Mazání náhrad kyčelního kloubu - Implikace pro páry typu keramika-kov/keramika

Lubrication within hip replacements – Implication for ceramic-on-hard bearing couples

journal article in Web of Science

en

The objective of the present study is to clarify the lubrication processes within artificial joints considering the ceramic femoral heads focusing on the role of particular proteins. Two optical methods were employed; colorimetric interferometry and fluorescent microscopy. The experiments were conducted in ball-on-disc configuration, where the ball is made from ceramic (SuloxTM, BIOLOX®delta) and the disc from optical glass. The measurements were realized under pure rolling, partial negative and partial positive sliding, to get a complex information about the protein film behaviour under various conditions. Moreover, two different speeds were investigated; 5.7 and 22 mm/s, respectively. The contact was lubricated by saline solutions containing albumin and γ-globulin in a ratio 2:1, while the total protein concentration was 10.5 mg/ml. Under pure rolling conditions, the film thickness gradually increases with time/rolling distance independently of material and rolling speed, while the dominant fluid constituent is albumin. In the case of negative sliding, the film formation is time/distance/speed dependent. At lower speed, both proteins contribute to film thickness; at higher speed, the effect of γ-globulin is not substantial. When the disc is faster, the character of film formation is similar to the metal component in the case of Sulox ceramic. Biolox ceramic shows a different behaviour, while for both materials, the contribution of γ-globulin increases with increasing speed. As most of the results can be well explained in terms of specific proteins, it can be concluded that the experimental approach is suitable for the investigation of protein film formation considering the ceramic materials.

Cílem této studie je objasnit mazací procesy v umělých kloubních náhradách při uvažování keramických femorálních hlavic se zaměřením na roli jednotlivých proteinů. Byly využity dvě optické metody; kolorimetrická interferometrie a fluorescenční mikroskopie. Experimenty byly realizovány v konfiguraci ball-on-disc, přičemž kulička je z keramického materiálu (SuloxTM, BIOLOX®delta) a disk z optického skla. Měření byla provedena za čistého valení, částečného negativního a částečného pozitivního prokluzu pro získání komplexní informace o chování proteinového filmu za různých kinematických podmínek. Proto také byly uvažovány dvě různé rychlosti; 5,7 a 22 mm/s. Kontakt byl mazán solným roztokem obsahujícím proteiny albumin a y-globulin v poměru 2:1, zatímco celková koncentrace proteinů byla 10.5 mg/ml. Za čistého valení tloušťka filmu postupně narůstá s časem/valivou vzdáleností bez ohledu na materiál a valivou rychlost, přičemž dominantní složkou filmu je albumin. V případě negativního prokluzu je formování filmu závislé na čase/kluzné vzdálenosti/rychlosti. Při nižší rychlosti přispívají oba proteiny k celkové tloušťce filmu, při rychlosti vyšší není vliv y-globulinu příliš podstatný. V případě, kdy je disk rychlejší, je u keramiky Sulox formování filmu podobné jako v případě kovových femorálních hlavic. Keramika Biolox potom vykazuje odlišné chování, přičemž pro oba zmíněné materiály narůstá příspěvek y-globulinového filmu s narůstající rychlostí. Jelikož většina uvedených výsledků může být vysvětlena z pohledu vlivu jednotlivých proteinů, je možné konstatovat, že uvedený experimentální přístup je vhodný pro vyšetřování formování proteinového filmu v náhradách kyčelního kloubu při uvažování keramických materiálů.

The objective of the present study is to clarify the lubrication processes within artificial joints considering the ceramic femoral heads focusing on the role of particular proteins. Two optical methods were employed; colorimetric interferometry and fluorescent microscopy. The experiments were conducted in ball-on-disc configuration, where the ball is made from ceramic (SuloxTM, BIOLOX®delta) and the disc from optical glass. The measurements were realized under pure rolling, partial negative and partial positive sliding, to get a complex information about the protein film behaviour under various conditions. Moreover, two different speeds were investigated; 5.7 and 22 mm/s, respectively. The contact was lubricated by saline solutions containing albumin and γ-globulin in a ratio 2:1, while the total protein concentration was 10.5 mg/ml. Under pure rolling conditions, the film thickness gradually increases with time/rolling distance independently of material and rolling speed, while the dominant fluid constituent is albumin. In the case of negative sliding, the film formation is time/distance/speed dependent. At lower speed, both proteins contribute to film thickness; at higher speed, the effect of γ-globulin is not substantial. When the disc is faster, the character of film formation is similar to the metal component in the case of Sulox ceramic. Biolox ceramic shows a different behaviour, while for both materials, the contribution of γ-globulin increases with increasing speed. As most of the results can be well explained in terms of specific proteins, it can be concluded that the experimental approach is suitable for the investigation of protein film formation considering the ceramic materials.

Náhrada kyčelního kloubu; keramika; proteinový film; albumin; y-globulin

Hip replacement; Ceramic; Protein film; Albumin; γ-globulin

01.08.2016

Elsevier Ltd.

United Kingdom

1751-6161

61

8

371–383

13