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Accoppiamenti tribologiciAlberto CigadaDipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”Politecnico di Milano

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Tribologia e protesi ortopediche

La tribologia è la scienza che studia i fenomeni di attrito e usura nell’accoppiamento mobile tra due materialiNella meccanica tradizionale il problema viene in genere risulto mediante lubrificazione (olio)

Nel caso di protesi d’anca e di ginocchio, l’insufficiente lubrificazione naturale determina inevitabilmente maggiori o minori fenomeni di usuradei componenti protesici in moto relativo

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Lubrificazione a film continuo: superfici completamente separate (Hard-Hard)

Lubrificazione mista: superfici a contatto solo in alcuni punti (nelle asperità)

Lubrificazione marginale: interazione diretta tra le superfici (Hard-Soft)


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L’usura è un problema rilevante non tanto per la perdita di funzionalità dell’articolazione, ma perché i detriti dei materiali (in particolare del UHMWPE) possono causare:

attivazione della di reazione infiammatoriarichiamo di macrofagi e celle gigantiosteolisi periprotesica

portando alla mobilizzazione e quindi al fallimentodella protesi

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E’ oggi generalmente accettato che la mobilizzazione delle protesi indotta dai detriti di usura è la prima causa di fallimento nel medio-lungo periodo delle protesi ortopediche

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Accoppiamenti tribologici

L’articolazione artificiale di una protesi d’anca ègarantita dalla presenza di:

testa femoralecoppa acetabolare

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Le teste femorali sono sfere di diametro variabile tra 22e 40 (50) millimetri realizzate in:

metallo: ceramica: lega di cobalto allumina Al2O3

(acciaio inossidabile) (zirconia ZrO2)

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Le coppe acetabolariconsentono l’articolazione delle teste femoraliSono il punto critico delle protesi a seguito dei possibili fenomeni di usura e sono realizzate in:

UHMWPEceramicametallo

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Sono possibili e in uso i seguenti accoppiamentimetallo/UHMWPE il più usatoceramica/UHMWPE in crescitaceramica/ceramica uso limitatometallo/metallo uso limitatoceramica/metallo innovativo

Ogni accoppiamento presenta vantaggi e svantaggi, che è utile esaminare con adeguato dettaglio

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Trattamenti di reticolazione dell’UHMWPE

I problemi di usura e ossidazione del UHMWPE tradizionale sono stati in gran parte risolti ricorrendo all’UHMWPE reticolato

CENTRO INTERUNIVERSITARIOD I R I C E R C A S U I M A T E R I A L IPER L’INGEGNERIA BIOMEDICAIN TER U N I V ERSITY RESEARCHC E N T E R O N M A T E R I A L S F O RB I O M E D I C A L E N G I N E E R I N GCENTRO INTERUNIVERSITARIOD I R I C E R C A S U I M A T E R I A L IPER L’INGEGNERIA BIOMEDICAIN TER U N I V ERSITY RESEARCHC E N T E R O N M A T E R I A L S F O RB I O M E D I C A L E N G I N E E R I N G

CIRMIB

Workshop:

Un possibile punto di svoltaper le protesi in ortopedia:

UHMWPE ad alta reticolazionee bassissima usura

Milano, venerdì 3 luglio 1998Istituto Ortopedico Gaetano Pini

CIRMIBCentro Interuniversitario di Ricerca

sui Materiali per l’Ingegneria Biomedica Coordinatori:Luigi Parrini, Università di Milano

Alberto Cigada, Politecnico di Milano

Università di MilanoClinica Ortopedica I

Istituto Ortopedico Gaetano Pini

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Trattamenti di reticolazione dell’UHMWPE

La reticolazione prevede quattro fasi principali:1. irraggiamento γ o β ad alta dose (tra 50 e 100 kGy)

alta reticolazione2. trattamento termico di stabilizzazione alla T 130-160°C

spegnimento dei radicali liberi3. lavorazione meccanica

eliminazione dello strato superficiale ossidato4. sterilizzazione in inerte (EtO, gas plasma)

la struttura non viene nuovamente alterata

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Effetto della dose di radiazione

0 50 100 150 200Dose (kGy)

Cristallinità – DensitàCarico di snervamento

0 50 100 150 200Dose (kGy)

Carico di rottura

0 50 100 150 200Dose (kGy)

Tenacità

0 50 100 150 200Dose (kGy)

Allungamento

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Effetto dell’invecchiamento

Le proprietà meccaniche (resistenza meccanica, resistenza a fatica, tenacità) dell’UHMWPE sterilizzato (in aria o in azoto) a 25 kGy decadono fortemente nel tempo a seguito dei fenomeni di ossidazione cui vanno incontro prima (aria) e dopo (aria e azoto) l’impiantazione Le proprietà meccaniche dell’UHMWPE reticolato (100 kGy), stabilizzato e sterilizzato EtO o gas plasma restano costanti nel tempoLa tenacità dell’UHMWPE reticolato ècomunque di un ordine di grandezza superiorea quella della ceramica

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Steven Kurz, Society for Biomaterials, Reno, April 30-May 3, 2003

Metallo (o ceramica)/UHMWPE

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UHMWPE reticolato: resistenza all’usura

Muratoglu OK et al., Orthopaedic Biomechanics LaboratoryMassachusetts General Hospital, Boston (2000)

-500

-400

-300

-200

-100

0

1000 5 10 15 20 25 30

Cicli (milioni)

Varia

zione

di p

eso

(mg)

Sterilizzato γ 25 kGy in azoto

Reticolato 100 kGy + TT + EtO

Diametro testa: ____ 32 mm ____ 28 mm ____ 22 mm

McKellop H et al., J. Vernon Luck Orhopaedic Research CenterUniversity of Southern California, Los Angeles (1998)

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0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60

Time (months)

Pen

etra

tion

(mm

)

EnduronMarathon

Engh et al.J Arthro 2006, 21 (6 suppl 2):17-25

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0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Dose (kGy)

Vel

ocità

di u

usra

(mg/

MC

)

Reticolato + TT + EtO

Diminuzione di usura e deformazione



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a 5 milioni di cicli a 5 milioni di cicli

Sterilizzato 25 kGy Irraggiamento + TT + sterilizzazione in inerte

a 25 milioni di cicli a 25 milioni di cicli

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-250

255075

100125150175200225

0 1 2 3 4 5Cicli (milioni)

Va

riazio

ne d

i9 p

eso

(mg) Sterilizzato g 25 kGy in azoto

Irraggiato + TT + EtO

Prova con aggiunta di particelle di cemento osseo

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Metallo liscio Metallo rugoso Ceramica

Sterilizzato γ

Reticolato

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Utilizzando UHMWPE reticolato rispetto sterilizzato γ:non si formano fibrille ma solo nanoparticelleil numero di nanoparticelle è comunque inferioreil numero di nanoparticelle aumenta se si usano teste femorali rugoseil numero di nanoparticelle diminuisce se si usano teste femorali ceramiche, che non vanno incontro a irruvidimento

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E’ stato dimostrato che per l’UHMWPE reticolato:il numero di particelle nanometriche è comunque inferiore rispetto sterilizzato γ e non sterilizzato, soprattutto per i maggiori livelli di irraggiamento

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Effetto biologico delle particelle d’usura

E’ stato dimostrato che per l’UHMWPE reticolato >50 kGy:

sia l’Attività Funzionale Biologicache il Potenziale Relativo di Riassorbimento Osseo

sono circa 20 volte più bassirispetto UHMWPE sterilizzato γ e non sterilizzato

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Prove di usura su simulatore di protesi di ginocchio

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Prove di delaminazione


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Tipologie di UHMWPE reticolato per l’anca

Esistono oggi in commercio varie tipologie di UHMWPE reticolato:

livello di irraggiamento 50-100 kGy con raggi γ e βtemperatura di stabilizzazione 70-160°Csterilizzazione con raggi γ o in inerte (EtO, plasma)

“In my opinion” per avere comportamento ottimale ènecessario:

medio livello di irraggiamento (50 kGy), in particolare per protesi di ginocchiotemperatura di stabilizzazione > 130°C sterilizzazione finale in inerte

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Tipologie di UHMWPE reticolato per l’anca

Marathon De PuyCrossfire, X3 Stryker-HowmedicaDurasul, Longevity ZimmerXLPE Smith & NephewE-Poly Biomet

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UHMWPE reticolato: sintesi

L’UHMWPE reticolato (irraggiato, trattato termicamente, lavorato alle macchine utensili e sterilizzato in ossido di etilene o gas plasma) ha mostrato in vitro:

usura bassissimamantenimento sostanziale delle caratteristiche meccaniche (snervamento, fatica, creep, tenacità), con diminuzione solo dell’allungamentoassenza di fenomeni di invecchiamento

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UHMWPE reticolato: sintesi

Rappresenta un miglioramento molto significativorispetto all’uso dell’UHMWPE tradizionale (sterilizzato in aria, in vuoto, in azoto o con ossido di etilene)Si ha comunque la formazione di un numero molto ridotto, ma comunque presente, di particelle di usura di dimensioni nanometriche

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Metallo/Metallo

L’accoppiamento tribologico metallo/metallo è praticabile utilizzando unicamente leghe di CoCrMo sia per la coppa che per la testinaLe leghe di CoCrMo utilizzate possono essere di diverso tipo (ad alto o a basso contenuto di C, in getto o forgiate)Altri accoppiamenti (titanio, acciaio inossidabile, …) non possono essere presi in considerazione per le inadeguate proprietà tribologiche

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Metallo/Metallo

L’uso delle protesi di tipo metallo-metallo risale ai primi anni ‘70 (Müller, McKee-Farrar, Ring)Esse furono soppiantate dalle protesi “low friction” in polietilene, soprattutto per una elevata incidenza di fallimenti precoci, dovuti a:

imperfezioni geometriche di fabbricazioneelevato coefficiente di attrito

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Metallo/Metallo

È stato evidenziato come alcune protesi metallo/metallo hanno funzionato in vivo per molti anni senza dare problemiStudi retrospettivi su tali protesi hanno evidenziato volumi di usura intorno ai 3 mm3/anno (valore tipico del polietilene: 50 -100 mm3/anno)Il volume di usura delle protesi di tipo metallo-metallo della prima generazione è 20-40 volte minore di quello tipico del polietilene

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Metallo/Metallo

L’elevato numero di fallimenti iniziali della prima generazione di protesi metallo/metallo (McKee-Farrar, Müller, Ring) sembra sia da porre in relazione alle elevate sollecitazioni localizzate dovute ad un gioco eccessivo o negativo(clearance = differenza tra il diametro della testina e della coppa), o dovute a irregolaritàgeometricheMaggiore era il gioco tra testina e coppa, maggiore è risultata l’usuraQuando il gioco era adeguato, l’usura non è stato un problema per le protesi

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Metallo/Metallo

L’articolazione della prima generazione di protesi di tipo metallo-metallo (Müller, McKee-Farrar, Ring) erano costituite da lega di CoCrMo in getti (ASTM F75), con diametri dell’articolazione compresi tra i 35 e i 42 mmDagli anni 90 son stati introdotti nuovi tipi di articolazioni metallo-metallo caratterizzati da :

lega di CoCrMo forgiata ad alto contenuto di carbonio ISO 5832-12 (Co-28Cr-6Mo-0.2C)design modulare (stelo + testina e coppa con guscio metallico e inserto cuscinetto in polietilene)

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Metallo/Metallo

Esperienze condotte con simulatori di protesi d’anca e cliniche hanno evidenziato su questo tipo di protesi valori di usura molto bassi (pochi mm3/anno) e coefficienti di attrito paragonabili a quelli dell’accoppiamento con polietilene

0

0,5

1

1,5

2

28mm THR 36mm THR 54mm, ASR

Dowson et al, J Arthro (2004), 19 (8 Suppl 3), 124-130

L’entità dell’usura diminuisce con l’aumentare delle dimensioni della testa femorale

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Metallo/Metallo

E’ stata però dimostrata la presenza di un elevato rilascio di ioni metallici a seguito di corrosione in presenza di usura(meccanismo elettrochimico)L’entità del rilascio aumenta con l’inclinazione della coppa acetabolare

24m Ion Level v Inclination Group

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

33-40 (8) 41-45 (13) 46-50 (14) 51-55 (7) 56-62 (8)

Inclination Group (deg)

Ion

Leve

l (ug

/l)

Cr (ug/l)

Co (ug/l)

Cobb et al, BOA Manchester, 2007Isaac et al, AAHKS, Dallas, 2007

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Metallo/Metallo

L’esperienza clinica ha mostrato un aumentodel tenore di ioni metallici (Co, Cr) sia nelle urine che in vari organi (fegato)Tale aumento non è considerato causa di fallimento o di effetti secondari ma deve essere considerato con attenzione

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Metallo/Metallo: sintesi

L’accoppiamento Metallo/Metallo èsicuramente un accoppiamento interessanteessendo caratterizzato da:

bassissima usuraalta tenacità senza rischio di rotture

I fenomeni di rilascio di ioni metallici a seguito di fenomeni di corrosione da usura devono però essere valutati con attenzione

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Ceramica/Ceramica

L’accoppiamento ceramica/ceramicadetermina valori di usuraestremamente bassi, (pochi μm/anno, o pochi mm3/anno), corrispondenti a valori da 2000 a 5000 volte inferiori alle articolazioni con il polietilene

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

100

1000

10000

Particle diameter (μm)

Tota

l sur

face

(cm

2 )

Wear per year: 1 mm3

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Ceramica/Ceramica

L’utilizzo di ceramica di ultima generazione (PZTA), come la ceramica Biolox Deltacaratterizzata da alta tenacitàdetermina una ulteriore diminuzione dell’entitàdell’usura (sia nell’accoppiamento Ceramica/UHMWPE che nell’accoppiamento Ceramica/Ceramica

Alberto Cigada41

Ceramica/Ceramica

0

5

10

15

20

25

30

PE VsBIOLOXforte 28

PE VsBIOLOXdelta 28

PE Vs BIOLOXdelta 7/8

0,08450,085

0,08550,086

0,08650,087

0,08750,088

0,08850,089

0,0895

BIOLOXforte 28 BIOLOXdelta 7/8

( Kaddick C, 2002)

Ceramica/CeramicaCeramica/UHMWPE

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Ceramica/Ceramica: sintesi

L’accoppiamento Ceramica/Ceramica ècaratterizzato da:

bassissima usuraassenza di rilascio di ioni

metallici Resta qualche dubbio su tale accoppiamento legato a:

squeaking (cigolio)rischio di frattura fragile

della coppa ceramica in caso di caricamento al bordo

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Accoppiamenti tribologici: sintesi

Gli accoppiamenti: Metallo(ceramica)/UHMWPE reticolatoMetallo/MetalloCeramica/Ceramica

sono validi, ognuno di essi presenta vantaggi, ma anche svantaggi:

nanoparticelle di UHMWPErilascio di ioni metallicirischio di rottura fragile

E’ possibile avere a disposizione una soluzione che annulli tutti i problemi?

Alberto Cigada44

Obiettivo

Superare i problemi degli accoppiamenti Metallo (Ceramica)/UHMWPE, Metallo/Metallo, Ceramica/CeramicaOttimizzare la funzionalità: aumento del diametro della testa per aumentare l’angolo di movimento e la stabilità (alla lussazione)Consentire ai pazienti giovani e attivi una vita utile fino a 200 milioni di cicli

Alberto Cigada45

0

50

100

150

200

250

300

350

M-P C-P M-M C-C

Material Combination

Pene

trat

ion

rate

( μm

/yr)

Low

High

Semlitsch and Willert, Clin Orthop, 1997, 211, 73-88

Dati clinici sui diversi accoppiamenti

Alberto Cigada46

Razionale:superfici differenti hanno minor usura adesivain presenza di superfici di diversa durezza:

la superficie più dura mantiene la sua dimensionela superficie meno dura è sacrifiziale

la superficie ceramica funge da isolante, diminuendo la corrosione connessa all’usura e conseguentemente il rilascio di ioni metallici

Accoppiamento ceramica-metallo

Alberto Cigada47

Prove eseguite presso Leeds University (Prof. Fisher):accoppiamenti M-M, C-C e C-Mdimensioni 28 mm e 36 mmceramica Biolox Deltametallo Ultamet (Co-Cr-Mo forgiato)

M-M C-C C-M

Materiali

Alberto Cigada48

Prove eseguite presso Leeds University (Prof. Fisher):angolo di frizione ± 25°picco di carico 2 kNdiametro 28 mmsoluzioni: acqua, 25% siero, 100% sierocarico durante lo swing 100 N

Prove di frizione

Alberto Cigada49

0

0,05

0,1

0,15

0,2

M-M C-M Delta C-C

Accoppiamenti

Fric

tion

fac

tor

100% Siero25% SieroAcqua

Prove di frizione

Alberto Cigada50

Prove eseguite presso Leeds University (Prof. Fisher):simulatore di protesi d’anca25% siero bovinocondizioni standard o di microseparazionediametro 28 mm o 36 mmlivello degli ioni Co, Cr e Mo misurato con ICP-MS

Prove di usura

Alberto Cigada51

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

M-M C-M C-C

Accoppiamenti

Wea

r ra

te (

mm

3 /Mc)

Prove di usura: condizioni standard – 28 mm

Wear Rate:

M-M >> C-M ≥ C-C

Alberto Cigada52


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

MOM COM COC

Bearing material

Wea

r ra

te (

mm

3 /Mc)

M-M C-M C-C

Accoppiamenti

Wear rate:M-M >> C-M ≥ C-C 36 mm < 28 mm

Alberto Cigada53


0

2000

4000

6000

8000M

-M B

I

M-M

SS

C-M

(D

elta

) BI

C-M

(D

elta

) SS

C-C

(Del

ta)

BI

C-C

(Del

ta)

SSAccoppiamento e momento di prova

Live

llo io

ni (

ppb) Cr52

Co59Mo98

Rilascio ionico:Co > Cr > MoBI > SSM-M >> C-M = C-C

Alberto Cigada54

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

M-M C-M C-C

Accoppiamenti

Wea

r ra

te (

mm

3 /Mc)

Prove di usura: microseparazione – 28 mm

Wear rate:Microseparazione> standardM-M >> C-M ≥ C-CstripeC-M < stripeC-C

Alberto Cigada55

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

M-M C-M M-C

Accoppiamenti

Wea

r ra

te (

mm

3 /Mc)

Prove di usura: microseparazione – 28 mm

Wear rate:• M-C >> C-M• Non usare testa metallica su coppa ceramica

Alberto Cigada56

00,5

11,5

22,5

3

OCP CP OCP CP

Condizioni di prova

Wea

r fa

ctor

(X

10-6 m

m3 /N

m)

M-M C-M

Prove di rilascio ionico

Prove pin-on-flatOPC: corrosione libera

PC: protezione catodicaPina et al., ORS 1777, San Diego 2007

Rilascio ioncio per usura:in OCP M-M >> C-M, in CP M-M ≥ C-MCP abbatte il rilascio ionico, dimostrandone l’origineelettrochimicauso della testa ceramica abbatte effetto elettrochimico

Alberto Cigada57

Teste ceramiche 32 e 38 mm + inserto metallico:dispersione dei risultati in particolare M-Malcuni C-M > M-M

Ischida et al., Trans ORS 2007, San Diego CA, 1777

Attenzione: altre prove pubblicate

Alberto Cigada58

Testa in acciaio inossidabile 28 mm + coppa ceramica:

usura precocemobilizzazione asettica granuloma dei tessuti mollidolore

Valenti et al, J Arthro (2007) In Press

Attenzione: casi clinici segnalati

Alberto Cigada59

Testa ceramica 28 mm + coppa CoCr:

dolore all’inguinedecolorazonedella capsula

Attenzione: altri casi clinici segnalati

Hinrichs & Griss, Case report 2001

Loehr et al. Orthopade,2006 Aug;35(8):860-4.

Testa metallica + coppa ceramica:

doloremetallosiperdita di vista

Alberto Cigada60

L’accoppiamento ceramica-metallo riduce l’usura, la frizione e il rilascio di ioni rispetto all’accoppiamento metallo-metallo in quanto caratterizzato da:

diversa durezza delle due superficisuperficie più liscia e meglio lubrificataeliminazione dell’effetto elettrochimico che determina aumento del rilascio ionico connesso a usura

Conclusioni (1)

Alberto Cigada61

Le bande di usura (stripe) osservate negli accoppiamenti ceramica-ceramica e metallo-metallo in condizioni di microseparazione non sono state osservate nell’accoppiamento ceramica-metallo

Conclusioni (2)

Alberto Cigada62

Le prove hanno validato esclusivamente l’accoppiamento:

testa ceramica Biolox Delta (Ceramtec)coppa metallica Ultamet (DePuy)

Materiali avanzati e allo stato dell’arte

Conclusioni (3)

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