implantów ze stali Cr-Ni-Mo w warunkach elektrostymulacji prdem zmiennym * J. Szewczenko, J. Marciniak, W. Chrzanowski Zakład Inynierii Materiałów Biomedycznych, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy przedstawiono wyniki bada wpływu elektrostymulacji zrostu kostnego prdem zmiennym na proces korozji implantów ze stali AISI 316 LVM. Badania przeprowadzono na próbkach z warstwa pasywn oraz pasywno-wglow wykorzystujc inwazyjn, półinwazyjn i nieinwazyjn metod elektrostymulacji. Uzyskane wyniki bada wskazuj, i elektrostymulacja prdem zmiennym nie wpływa w znaczcy sposób na przebieg korozji implantów wykonanych z tej stali 1. WSTP Stosowane zewntrzne metody stabilizacji odłamów kostnych charakteryzuj si elastycznoci zespolenia. Cecha ta ma umoliwi przemieszczanie si odłamów kostnych w dopuszczalnym przedziale (poniej 3 mm), ograniczajc jednoczenie wielko napre powstałych w wyniku docisku do 5 N/mm 2 [1]. Zespolenie elastyczne umoliwia aktywizacj zrostu kostnego poprzez efekty elektromechaniczne, polegajce na generacji potencjałów elektrycznych w nastpstwie przyłoonego obcienia, co z kolei powoduje przepływ prdów czynnociowych przez obszar złamania. Przepływ prdu wymusza transport substancji odywczych i mineralnych, przyczyniajc si w ten sposób do aktywizacji zrostu kostnego. Zewntrzne systemy stabilizacji odłamów kostnych wykonane s najczciej ze stali Cr-Ni-Mo pokrytej warstw pasywn. Mała rezystancja, elementów stabilizatorów w porównaniu z tkank kostn i miniow powoduje, i wygenerowane elektromechaniczne prdy czynnociowe przepływaj poprzez odboczk stabilizatorów złoon z wkrtów kostnych i płytki nonej. Wpływa to niekorzystnie na proces osteosyntezy, osłabiajc aktywizacj zrostu kostnego przez prdy czynnociowe. Z tego powodu w systemie stabilizacyjno-manipulacyjnym POLFIX na wkrty kostne naniesiono warstw wglow, która posiada du rezystancj. Zastosowanie warstwy wglowej eliminuje lub utrudnia przepływ prdów czynnociowych przez elementy stabilizatora. * Prac wykonano w ramach projektu badawczego nr 7T08C finansowanego przez Komitet Bada Naukowych.

Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland W pracy przedstawiono wyniki bada wpływu elektrostymulacji zrostu kostnego prdem zmiennym na proces korozji implantów ze stali AISI 316 LVM.

2 544 J. Szewczenko, J. Marciniak, W. Chrzanowski Elektrostymulacja procesu osteosyntezy z wykorzystaniem prdów zmiennych ma na celu aktywizacj procesów naprawczych koci. Naley zaznaczy, e elektrostymulacja jest celowa w pocztkowej fazie leczenia złama, gdy usprawnianie obcieniowe zespalania jest niemoliwe lub utrudnione, wówczas to przepływ prdu inicjowanego przez elektrostymulator poprzez stref odbudowy tkanki kostnej zastpuje prdy czynnociowe. Przeprowadzone liczne badania na zwierztach, a take dowiadczenia kliniczne wskazuj, e metoda ta przydatna jest do aktywizacji odbudowy koci w przypadkach: braku zrostu [2], zrostu opónionego [3], stawów rzekomych [4,5] oraz złama patologicznych [6]. Stosowanie elektrostymulacji nie tylko przyspiesza zrost kostny lecz równie prowadzi do zmniejszenia bolesnoci miejsca urazu [7], a take hamuje rozwój drobnoustrojów [8]. Zewntrzny prd elektryczny doprowadzony jest w obszar szczeliny złamania przy pomocy metalowych elektrod mogcych ulega korozji podczas elektrostymulacji. Zagadnieniom okrelenia wpływu elektrostymulacji zrostu kostnego na korozj imlantów metalicznych zostały podporzdkowane zrealizowane badania 2. METODYKA W badaniach wykorzystano próbki ze stali 316 LVM z powierzchni pasywn oraz pasywno-wglowow. Zastosowana stal spełniała wymagania stawiane stalom przeznaczonym na wszczepy chirurgiczne [9]. Na próbkach pasywno-wglowych pozostawiono na okrelonym obszarze warstw pasywn [11], co miało na celu ukierunkowanie przepływu prdu. Materiał wyjciowy stanowiły prty. Obróbk powierzchni próbek, szlifowanie, polerowanie elektrolityczne pasywacj chemiczn i naniesienie warstwy diamentowej przeprowadzono w warunkach ustalonych eksperymentalnie [10]. W celu przeprowadzenia bada opracowano i wykonano własne stanowisko badawcze, umoliwiajce przeprowadzenie elektrostymulacji rónymi metodami (inwazyjna, półimwazyjna, nieinwazyjna) w warunkach zblionych do fizjologicznych [10,12]. Badania nad wpływem elektrostymulacji zrostu kostnego na proces korozji implantów z warstw pasywn oraz pasywno-wglow przeprowadzono dla prdu zmiennego sinusoidalnego oraz cigu impulsów naprzemiennych. Elektrostymulacja dla kadego wariantu powierzchni oraz przebiegu prdowego trwała po 28 dni i obejmowała 18 próbek. Przeprowadzana była w sposób cigły (24h/dob), jednake periodycznie przerywana co 7 dni. Po kadym siedmiodniowym cyklu okrelano wpływ elektrostymulacji na stan próbek. Próbki waono z dokładnoci g oraz obserwowano ich powierzchni na mikroskopie skaningowym DSM-940, firmy OPTON oraz mikroskopie sił atomowych (AFM) NanoScope E firmy Digital Instrument. Badania przeprowadzono w nastpujcych warunkach: temperatura roztworu Tyrode a T = 36,6 ± 1 o C, ph roztworu zmienne w zakresie 7,6 8,6, odległo pomidzy próbkami 40 mm, oraz z wykorzystaniem: prdu sinusoidalnego o czstotliwoci 20 Hz i 35 khz oraz amplitudzie i = 40 µa, cig impulsów naprzemiennych Aexp-(t/t 0 ) o amplitudzie i = 80 µa, stałej czasowej t 0 = 0,2 s i czstotliwoci 1Hz.

elektrostymulator poprzez stref odbudowy tkanki kostnej zastpuje prdy czynnociowe.

3 Uszkodzenia korozyjne implantów ze stali Cr-Ni-Mo w warunkach WYNIKI BADA Powierzchnia próbek po polerowaniu elektrolitycznym i pasywacji charakteryzowała si chropowatoci poniej 0,16 µm, która stanowi maksymaln dopuszczaln warto chropowatoci implantu metalicznego. Powierzchni próbki po polerowaniu elektrolitycznym i pasywacji przedstawia rys µm Rys.1. Obraz powierzchni próbek z warstw pasywn, mikroskop skaningowy Wytworzona na powierzchni polerowanych elektrolitycznie i pasywowanych chemicznie próbek warstwa wglowa szczelnie pokrywała powierzchni próbek, odwzorowujc powierzchni podłoa. Warstwa ta składała si ze cile przylegajcych do siebie kryształków. Przykładow topografi warstwy wglowej przedstawiaj rys. 2. a) b) Rys.2. Topografia warstwy wglowej przy rónych powikszeniach Wyznaczona maksymalna wielko nierównoci warstwy wglowej mierzona wzdłu losowo wybranych linii badanych obszarów wynosiła 110 nm. Przykładowy profil powierzchni warstwy przedstawia rys. 3. Pomiary masy próbek po kadym siedmiodniowym cyklu elektrostymulacji, jak równie po zakoczeniu bada nie wykazały ich zmian w zakresie dokładnoci stosowanej metody pomiarowej wynoszcej g. Brak ubytków masy dotyczył zarówno próbek z warstw pasywn, jak i pasywno-wglow bez wzgldu na zastosowan metod elektrostymulacji.

metalicznego. Powierzchni próbki po polerowaniu elektrolitycznym i pasywacji przedstawia rys 1.

4 546 J. Szewczenko, J. Marciniak, W. Chrzanowski nm nm Rys. 3. Profil chropowatoci warstwy wglowej w wybranych kierunkach Obserwacje próbek w elektronowym mikroskopie skaningowym nie wykazała istotnych zmian ich powierzchni. Zasadniczo na powierzchni próbek nie zaobserwowano uszkodze korozyjnych rys. 4a. Jednake na powierzchni kilku próbek stwierdzono nieliczne skupiska ubytków korozyjnych o małym polu powierzchni rys. 4b. Dla próbek z warstw pasywnowglow obszary z ubytkami korozyjnymi znajdowały si głównie na powierzchniach z warstw pasywn oraz na granicy obu warstw rys. 4b. a) b) Rys. 4. Powierzchnia próbki polerowanej elektrolitycznie, spasywowanej z naniesion warstw diamentow po 28 dniach elektrostymulacji, mikroskop skaningowy: a) ogólny widok powierzchni próbki, b) obszar wytrawie na granicy warstwa pasywna-warstwa wglowa

Zasadniczo na powierzchni próbek nie zaobserwowano uszkodze korozyjnych rys. 4a. Jednake na powierzchni kilku próbek stwierdzono nieliczne skupiska ubytków korozyjnych o małym polu powierzchni rys.

5 Uszkodzenia korozyjne implantów ze stali Cr-Ni-Mo w warunkach Obserwacje powierzchni warstwy wglowej za pomoc mikroskopu sił atomowych potwierdziły obecno miejscowych uszkodze w postaci werów. Maksymalna ich głboko mierzona wzdłu wybranej linii od najwyszego punktu badanego obszaru do najniszego wynosiła 281 nm. Przykładowe uszkodzenie warstwy wglowej oraz profil topografii powierzchni przedstawia rys. 5. a) b) c) µ m Rys. 5. Charakterystyczne uszkodzenia warstwy wglowej po 28 dniach elektrostymulacji metod półinwazyjn. Analizowana powierzchnia próbki 10x10 µm (AFM): a) obraz powierzchni w ujciu aksonometrycznym, b) obraz powierzchni próbki, c) liniowy profil uszkodze

Maksymalna ich głboko mierzona wzdłu wybranej linii od najwyszego punktu badanego obszaru do najniszego wynosiła 281 nm.

6 548 J. Szewczenko, J. Marciniak, W. Chrzanowski 4. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych bada mona sformułowa nastpujce uogólnienia: 1. elektrostymulacja zrostu kostnego metodami nieinwazyjn, półinwazyjn i inwazyjn bez zgldu na rodzaj zastosowanej powierzchni, nie powoduje zmian masy próbek. Charakter zaobserwowanych zmian na powierzchni próbek wskazuje, e metoda ta moe by stosowana do elektrostymulacji zrostu kostnego. Obserwowane miejscowe wytrawienia powierzchni próbek z ewentualnymi ubytkami masy mieszcz si poza zakresem czułoci stosowanej metody pomiarów ubytków masy, 2. na powierzchniach implantów z warstw pasywno-wglow lokalizacja miejscowych uszkodze korozyjnych na powierzchni pasywnej wiadczy o moliwoci ukierunkowania przepływu prdu. LITERATURA 1. W. Ramotowski: Stabilizatory płytkowe Zespol i Polfix, Agencja Wydawnicza Zebra, Kraków D. L. Forsted, K. Murry, E. J. Mitchell, C. T. Brighton, A. Alan: Radiology, 1978, 128, K. Kostrzewski, S. Łukasik: Chir. Narz. Ruchu Ortop. Pol., 1979, 2, J. F. Connoly, J. Ortise, R. Price, R. J. Bayuzick: Ann. N. Y. Acad. Sci., 1974, 238, C. A. Cass: J. Bone Jt. Surg., 1975, 57-B, M. Weigert, C. Werhahn: Zbl. Chirurgie, 1978, 103, T. Cieszyski: Chir. Narz. Ruchu Ortop. Pol., 1970, 4, E. Goodman, B.Greenebaum, M. Marron: 8th Annual Meeting of the Bioelectrical Repair and Growth Society, Washington Norma: PN-ISO : S. Mitura., J. Marciniak, P. Niedzielski, Z. Paszenda:, In.Biomat., 1999, 7-8, J. Szewczenko, J. Marciniak: Mat. II Sympozjum nt. Biomechanika w implantologii, Annales Academiae Medicae Silesiensis, supl. 29, Katowice 1999, s J. Szewczenko, J. Marciniak, Z. Paszenda: Materiały II Sympozjum Inynieria Ortopedyczna i Protetyczna IOP 99,

Charakter zaobserwowanych zmian na powierzchni próbek wskazuje, e metoda ta moe by stosowana do elektrostymulacji zrostu kostnego.

Podobne dokumenty

Struktura warstwy wglowej na podłou stali austenitycznej przeznaczonej na stenty wiecowe*

AMME 2002 11th Struktura warstwy wglowej na podłou stali austenitycznej przeznaczonej na stenty wiecowe* J. Szewczenko, Z. Paszenda, M. Kaczmarek, J. Marciniak Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych,