2-2009 T R I B O L O G I A 107 Magdalena NIEMCZEWSKA-WÓJCIK * BADANIA STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ POWIERZCHNI CERAMICZNYCH ELEMENTÓW TRĄCYCH ENDOPROTEZY STAWU BIODROWEGO THE SURFACE GEOMETRICAL STRUCTURE RESEARCH OF CERAMIC FRICTION ELEMENTS OF HIP JOINT ENDOPROSTHESIS Słowa kluczowe: endoproteza, technologia wytwarzania, struktura geometryczna powierzchni, funkcjonalność Key-words: endoprosthesis, manufacturing process, surface geometrical structure, functionality Streszczenie W referacie przedstawiono zasady kształtowania struktury geometrycznej powierzchni elementów endoprotez (głów) wykonanych z mono- i polikrystalicznych materiałów ceramicznych. Przytoczono wymagania odno- * Politechnika Krakowska, Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych, mnw.kipp@gmail.com
108 T R I B O L O G I A 2-2009 szące się do biomateriałów, elementów endoprotezy stawu biodrowego oraz przeprowadzania badań struktury geometrycznej ich powierzchni (błąd kształtu i chropowatość). Uzyskane wyniki pomiarów błędów kształtu (odchyłki okrągłości) oraz chropowatości poddano analizie, na podstawie której wysunięto wnioski dotyczące kształtowania głów endoprotez stawu biodrowego. WPROWADZENIE W układzie kostno-stawowym człowieka ważną rolę odgrywają stawy [L. 1], m.in. staw biodrowy, który ze względu na przenoszenie dużych obciążeń narażony jest na zniszczenie, deformacje, uszkodzenia mechaniczne oraz zmiany chorobowe. Skuteczne leczenie zmian degradacyjnych, przez stosowanie środków farmakologicznych i zabiegów odciążających czy leczenie chirurgiczne, stanowi wyzwanie dla współczesnej ortopedii. Alloplastyka, przez niektórych autorów określana mianem endoprotezoplastyka, należy do najczęściej wykonywanych zabiegów rekonstrukcyjnych stawu biodrowego. Polega ona na zastępowaniu naturalnego (Rys. 1a) stawu biodrowego jego sztucznym (Rys. 1b) odpowiednikiem, tzw. endoprotezą, dzięki czemu możliwe jest przywrócenie utraconych czynności ruchowych stawu. Endoproteza stawu biodrowego składa się z trzech elementów: panewki (wkręcanej, wbijanej rozporowo, osadzanej na cemencie kostnym), trzpienia (wprowadzanego w jamę szpikową kości udowej) oraz głowy (nakładanej na stożek trzpienia lub stanowiącej z nim jedną całość). Problemy biofunkcjonalności wynikają z ograniczenia trwałości (uszkodzeń i ścierania) polietylenowej panewki, utraty stabilności panewki lub trzpienia oraz braku anatomicznego funkcjonowania stawu. (a) (b) Rys. 1. Staw biodrowy [L. 3]: (a) naturalny, (b) sztuczny Fig. 1. Hip joint [L. 3]: (a) natural, (b) artificial
2-2009 T R I B O L O G I A 109 Prawidłowo zbudowany, naturalny staw biodrowy człowieka ma głowę kości udowej o średnicy 70 42 mm. Głowy endoprotez stawu biodrowego mają średnicę 32 28 mm, skąd wynika uproszczenie biomechaniki stawu wykonywanie ruchów krańcowych, jak zginanie, przywodzenie i odwodzenie wyważa głowę endoprotezy z panewki, co prowadzi do zwichnięcia bądź obluzowania [L. 3]. Mając na względzie poprawne funkcjonowanie endoprotez stawu biodrowego (wykonywanie odpowiednich ruchów, stymulację masy kości, odpowiednie tłumienie drgań, odporność na ewentualne obciążenia oraz brak odczynów alergicznych) przy ich projektowaniu należy zwracać szczególną uwagę zarówno na rodzaj stosowanych biomateriałów, jak również na odpowiednią konstrukcję oraz sposób mocowania elementów składowych endoprotezy. Zależność między charakterystyką organizmu człowieka, konstrukcją endoprotez i biofunkcjonalnością przedstawia Rys. 2. Konstrukcja endoprotezy Cechy materiałowe Cechy geometryczne Cechy dynamiczne Organizm człowieka Psychika (świadomość) Czynniki fizjologiczne Technika operacyjna obciążenia Identyfikacja obiektu w badaniach biomechanicznych Badania na modelach w układach rzeczywistych STABILNOŚĆ modelowanie eksperyment weryfikacja estymacja Kryteria oceny TRWAŁOŚĆ czas BIOFUNKCJONALNOŚĆ Rys. 2. Schemat oceny biofunkcjonalności sztucznego stawu biodrowego [L. 1] Fig. 2. Scheme of the artificial hip joint biofunctionality assessment [L. 1] Warunkiem postępu w alloplastyce jest ciągłe poszukiwanie i doskonalenie materiałowych oraz konstrukcyjnych rozwiązań endoprotez. Wśród biomateriałów stosowanych na implanty stawów, poza materiałami metalowymi i polimerowymi, coraz częściej wymienia się monoi polikrystaliczne materiały ceramiczne. Materiały ceramiczne ze względu na właściwości należą do grupy materiałów trudno obrabialnych [L. 4], stąd istotnego znaczenia nabiera proces ich technologicznego wy-
110 T R I B O L O G I A 2-2009 twarzania. Proces ten obejmuje etapy wg Rys. 3 szczegółowo opisane w literaturze przedmiotu, z których najważniejszym jest obróbka końcowa. Obróbka w stanie zielonym Obróbka w stanie białym Obróbka końcowa Przygotowanie mas. Formowanie Spiekanie wstępne Spiekanie końcowe Wyrób gotowy Rys. 3. Schemat procesu technologicznego wytwarzania materiałów ceramicznych [L. 4] Fig. 3. Flow chart of ceramic materials manufacturing process [L. 4] Obróbka końcowa głów endoprotez stawu biodrowego (z półfabrykatów ceramicznych) w ogólnym opisie obejmuje cztery operacje [L. 4]: 1) obróbkę wstępną otworu bazowego w kształcie stożka, 2) obróbkę wstępną szlifowanie, nadającą kształt obrabianym elementom, 3) obróbkę wykończeniową docieranie, zapewniające wymagania co do dokładności wymiarowo-kształtowej i jakości wykonania powierzchni, 4) sprawdzanie wymiaru G (Rys. 4) i ewentualną modyfikację otworu stożkowego pod mocowanie trzpienia endoprotezy. Rys. 4. Głowa endoprotezy stawu biodrowego [L. 6] Fig. 4. Femoral head of hip joint endoprosthesis [L. 6] Tabela 1. Znormalizowane wymiary [L. 6] Table 1. Normalized dimensions [L. 6] D[mm] G[mm] d[mm] g[mm] α, [ 0 ] 28 24,5 13,8 16,2 30
2-2009 T R I B O L O G I A 111 Od doboru parametrów obróbki, zarówno w procesie obróbki wstępnej, jak też obróbki wykończeniowej, zależą osiągane efekty i walory użytkowe otrzymywanych powierzchni. Charakter ukształtowania elementów ceramicznych sposobami ściernej obróbki ubytkowej określany jest zwykle na podstawie analizy i oceny struktury geometrycznej ich powierzchni. Struktura geometryczna powierzchni SGP wg normy [L. 9] to zbiór wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej, tj.: odchyłek kształtu i położenia, wad powierzchni, falistości i chropowatości. W potocznym znaczeniu struktura geometryczna powierzchni oznacza zbiór szczegółowych cech w ujęciu trójwymiarowym pewnego, ograniczonego obszaru [L. 7]. Trójwymiarowe obrazy pozwalają na precyzyjne oddanie natury procesów obróbki oraz współpracę powierzchni, sprawdzenie zgodności efektu technologicznego z założeniami konstrukcyjnymi, poznanie struktury geometrycznej powierzchni oraz warunków kontaktu dwóch powierzchni rzeczywistych, określanie związków między metodą wytwarzania (w wyniku której zostaje ukształtowana warstwa wierzchnia wyrobu) a możliwością spełniania przez warstwę wierzchnią założonych funkcji [L. 5]. Biofunkcjonalność sztucznego stawu biodrowego człowieka endoprotezy uzależniona jest (Rys. 1), poza cechami dynamicznymi i materiałowymi, od cech geometrycznych. Zarówno wymiary (tolerancje), kształt i jakość powierzchni elementów endoprotez stawu biodrowego (trzpienia, głowy i panewki) oraz sposób ich pomiaru zostały określone w odpowiednich normach, tj. [L. 8]. Błąd kształtu (promieniowa odchyłka okrągłości kołowości Rys. 5a) głów endoprotezy stawu biodrowego (metalowych lub ceramicznych) powinno wyznaczać się w płaszczyznach wskazanych na Rys. 5b (A-A, B-B, C-C), panewki zgodnie z Rys. 5c. Wymagania odnoszące się do chropowatości powierzchni R a (średnie arytmetyczne odchylenie profilu) należy sprawdzać wykonując pomiar w miejscach oznaczonych: A (a), B (b = 2a/3), C (c = a/3) i P wskazanych na Rys. 5b oraz Rys. 5c.
112 T R I B O L O G I A 2-2009 (a) (b) P (c) P C B A c b a C B A A B C c a b C B A Rys. 5. Definicja odchyłki okrągłości [L. 2] (a), lokalizacja punktów pomiarowych endoprotezy stawu biodrowego [L. 8]: powierzchni głowy (b) oraz panewki (c) Fig. 5. Definition of departure from roundness [L. 2] (a), locations of measurement points of hip joint endoprosthesis [L. 8]: femoral head surface (b) and acetabular component (c) Według normy [L. 8] powierzchnie stawowe metalowych lub ceramicznych wypukłych czasz kulistych endoprotez całkowitych stawów (głów) przeznaczone do współpracy z polietylenową panewką powinny charakteryzować wartości: R a 0,05 µm oraz 10 µm; natomiast do współpracy z metalową lub ceramiczną panewką: R a 0,05 µm, 5 µm. W normie podano również wymagania odnoszące się do panewki (polietylenowej, metalowej lub ceramicznej) współpracującej z metalową lub ceramiczna głową. Panewkę polietylenową powinny charakteryzować wartości: R a 2 µm, natomiast metalową lub ceramiczną wartości: R a 0,05 µm, 5 µm. PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań były elementy trące endoprotezy stawu biodrowego (głowy) wykonane z mono- (szafir α-al 2 O 3 ) i polikrystalicznych (cyrkonia ZrO 2 ) materiałów ceramicznych, spełniające wymagania dotyczące endoprotez stawu biodrowego. Struktura geometryczna powierzchni badanych głów endoprotezy stawu biodrowego, otrzymanych w wyniku obróbki końcowej procesu technologicznego wytwarzania, została poddana badaniu na dwóch stanowiskach pomiarowych.
2-2009 T R I B O L O G I A 113 Stanowisko nr 1: Współrzędnościowa Maszyna Pomiarowa WMP Pomiar kształtu wytworzonych głów endoprotezy stawu biodrowego zrealizowano w Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej Politechniki Krakowskiej na WMP PMM 12106 firmy Leitz. Maszyna WMP wyposażona w głowicę pomiarową (ø = 8 mm) umożliwia wykonywanie pomiarów skaningowych wybranych elementów oraz współpracuje z metrologicznym oprogramowaniem Quindos. Pomiar odbywał się w lokalnych układach współrzędnych, których początek znajdował się w środku badanego elementu (głowy). Stanowisko nr 2: Profilometr Badania topografii (chropowatości 3D) powierzchni głów endoprotezy stawu biodrowego przeprowadzono w Laboratorium Mikro- i Nanoinżynierii Politechniki Koszalińskiej na profilometrze CLI2000 za pomocą stykowej głowicy skanującej (ø = 2 µm), a wyniki badań przeanalizowano za pomocą specjalistycznego oprogramowania Mountains Map v.2.0. Pomiar topografii polegał na skanowaniu powierzchni badanych elementów ceramicznych na obszarze 1x1 mm z krokiem 1 µm w kierunku x i y. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Otrzymane w wyniku obróbki końcowej ceramiczne głowy endoprotez stawu biodrowego poddano analizie pod względem dokładności wymiarowo- -kształtowej (błąd kształtu) oraz jakości (chropowatości 3D) powierzchni. Błąd kształtu Przykładowe wyniki pomiaru błędu kształtu we wskazanych płaszczyznach oraz wyznaczone wartości przedstawiono w Tabeli 2. Błąd kształtu dla głów endoprotez wykonanych z mono- (szafir α-al 2 O 3 ) i polikrystalicznych (cyrkonia ZrO 2 ) materiałów ceramicznych był podobny w każdej z płaszczyzn pomiarowych. Najlepszy wynik uzyskano w płaszczyźnie A-A (równik), najgorszy w płaszczyźnie C-C (część głowy najbardziej eksploatowana podczas współpracy z panewką). Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że jedynie w płaszczyznach A-A i B-B spełnione zostały wymagania normy ( 10 µm) dla głów przeznaczonych do współpracy z polietylenową panewką. Dla głów przeznaczonych do współpracy z metalową lub ceramiczną panewką wymagania normy ( 5 µm) nie zostały spełnione w żadnej z płaszczyzn pomiaru.
114 T R I B O L O G I A 2-2009 Tabela 2. Odchyłka okrągłości [µm] Table 2. Departure from roundness [µm] Pomiar Głowa A-A B-B C-C ZrO 2 5.5 7.0 11.7 α-al 2 O 3 5.9 6.8 12.6 Przyczyn powstałych błędów należy poszukiwać zarówno w stanowisku i jego oprzyrządowaniu (m.in. jedno zamocowanie przedmiotu obrabianego bez względu na etap obróbki końcowej) oraz w stanowisku pomiarowym. Topografia chropowatość powierzchni 3D Powierzchnie ceramicznych głów endoprotez po odfiltrowaniu kształtu oceniono, analizując wybrane parametry chropowatości Tabela 3. Parametr R a (podawany w normach) w przypadku zarówno powierzchni głowy monokrystalicznej (α-al 2 O 3 ), jak i polikrystalicznej (ZrO 2 ) spełnia wymagania normy [L. 8] jego wartość nie przekracza 0,05 µm, przy czym niższe wartości odnotowano dla powierzchni głowy monokrystalicznej. Zauważono również, że powierzchnie głowy monokrystalicznej charakteryzowały znacznie (2 razy) niższe wartości parametrów S q i S t, co świadczyło o lepszej jakości tej powierzchni (niezależnie od miejsca pomiaru).
2-2009 T R I B O L O G I A 115 Tabela 3. Parametry chropowatości Table 3. Roughness parameters Głowa ZrO 2 α-al 2 O 3 Pomiar A B C=P A B C=P Parametry amplitudowe R a [µm] 0.038 0.044 0.046 0.033 0.029 0.028 S q [µm] 0.103 0.131 0.155 0.051 0.047 0.043 S t [µm] 1.712 1.964 2.391 0.694 0.669 0.567 S sk [-] -3.29-3.87-2.27-0.08-0.03-0.06 S ku [-] 23.8 27.7 10.7 3.56 3.15 3.30 Parametry przestrzenne S ds [pks/mm 2 ] 75641 72327 68382 81954 79909 79775 S tr [%] 76.6 78.6 83.0 3.70 6.24 15.8 Parametry funkcjonalne S bi [-] 0.408 0.374 0.247 0.296 0.291 0.265 S ci [-] 0.890 0.828 0.730 1.60 1.56 1.49 S vi [-] 0.196 0.206 0.215 0.110 0.119 0.121 Parametry krzywej nośności S pk [µm] 0.0652 0.0659 0.0681 0.0565 0.0551 0.0480 S k [µm] 0.186 0.145 0.186 0.119 0.101 0.102 S vk [µm] 0.279 0.198 0.342 0.058 0.042 0.037 Pozostałe parametry amplitudowe, jak współczynnik skośności (asymetrii) S sk oraz współczynnik skupienia (kurioza) S ku, dają uzupełniającą informację na temat ukształtowania powierzchni badanych elementów trących. Obydwa parametry są wrażliwe na występowanie na powierzchni miejscowych wzniesień czy wgłębień (w tym defektów), co wynika z definicji tych parametrów [L. 5]. Parametr S sk, w przypadku obydwu badanych głów endoprotezy miał wartość ujemną, co świadczyło o płaskowyżowym ukształtowaniu ich powierzchni. Im niższa wartość S sk, tym bardziej spłaszczona powierzchnia i zaokrąglone wierzchołki wzniesień. Wartość parametru S ku ujawniła inne cechy charakteryzujące badane powierzchnie ceramiczne. Wysoka wartość S ku charakteryzuje powierzchnie o stromych nierównościach oraz o występowaniu na tych powierzchniach defektów (Tabela 4 głowa polikrystaliczna). Wartość S ku równa 3 wskazuje na powierzchnie, których rozkład rzędnych jest bliski rozkładowi normalnemu (Tabela 4 głowa monokrystaliczna).
116 T R I B O L O G I A 2-2009 Na rysunkach w Tabeli 4 pokazano również krzywe nośności, a parametry je opisujące (S pk, S k, S vk ) ujęto w Tabeli 3. Zredukowana wysokość wzniesień S pk oraz wysokość chropowatości rdzenia S k nie wykazują znaczących różnic w wartościach, co oznacza, że zarówno powierzchnia głowy monokrystalicznej, jak i polikrystalicznej charakteryzuje porównywalna zdolność zatrzymania cieczy przez wzniesienia i rdzeń. Różnicę zauważono w przypadku zredukowanej głębokości wgłębień S vk dla powierzchni głowy polikrystalicznej jest średnio 5 razy wyższa w porównaniu z powierzchnią głowy monokrystalicznej. Potwierdza to wcześniejsza analiza parametru S ku. Tabela 4. Rozkład rzędnych i krzywa nośności Table 4. Distribution of ordinates and bearing capacity curve Pomiar Głowa A B C ZrO 2 α-al 2 O 3 Parametr przestrzenny S ds (gęstość miejscowych wzniesień) dostarcza informacji na temat nośności powierzchni im większa wartość S ds, tym większy obszar powierzchni nośnej. W przypadku badanych powierzchni odnotowano różnice w zagęszczeniu miejscowych wzniesień największe w punkcie pomiaru A (równik), najmniejsze w punkcie pomiaru C (biegun). Wartość parametru S tr (wskaźnik tekstury powierzchni) ujawnia charakter powierzchni: wartości bliskie 100% charakteryzują powierzchnie
2-2009 T R I B O L O G I A 117 o właściwościach izotropowych, natomiast wartości bliskie 0% powierzchnie o właściwościach anizotropowych. Parametry funkcjonalne: S bi (wskaźnik powierzchni nośnej), S ci (wskaźnik zatrzymania płynu przez rdzeń) oraz S vi (wskaźnik zatrzymania płynu przez wgłębienia) odgrywają ważną rolę w ocenie powierzchni przeznaczonych do współpracy. Wartości wskaźnika S bi są porównywalne dla obydwu badanych powierzchni wyższe w punkcie A (równik), niższe w punkcie C (biegun), co pokrywa się z analizą parametru S ds. Wskaźnik S ci osiągnął wyższe wartości w przypadku powierzchni głowy monokrystalicznej (lepsze warunki zatrzymania środka smarnego), natomiast wskaźnik S vi w przypadku głowy polikrystalicznej (występowanie defektów powierzchni w postaci porów). PODSUMOWANIE Uzasadnione są pomiary i analiza struktury geometrycznej powierzchni ceramicznych elementów trących endoprotezy stawu biodrowego dla oceny procesu technologicznego ich wytwarzania (zwłaszcza obróbki końcowej). Wyznaczenie wielkości błędów kształtu i analiza parametrów chropowatości 3D powierzchni głów endoprotez pozwala na określenie dalszych kroków w doskonaleniu procesu obróbki końcowej elementów ceramicznych, ważnego z punktu widzenia funkcjonalności implantów. Odpowiednio dobrana kinematyka oraz parametry obróbki umożliwia otrzymanie wysokiej jakości (niska chropowatość) powierzchni oraz wymaganej dokładności wymiarowo-kształtowej (błąd kształtu), co jest bez wątpienia ważne, zwłaszcza w przypadku materiałów stosowanych w technice medycznej na implanty stawów. Istnieje ścisła zależność między charakterystyką materiałów, technologią ich kształtowania oraz właściwościami użytkowymi (funkcjonalnością) wytworzonych elementów. LITERATURA 1. Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002. 2. Jakubiec W., Malinowski J.: Metrologia wielkości geometrycznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996.
118 T R I B O L O G I A 2-2009 3. Nałęcz M. (red.): Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004. 4. Niemczewska M.: Kształtowanie powierzchni elementów endoprotez wykonanych z materiałów ceramicznych. Praca doktorska, Kraków 2006. 5. Pawlus P.: Topografia powierzchni pomiar, analiza, oddziaływanie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2006. 6. Sokhan S.: Self-regulation of Abrasive Finishing Details of the Spherical Shape. Jornal of ISM Superhard materials 6(2002). 7. Stout K.J., Blunt L.: Three Dimensional Surface Topography. Penton Press, London 2000. 8. ASTM F2033-05: Standard Specification for Total Hip Prosthesis and Hip Endoprosthesis Bearing Surfaces Made of Metalic, Ceramic and Polymeric Materials, 2008. 9. ISO 4287: Surface Roughness Terminology. Surface and its Parameters, 1984. Recenzent: Witold PIEKOSZEWSKI Summary The paper presents the rules of forming the surface geometrical structure for endoprosthesis elements (femoral head) made of monoand polycrystalline ceramic materials. The requirements for biomaterials and elements of hip joint endoprosthesis were described. The surface geometrical structure research (shape deviations and roughness) was discussed. The results of shape deviations (departure from roundness) and surface roughness measurements were analysed. On the basis of the analysis, conclusions on the manufacturing process of the head of hip joint endoprosthesis were drawn.