Vliv kinematických podmínek a složení synoviální kapaliny na tření materiálů používaných pro umělé klouby

The Effect of Kinematic Conditions and Synovial Fluid Composition on the Frictional Behaviour of Materials for Artificial Joints

journal article in Web of Science

en

The paper introduces an experimental investigation of frictional behaviour of materials used for joint replacements. The measurements were performed using a ball-on-disc tribometer, while four material combinations were tested; metal-on-metal, ceramic-on-ceramic, metal-on-polyethylene, and ceramic-on-polyethylene, respectively. The contact was lubricated by pure saline and various protein solutions. The experiments were realized at two mean speeds equal to 5.7 mm/s and 22 mm/s and two slide-to-roll ratios, -150% and 150%. It was found that the implant material is the fundamental parameter affecting friction. In general, the metal pair exhibited approximately two times higher friction compared to the ceramic. In particular, the friction in the case of the metal varied between 0.3 and 0.6 while the ceramic pair exhibited friction within the range from 0.15 to 0.3 at the end of the test. The lowest friction was observed for polyethylene while it decreased to 0.05 under some conditions. It can be also concluded that adding proteins to the lubricant has a positive impact on friction in the case of hard-on-hard pairs. For hard-on-soft pairs, no substantial influence of proteins was observed. The effect of kinematic conditions was found to be negligible in most cases.

Tento článek se zabývá experimentálním studiem tření materiálů využívaných pro kloubní náhrady. Měření byla provedena na tribometru v konfiguraci kulička-disk, přičemž byly testovány čtyři materiálové kombinace; kov-kov, keramika-keramika, kov-polyetylen a keramika-polyetylen. Kontakt byl mazán jak jednoduchým solným roztokem, tak různými roztoky proteinů. Experimenty byly provedeny za dvou rozdílných rychlostí, které se rovnaly 5,7 mm/s a 22 mm/s. Dále byly uvažovány dva stupně prokluzu, konkrétně -150% a +150%. Bylo zjištěno, že materiál je zásadním parametrem, který ovlivňuje tření kontaktní dvojice. Obecně potom bylo pozorováno, že kovový pár vykazoval přibližně dvojnásobné tření oproti keramice. V případě kombinace kov-kov se tření pohybovalo v rozsahu od 0,3 do 0,6, přičemž u keramiky bylo naměřeno tření v intervalu 0,15 až 0,3 na konci testu. Nejnižší tření bylo obecně pozorováno v případě, kdy byl použit vzorek z polyetylenu. Tehdy tření za určitých podmínek kleslo až na hodnotu 0,05. Na základě výsledků lze rovněž konstatovat, že proteiny přidané do maziva mají pozitivní vliv na tření v případě takzvaných tvrdých párů. U párů měkkých nebyl pozorován významný vliv proteinů. Konečně, vliv kinematických podmínek byl shledán jako zanedbatelný u většiny případů.

The paper introduces an experimental investigation of frictional behaviour of materials used for joint replacements. The measurements were performed using a ball-on-disc tribometer, while four material combinations were tested; metal-on-metal, ceramic-on-ceramic, metal-on-polyethylene, and ceramic-on-polyethylene, respectively. The contact was lubricated by pure saline and various protein solutions. The experiments were realized at two mean speeds equal to 5.7 mm/s and 22 mm/s and two slide-to-roll ratios, -150% and 150%. It was found that the implant material is the fundamental parameter affecting friction. In general, the metal pair exhibited approximately two times higher friction compared to the ceramic. In particular, the friction in the case of the metal varied between 0.3 and 0.6 while the ceramic pair exhibited friction within the range from 0.15 to 0.3 at the end of the test. The lowest friction was observed for polyethylene while it decreased to 0.05 under some conditions. It can be also concluded that adding proteins to the lubricant has a positive impact on friction in the case of hard-on-hard pairs. For hard-on-soft pairs, no substantial influence of proteins was observed. The effect of kinematic conditions was found to be negligible in most cases.

Kloubní náhrada; tření; materiál; proteiny; kinematické podmínky

Joint replacement; friction; material; proteins; kinematic conditions

10.05.2018

MDPI

Basilej, Švýcarsko

1996-1944

11

5

1–12

12