Full Text

Введение В настоящее время серьезной проблемой для ортопедов является небольшой срок службы протезов коленного сустава. Тотальная артропластика коленного сустава зачастую приводит к нестабильности протеза из-за неправильной фиксации и износу, возникающему вследствие трения между бедренным компонентом протеза и большеберцовой вставкой. В данном исследовании изучению нестабильности и износу уделено большое внимание. Правильная фиксация коленного протеза возможна с помощью создания персонифицированной модели на основе медицинских изображений колена пациента, полученных с помощью компьютерной / магнитно-резонансной томографии [5, 6]. Еще одна причина деградации протеза коленного сустава обусловлена попаданием продуктов износа полиэтиленового вкладыша в окружающую ткань. Образование продуктов износа зависит от множества факторов, таких как путь трения, контактное давление, смазка, шероховатость поверхности контакта и коэффициент трения между контактирующими компонентами. Коэффициент трения для различных биоматериалов, находящихся в сопряжении, может варьироваться от 0,05 до 0,16. В одном из исследований, которое было в дальнейшем доработано, Ti6Al4V был менее долговечен по сравнению со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом [3]. Среднее время эксплуатации сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности составляет 7 лет 9 месяцев при линейном износе 3,8 мкм/год. Для того чтобы снизить скорость износа и увеличить срок службы протеза, были предложены альтернативные материалы. В 1990-х годах полиэфирэфиркетон и его композиты из углеродного волокна стали использоваться для полной замены коленного сустава [1]. Похожее исследование было проведено с комбинацией сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности и углеродного волокна, в результате чего трибологические характеристики улучшились, но ухудшилась биосовместимость [8]. Таким образом, материал, выбранный для операции по полной замене коленного сустава, должен демонстрировать хорошую износостойкость, а также биосовместимость. Полиэфирэфиркетон обладает лучшими механическими свойствами и биосовместимостью с окружающей тканью и больше всего подходит для применения в ортопедии [10]. Скорость износа можно снизить нанесением смазки. Голень и бедренный сустав заключены в синовиальную жидкость, действующую как смазка. Авторами изучены характеристики износа при смазывании трех основных компонентов протеза синовиальной жидкостью [11]. Также исследованы различные концентрации HSA, IgG и DPPC внутри смазки. Проведенное исследование показало возможность разработки смазочных материалов для уменьшения износа протеза. Интенсивность износа можно определить с помощью экспериментальной установки в соответствии со стандартами ASTM. С целью оценки интенсивности износа биополимеров, предназначенных для тотальной артропластики коленного сустава, было проведено несколько исследований. Испытание на износ штифта на диске использовалось в течение многих лет для оценки характеристик износа [12]. Благодаря этому сделан вывод, что скорость износа увеличивается с увеличением контактного давления в смазочной среде. В качестве статистического метода, используемого для прогнозирования скорости износа, выбрано уравнение регрессии. В нем параметры, используемые для прогнозирования скорости износа, могут включать контактное давление, скорость скольжения и продолжительность испытания [2, 4, 7]. Для установления связи между заданными и рассчитываемыми параметрами композитов может быть выполнен дисперсионный анализ с использованием линейного регрессионного анализа [9]. Материалы и методы Исследование характеристик износа полиэфирэфиркетона подразделяется на несколько этапов: получение и описание биоматериала; оценка трибологического поведения полиэфирэфиркетона на испытательной машине по схеме «штифт - диск»; разработка уравнения регрессии с использованием дисперсионного анализа. Подготовка образцов Аддитивное производство Аддитивное производство также называют быстрым прототипированием или 3D-печатью. Процесс получения детали при помощи аддитивных технологий подразумевает послойное добавление материала к детали. В этой технике нет потерь материала по сравнению с традиционными технологиями изготовления. Данное исследование в основном сосредоточено на создании персонифицированных протезов коленного сустава, которые производятся по данным магнитно-резонансной томографии из материала Ti6A14V, температура плавления которого составляет 1604-1660 °C. Такие протезы невозможно получить с помощью традиционных методов изготовления. Данные магнитно-резонансной томографии определенного пациента могут быть преобразованы в трехмерную модель колена с помощью медицинского программного обеспечения для обработки изображений, создающего файлы с расширением stl. Материал для послойного создания детали может находиться в жидкой, порошкообразной или твердой форме. В данном исследовании материал для печати Ti6A14V взят в виде порошка. Наиболее распространенным способом изготовления деталей из металлических порошков является прямое лазерное спекание металла. Это также технология аддитивного производства, в которой в качестве источника энергии используется лазер для спекания порошкообразного материала с целью формирования желаемой трехмерной формы. На рис. 1 показано формирование слоев трехмерной модели путем вращения зеркала. Весь процесс выполняется в закрытой камере, которая заполнена газообразным азотом, чтобы минимизировать окисление. К строительным материалам, предназначенным для получения модели данным способом, относят нержавеющую сталь, титановые сплавы и кобальт-хромовые сплавы. Рис. 1. Прямое лазерное спекание металлов Наиболее распространенными биоматериалами, которые используются для полной замены коленного сустава, являются Ti6A14V и CoCrMo. В текущем исследовании порошок Ti6Al4V состоит на 90% из титана, на 6% из алюминия и на 4% из ванадия. Образцы изготавливаются внутри формы диаметром 30 мм и толщиной 10 мм. Свойства биоматериала Ti6Al4V приведены в табл. 1. Таблица 1 Свойства биоматериалов Свойства материала Ti6Al4V Полиэфирэфиркетон Модуль упругости (ГПа) 113 3,6 Коэффициент Пуассона 0,34 0,37 Предел прочности (МПа) 950 97 Плотность (кг/м3) 4430 1320 Температура плавления (ºC) 1600 340 Абразивно-струйная обработка Как правило, обработка поверхности образца может быть выполнена традиционными методами. После печати модели по технологии прямого лазерного спекания могут возникнуть изменения состава поверхности, а также биосовместимости эндопротеза. Чтобы преодолеть этот недостаток, поверхность шлифуется с помощью абразивно-струйной обработки (рис. 2). Абразивные частицы, такие как твердая керамика, направляются на материал протеза под высоким давлением. В результате их действия с поверхности протеза удаляются загрязнения и шероховатости. Шероховатость поверхности образцов установлена в соответствии со стандартами испытаний ASTM G75 и требуемым значением Ra протеза. Благодаря биосовместимости и химической стабильности в качестве абразивных частиц выбраны оксид алюминия, диоксид титана или гидроксиапатит. а б Рис. 2. Образцы из Ti6Al4V до (а) и после (б) абразивно-струйной обработки Постановка эксперимента Протез, который используется в тотальной артропластике коленного сустава, состоит из бедренного компонента, большеберцового компонента и вставки между ними, которые изготовлены из сплава CoCr, сплава титана и сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности соответственно. Бедренный и большеберцовый компоненты жестко закреплены к кости, тогда как вставка прикреплена к большеберцовому компоненту. Вход компонентов в зацепление друг с другом приводит к износу и дальнейшей деградации конструкции. Срок службы протеза может быть увеличен заменой полиэтилена другим биополимером. а б Рис. 3. Образцы из полиэфирэфиркетона (а) и его химическая структура (б) Эксперименты по поиску более износостойкого материала проводятся на машине для испытаний на трение и износ. С целью исследования характеристик износа в данном исследовании сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности заменяется полиэфирэфиркетоном, свойства которого приведены в табл. 1. В трибометрическом испытании по схеме «штифт-диск» образцы полиэфирэфиркетона (8 × 8 × 32 мм3), показанные на рис. 3, удерживаются неподвижно, в то время как диск диаметром 30 мм и толщиной 10 мм циклично вращается (рис. 4). Рис 4. Трибометр для испытания с геометрией контакта «штифт-диск» С целью оптимизации трибологических характеристик полиэфирэфиркетона авторами проведено 27 экспериментов по методу Тагути с использованием матрицы L9. Эксперименты выполнены в сухом помещении на приборах DUCOM. Для того чтобы изучить влияние нормальной нагрузки на трибологическое поведение полиэфирэфиркетона, были рассмотрены три значения нормальной нагрузки: 20, 40 и 60 Н. По окончании каждого теста измерялся начальный и конечный вес каждого образца. Значения интенсивности износа и трения фиксировались в течение всего испытания. Результаты и обсуждение Износ и трение Одним из приоритетных направлений ортопедических исследований является повышение износостойкости полиэтиленовой вставки. Главной причиной деградации протеза остается образование частиц полиэтилена в результате его износа, которые разрушают костную ткань, и это впоследствии приводит к повторной операции на коленном суставе. В данном исследовании рассмотрен износ вставки из полиэфирэфиркетона при различных нагрузках и скоростях вращения диска трибометра. Результаты отражены в табл. 2. Интенсивность износа рассчитывалась как изменение веса образца до и после испытания (∇V). Значение коэффициента трения зависит от величины нагружения, как показано на рис. 5. Интенсивность износа , где - изменение объема, мм3; W - нормальная нагрузка, Н; L - путь трения, м. Таблица 2 Ортогональная матрица L9. Интенсивность износа № Нагрузка (кг) Скорость (м/с) Потеря объема Интенсивность износа 1 20 1 0,151515152 2 40 1 0,151515152 3 60 1 0,454545455 4 20 2 0,227272727 5 40 2 0,227272727 6 60 2 0,227272727 7 20 3 0,303030303 8 40 3 0,378787879 9 60 3 0,378787879 а б Рис. 5. Зависимость интенсивности износа (а) и коэффициента трения (б) от времени и величины нагружения Характеристика образцов Авторами статьи проведено исследование фазового состава Ti6Al4V и полиэфирэфиркетона при помощи комбинации методов рентгеновской порошковой дифракции и электронной микроскопии. На рис. 6 представлены типичные микрофотографии для поверхностей с низкой и высокой интенсивностью износа. а б Рис. 6. Изображение образца полиэфирэфиркетона с низкой (а) и высокой интенсивностью износа (б) Регрессионный анализ Регрессионный анализ представляет собой набор статистических методов исследования влияния одной или нескольких независимых переменных на зависимую переменную. Максимальная нормальная нагрузка на трибометре, который использовался для проведения испытания на износ, ограничена 200 Н, а скорость вращения диска 2000 об/мин. Оценка скорости износа за пределами этого диапазона возможна с помощью уравнения регрессии, полученного из дисперсионного анализа: Интенсивность износа = 0,000067 + 0,000004 × нормальная нагрузка + 0,000067 × × скорость вращения. Заключение Целью данного исследования является изучение трибологических свойств полиэфирэфиркетона, используемого при полной замене коленного сустава. С этой целью был проведен ряд испытаний на износ по методу «штифт-диск». Исследовано влияние нормальной нагрузки и скорости вращения диска трибометра на трибологические свойства биополимера. Увеличение значения нормальной нагрузки приводит к увеличению скорости износа полиэфирэфиркетона. Для установления связи между износом и рабочими параметрами использовалось уравнение линейной регрессии. Это уравнение можно использовать для прогнозирования скорости износа полимера при различных условиях эксплуатации. Данное исследование может быть в дальнейшем расширено рассмотрением способов модификации поверхности вставки из полиэфирэфиркетона с целью улучшения ее износостойкости. Усовершенствование поверхности может осуществляться путем изменения ее шероховатости без изменения экстенсивных свойств материала с использованием холодной плазмы.

About the authors

S. Y Kumar

K. V.S Rajeswara Rao

S. R Yalamalle

References

Statistics

Views

Abstract - 39

PDF (Russian) - 24

Refbacks

• There are currently no refbacks.