The evaluation of the abrasive wear of the Ti13Nb13Zr alloy implanted by nitrogen ions for friction components of the hip joint endoprostheses

Z uwagi na potrzeby społeczne, a zwłaszcza rosnące zapotrzebowanie na endoprotezy stawów biodrowego i kolanowego oraz uwzględniając fakt, że procesy tribologiczne odgrywają wiodącą rolę w procesie utraty stabilności endoprotez ortopedycznych i decydują o ich trwałości, uznano za celowe przeprowadzenie oceny wpływu implantacji jonowej na zużycie ścierne biostopu Ti13Nb13Zr. Do badań wykorzystano pary trące: nieimplantowany stop Ti13Nb13Zr/PEUHMW oraz implantowany jonami N+ stop Ti13Nb13Zr/PE-UHMW. Autorzy zastosowali implantację jonów N+ do stopu Ti13Nb13Zr w celu poprawy jego własności tribologicznych. Testy tribologiczne badanej pary trącej przeprowadzono z wykorzystaniem tribometru PT-3. W artykule przedstawiono wyniki badań chropowatości i falistości powierzchni badanych biomateriałów oraz ich obserwacje z wykorzystaniem mikroskopu świetlnego (LM). Określono również wpływ implantacji jonowej badanego stopu Ti na intensywność jego zużycia pod kątem jego praktycznego zastosowania na pary trące w endoprotezie stawu biodrowego. Analiza wyników wskazała, że przy zadanych parametrach procesu implantacji jonowej implantowane próbki zużywają się znacznie wolniej niż próbki nieimplantowane.Due to social needs, and especially the growing demand for the hip and knee prostheses and taking into account the fact that the tribological processes play a leading role in the loss of the stability of orthopaedic prostheses and determines their durability, it was considered to be important to assess the impact of the ion implantation on the abrasive wear of Ti13Nb13Zr bio-alloy. For the study, the following friction pairs were used: not implanted Ti13Nb13Zr alloy/PE-UHMW, and Ti13Nb13Zr alloy/PE-UHMW implanted with N+ ions. For the tribological tests, a Ti13Nb13Zr alloy was selected for several reasons: It contains no potentially toxic elements; it has a Young's modulus that is similar to the modulus of bone, with good mechanical properties and a medical certificate for use. The preliminary tribological tests of the Ti alloy carried out earlier by the authors revealed its low resistance to abrasive wear. Therefore, the authors applied the ion implantation of N+ ions to Ti13Nb13Zr alloy in order to improve its tribological properties. The tribological tests of the friction pairs were carried out by means of a PT-3 tribometer. In the article, the tests results of the roughness and waviness and the observations of friction surfaces of the tested biomaterials carried out by means of the light microscope (LM) were presented. The impact of the ion implantation of the investigated Ti alloy on its wear intensity in the aspect of its practical use on friction pairs in the hip replacement was also determined. The result analysis indicated that, for the assumed parameters of the ion implantation process, the implanted samples wear out much more slowly than the non-implanted samples

Comparison of the abrasion resistance of the selected biomaterials for friction components in orthopedic endoprostheses

Rosnące z każdym rokiem zapotrzebowanie na endoprotezy stawów ortopedycznych przy jednoczesnym dążeniu do zwiększenia ich trwałości i wyeliminowania negatywnych skutków ubocznych produktów zużycia, które mogą wywoływać proces zapalny w tkankach determinuje potrzebę poszukiwania nowych biomateriałów bądź metody modyfikacji ich powierzchni. Nadrzędnym celem prowadzonych przez nas badań było oszacowanie intensywności zużycia ściernego biomateriałów obecnie stosowanych na pary trące w endoprotezach ortopedycznych oraz nowego stopu tytanu Ti13Nb13Zr w aspekcie zastosowania go na elementy trące endoprotez. Do badań użyto czterech biomateriałów metalicznych: stopu Ti13Nb13Zr, stali nierdzewnej 316 LVM, stopu CoCrMo oraz stopu Ti6Al4V. Materiałem przeciwpróbki był polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (PE-UHMW). Oceny odporności na zużycie ścierne badanych biomateriałów dokonano na podstawie wyznaczania wartości współczynnika tarcia dla konkretnej pary trącej, zmierzenia profili chropowatości powierzchni oraz obserwacji mikroskopowych (LM).The demand for orthopaedic joint prosthesis is growing each year. Simultaneously striving to increase their durability and eliminate negative effects of wear products that can cause inflammation in the tissues determines the need to search for new biomaterials or methods for the modification their surfaces. The overall objective of our research was to estimate the intensity of abrasive wear in currently used biomaterials on the friction pairs in orthopaedic endoprosthesis and the intensity of abrasive wear of a new titanium alloy (Ti13Nb13Zr) in the aspect of its practical use on the friction pairs in orthopaedic prostheses. For the research purposes, the following four metallic biomaterials were used: Ti13Nb13Zr alloy, 316 LVM stainless steel, CoCrMo alloy, and Ti6Al4V alloy. The counter samples in each of the friction pairs were made from ultra-high molecular weight polyethylene (PE-UHMW). It is important to tribological tests on the samples of friction pairs and then on the elements of endoprostheses. Evaluation of the abrasive wear resistance of the tested biomaterials was based on the determination of the friction coefficient for the particular friction pair and the measurement of the profiles of the surface roughness and optical microscopy observations by means of a light microscopy (LM). The analysis of the research results shows that the Ti13Nb13Zr alloy has relatively good tribological properties and allows for obtaining a low frictional resistance in the friction pair with PE-UHMW. Furthermore, considering the favourable mechanical properties of the tested Ti13Nb13Zr alloy and its high biocompatibility with the human body, it seems to be the very perspective biomaterial for use for the longterm implants. The desire to improve its durability in the researched biotribological system leads to searching for methods for the modification its surface

Analiza wpływu rozkładu naprężeń na profil zużycia w smarowanym styku ślizgowym UHMW-PE ze stopem tytanu Ti-13Nb-13Zr

Metal – polymer sliding contacts are a typical combination in industry and medicine. For decades such a set of materials has been the primary choice in human joints endoprosthetic technology. In this paper tribological issues of are presented from a research on the potential for practical use of Ti-13Nb-13Zr/UHMW-PE couple for orthopedic endoprosthesis. In tests on simplified models it is critically important to carefully select geometry of contact, load and velocity magnitudes and profiles to the later interpretation of results. In case of organic polymers interacting with metallic components the problem is even more prominent, than in the case of all metal systems because of great differences in the modulus of elasticity between the specimens in contact. High local loading can cause excessive heat generation and accelerated loss in polymer’s strength induced by thermal plastification. The process may not be manifested in the course of the experiment in any way detectable and might compromise the accuracy of wear measurement. In the case of the presented research an analysis has been performed to evaluate the observed wear profile of UHMW-PE with respect to non-uniform distribution of contact stress. A simulation was run with the use of FEM to evaluate the contact conditions between the titanium alloy and UHMW-PE specimens and the results were confronted with the wear profiles. Interesting similarities were discovered yielding useful information on the fundamentals of the wear in and for future research on similar systems.Skojarzenia ślizgowe metalowo-polimerowe są często spotykane w zastosowaniach przemysłowych i medycznych. Od długiego czasu są najczęściej wybierane w technice protez ortopedycznych. W artykule przedstawiono wybrane problemy tribologiczne spotykane w skojarzeniach stopu tytanu Ti-13Nb-13Zr oraz polietylenu UHMW-PE. W przypadku badań na modelach uproszczonych bardzo ważną kwestią jest właściwy dobór geometrii styku, wartości obciążenia i prędkości ślizgania oraz przebiegu zmian tych parametrów wymuszenia. Późniejsza interpretacja wyników i ich przydatność do zastosowań praktycznych jest ściśle związana z tak rozumianym przygotowaniem doświadczenia. W przypadku skojarzeń materiałów polimerowych z metalowymi ważnym czynnikiem wpływającym na skutki tarcia jest różnica w wartościach modułów sprężystości tych dwóch grup materiałów. Duże lokalne obciążenia mogą np. prowadzić do miejscowego przegrzewania powierzchni polimeru i plastyfikacji, co może zmniejszyć wartość uzyskanych wyników. W pracy przedstawiono analizę profilu zużycia próbek UHMW-PE w zależności od rozkładu nacisków powierzchniowych. Zastosowano symulacje z wykorzystaniem MES w celu analizy czynników wpływających na warunki kontaktu próbek ze stopu tytanu i polietylenu UHMW. Uzyskane wyniki symulacji znajdują potwierdzenie w zarejestrowanych doświadczalnie profilach zużycia próbek polimerowych. Zaobserwowano zależność rozkładu nacisków od warunków podparcia i naprężeń montażowych działających na próbkę