Влияние сверхнизкого содержания нанопластин графита на трибологические свойства композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обоснование. Совершенствование технологии изготовления сверхвысокомолекулярного полиэтилена остаётся одной из приоритетных задач медицинской техники, ведь вкладыш эндопротеза относится к одним из самых слабых элементов искусственных суставов, являясь наиболее частой причиной их повреждения или разрушения. Армирование наполнителями сверхвысокомолекулярного полиэтилена позволяет продлить срок службы изделий из него за счёт снижения скорости износа и коэффициента трения для различных пар трения.

Цель. Исследовать влияние сверхнизкого содержания нанопластин графита в концентрациях 0,006–0,307 мас.% на комплекс трибологических характеристик и износостойкость композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Материалы и методы. Синтезированный по различным технологиям сверхвысокомолекулярный полиэтилен исследовали на трибологические свойства на трибометре Nanovea и на износостойкость по ISO 15527 в сравнении с коммерческими марками сверхвысокомолекулярного полиэтилена компании Ticona.

Результаты. Определён диапазон концентраций нанопластин графита, при которых коэффициент трения достигает наименьших значений. Установлено, что коэффициент трения сверхвысокомолекулярного полиэтилена без наполнителя соответствует коммерческим продуктам GUR 1020 и GUR 1050 торговой марки Chirulen, а композиты на его основе обладают меньшим коэффициентом трения. Определена оптимальная концентрация наполнителя по результатам трибологических испытаний и испытаний на износостойкость

Заключение. Введение нанопластин графита приводит к увеличению стойкости к износу при воздействии водно-песчаной суспензии.

Об авторах

Александр Сергеевич Заболотнов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова

Email: zabolotnov.ru@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0695-9012
SPIN-код: 6604-4708

канд. тех. наук

Россия, Москва

Ростислав Игоревич Челмодеев

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова

Email: cherosz@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0444-9070
SPIN-код: 2080-5630
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10

Юлия Сергеевна Лукина

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова

Email: lukina_rctu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0121-1232
SPIN-код: 2814-7745

канд. тех. наук

Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10

Сергей Сергеевич Гостев

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова

Email: tmush2017@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3754-3872
SPIN-код: 6943-7507
Россия, Москва

Дмитрий Владимирович Смоленцев

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова

Автор, ответственный за переписку.
Email: SmolentsevDV@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-5386-1929
SPIN-код: 3702-1955
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10

Николай Свиридович Гаврюшенко

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова

Email: testlabcito@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7198-433X
SPIN-код: 3335-6472

д-р тех. наук, профессор

Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10

Список литературы

  1. Szarek A., Postawa P., Stachowiak T., et al. The Analysis of Polyethylene Hip Joint Endoprostheses Strength Parameters Changes after Use inside the Human Body // Materials (Basel). 2021. Vol. 14, № 22. P. 7091. doi: 10.3390/ma14227091
  2. Singh J.A., Yu S., Chen L., Cleveland J.D. Rates of total joint replacement in the United States: future projections to 2020–2040 using the national inpatient sample // The Journal of rheumatology. 2019. Vol. 46, № 9. P. 1134–1140. doi: 10.3899/jrheum.170990
  3. Wu J., Peng Z. Investigation of the geometries and surface topographies of UHMWPE wear particles // Tribology International. 2013. Vol. 66. P. 208–218. doi: 10.1016/j.triboint.2013.05.005
  4. Pinchuk L.S., Nikolaev V.I., Tsvetkova E.A., Goldade V. A. Tribology and biophysics of artificial joints. In: Briscoe B.J., editor. Tribology and Interface Engineering — Series 50. Oxford: Elsevier, 2006. Р. 1–375.
  5. Niemczewska-Wójcik M., Piekoszewski W. The surface topography of a metallic femoral head and its influence on the wear mechanism of a polymeric acetabulum // Archiv Civ Mech Eng. 2017. Vol. 17, № 2. P. 307–317. doi: 10.1016/j.acme.2016.10.010
  6. Miura Y., Hasegawa M., Sudo A., Pezzotti G., Puppulin L. In-vivo degradation of middle-term highly cross-linked and remelted polyethylene cups: modification induced by creep, wear and oxidation // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2015. Vol. 51. P. 13–24.
  7. Choudhury D., Ranuša M., Fleming R.A., et al. Mechanical wear and oxidative degradation analysis of retrieved ultra-high molecular weight polyethylene acetabular cups // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018. Vol. 79. P. 314–323. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.01.003
  8. Nabrdalik M., Sobociński M. Modeling of stress and strain distribution in uhmwpe elements of knee and hip human joints // Acta Phys Pol A. 2020. Vol. 138, № 2. P. 224–227. doi: 10.12693/APhysPolA.138.224
  9. Patil N.A., Njuguna J., Kandasubramanian B. UHMWPE for Biomedical Applications: Performance and Functionalization // European Polymer Journal. 2020. Vol. 125. P. 109529. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2020
  10. Li S., Xu Y., Jing X., et al. Effect of carbonization temperature on mechanical properties and biocompatibility of biochar/ultra-high molecular weight polyethylene composites // Composites Part B: Engineering. 2020. Vol. 196, № 18. P. 108120.
  11. Xu J.Z., Muratoglu O.K., Oral E. Improved oxidation and wear resistance of ultrahigh molecular weight polyethylene using cross-linked powder reinforcement // J Biomed Mater Res B. 2019. Vol. 107, № 3. P. 716–723. doi: 10.1002/jbm.b.34165
  12. Ruggiero A., Gómez E., Merola M. Experimental comparison on tribological pairs UHMWPE/TIAL6V4 alloy, UHMWPE/AISI316L austenitic stainless and UHMWPE/AL2O3 ceramic, under dry and lubricated conditions // Tribology International. 2016. Vol. 96. P. 349–360.
  13. Hirakawa K., Bauer T.W., Stulberg B.N., Wilde A.H., Secic M. Characterization and comparison of wear debris from failed total hip implants of different types // J BJS. 1996. Vol. 78, № 8. P. 1235–1243. doi: 10.2106/00004623-199608000-00014
  14. Massin P., Achour S. Wear products of total hip arthroplasty: The case of polyethylene // Morphologie. 2017. Vol. 101, № 17. P. 1–8. doi: 10.1016/j.morpho.2016.06.001
  15. Zeman J., Ranuša M., Vrbka M., et al. UHMWPE acetabular cup creep deformation during the run-in phase of THA’s life cycle // Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2018. Vol. 87. P. 30–39. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.07.015
  16. Affatato S., Freccero N., Taddei P. The biomaterials challenge: A comparison of polyethylene wear using a hip joint simulator // J Mech Behav Biomed Mater. 2016. Vol. 53. P. 40–48. doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.08.001
  17. Verma N., Zafar S., Pathak H. Investigations on thermal damage and surface roughness of laser beam machined nano-hydroxyapatite UHMWPE composites // Manufacturing Letters. 2020. Vol. 25. P. 81–87.
  18. Senra M.R., Marques M.F.V., Souza D.H.S. Ultra-high molecular weight polyethylene bioactive composites with carbonated hydroxyapatite // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2020. Vol. 110. P. 103938. doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.103938
  19. Baena J.C., Wu J., Peng Z. Wear performance of UHMWPE and reinforced UHMWPE composites in arthroplasty applications: a review // Lubricants. 2015. Vol. 3, № 2. P. 413–436. doi: 10.3390/LUBRICANTS3020413
  20. Saravanan P., Melk L., Emami N. Mechanical and thermal properties of vitamin E-doped UHMWPE reinforced with hydroxyapatite // Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces. 2021. Vol. 15, № 3. P. 193–200. doi: 10.1080/17515831.2020.1830252
  21. Aliyu I.K., Azam M.U., Lawal D.U., Samad M.A. Optimization of SiC Concentration and Process Parameters for a Wear-Resistant UHMWPE Nancocomposite // Arabian Journal for Science and Engineering. 2020. Vol. 45. P. 849–860. doi: 10.1007/s13369-019-04164-3
  22. Chang B.P., Akil H.M., Nasir R.M., Nurdijati S. Mechanical and Antibacterial Properties of Treated and Untreated Zinc Oxide filled UHMWPE Composites // J Thermoplast Compos Mater. 2011. Vol. 24, № 5. P. 653–667. doi: 10.1177/0892705711399848
  23. Golchin A., Villain A., Emami N. Tribological behaviour of nanodiamond reinforced UHMWPE in water-lubricated contacts // Tribol Int. 2017. Vol. 110. P. 195–200. doi: 10.1016/j.triboint.2017.01.016
  24. Wood W., Li B., Zhong W.-H. Influence of phase morphology on the sliding wear of polyethylene blends filled with carbon nanofibers // Polym Eng Sci. 2010. Vol. 50. P. 613–623. doi: 10.1002/pen.21549, 50:613-623
  25. Ruan S.L., Gao P., Yang X.G., Yu T.X. Toughening high performance ultrahigh molecular weight polyethylene using multiwalled carbon nanotubes // Polymer. 2003. Vol. 44, № 19. P. 5643–5654. doi: 10.1016/s0032-3861(03)00628-1
  26. Xue Y., Wu W., Jacobs O., Schädel B. Tribological behaviour of UHMWPE/HDPE blends reinforced with multi-wall carbon nanotubes // Polym Test. 2006. Vol. 25. P. 221–229. doi: 10.1016/j.polymertesting.2005.10.005
  27. Dayyoub T., Maksimkin A.V., Kaloshkin S., et al. The structure and mechanical properties of the UHMWPE films modified by the mixture of graphene nanoplates with polyaniline // Polymers. 2018. Vol. 11, № 1. P. 23. doi: 10.3390/polym11010023
  28. Aliyu I.K., Mohammed A.S., Al-Qutub A. Tribological performance of ultra high molecular weight polyethylene nanocomposites reinforced with graphene nanoplatelets // Polym Compos. 2019. Vol. 40. P. E1301–E1311.
  29. Zoo Y.-S., An J.-W., Lim D.-P., Lim, D.-S. Effect of Carbon Nanotube Addition on Tribological Behavior of UHMWPE // Tribology Letters. 2004. Vol. 16, № 4. P. 305–309. doi: 10.1023/b:tril.0000015206.21688.87
  30. Vega J.F., Martínez-Salazar J., Trujillo M., et al. Rheology. Processing, Tensile Properties, and Crystallization of Polyethylene/Carbon Nanotube Nanocomposites // Macromolecules. 2009. Vol. 42, № 13. P. 4719–4727. doi: 10.1021/ma900645f
  31. Sui G., Zhong W.H., Ren X., Wang X.Q., Yang X.P. Structure, mechanical properties and friction behavior of UHMWPE/HDPE/carbon nanofibers // Materials Chemistry and Physics. 2009. Vol. 115, № 1. P. 404–412. doi: 10.1016/j.matchemphys.2008.12.016
  32. Puértolas J.A., Kurtz S.M. Evaluation of carbon nanotubes and graphene as reinforcements for UHMWPE-based composites in arthroplastic applications: A review // Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2014. Vol. 39. P. 129–145. doi: 10.1016/j.jmbbm.2014.06.013
  33. Somberg J., Gonçalves G., Sánchez M.S., Emami N. Chemically expanded graphite-based ultra-high molecular weight polyethylene nanocomposites with enhanced mechanical properties // Materials & Design. 2022. Vol. 224. P. 111304. doi: 10.1016/j.matdes.2022.111304
  34. Brevnov P.N., Kirsankina G.R., Zabolotnov A.S., et al. Synthesis and properties of nanocomposite materials based on ultra-high-molecular-weight polyethylene and graphite nanoplates // J Polym Sci. 2016. Vol. 58, № 1. P. 38–49. doi: 10.1134/S1811238216010021
  35. Zabolotnov A.S., Gostev S.S., Gudkov M.V., Novokshonova L.A., Chelmodeev R.I. The influence of ultralow content of graphene on wear-resistant properties of composites based on ultra-high molecular weight polyethylene // Polym Sci Series A. 2023. Vol. 65, № 3. P. 296–301.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема трибологических испытаний.

Скачать (93KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение коэффициента трения от длины пути износа для образца с содержанием нанопластин графита с N=0,093 мас.%.

Скачать (156KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость коэффициента трения (сглаженные огибающие) от концентрации нанопластин графита в синтезированных СВМПЭ-композитах. Примечание (здесь и на рис. 4, 6). СВМПЭ — сверхвысокомолекулярный полиэтилен.

Скачать (250KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость коэффициента трения (сглаженные огибающие) от длины пути износа для образцов СВМПЭ, синтезированного без нанонаполнителя, и различных коммерческих марок.

Скачать (203KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнительная износостойкость синтезированных композитов СВМПЭ-НПГ с коммерческой медицинской маркой СВМПЭ GUR 1020. Примечание. СВМПЭ — сверхвысокомолекулярный полиэтилен, НПГ — нанопластины графита.

Скачать (118KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость среднего коэффициента трения от концентрации нанопластин графита в синтезированных СВМПЭ-композитах.

Скачать (257KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».