Научная статья на тему 'Сравнительное исследование объемного износа пар трения эндопротеза тазобедренного сустава из пироуглерода и керамики'

Сравнительное исследование объемного износа пар трения эндопротеза тазобедренного сустава из пироуглерода и керамики Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
237
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПАРА ТРЕНИЯ / ИЗОТРОПНЫЙ ПИРОЛИТИЧЕСКИЙ УГЛЕРОД / ТАЗОБЕДРЕННЫЙ СУСТАВ / FRICTION PAIR / ISOTROPIC PYROCARBON / HIP JOINT

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Митрошин Александр Николаевич, Кибиткин Андрей Станиславович, Ксенофонтов Михаил Анатольевич, Космынин Дмитрий Алексеевич

Актуальность и цели. Цель исследования определение износостойкости пироуглеродной пары трения путем экспериментального исследования объемного износа и сравнения его с объемным износом керамической пары трения. Материалы и методы. На установке ЕКРБ.942623.110-07.00, собранной в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14242-3-2013, было выполнено сравнительное исследование пары трения из пироуглерода и керамической пары трения. Условия испытания были идентичны и регламентированы ГОСТом. Результаты. Эксперимент был остановлен по достижении количества циклов, необходимых по требованиям ГОСТа, в обоих экспериментах. Объемный износ пары трения из керамики составил 0,022 г, пары трения из пироуглерода 0,014 г. Выводы. Износ пары трения из пиролитического углерода меньше, чем у пары трения из керамики на 32 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Митрошин Александр Николаевич, Кибиткин Андрей Станиславович, Ксенофонтов Михаил Анатольевич, Космынин Дмитрий Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A COMPARATIVE RESEARCH OF VOLUMETRIC WEAR OF FRICTION PAIRS IN A HIP JOINT ENDOPROSTHESIS MADE OF PYROCARBON AND CERAMICS

Background. The goal of the research is to determine the wearing qualities of a pyrolytic friction pair by experimentally studying of volumetric wear and it’s comparing with the volumetric wear of a ceramic friction pair. Materials and Methods. The comparative study of a friction pair made of pyrocarbon and ceramic friction pair was carried out at the ECRB.942623.110-07.00 installation in accordance with State Standart ISO 14242-3-2013. Results. The experiment was stopped after reaching the number of cycles required by the State standart requirements in both experiments. The volumetric wear of a friction pair made of ceramics was 0.022 g, friction pairs of pyrocarbon 0.014g Conclusion. The wear of a friction pair of pyrolytic carbon is less on 32 % than ceramic friction/

Текст научной работы на тему «Сравнительное исследование объемного износа пар трения эндопротеза тазобедренного сустава из пироуглерода и керамики»

УДК 617.3

DOI 10.21685/2072-3032-2018-1-3

А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМНОГО ИЗНОСА ПАР ТРЕНИЯ ЭНДОПРОТЕЗА ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА ИЗ ПИРОУГЛЕРОДА И КЕРАМИКИ

Аннотация.

Актуальность и цели. Цель исследования - определение износостойкости пироуглеродной пары трения путем экспериментального исследования объемного износа и сравнения его с объемным износом керамической пары трения.

Материалы и методы. На установке ЕКРБ.942623.110-07.00, собранной в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14242-3-2013, было выполнено сравнительное исследование пары трения из пироуглерода и керамической пары трения. Условия испытания были идентичны и регламентированы ГОСТом.

Результаты. Эксперимент был остановлен по достижении количества циклов, необходимых по требованиям ГОСТа, в обоих экспериментах. Объемный износ пары трения из керамики составил 0,022 г, пары трения из пиро-углерода 0,014 г.

Выводы. Износ пары трения из пиролитического углерода меньше, чем у пары трения из керамики на 32 %.

Ключевые слова: пара трения, изотропный пиролитический углерод, тазобедренный сустав.

A. N. Mitroshin, A. S. Kibitkin, M. A. Ksenofontov, D. A. Kosmynin

A COMPARATIVE RESEARCH OF VOLUMETRIC WEAR OF FRICTION PAIRS IN A HIP JOINT ENDOPROSTHESIS MADE OF PYROCARBON AND CERAMICS

Abstract.

Background. The goal of the research is to determine the wearing qualities of a pyrolytic friction pair by experimentally studying of volumetric wear and it's comparing with the volumetric wear of a ceramic friction pair.

Materials and Methods. The comparative study of a friction pair made of pyrocarbon and ceramic friction pair was carried out at the ECRB.942623.110-07.00 installation in accordance with State Standart ISO 14242-3-2013.

Results. The experiment was stopped after reaching the number of cycles required by the State standart requirements in both experiments. The volumetric wear of a friction pair made of ceramics was 0.022 g, friction pairs of pyrocarbon -0.014g

Conclusion. The wear of a friction pair of pyrolytic carbon is less on 32 % than ceramic friction/

Key words: friction pair, isotropic pyrocarbon, hip joint

Введение

Потребность в эндопротезировании тазобедренного сустава постоянно растет. На данный момент она составляет в среднем одно эндопротезирова-

ние на 1000 человек. Вместе с тем уменьшается возраст пациентов, которым выполняется данный вид операции. Следовательно, растет требование к сроку службы эндопротезов - по современным данным, на сегодня он составляет в среднем 15 лет [1, 2].

Увеличение срока службы эндопротезов обретает все большую актуальность. При сравнении объемного износа пар трения, используемых в настоящее время в эндопротезах, таких как металл-металл, металл-полиэтилен, керамика-керамика, керамика-полиэтилен, наименьший показатель износа у керамической пары трения [3]. По данным литературы, показатели износа этих пар составляют: пара трения металл-полиэтилен - износ 0,2-0,5 мм/год, пара трения керамика-полиэтилен - износ 0,1 мм/год, пара трения металл-металл -износ 0,002 мм/год, пара трения керамика-керамика - износ 0,001 мм/год [4].

Для сравнения износостойкости пары трения из пироуглерода была выбрана керамическая пара трения. При сравнении физико-механических свойств материалов, используемых в парах трения эндопротезов тазобедренного сустава, керамика и пироуглерод показали наиболее близкие к костной ткани показатели (табл. 1).

Таблица 1

Физико-механические свойства материалов

Материал Модуль упругости, ГПа Плотность, кг/м3 Предел прочности, МПа

Керамика 35 3,99 х 103 500

Костная ткань 15 2,4 х 103 100

Пироуглерод 20-23 (1,8-2,1) х 103 450

Цель исследования - экспериментальным путем сравнить объемный износ пар трения из пироуглерода и керамики.

Материалы и методы

Испытания проводились на установке ЕКРБ.942623.110-07.00, предназначенной для испытания объемного износа пар трения эндопротеза тазобедренного сустава.

Условия испытаний соответствовали ГОСТ Р ИСО 14242-3-2013.

Установка состоит из платформы, на которой закреплены две стойки. На стойках установлена пневмокамера. При подаче сжатого воздуха в пнев-мокамеру происходит перемещение толкателя пневмокамеры, который перемещает скобу вниз и создает необходимое усилие. На скобе установлена балка с оправкой для закрепления головки эндопротеза. Скоба может поворачиваться от 0 до 90°, ориентируя головку эндопротеза под необходимым углом. В стойке имеется отверстие, через которое можно зафиксировать скобу в верхнем положении, установив фиксатор. В пазы платформы установлены подвижные стойки, на которых закреплен шпиндель и мотор. При подаче электропитания мотор начинает вращаться. При помощи рычага и шатуна происходит преобразование вращательного движения мотора в возвратно-поворотное движение шпинделя. На шпиндель устанавливается и закрепляется вкладыш эндопротеза. Шпиндель может поворачиваться от 0 до 90°,

ориентируя положение вкладыша эндопротеза относительно головки под необходимым углом. В блоке управления установки находятся манометр давления сжатого воздуха, подающегося в пневмокамеру, редуктор для регулирования давления сжатого воздуха в пневмокамере, блок управления частотой вращения мотора, счетчик времени и кнопка электровключения установки (рис 1, 2).

Рис. 1. Схема установки для испытания объемного износа пар трения эндопротеза тазобедренного сустава

В качестве жидкой тестовой среды использовался 30 % раствор кровяной сыворотки с концентрацией белка не менее 17 г/л.

Результаты и их обсуждение

Испытание керамической пары трения.

В испытании использовались головка Zimmer Biolox delta ceramic femoral head и вкладыш Zimmer Biolox delta Ceramic Taper Liner. Параметры головки на момент начала испытаний: диаметр 28 мм, масса 36,304 г. Вкладыш массой 33,269 г.

Рис. 2. Установка для испытания объемного износа пар трения эндопротезов тазобедренного сустава

За время испытания испытуемыми образцами было пройдено 5074560 циклов (1409,6 ч с частотой 1 Гц). Причиной остановки явилось достижение 5000000 циклов, что соответствует требованиям ГОСТ Р ИСО 14242-3-2013. На момент окончания испытания масса головки составила 36,295 г, масса вкладыша - 33,256 г. Таким образом, потеря массы головки составила 0,009 г, вкладыша - 0,013 г, что соответствует износу головки на 0,0007 мм, вкладыша на 0,001 мм в зоне контактных поверхностей (рис. 3).

Рис. 3. Зоны наибольшего износа керамической пары трения

Испытание пары трения из пироуглерода.

Условия испытаний соответствовали ГОСТ Р ИСО 14242-3-2013.

В испытании использовались головка из пиролитического углерода диаметром 28 мм и массой 23,762 г и вкладыш массой 64,871 г.

Испытуемыми образцами было пройдено 5032800 циклов, что соответствует ГОСТ Р ИСО 14242-3-2013. На момент окончания испытания масса головки составила 23,756 г, масса вкладыша - 64,862 г. Таким образом потеря массы головки составила 0,006 г, вкладыша - 0,009 г, что соответствует износу головки на 0,00046 мм, вкладыша на 0,0007 мм в зоне контактных поверхностей (рис. 4).

Рис. 4. Зоны наибольшего износа углеродной пары трения

Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохранения человек, ведущий активный образ жизни, должен проходить в день в среднем 7500 шагов, соответственно требуемые по ГОСТу 5 млн циклов человек совершит примерно за два года. Расчетный износ пары трения из керамики составил 0,0034 мм/год, пара трения из пироуглерода 0,0023 мм/год, что на 32 % меньше, чем в паре трения из керамики (табл. 2).

Таблица 2

Результаты измерений износа пар трения после испытаний

Потеря массы пары трения после испытания, г Количество пройденных циклов Расчетный износ пары трения в год

Керамическая пара трения 0,022 5074560 0,0034

Пара трения из пироуглерода 0,014 5032800 0,0023

Заключение

Пары трения из керамики и пироуглерода выдержали необходимую по ГОСТу нагрузку, при этом объемный износ пары трения из пироуглерода меньше чем у пары трения из керамики на 32 %, что соответствует 0,0011 мм в год.

Библиографический список

1. Havelin, L. I. The Nordic Arthroplasty Register Association - a unique collaboration between 3 national hip arthroplasty registries / L. I. Havelin, A. M. Fenstad, R. Sa-lomonsson et al. // Acta Orthopaedica. - 2009. - Vol. 80. - Р. 393-401.

2. Jafari, S. M. Revision hip arthroplasty: infection is the most common cause of failure / S.M. Jafari et al. // Clin. Orthop. - 2010. - № 468. - P. 2046-2051.

3. Fevang, B. T. Improved results of primary total hip replacement / B. T. Fevang et al. // Acta Orthop. - 2010. - Vol. 81, № 6. - P. 649-659.

4. Надеев, А. А. Эндопротезы тазобедренного сустава в России: философия построения, обзор имплантатов, рациональный выбор / Ал. А. Надеев, С. В. Иван-ников. - 2-е изд. (электронное). - Москва : Бином. Лаб. знаний, 2012. - 177 с.

References

1. Havelin L. I., Fenstad A. M., Salomonsson R. et al. Acta Orthopaedica. 2009, vol. 80, pp. 393-401.

2. Jafari S. M. et al. Clin. Orthop. 2010, no. 468, pp. 2046-2051.

3. Fevang B. T. Acta Orthop. 2010, vol. 81, no. 6, pp. 649-659.

4. Nadeev A. A., Ivannikov S. V. Endoprotezy tazobedrennogo sustava v Rossii: filosofiya postroeniya, obzor implantatov, ratsional'nyy vybor [Endoprosthesis of hip joint in Russia: philosophy of construction, review of implants, rational choice]. 2nd ed. (el-ektronnoe). Moscow: Binom. Lab. znaniy, 2012, 177 p.

Митрошин Александр Николаевич

доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой хирургии, директор Медицинского института, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)

E-mail: an-mitroshin@mail.ru

Кибиткин Андрей Станиславович

заведующий отделением травматологии и ортопедии, Областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко (Россия, г. Пенза, Лермонтова, 28)

E-mail: kibitkinas@mail.ru

Ксенофонтов Михаил Анатольевич

старший преподаватель, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)

E-mail: MAKsenofontov@mail.ru

Космынин Дмитрий Алексеевич старший преподаватель, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Медицинский институт, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)

E-mail: kosmynin86@mail.ru

Mitroshin Aleksandr Nikolaevich Doctor of medical sciences, professor, head of the sub-department of surgery, director of the Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Kibitkin Andrey Stanislavovich Head of the traumatological and orthopedic unit, Burdenko Regional Clinical Hospital (28 Lermontov street, Penza, Russia)

Ksenofontov Mikhail Anatol'evich

Senior lecturer, sub-department of the traumatology, orthopedics and military-extreme medicine, Medical Institute, Penza State University ( 40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Kosmynin Dmitriy Alekseevich Senior lecturer, sub-department of the traumatology, orthopedics and military-extreme medicine, Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)

УДК 617.3 Митрошин, А. Н.

Сравнительное исследование объемного износа пар трения эндопро-теза тазобедренного сустава из пироуглерода и керамики / А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2018. -№ 1 (45). - С. 27-33. БОТ 10.21685/2072-3032-2018-1-3.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.