Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów

Obróbka Plastyczna Metali Vol. XXIII Nr 3 (2012) Zagadnienia róŝne Prof. dr hab. inŝ. Monika GIERZYŃSKA-DOLNA, dr inŝ. Marcin LIJEWSKI Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: marcin.lijewski@inop.poznan.pl Streszczenie Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów Tests of tribological properties of biomaterials and implants 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 specjalnym symulatorze. Wyznaczono wpływ obciąŝenia i rodzaju materiałów na współczynnik tarcia i zuŝycia. Badania 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 implants was emphasised. The results of tribological tests of intervertebral disk spinal implants, 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 indicated. 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, stomatologia, kardiochirurgia, laryngologia, okulistyka itd. Stosowanie róŝnego rodzaju implantów czyli tzw. organów zastępczych takich 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 diagnosing and treating diseases, has generated an increase in demand for various types of implants. Certain branches of medicine are related to this, such as: orthopedics, traumatology, stomatology, heart surgery, laryngology, 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 implants have become a challenge for modern civilization.

182 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski Aby implant spełniał właściwie swoją funkcję musi posiadać odpowiednią konstrukcję oraz musi być wykonany z odpowiedniego biomateriału. Stąd teŝ niezaleŝnie od postępu prac w zakresie konstrukcji implantów, prowadzone są intensywne badania nad doskonaleniem składu chemicznego i właściwości biomateriałów. W definicji własności biomateriałów, podawanych 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 stosowanych na implanty badania koncentrują się ostatnio na poszukiwaniu materiałów o niskim module Younga zbliŝonym do modułu spręŝystości 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 = E m /E k. For an implant to correctly serve its function, 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 searching 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 = E m /E k index. Rys. 1. Moduły spręŝystości materiałów stosowanych na endoprotezy Fig. 1. Elasticity moduli of materials used for endoprostheses

Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów 183 Istotną własnością biomateriałów metalowych jest takŝe odporność na zuŝycie oraz wytrzymałość zmęczeniowa. Własności te decydują 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 badaniom tribologicznym zarówno biomateriałów jak teŝ implantów [2 5]. 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 organism) but also determine many negative processes that may be caused by wear products. Thus, for many years, much attention has been devoted to tribological tests of biomaterials as well as implants [2 5]. 2. RODZAJE IMPLANTÓW W KTÓ- RYCH WYSTĘPUJĄ PROCESY TAR- CIA I ZUśYCIA Do grupy implantów stosowanych w układzie kostno-szkieletowym człowieka, w których istotną rolę odgrywają procesy tribologiczne naleŝą: endoprotezy stawu biodrowego a zwłaszcza układ ruchowy głowa panewka, endoprotezy stawu kolanowego: układ płoza wkładka polietylenowa, endoprotezy stawów: barkowego, łokciowego, skokowego, implanty krąŝka międzykręgowego kręgosłupa, implanty zębowe. W grupie elementów naraŝonych na intensywne zuŝycie wymienić naleŝy takŝe instrumentarium chirurgiczne. Elementy trące występujące w implantach pracują w specyficznych warunkach róŝniących się zasadniczo od warunków pracy węzłów trących maszyn. Do specyficznych warunków charakteryzujących węzły trące występujące w układach ruchowych implantów takich jak np: endoprotezy stawów moŝna zaliczyć: brak substancji smarującej, mała prędkość ruchu, stosunkowo duŝe obciąŝenie, cykliczne działanie obciąŝenie, powodujące zuŝycie cierno-zmęczeniowe, złoŝony rodzaj ruchu (np. implantów kręgosłupa). 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 - polyethylene 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 specific conditions that substantially differ from the work conditions of friction pairs in machines. 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 implants).

184 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski Pomimo duŝego postępu prac dotyczących doboru materiałów na węzły ruchowe endoprotez dotychczas nie udało się uzyskać w stosowanych rozwiązaniach konstrukcyjno-materiałowych tak niskich oporów tarcia, jakie występują w naturalnych stawach człowieka. Współczynnik 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 występujący w endoprotezach stawu biodrowego zawarty 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 biomateriałów 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 dotyczące endoprotez stawu biodrowego. Jednocześnie rosnące z kaŝdym rokiem zapotrzebowanie na ten typ implantów, inspiruje ośrodki naukowo-badawcze i producentów do ciągłego doskonalenia ich jakości, a zwłaszcza: wydłuŝenia czasu bezpiecznego uŝytkowania w organizmie człowieka poprzez zwiększenie 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 biodrowego to w okresie ostatnich 60 lat nastąpił wyraźny postęp zarówno w zakresie rozwiązań konstrukcyjnych układu ruchowego głowa panewka, jak teŝ doboru materiałów na elementy 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 human joints. The friction coefficient in the hip joint of a healthy human is equal to µ = 0.001 0.003 [6]. Such low friction resistance 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 endoprostheses of the hip joint is within the range of µ = 0.1 0.2 [3, 4, 5, 7, 8], and so, is many times greater than the friction coefficient of natural biological bearings. Thus, work is still being performed to search for optimal biomaterials for the friction elements of implants. 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 endoprostheses is concentrated on this friction pair. At the same time, demand for this type of implants increases with each year, inspiring research and development centers and manufacturers to constantly perfect the quality of implants, 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 minimum, improve the function of endoprostheses by lowering the rigidity of the stem head acetabulum" system, perfect the method of affixing endoprostheses stems. Significant advances in head acetabulum design solutions of hip joint prostheses as well as in the selection of materials for friction elements took place within the period of the last 60 years (fig. 2).

Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów 185 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 elementy pozwalające na uzyskanie niskich oporów tarcia, w kolejnych latach były zastępowane przez nowe materiały. Nowe rozwiązania to: panewka i głowa ceramiczna (Al 2 O 3 ) lub teŝ panewki metalowe wykonane ze stopu CoCr- Mo. Zatem parę trącą typu metal polietylen zastąpiono kolejno przez parę trącą typu ceramika ceramika i w ostatnich latach wprowadzany układ metal metal. Na rysunku 2 pokazano schemat ilustrujący ewolucję w rozwiązaniach głowa panewka endoprotez stawu biodrowego. Zastępowanie panewek polietylenowych cechujących się dobrymi właściwościami ślizgowymi, ale małą odpornością na zuŝycie, przez głowy i panewki ceramiczne czy teŝ metalowe miało na celu głównie zmniejszenie ilości produktów zuŝycia. Rozwiązanie to powoduje jednak znaczne zwiększenie sztywności 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 polietylenu. Nowe endoprotezy stawu biodrowego i kolanowego oferowane miedzy innymi przez firmę Biomet posiadają elementy ślizgowe wykonane z polietylenu o podwyŝszonej odporności 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 (Al 2 O 3 ) or metal acetabuli made from CoCrMo alloy. And so, the "metal polyethylene" friction pair was replaced by a "ceramic ceramic" type friction pair, and in recent years, the "metal metal pair was implemented. 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 system, especially when a ceramic head and acetabulum are used. Independently of the introduction of ceramic or metal acetabuli, further work is being performed to improve the quality of polyethylene acetabuli, and especially, to increase the wear resistance of polyethylene. New hip and knee joint endoprostheses offered by the Biomet company, among others, have sliding elements made from polyethylene with heightened wear resistance, called E poly with vitamin E.

186 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski Znacznie trudniej jest modyfikować węzeł trący w endoprotezach stawu kolanowego. Jakkolwiek 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 kręgosłupa inspiruje firmy do poszukiwania optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych. Istnieje wiele typów implantów krąŝka międzykręgowego kręgosłupa, które moŝna podzielić (sklasyfikować) wg róŝnych kryteriów, 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 friction pair in knee joint endoprostheses. Inasmuch as significant advances have been made in the design solution of knee joint endoprostheses, 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 intervertebral disk. The increasing amount of persons with spinal afflictions inspires companies to search for optimal design and material solutions. 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]. Według cech konstrukcyjnych According to design qualities Według rodzaju materiału pary trącej Kryterium klasyfikacji / Classification criterion dwuelementowe two-element trójelementowe three-element CoCrMo - CoCrMo CoCrMo - UHMWPE - CoCrMo wieloelementowe poly-element CoCrMo CoCrMo - UHMWPE According to friction pair materials Me - Me Me PE Me Me Me PE Me Przykładowe nazwy firmowe implantów Maverick Prestige Charite II i III Prodisc Mobidisc Mobi L Exemplary brand names of implants Rys. 3. Propozycja podziału implantów krąŝka miedzykręgowego kręgosłupa Fig. 3. Proposal for classification of spinal implants of intervertebral disks

Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów 187 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 niskotarciowego (ślizgowego). Nowe rozwiązania to implanty dwuczęściowe (bez wkładki polietylenowej) wykonane ze stopu CoCrMo. Z uwagi na materiały pary trącej moŝna tu wyróŝnić następujące zestawy materiałów: metal polietylen metal (implant 3 częściowy), metal metal (implanty dwuczęściowe). 3. CEL BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH BIOMATERIAŁÓW I IMPLANTÓW. RODZAJE STANOWISK BADAW- CZYCH Stanowiska stosowane do badań tribologicznych 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 biomateriałów. Badania te są zwykle prowadzone na typowych, znormalizowanych stanowiskach typu pin on disc (układ trzpień tarcza) i mogą być stosowane do wstępnych badań porównawczych materiałów. Stanowiska te nie modelują 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 kinematykę 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 implant consists of two metal parts (upper and lower rings) and a polyethylene insert, fulfilling 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 distinguished: metal polyethylene metal (3 part implant), 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 biomaterials, stations (simulators) for friction and wear tests of implants. There is a relatively low amount of publications regarding tribological studies of biomaterials. These studies are usually conducted on typical, standardized stations of pin on disk type and may be used for initial comparative 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 implants conducted on simulators are: determining friction resistance in the studied friction pair of the implant for various material pairs,

188 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski wyznaczenie intensywności zuŝycia badanych elementów pary trącej (np. głowy i panewki), zbieranie i badanie powstających produktów zuŝycia (ich ilości, wymiarów, składu chemicznego), badanie innych procesów destrukcyjnych takich jak: biokorozja, zmęczenie materiałów, 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 rzeczywistych implantów (np. endoprotezach stawu, implantach kręgosłupa itd.) przed ich wprowadzeniem do praktyki medycznej. Wyniki tych badań dostarczają wielu cennych informacji zarówno dla konstruktorów jak i dla lekarzy. W Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu zaprojektowano i wykonano kilka symulatorów do badań tribologicznych implantów. Są to: symulatory do badań endoprotez stawu biodrowego wykonane w dwóch wersjach mocowania endoprotez, symulator do badań endoprotez stawu kolanowego, 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, chemical 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 endoprostheses, a simulator for testing knee joint endoprostheses, 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

Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów 189 KaŜdy z tych symulatorów posiada układ automatycznej rejestracji badanych parametrów. Widok symulatora do badań implantów krąŝka międzykręgowego kręgosłupa pokazano na rysunku 4a, a natomiast na rysunku 4b pokazano symulator do badań endoprotez stawu biodrowego. 4. BADANIA TARCIOWO-ZUśYCIOWE IMPLANTÓW KRĄśKA MIĘDZY- KRĘGOWEGO KRĘGOSŁUPA. MA- TERIAŁ I METODY BADAŃ Badaniom tribologicznym endoprotez stawu 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 nowych rozwiązań konstrukcyjnych tych implantów. Badania tribologiczne implantów krąŝka międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego, prowadzone na symulatorze mają na celu: wyznaczenie wpływu obciąŝenia (siły ściskającej) 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 wysokocząsteczkowego o nazwie Chirulen. Obejmy metalowe wykonano z trzech rodzajów 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 symulatorze. 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 tribological tests of hip joint endoprostheses, including works realized at Metal Forming Institute in Poznań. Metal Forming Institute has recently realized expansive tribological tests of spinal implants 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 (compressive force) and materials used for the friction pair on friction resistance in the implant, determining the wear of friction pair elements as a function of the number of cycles, studying changes in the coarseness of the surfaces of cooperating implant elements as a function of the number of cycles, studying wear products. A 3-part implant, called Chirulen, consisting 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.

190 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski d) Rys. 5. Fotografia implantu krąŝka międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego: a) obejma górna, b) wkładka metalowa, c) wkładka z UHMWPE, d) badany implant Gat. stali Steel grade 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 Skład chemiczny w % Chemical composition in % 316L C N Si Mo Cr Mn Fe Ni Średnia % Average % Twardość Hardness 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 Średnia % Average % Twardość Hardness 0,04 0,16 0,2 5,5 27,6 0,7 0,22 65,38 391 Ti6Al4V C N Al. Ti V Fe Średnia % Average % Twardość Hardness 0,01 0,01 5,7 90,13 3,9 0,13 294 Parametry badań Badania tarciowo-zuŝyciowe na symulatorze 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 sąsiadujących kręgów), kąt skręcania ±3,5 deg (zakres ruchu obrotowego 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 obciąŝającej i momentu tarcia w funkcji czasu. Zmiany przebiegu siły w funkcji czasu modelują obciąŝenie układu kostno-stawowego człowieka występującego w czasie chodu (lokomocji). Testing parameters Wear and friction tests on the spine simulator were conducted with the following parameters: 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 human 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 skeletoarticular system of the human body during locomotion.

Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów 191 1600 siła docisku moment tarcia 4 1400 3 Siła docisku [N] 1200 1000 800 600 2 1 0 Moment tarcia [Nm] 400 200-1 0 00:06,4 00:06,9 00:07,4 00:07,9 00:08,4 Rys. 6. Zmiany siły i momentu tarcia w funkcji czasu Fig. 6. Changes in force and friction moment as a function of time Czas [s] -2 Współczynnik tarcia µ 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 P1=1500N P2=2500N 0 0 0,25 0,5 0,75 1 Liczba cykli [mln] 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 kręgosłupa 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 powoduje prawie 3-krotny wzrost współczynnika tarcia. Wpływ rodzaju materiałów na wartość współczynnika tarcia dla implantów badanych przy obciąŝeniu Psc = 1500 N ilustruje przykładowo rysunek 8. The influence of loading force on the spinal implant on the value of the friction coefficient 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 measurements, 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 figure 8.

192 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski 0,14 1500N 316L Ti6Al4V Współczynnik tarcia µ 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 CoCrMo 0,02 0 0 0,25 0,5 0,75 1 Liczba cykli [mln] 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 badanych skojarzeń materiałowych. Wpływ rodzaju materiału z którego wykonano 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 istotne 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 wykonanego 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 significant influence on the value of friction resistance, 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 polyethylene pair is present when the metal element has greater hardness. This can be explained 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 significance. The mechanical stability of the system worsens with the advancing process of wear of the polyethylene element, which is a socalled 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.

Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów 193 a) 9,8039 9,8038 Wysokość cykli [mm] 9,8037 9,8036 9,8035 9,8034 9,8033 9,8032 9,8031 0 250 500 750 1000 Liczba cykli [mln] b) 0,00025 0,0002 Upper Obejma ring górna Insert Wkładka Lower Obejma ring dolna Masa [g] 0,00015 0,0001 0,00005 0 0 0,25 0,5 0,75 1 Number Liczba of cykli cycles [mln] /in miloions/ 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 chropowatości 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 polyethylene nucleus pulposis is subjected to smoothening 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.

194 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski a) R a 3,5 3 Wkładka PE UHMWPE /2500N 316L Ti6Al4V CoCrMo b) Ra [µm] Ra [µm] Ra 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,25 0,5 0,75 1 Liczba cykli /mln/ Liczba cykli [mln] Element metalowy górny /2500N 316L Ti6Al4V CoCrMo 0 0 0,25 0,5 0,75 1 Liczba cykli /mln/ Liczba cykli [mln] 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 chropowatości powierzchni wkładki polietylenowej. Widocznym objawem postępującego procesu zuŝycia elementów implantu są takŝe zmiany topografii powierzchni. Na rysunku 11 pokazano przykładowe topografie powierzchni obejmy metalowej implantu krąŝka międzykręgowego 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 wykruszeniu, 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 exemplary 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.

Badania tribologicznych właściwości biomateriałów i implantów 195 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 okołowszczepowym, bądź teŝ przemieszczać się w organizmie człowieka powodując wiele ujemnych skutków. Stąd teŝ jednym z waŝnych celów badań tribologicznych jest ocena ilości i składu chemicznego powstających produktów zuŝycia. 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. WNIOSKI 6. CONCLUSIONS 1. Opory tarcia występujące w elementach trących implantów takich jak: endoprotezy stawów czy teŝ implanty krąŝka międzykręgowego kręgosłupa są wielokrotnie wyŝsze od oporów tarcia występujących w naturalnych biołoŝyskach. 2. Dalszy postęp w stosowaniu implantów z węzłami trącymi jest uwarunkowany postępem pracy w zakresie doboru optymalnych materiałów na elementy trące. 1. Friction resistance in friction elements in implants such as: articular endoprostheses 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 advances in work in the scope of selection of optimal materials for friction elements.

196 M. Gierzyńska-Dolna, M. Lijewski 3. Polietylen, pomimo wielu wad jest w dalszym 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 wprowadzeniem nowych gatunków polietylenu o podwyŝszonej odporności na zuŝycie. 4. Badania tarciowo-zuŝyciowe prowadzone na symulatorach dostarczają wielu cennych informacji zarówno o mechanizmie zuŝycia jak teŝ o odporności na zuŝycie współpracujących materiałów. 5. Bardzo duŝe znaczenie mają badania produktów zuŝycia występujących w węźle trącym 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 tribologicznym. 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 simulators give much valuable information on wear mechanisms as well as on wear of cooperating materials. 5. Tests of wear products present in the implant friction pair are of great significance. This work is realized within the framework of research project No. NN507 479 537 Badania i ocena funkcjonalności implantów kręgosłupa w aspekcie materiałowym i tribologicznym. 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 nonconventional 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 konstrukcji 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 kręgosłupa 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. [14] Zigler J.: Lumbar spin arthoplasty using the ProDisc II. The Spine Journal 2004 (2) pp. 260-267.