Mazání kyčelních a kolenních kloubních náhrad: Přínos experimentů a numerického modelování

Lubrication of hip and knee joint replacements: The contribution of experiments and numerical modeling

book chapter

en

The longevity of hip and knee joint replacements is considerably affected by the overall (bio-) tribological performance. Wear particles released during joint articulation harm the surrounding tissues, leading to biochemical degradation, and eventually causing an implant loosening with the subsequent need for revision. Thereby, wear is substantially influenced by synovial fluid lubrication phenomena. Over the last two decades, significant knowledge about lubrication mechanisms in artificial joints has been gained, thanks to experimental investigations and numerical modeling. Various model configurations were extensively tested using electrical and optical methods, usually focusing on film thickness analysis. Attention was paid not only to contact mechanics and valid dynamic conditions but also to the behavior of mimicked synovial fluid and the role of specific constituents, such as proteins, hyaluronic acid, or phospholipids. Concerning film formation prediction, various numerical approaches based upon multigrid/-level integration and the finite difference or the finite element method have been developed. Although the Reynolds equation was usually used to describe hydrodynamics, the variety of approaches have apparent differences in terms of underlying assumptions, numerical implementation, and applicability to simulating hip or knee joint. Numerical modeling was utilized to analyze the influence of rheological properties of the synovial fluid, material characteristics or load, and kinematics on the tribological behavior, as well as to optimize macro- and micro-geometry. Due to the limited ability to obtain insights into the corresponding in vivo lubrication mechanisms, experimental in vitro studies should always be carried out with a close linkage to numerical modeling to ensure validity and transferability. Therefore, the following chapter aims at providing a comprehensive overview of the relevant methods and approaches when revealing lubrication mechanisms of joint replacements. At the end of the chapter, the main findings are summarized while some suggestions for future research directions are derived.

Životnost kyčelních a kolenních kloubních náhrad je významně ovlivněna celkovým (bio-) tribologickým chováním. Částice opotřebení, které se uvolňují v důsledku artikulace kloubu, poškozují okolní tkáně, vedou v biochemické degradaci a v konečném důsledku způsobují uvolnění implantátu a nutnost revizní operace. Opotřebení je však významně ovlivněno mazáním synoviální kapalinou. Během uplynulých dvou dekád došlo k zásadnímu rozšíření znalostí v oblasti pochopení mechanismů mazání umělých kloubů, a to jak díky experimentálním studiím, tak numerickému modelování. S využitím elektrických a optických měřicích metod byly testovány různé modelové konfigurace, přičemž studie se obvykle zabývaly analýzou tloušťky mazacího filmu. Pozornost přitom byla věnována nejen mechanice kontaktu a validaci dynamických podmínek, ale také chování modelové synoviální kapaliny a jejím specifickým složkám, jakou jsou proteiny, kyselina hyaluronová, či fosfolipidy. Z hlediska predikce formování filmu byly aplikovány rozdílné numerické přístupy založené na vícesíťové/- úrovňové integraci a konečné diferenci, případně na metodě konečných prvků. Ačkoliv se obvykle využívá Reynoldsova rovnice pro popis hydrodynamických dějů, numerické přístupy se liší z hlediska úrovně zjednodušujících předpokladů, numerické implementace a schopnosti simulovat kyčelní a kolenní kloub. Numerické modely byly využity k analýze vlivu reologických vlastností synoviální kapaliny, materiálových charakteristik, zatížení a kinematiky na tribologické chování, stejně jako na možnosti optimalizace makro- a mikro-geometrie. S ohledem na omezení, která se pojí s možnostmi přímého popisu mazacích mechanismů in vivo, by experimentální studie měly být vždy realizovány v blízké vazbě s numerickým modelováním, aby byla zajištěna validita dat a přenositelnost poznatků. Proto se tato kapitola zaměřuje na komprehensivní přehled relevantních metod a přístupů využívaných při popisu mechanismů mazání kloubních náhrad. Na konci kapitoly jsou shrnuty hlavní poznatky a jsou předložena určitá doporučení a navrženy směry pro budoucí výzkum.

The longevity of hip and knee joint replacements is considerably affected by the overall (bio-) tribological performance. Wear particles released during joint articulation harm the surrounding tissues, leading to biochemical degradation, and eventually causing an implant loosening with the subsequent need for revision. Thereby, wear is substantially influenced by synovial fluid lubrication phenomena. Over the last two decades, significant knowledge about lubrication mechanisms in artificial joints has been gained, thanks to experimental investigations and numerical modeling. Various model configurations were extensively tested using electrical and optical methods, usually focusing on film thickness analysis. Attention was paid not only to contact mechanics and valid dynamic conditions but also to the behavior of mimicked synovial fluid and the role of specific constituents, such as proteins, hyaluronic acid, or phospholipids. Concerning film formation prediction, various numerical approaches based upon multigrid/-level integration and the finite difference or the finite element method have been developed. Although the Reynolds equation was usually used to describe hydrodynamics, the variety of approaches have apparent differences in terms of underlying assumptions, numerical implementation, and applicability to simulating hip or knee joint. Numerical modeling was utilized to analyze the influence of rheological properties of the synovial fluid, material characteristics or load, and kinematics on the tribological behavior, as well as to optimize macro- and micro-geometry. Due to the limited ability to obtain insights into the corresponding in vivo lubrication mechanisms, experimental in vitro studies should always be carried out with a close linkage to numerical modeling to ensure validity and transferability. Therefore, the following chapter aims at providing a comprehensive overview of the relevant methods and approaches when revealing lubrication mechanisms of joint replacements. At the end of the chapter, the main findings are summarized while some suggestions for future research directions are derived.

Experiment, numerické modelování, kyčelní náhrada, kolenní náhrada, mazání

Experiment, numerical modeling, hip replacement, knee replacement, lubrication

04.10.2021

CRC Press

Boca Raton, Florida

9780367687854

Biotribology Emerging Technologies and Applications

1

33–61

29