In-situ pozorování utváření mazacího filmu v náhradách kyčelního kloubu při uvažování reálné konformity: vliv průměru, vůle a materiálu

In situ observation of lubricant film formation in THR considering real conformity: The effect of diameter, clearance and material

journal article in Web of Science

en

The aim of the present study is to provide an analysis of protein film formation in hip joint replacements considering real conformity based on in situ observation of the contact zone. The main attention is focused on the effect of implant nominal diameter, diametric clearance and material. For this purpose, a pendulum hip joint simulator equipped with electromagnetic motors enabling to apply continuous swinging flexion–extension motion was employed. The experimental configuration consists of femoral component (CoCrMo, BIOLOX®forte, BIOLOX®delta) and acetabular cup from optical glass fabricated according to the dimensions of real cups. Two nominal diameters were studied, 28 and 36 mm, respectively, while different diametric clearances were considered. Initially, a static test focused on the protein adsorption onto rubbing surfaces was performed with 36 mm implants. It was found that the development of adsorbed layer is much more stable in the case of metal head, indicating that the adsorption forces are stronger compared to ceramic. A consequential swinging test revealed that the fundamental parameter influencing the protein film formation is diametric clearance. Independently of implant diameter, film was much thicker when a smaller clearance was considered. An increase of implant size from 28 mm to 36 mm did not cause a substantial difference in film formation; however, the total film thickness was higher for smaller implant. In terms of material, metal heads formed a thicker film, while this fact can be, among others, also attributed to clearance, which is more than two times higher in the case of ceramic implant.

Cílem této studie je na základě in situ pozorování kontaktní oblasti poskytnout analýzu utváření proteinového filmu v náhradách kyčelního kloubu při uvažování reálné konformity povrchů. Hlavní pozornost je věnována vlivu nominálního průměru implantátu, průměrové vůle a materiálu. Pro tento účel byl využit simulátor kyčelního kloubu na principu kyvadla s elektromagnetickými motory umožňujícími aplikovat plynulý pohyb v rovině flexe-extenze. Experimentální konfigurace sestávala z femorální komponenty (CoCrMo, BIOLOX®forte, BIOLOX®delta) a skleněné acetabulární jamky vyrobené s ohledem na rozměry reálných jamek. Byly studovány dva nominální průměry; 28 a 36 mm, přičemž byly uvažovány různé průměrové vůle. Nejprve byl proveden statický test s 36 mm implantáty zaměřený na adsorpci proteinů na třecí povrchy. Bylo zjištěno, že vývoj adsorbované vrstvy je mnohem stabilnější v případě kovové hlavice, což naznačuje, že adsorpční síly jsou silnější v porovnání s keramikou. Následný dynamický test ukázal, že zásadním parametrem ovlivňujícím formování proteinového filmu je průměrová vůle. Bez ohledu na průměr implantátu byl film výrazně tlustší v případě menší uvažované vůle. Nárůst průměru z 28 mm na 36 mm nezpůsobil významnou změnu v charakteru utváření filmu, nicméně celková tloušťka byla vyšší v případě menšího implantátu. S ohledem na vliv materiálu lze konstatovat, že kovové hlavice formují tlustší mazací film, přičemž tento fakt může být mimo jiné připsán právě průměrové vůli, která je více než dvojnásobná v porovnání s keramickými implantáty.

The aim of the present study is to provide an analysis of protein film formation in hip joint replacements considering real conformity based on in situ observation of the contact zone. The main attention is focused on the effect of implant nominal diameter, diametric clearance and material. For this purpose, a pendulum hip joint simulator equipped with electromagnetic motors enabling to apply continuous swinging flexion–extension motion was employed. The experimental configuration consists of femoral component (CoCrMo, BIOLOX®forte, BIOLOX®delta) and acetabular cup from optical glass fabricated according to the dimensions of real cups. Two nominal diameters were studied, 28 and 36 mm, respectively, while different diametric clearances were considered. Initially, a static test focused on the protein adsorption onto rubbing surfaces was performed with 36 mm implants. It was found that the development of adsorbed layer is much more stable in the case of metal head, indicating that the adsorption forces are stronger compared to ceramic. A consequential swinging test revealed that the fundamental parameter influencing the protein film formation is diametric clearance. Independently of implant diameter, film was much thicker when a smaller clearance was considered. An increase of implant size from 28 mm to 36 mm did not cause a substantial difference in film formation; however, the total film thickness was higher for smaller implant. In terms of material, metal heads formed a thicker film, while this fact can be, among others, also attributed to clearance, which is more than two times higher in the case of ceramic implant.

Náhrada kyčelního kloubu; průměr hlavice a jamky; průměrová vůle; mazání; tloušťka filmu; optická interferometrie

Hip joint replacement; head and cup diameter; diametric clearance; lubrication; film thickness; optical interferometry

01.05.2017

Elsevier Ltd.

United Kingdom

1751-6161

69

5

66–74

9