Оценка скорости износа вертлужного компонента тотального эндопротеза тазобедренного сустава на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена отечественного производства

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Обоснование. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) отечественного производства продемонстрировал в ранее проведённых трибологических испытаниях «штифт на диске» значение коэффициента трения, не уступающее коммерческим образцам СВМПЭ марок Gur1020 и Gur1050 (Chirulen). С клинической точки зрения значения износа компонентов эндопротеза, полученные в условиях, имитирующих in vivo в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14242-1, включая кинематику, условия нагрузки и смазки, имеют решающее значение при выборе ортопедических имплантатов.

Цель. Исследование степени износа вкладыша из экспериментального СВМПЭ пары трения эндопротеза тазобедренного сустава в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14242 (части 1, 2).

Материалы и методы. Проведено пилотное одноцентровое исследование; объект — пара трения тазобедренного сустава при сплошной выборке четырёх образцов. Исследование является экспериментальным, с получением количественных и качественных данных, отслеживание которых проводилось через 0,5, 1, 2, 3, 4 и 5 млн циклов. Контроль исследования носит как описательный характер, так и точные значения с учётом «до–после». Испытания на износ пар трения эндопротеза тазобедренного сустава, одним из компонентов которого является отечественный СВМПЭ производства компании ООО «Инженерные полимеры» (Россия), были проведены в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14242 (части 1, 2) с использованием машины для испытаний на износ эндопротезов тазобедренного сустава (ООО «ЦТБ МОС» группы компаний «Электронтест»), позволяющей провести оценку устойчивости к истиранию пары трения. Анализ механизмов износа выполнялся по результатам сканирующей электронной микроскопии, исследования шероховатости и отклонения от сферичности компонентов пары трения тазобедренного сустава.

Результаты. Входные значения отклонения от сферичности и шероховатости компонентов пар трения соответствуют ГОСТ Р ИСО 7206-2. Среднее значение скорости износа после 5 млн циклов в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14242-2 по результатам расчётов по образцам трёх пар трения составляет 19,8 ± 2,1 мг/млн циклов, что, в соответствии с литературными данными, ниже скорости износа в аналогичных исследованиях или сопоставимо с нею. Абразивный и усталостный износ внутренней поверхности вкладышей типичен для СВМПЭ в данных условиях испытаний: полировка, царапины, отрыв и адгезия частиц.

Заключение. Отечественный экспериментальный СВМПЭ обладает низкой скоростью износа по сравнению с коммерческими импортными аналогами, представленными на российском рынке, что при использовании его в качестве материала вертлужного компонента обеспечит долгосрочную клиническую эффективность эндопротезов тазобедренного сустава.

Об авторах

Юлия Сергеевна Лукина

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: lukina_rctu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0121-1232
SPIN-код: 2814-7745

канд. техн. наук, доцент

Россия, Москва; Москва

Сергей Михайлович Михалкин

Группа компаний «Электронтест»

Email: grp@electron-test.ru
ORCID iD: 0009-0000-8046-7222
Россия, Москва

Александр Сергеевич Заболотнов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова; ООО «Инженерные полимеры»

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

канд. техн. наук

Россия, Москва; Москва

Владимир Игоревич Зубцов

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

Email: zubtsovvi@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0009-0003-4556-2728
Россия, Москва

Михаил Михайлович Сморчков

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

Email: smorchkovmm@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0003-4101-5877
SPIN-код: 9380-1870
Россия, Москва

Николай Васильевич Загородний

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

Email: zagorodnijnv@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0002-6736-9772
SPIN-код: 6889-8166

д-р мед. наук, профессор, академик РАН

Россия, Москва

Список литературы

  1. Ferguson RJ, Palmer A, Taylor A, et al. Hip and knee replacement 1: hip replacement. Lancet. 2018;392(10158):1662–1671. doi: 10.1016/S0140-6736(18)31777-X
  2. Ho SP, Carpick RW, Boland T, LaBerge M. Nanotribology of CoCr–UHMWPE TJR prosthesis using atomic force microscopy. Wear. 2002;253:1145–1155.
  3. Affatato S, Leardini W, Zavalloni M. Hip joint simulators: state of the art, bioceramics and alternative bearings in joint arthroplasty. Ceramics in Orthopaedics. 2006;Session 6:171–180.
  4. Howie DW, Haynes DR, Rogers SD, McGee MA, Pearcy MJ. The response to particulate debris. Orthop Clin North Am. 1993;24(4):571–581.
  5. Harris WH. Osteolysis and particle disease in hip replacement — a review. Acta Orthopaedica Scandinavica. 1994;65(1):113–123. doi: 10.3109/17453679408993734
  6. Schaaff P. The role of fretting damage in total hip arthroplasty with modular design hip joints — evaluation of retrieval studies and experimental simulation methods. J Appl Biomater Biomech. 2004;2(3):121–135.
  7. Wang A, Stark C, Dumbleton JH. Role of cyclic plastic deformation in the wear of UHMWPE acetabular cups. J Biomed Mater Res. 1995;29(5):619–626. doi: 10.1002/jbm.820290509
  8. Bistolfi A, Giustra F, Bosco F, et al. Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) for hip and knee arthroplasty: The present and the future. Journal of Orthopaedics. 2021;25:98–106. doi: 10.1016/j.jor.2021.04.004
  9. Kandahari A, Yang X, Laroche K, et al. A review of UHMWPE wear-induced osteolysis: the role for early detection of the immune response. Bone Research. 2016;4:16014. doi: 10.1038/boneres.2016.14
  10. McKellop HA, Campbell P, Park SH, et al. The origin of submicron polyethylene wear debris in total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat R. 1995;(311):3–20.
  11. Wroblewski BM. Cementless versus cemented total hip arthroplasty — a scientific controversy. Orthop Clin North Am. 1993;24:591–597.
  12. Chu CR. Short-term analysis vs long-term data on total hip replacement survivorship. JAMA Surgery. 2015;150(10):989. doi: 10.1001/jamasurg.2015.1337
  13. Zabolotnov AS, Chelmodeev RI, Lukina YuS, et al. Effect of ultra-low content of graphite nanoplatelets on tribological properties of composites based on ultra-high molecular weight polyethylene. N.N. Priorov Journal of Traumatology and Orthopedics. 2024;31(4):587–598. doi: 10.17816/vto635226 EDN: SVCYPD
  14. Young SK, Keller TS, Greer KW, Gorhan MC. Wear Testing of UHMWPE Tibial Components: Influence of Oxidation. Journal of Tribology. 2000;122:323.
  15. Hua Z, Dou P, Jia H, et al. Wear test apparatus for friction and wear evaluation hip prostheses. Frontiers in Mechanical Engineering. 2019;5:12.
  16. Oliveira ALL, Trigo FC, Queiroz RD, Carvalho RT. Development of a protocol for the performance evaluation of wear machines used in tests of joint prostheses. Mech Mach Theory. 2013;61:59–67.
  17. Wang A, Lee R, Herrera L, Korduba L. Wear of ultra-high molecular weight polyethylene moving along a circular path in a hip simulator. Wear. 2013;301:157–161.
  18. Saikko V. Friction measurement in the biaxial rocking motion hip joint simulator. J Tribol. 2009;131:011201.
  19. Kaddick C, Wimmer MA. Hip simulator wear testing according to the newly introduced standard ISO 14242. Proc Inst Mech Eng H. 2001;215(5):429–42. doi: 10.1243/0954411011536019
  20. Gremillard L, Martin L, Zych L, et al. Combining ageing and wear to assess the durability of zirconia-based ceramic heads for total hip arthroplasty. Acta Biomaterialia. 2013;9(7):7545–7555. doi: 10.1016/j.actbio.2013.03.030
  21. Wiśniewski T, Rubach R, Łapaj Ł, Garncarek W. Friction and Wear Test of Components of a Hip Joint Endoprosthesis with Ceramic–Polyethylene Material Contact Using Hip Joint Movement Simulator. Tribologia. 2024;2:121–129.
  22. Affatato S, Frigo M, Toni A. An in vitro investigation of diamond-like carbon as a femoral head coating. J Biomed Mater Res. 2000;53(3):221–6. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(2000)53:3< 221::aid-jbm6> 3.0.co;2-z
  23. Trommer RM, Maru MM, Oliveira Filho WL, et al. Multi-Scale Evaluation of Wear in UHMWPE-Metal Hip Implants Tested in a Hip Joint Simulator. Biotribology. 2015;4:1–11.
  24. Wiśniewski T, Wielowiejska-Giertuga A, Rubach R, Łapaj Ł, Magda J. Research on friction wear of hip joint endoprostheses of polyethylene-metal material combination on hip joint simulator. Tribologia. 2018;281–285:153–158.
  25. Mattei L, Di Puccio F, Ciulli E, Pauschitz A. Experimental investigation on wear map evolution of ceramic-on-UHMWPE hip prosthesis. Tribology International. 2020;143:106068.
  26. Saikko V, Vuorinen V, Revitzer H. Analysis of UHMWPE wear particles produced in the simulation of hip and knee wear mechanisms with the Random POD system. Biotribology. 2015;1–2:30–34.
  27. Niemczewska-Wójcik M. Wear mechanisms and surface topography of artificial hip joint components at the subsequent stages of tribological tests. Measurement. 2017;107:89–98.
  28. Wilkinson JM, Hamer AJ, Stockley I, et al. Polyethylene wear rate and osteolysis: critical threshold versus continuous dose-response relationship. J Orthop Res. 2005;23(3):520–525. doi: 10.1016/j.orthres.2004.11.005
  29. Schmalzried TP, Jasty M, Harris WH. Periprosthetic bone loss in total hip arthroplasty. Polyethylene wear debris and the concept of the effective joint space. J Bone Joint Surg Am. 1992;74:849–863.
  30. Ingham E, Fisher J. The role of macrophages in osteolysis of total joint replacement. Biomaterials. 2005;26(11):1271–1286. doi: 10.1016/j.biomaterials.2004.04.035
  31. Ribeiro R, Gonçalves AC, de Albuquerque MCF. Planning and construction of mechanism for surface wear testing and fault analysis in quadril joint prosthetic tribosystem. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020;106:4193–4202. doi: 10.1007/S00170-019-04892-8

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Диаграммы изменений в зависимости от цикла походки человека: а — усилия в процентах от цикла в 1 с, b — угловые перемещения в цикле 1 с, полученные на испытательном стенде: 1 — сгибание / разгибание, 2 — приведение / отведение, 3 — поворот внутрь / наружу.

Скачать (193KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Износ вкладышей в парах трения.

Скачать (127KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микрофотографии внутренней поверхности вкладыша: а — исходная поверхность (оптическая), ×10; b — после 0,5 млн циклов (оптическая), ×10; с — после 5 млн циклов (сканирующая электронная микроскопия).

Скачать (292KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Профили шероховатости внутренней поверхности вкладыша И1: а — до испытаний, b — после 0,5 млн циклов.

Скачать (459KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Профиль шероховатости трека образца И3: а — после 1 млн циклов (Ra = 0,0109 мкм), b — после 5 млн циклов (Ra = 0,0827 мкм).

Скачать (337KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микрофотографии износа сверхвысокомолекулярного полиэтилена после 5 млн циклов.

Скачать (349KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Микрофотографии поверхности головок эндопротеза: а — образец Г1, b — Г3, с — Г4. Увеличение ×50.

Скачать (258KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Микрофотографии вырывания частиц сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Скачать (230KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2025

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».