alberto cigada - unisi.it
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Accoppiamenti tribologiciAlberto CigadaDipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”Politecnico di Milano
Alberto Cigada2
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
Alberto Cigada3
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)
Tribologia e protesi ortopediche
Alberto Cigada4
Tribologia e protesi ortopediche
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
Alberto Cigada
Tribologia e protesi ortopediche
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
Alberto Cigada
Accoppiamenti tribologici
L’articolazione artificiale di una protesi d’anca ègarantita dalla presenza di:
testa femoralecoppa acetabolare
Alberto Cigada
Accoppiamenti tribologici
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)
Alberto Cigada
Accoppiamenti tribologici
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
Alberto Cigada
Accoppiamenti tribologici
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
Steven Kurz, Society for Biomaterials, Reno, April 30-May 3, 2003
Metallo (o ceramica)/UHMWPE
Alberto Cigada
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)
Alberto Cigada
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
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
Alberto Cigada
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
Muratoglu OK et al., Orthopaedic Biomechanics LaboratoryMassachusetts General Hospital, Boston (2000)
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
Alberto Cigada
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
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
Alberto Cigada
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
Muratoglu OK et al., Orthopaedic Biomechanics LaboratoryMassachusetts General Hospital, Boston (2000)
-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
Alberto Cigada
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
Metallo liscio Metallo rugoso Ceramica
Sterilizzato γ
Reticolato
Alberto Cigada
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
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
Alberto Cigada
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
Prove di usura su simulatore di protesi di ginocchio
Alberto Cigada
Prove di delaminazione
UHMWPE reticolato: resistenza all’usura
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
Tipologie di UHMWPE reticolato per l’anca
Marathon De PuyCrossfire, X3 Stryker-HowmedicaDurasul, Longevity ZimmerXLPE Smith & NephewE-Poly Biomet
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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)
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Alberto Cigada
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
Prove di usura: condizioni standard – 36 mm
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
Prove di usura: condizioni standard – 36 mm
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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