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

Abstract

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