NOWE MATERIAŁY NA WKŁADKI ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 223 Tomasz RYBAK, Monika GIERZYŃSKA-DOLNA*, Joanna SULEJ- -CHOJNACKA*, Tomasz WIŚNIEWSKI* NOWE MATERIAŁY NA WKŁADKI ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO NEW MATERIALS FOR KNEE ENDOPROSTHESIS PADS Słowa kluczowe: kompozyt polimerowy, siatka metalowa, wkładki endoprotez stawu kolanowego Key words: polymer composite, metal mesh, knee endoprosthesis pad Streszczenie Endoprotezy stawu kolanowego są poza endoprotezami stawu biodrowego najczęściej stosowaną grupą implantów. Z kaŝdym rokiem rośnie zapotrzebowanie na ten rodzaj endoprotez. Podstawowym materiałem, stosowanym na elementy (wkładki) trące endoprotez stawu kolanowego jest polietylen o wysokiej gęstości UHMWPE. Ze względu na niewystarczające właściwości mechaniczne czystego UHMWPE prowadzone są badania nad opracowaniem nowego materiału do zastosowania na wkładki Politechnika Częstochowska, Wydział Zarządzania, ul. Armii Krajowej 19, Częstochowa.

2 224 T R I B O L O G I A endoprotez stawu kolanowego cechujące się wysoką odpornością na zu- Ŝycie. W artykule podano koncepcję wytworzenia kompozytu polimerowego wzmocnionego siatką metalową. Opisano materiały zastosowane do wytworzenia kompozytu, a takŝe technologię wytwarzania siatki metalowej oraz technikę implementacji siatki w osnowie polimerowej. Autorzy przedstawiają wyniki badań tribologicznych przeprowadzonych na testerze T-05, wyniki badań ściskania i pełzania wytworzonych kompozytów, a takŝe rezultaty badań przeprowadzonych na zaprojektowanym i wykonanym w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu symulatorze do badań elementów endoprotez stawu kolanowego SBT-02. WPROWADZENIE Endoprotezy stawu kolanowego są poza endoprotezami stawu biodrowego najczęściej stosowaną grupą implantów, przy czym z kaŝdym rokiem rośnie zapotrzebowanie na ten rodzaj endoprotez [L. 1]. Podstawowym materiałem, stosowanym na elementy (wkładki) trące endoprotez stawu kolanowego jest polietylen o wysokiej gęstości UHMWPE. Tak więc parę trącą w układzie ruchowym endoprotezy stawu kolanowego stanowi połączenie metal polietylen [L. 1]. Na Rysunku 1a, b pokazano przykładowo dwa typy endoprotez stawu kolanowego: endoprotezę częściową saneczkową (Rys. 1a), w której dominuje styk liniowy oraz endoprotezę całkowitą typu Motta-Calle`a (Rys. 1b) o odpowiednio wyprofilowanych elementach ruchowych (płoza polietylenowa wkładka), w których dominuje styk powierzchniowy [L. 2, 3, 4]. Polietylen poza dobrymi własnościami ślizgowymi, zapewniającymi niskie opory tarcia (mały współczynnik tarcia) ma wiele wad, do których naleŝą: mała odporność na zuŝycie, podatność na pełzanie i starzenie [L. 5, 6]. Poza tym pod wpływem wysokich nacisków (przekraczających granice plastyczności tego materiału), które mogą wystąpić przy przecią- Ŝeniu endoprotezy, polietylenowa wkładka moŝe się odkształcać plastycznie, powodując powstawanie luzu pomiędzy elementami ruchowymi endoprotezy. Wystąpienie zbyt duŝego luzu pomiędzy elementami endoprotezy spowoduje zakłócenia biomechaniki układu ruchowego kończyny.

3 T R I B O L O G I A 225 Rys. 1. Przykłady rozwiązań endoprotez stawu kolanowego: a) endoproteza częściowa saneczkowa firmy W. Link [L. 2, 4], b) endoproteza całkowita Motta-Calle`a [L. 2, 4]. 1 element udowy wykonany ze stopu CoCrMo lub stopu tytanu, 2 wkładka polietylenowa UHMWPE, 3 element piszczelowy wykonany ze stopu CoCrMo lub stopu tytanu Fig. 1. Knee endoprosthesis examples: a) W. Link unicondylar system [L. 2, 4], total Motte-Calle system [L. 2, 4]. 1 CoCrMo or Ti femoral alloy component; 2 UHMWPE pad; 3 CoCrMo or Ti alloy tibial component Wystąpienie nadmiernego luzu pomiędzy elementami ruchowymi endoprotezy moŝe być spowodowane: odkształceniem plastycznym polietylenowej wkładki, zuŝyciem ciernym, pełzaniem pod wpływem wielokrotnych obciąŝeń cyklicznie zmiennych. Tak więc polietylenowa wkładka endoprotezy stawu kolanowego stanowi najsłabszy element ( słabe ogniwo ) w tym rodzaju endoprotez [L. 2, 4, 8]. W pracy M. Nabrdalika [L. 4] analizowano m.in. wpływ wartości obciąŝenia na rozkład napręŝeń kontaktowych występujących w dwóch reprezentowanych typach endoprotez stawu kolanowego: częściowej i całkowitej. Na Rysunku 2 a, B oraz Rys. 3 a, b pokazano przykładowo rozkład napręŝeń kontaktowych zredukowanych, występujących w płaskiej i kontaktowej (przystającej) wkładce polietylenowej.

4 226 T R I B O L O G I A Rys. 2. Rozkład napręŝeń kontaktowych, zredukowanych σ zr [MPa], występujących w płaskiej wkładce polietylenowej [L. 2, 4]: a) widok ogólny modelu, b) przekrój poprzeczny. Wkładka płaska o grubości 9 [mm] współpracująca z płozą o promieniu 27 [mm]. ObciąŜenie 1500 N Fig. 2. Reduced contact stresses σzr distribution [MPa] in flat poliethylene pad [L. 2, 4] a)model overall view, b) cross section. Flat pad 9 [mm] thickness working with runner with 27 [mm] radius. Applied load 1500 N Rys. 3. Rozkład napręŝeń kontaktowych, zredukowanych σ zr [MPa], występujących w płaskiej wkładce polietylenowej [L. 2, 4]: a) widok ogólny modelu, b) przekrój poprzeczny. Wkładka płaska o grubości 9 [mm] współpracująca z płozą o promieniu 27 [mm]. ObciąŜenie 1500 N Fig. 3. Reduced contact stresses σzr distribution [MPa] in flat poliethylene pad [L. 2, 4] a)model overall view, b) cross section. Flat pad 9 [mm] thickness working with runner with 27 [mm] radius. Applied load 1500 N Jak wykazano w pracach [L. 2, 4], w obydwu typach wkładek polietylenowych występuje maksymalna koncentracja napręŝeń w tzw. punkcie Bielajewa, zlokalizowanym 2 3 mm pod powierzchnią wkładki i w tych obszarach moŝe występować inicjacja pęknięć zmęczeniowych.

5 T R I B O L O G I A 227 CEL I METODYKA BADAŃ Głównym celem pracy było opracowanie i badanie materiałów przeznaczonych na elementy cierne endoprotez stawów kolanowych. Dotychczas stosowany polietylen o wysokiej gęstości stanowił najsłabszy element w endoprotezach stawów biodrowego i kolanowego, dlatego teŝ poszukuje się takich rozwiązań konstrukcyjnych, które zapewniłyby wysoką odporność na zuŝycie, pełzanie, starzenie i dodatkowo charakteryzowałby się dobrymi właściwościami mechanicznymi. Z tych względów w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu podjęto badania mające na celu opracowanie technologii wytwarzania kompozytu na bazie polietylenu wzmocnionego włóknami metalowymi. W badaniach zastosowano polietylen o wysokiej masie cząsteczkowej UHMWPE firmy Sigma Aldrich, który zawiera zarówno fazę amorficzną, jaki i fazę krystaliczną. Do wytworzenia kompozytów, zastosowano polietylen UHMWPE w postaci proszku o masie cząsteczkowej od 3,000,000 do 6,000,000 g/mol, twardości 52 (Rockwell), współczynniku tarcia 0,20 do 0,25 i punkcie mięknienia 138 C. Siatki metalowe, które stanowiły fazę wzmacniającą UHMWPE, wykonano z drutu metalowego o średnicy 0,1 mm z bezniklowej, austenitycznej stali nierdzewnej o składzie chemicznym przedstawionym w Tabeli 1 i umieszczono w odległości 1 2 mm pod powierzchnią pracującą wkładki. Tabela 1. Skład chemiczny drutów z austenitycznej, bezniklowej stali nierdzewnej Table 1. Chemical composition of austenitic stainless steel wires Pierwiastek C Si Mn P S Cr Mo Ni Ti N Skład chemiczny [%] 0,11 0,21 14,7 0,025 0,001 17,8 2,25 0,04 0,005 0,535 PowyŜsze rozwiązanie, po przeprowadzonych badaniach doświadczalnych i konsultacjach ze specjalistami ortopedami, będzie zgłoszone do opatentowania. Wykonano próby ściskania czystego UHMWPE oraz UHMWPE wzmocnionego siatką metalową umieszczoną na powierzchni czołowej i pod powierzchnią czołową próbki. Podczas prowadzonych prób ustalono napręŝenie maksymalne 15 MPa. Przeprowadzono próbę pełzania próbek z czystego UHMWPE i UHMWPE wzmocnionego siatką meta-

6 228 T R I B O L O G I A lową (Rys. 4). Proces trwał 24 h i przez cały czas trwania próby utrzymywano napręŝenie ściskające na poziomie 5 MPa. Rys. 4. Próbka z UHMWPE wzmocnionego rusztowaniem porowatym przeznaczona do badań wytrzymałościowych Fig. 4. UHMWPE sample strengthen by metal mesh for creep/compression tests Przeprowadzono takŝe testy tribologiczne na testerze T-05 na drodze tarcia m, przy obciąŝeniu 600 N. Parę trącą stanowiła próbka z wytworzonego kompozytu oraz pierścień ze stopu CoCrMo. Podczas badań zastosowano ciągłe smarowanie wodą destylowaną. Wykonano takŝe badania wytworzonych próbek UHMWPE wzmocnionych siatką metalową na symulatorze do badań elementów endoprotez stawu kolanowego SBT-02 pokazanym na Rysunku 5. Rys. 5. Symulator do badań elementów endoprotez stawu kolanowego skonstruowany i wykonany w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu wraz z układem sczytywania danych Fig. 5. Knee endoprosthesis simulator constructed and built in Metal Forming Institute with data recording system

7 T R I B O L O G I A 229 WYNIKI BADAŃ Z przeprowadzonych pomiarów i obliczeń (Rys. 6) wynika, iŝ UHMWPE wzmocniony siatką metalową pod powierzchnią próbki zwiększa znacząco moduł Younga (0,55 GPa) w porównaniu z czystym UHMWPE (0,36 GPa). Wzmocnienie UHMWPE na powierzchni takŝe prowadzi do podwyŝszenia wartości modułu spręŝystości (0,42 GPa). a) b) Rys. 6. Wyniki prób ściskania trzech rodzajów materiałów: a) krzywe umocnienia, b) średnie wartości modułu Younga Fig. 6. Compression tests results for three kinds of materials: a) stress-strain curves, b) average Young modulus values Wyniki przeprowadzonych badań wykazały, iŝ najlepszymi właściwościami wytrzymałościowymi spośród badanych materiałów cechuje się UHMWPE wzmocniony rusztowaniem porowatym pod powierzchnią czołową. Na tej podstawie próbki tego materiału zostały poddane dalszym badaniom. a) b) Rys. 7. Zmiany wysokości próbek: a) w procesie ściskania, b) w czasie 24 h od zakończenia procesu Fig. 7. Samples height deviation a) during compression test, b) 24 h after compression test termination

8 230 T R I B O L O G I A Na Rysunkach 7a, b pokazano wyniki pomiarów wysokości próbek po procesie ściskania odniesione do początkowej wysokości próbek (Rys. 7a) oraz po 24 godzinach od zakończenia procesu ściskania odniesione do wysokości mierzonej bezpośrednio po próbie ściskania (Rys. 7b). Z przedstawionych badań wynika, iŝ wzmocnienie UHMWPE siatką metalową zwiększa odporność materiału na odkształcenia. a) b) Rys. 8. Zmiana wysokości próbek: a) podczas procesu pełzania, b) w czasie 24 h od zakończenia procesu. Fig. 8. Samples height deviation a) during creep test, b) 24 h after creep test termination Rysunki 8a, b przestawiają wyniki pomiarów wysokości próbek po procesie pełzania, trwającego przez 24 godziny. Wykonano pomiary wysokości przed i po próbie pełzania, a takŝe po 24 godzinach od zakończenia procesu. Zaprezentowane wyniki świadczą o polepszeniu odporności na pełzanie UHMWPE wzmocnionego siatką metalową. a) b) Rys. 9. Współczynnik tarcia dla pary trącej blok z kompozytu UHMWPE wzmocnionego siatką ze spieczonych bezniklowych włókien/pierścień CoCrMo: a) próbka 2,1, b) próbka 2,2 Fig. 9. Friction coefficient for friction couple: UHMWPE strengthen by sintered nickel free fibres / CoCrMo ring: a) sample 2.1, b) sample 2.2

9 T R I B O L O G I A 231 Na Rysunku 9 przedstawiono wykresy współczynnika tarcia próbek wykonanych z wytworzonych kompozytów współpracujących z pierścieniami ze stopu CoCrMo. Przedstawione wyniki świadczą o nieznacznym wzroście współczynnika tarcia w stosunku do czystego UHMWPE. a) b) Rys. 10. Wyniki z symulatora SBT-02: a) zmienność siły docisku w funkcji czasu, b) zmienność momentu tarcia w funkcji kąta obrotu komponentu udowego Rys. 10. Tests on SBT-02 simulator results: a) normal load deviation vs. time, b) friction moment vs. femoral component rotation angle Na Rysunku 10a przedstawiono przebieg zmian siły docisku podczas badania na symulatorze SBT-01. Podczas pierwszych testów nie stosowano smarowania, dlatego badania prowadzone były przy sile maksymalnej na poziomie 0,54 kn. Rysunek 10b przedstawia moment tarcia w funkcji kąta obrotu. Ujemne wartości momentu wynikają ze zmiany kierunku pracy ruchu próbki na symulatorze. WNIOSKI Opracowano nową technologię wytwarzania elementów polietylenowych wkładek przeznaczonych na endoprotezy stawu kolanowego wzmacnianych siatką metalową z bezniklowej stali nierdzewnej. Wykonano badania tribologiczne i wytrzymałościowe próbek z UHMWPE wzmocnionych siatką metalową i porównano z czystym UHMWPE. Przeprowadzono badania wytworzonego kompozytu na symulatorze do badań elementów endoprotez stawu kolanowego SBT-01. Kompozyt wzmocniony siatką metalową pod powierzchnią tarcia okazał się być obiecującym materiałem na wkładki endoprotez stawu kolanowego.

10 232 T R I B O L O G I A LITERATURA 1. Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa Gierzyńska-Dolna M., Nabrdalik M.: Procesy zuŝycia endoprotez stawu kolanowego, InŜynieria Materiałowa nr 5, 2005, s Gierzyńska-Dolna M.: Tribological Processes in the Movable Pairs of Endoprosthesis, Tribology and Lubrication Engineering 14th International Colleguim Tribology Technische Akademie, Esslingen, vol. III, 2004, s Nabrdalik M., Gierzyńska-Dolna M.: The Influence of Loading Force and Geometry of Moveable System on the Stress Distribution and Wear of Knee Endoprosthesis, Zeszty Naukowy Katedry Mechaniki Stosowanej Politechniki Śląskiej, z. 26, 2006, s Olędzka E., Sobczak M., Kołodziejski W.L.: Polimery, nr 11 12, ( ), listopad grudzień 2007, Polimery w medycynie przegląd dotychczasowych osiągnięć. 6. Bare W., Albano C., Reyes J., Dominguez N.: Effect of irradiation on the mechanical properties of high-density polyethylene reinforced with metallic fibres, Surface and Coatings Technology, (2002), Krywult B.: Źródła uszkodzeń i zniekształceń wytworów z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami, Polimery 47, nr 1, Kubacki J., Gieremek K., Saulicz E.: Jednoprzedziałowa proteza saneczkowa stawu kolanowego zagroŝenia, załoŝenia postępowania usprawniającego i kierunki badań, Fizjoterapia Polska 2005, s Praca zbiorowa pod redakcją M. Gierzyńskiej-Dolnej Projekt badawczy KBN Nr 7 T08C pt.: Optymalizacja doboru materiałów i obróbki powierzchniowej niektórych endoprotez narządów ruchu człowieka w oparciu o badania tarciowo-zuŝyciowe. Sprawozdanie z badań Summary Recenzent: Janusz JANECKI Knee endoprosthesis along with hip endoprosthesis are the most often applied implants and demand for this type of endoprosthesis is growing each year. Basic material for this type of knee friction elements (pads) is ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE). Due to insufficient mechanical properties of UHMWPE

11 T R I B O L O G I A 233 new material for this application is being investigated that is characterized by high wear resistance. The work contains conception of manufacturing of polymer composite strengthen by metal mesh. Authors have described material used for composite manufacturing, metal mesh manufacturing and implementation of the mesh into polymer matrix. Authors present results of friction tests on T-05 tester, compression and creep tests results. The results obtained on constructed in INOP knee simulator SBT-02 are also presented.

12 234 T R I B O L O G I A