badania struktury geometrycznej powierzchni

2-2009
TRIBOLOGIA
107
Magdalena NIEMCZEWSKA-WÓJCIK*
BADANIA STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ
POWIERZCHNI CERAMICZNYCH ELEMENTÓW
TRĄCYCH ENDOPROTEZY STAWU BIODROWEGO
THE SURFACE GEOMETRICAL STRUCTURE RESEARCH
OF CERAMIC FRICTION ELEMENTS OF HIP JOINT
ENDOPROSTHESIS
Słowa kluczowe:
endoproteza, technologia wytwarzania, struktura geometryczna powierzchni, funkcjonalność
Key-words:
endoprosthesis, manufacturing process, surface geometrical structure,
functionality
Streszczenie
W referacie przedstawiono zasady kształtowania struktury geometrycznej
powierzchni elementów endoprotez (głów) wykonanych z mono- i polikrystalicznych materiałów ceramicznych. Przytoczono wymagania odno*
Politechnika
Krakowska,
[email protected]
Katedra
Inżynierii
Procesów
Produkcyjnych,
108
TRIBOLOGIA
2-2009
szące się do biomateriałów, elementów endoprotezy stawu biodrowego
oraz przeprowadzania badań struktury geometrycznej ich powierzchni
(błąd kształtu i chropowatość). Uzyskane wyniki pomiarów błędów
kształtu (odchyłki okrągłości) oraz chropowatości poddano analizie, na
podstawie której wysunięto wnioski dotyczące kształtowania głów endoprotez stawu biodrowego.
WPROWADZENIE
W układzie kostno-stawowym człowieka ważną rolę odgrywają stawy
[L. 1], m.in. staw biodrowy, który ze względu na przenoszenie dużych obciążeń narażony jest na zniszczenie, deformacje, uszkodzenia mechaniczne
oraz zmiany chorobowe. Skuteczne leczenie zmian degradacyjnych, przez
stosowanie środków farmakologicznych i zabiegów odciążających czy leczenie chirurgiczne, stanowi wyzwanie dla współczesnej ortopedii.
Alloplastyka, przez niektórych autorów określana mianem endoprotezoplastyka, należy do najczęściej wykonywanych zabiegów rekonstrukcyjnych stawu biodrowego. Polega ona na zastępowaniu naturalnego
(Rys. 1a) stawu biodrowego jego sztucznym (Rys. 1b) odpowiednikiem,
tzw. endoprotezą, dzięki czemu możliwe jest przywrócenie utraconych
czynności ruchowych stawu.
Endoproteza stawu biodrowego składa się z trzech elementów: panewki (wkręcanej, wbijanej rozporowo, osadzanej na cemencie kostnym),
trzpienia (wprowadzanego w jamę szpikową kości udowej) oraz głowy
(nakładanej na stożek trzpienia lub stanowiącej z nim jedną całość).
Problemy biofunkcjonalności wynikają z ograniczenia trwałości
(uszkodzeń i ścierania) polietylenowej panewki, utraty stabilności panewki lub trzpienia oraz braku anatomicznego funkcjonowania stawu.
(a)
(b)
Rys. 1. Staw biodrowy [L. 3]: (a) naturalny, (b) sztuczny
Fig. 1. Hip joint [L. 3]: (a) natural, (b) artificial
2-2009
TRIBOLOGIA
109
Prawidłowo zbudowany, naturalny staw biodrowy człowieka ma
głowę kości udowej o średnicy 70÷42 mm. Głowy endoprotez stawu biodrowego mają średnicę 32÷28 mm, skąd wynika uproszczenie biomechaniki stawu – wykonywanie ruchów krańcowych, jak zginanie, przywodzenie i odwodzenie wyważa głowę endoprotezy z panewki, co prowadzi
do zwichnięcia bądź obluzowania [L. 3].
Mając na względzie poprawne funkcjonowanie endoprotez stawu
biodrowego (wykonywanie odpowiednich ruchów, stymulację masy kości, odpowiednie tłumienie drgań, odporność na ewentualne obciążenia
oraz brak odczynów alergicznych) przy ich projektowaniu należy zwracać szczególną uwagę zarówno na rodzaj stosowanych biomateriałów,
jak również na odpowiednią konstrukcję oraz sposób mocowania elementów składowych endoprotezy.
Zależność między charakterystyką organizmu człowieka, konstrukcją
endoprotez i biofunkcjonalnością przedstawia Rys. 2.
Konstrukcja endoprotezy
Organizm człowieka
Psychika (świadomość)
Czynniki fizjologiczne
Technika operacyjna
Cechy materiałowe
Cechy geometryczne
Cechy dynamiczne
Identyfikacja obiektu
w badaniach
biomechanicznych
modelowanie
eksperyment
weryfikacja
estymacja
obciążenia
Badania na modelach
w układach rzeczywistych
STABILNOŚĆ
czas
Kryteria oceny
TRWAŁOŚĆ
BIOFUNKCJONALNOŚĆ
Rys. 2. Schemat oceny biofunkcjonalności sztucznego stawu biodrowego [L. 1]
Fig. 2. Scheme of the artificial hip joint biofunctionality assessment [L. 1]
Warunkiem postępu w alloplastyce jest ciągłe poszukiwanie i doskonalenie materiałowych oraz konstrukcyjnych rozwiązań endoprotez.
Wśród biomateriałów stosowanych na implanty stawów, poza materiałami metalowymi i polimerowymi, coraz częściej wymienia się monoi polikrystaliczne materiały ceramiczne. Materiały ceramiczne ze względu na właściwości należą do grupy materiałów trudno obrabialnych
[L. 4], stąd istotnego znaczenia nabiera proces ich technologicznego wy-
110
TRIBOLOGIA
2-2009
twarzania. Proces ten obejmuje etapy wg Rys. 3 szczegółowo opisane
w literaturze przedmiotu, z których najważniejszym jest obróbka końcowa.
Obróbka
w stanie zielonym
Obróbka
w stanie białym
Spiekanie
wstępne
Przygotowanie mas.
Formowanie
Obróbka
końcowa
Spiekanie
końcowe
Wyrób
gotowy
Rys. 3. Schemat procesu technologicznego wytwarzania materiałów ceramicznych
[L. 4]
Fig. 3. Flow chart of ceramic materials manufacturing process [L. 4]
Obróbka końcowa głów endoprotez stawu biodrowego (z półfabrykatów ceramicznych) w ogólnym opisie obejmuje cztery operacje [L. 4]:
1) obróbkę wstępną otworu bazowego w kształcie stożka,
2) obróbkę wstępną – szlifowanie, nadającą kształt obrabianym elementom,
3) obróbkę wykończeniową – docieranie, zapewniające wymagania co do
dokładności wymiarowo-kształtowej i jakości wykonania powierzchni,
4) sprawdzanie wymiaru G (Rys. 4) i ewentualną modyfikację otworu
stożkowego pod mocowanie trzpienia endoprotezy.
Rys. 4. Głowa endoprotezy stawu biodrowego [L. 6]
Fig. 4. Femoral head of hip joint endoprosthesis [L. 6]
Tabela 1. Znormalizowane wymiary [L. 6]
Table 1. Normalized dimensions [L. 6]
D[mm]
G[mm]
d[mm]
g[mm]
α,’[0]
28
24,5
13,8
16,2
30
2-2009
TRIBOLOGIA
111
Od doboru parametrów obróbki, zarówno w procesie obróbki wstępnej, jak też obróbki wykończeniowej, zależą osiągane efekty i walory
użytkowe otrzymywanych powierzchni.
Charakter ukształtowania elementów ceramicznych sposobami ściernej obróbki ubytkowej określany jest zwykle na podstawie analizy i oceny struktury geometrycznej ich powierzchni.
Struktura geometryczna powierzchni SGP wg normy [L. 9] to zbiór
wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej, tj.: odchyłek kształtu
i położenia, wad powierzchni, falistości i chropowatości. W potocznym
znaczeniu struktura geometryczna powierzchni oznacza zbiór szczegółowych cech w ujęciu trójwymiarowym pewnego, ograniczonego obszaru
[L. 7].
Trójwymiarowe obrazy pozwalają na precyzyjne oddanie natury procesów obróbki oraz współpracę powierzchni, sprawdzenie zgodności
efektu technologicznego z założeniami konstrukcyjnymi, poznanie struktury geometrycznej powierzchni oraz warunków kontaktu dwóch powierzchni rzeczywistych, określanie związków między metodą wytwarzania (w wyniku której zostaje ukształtowana warstwa wierzchnia wyrobu) a możliwością spełniania przez warstwę wierzchnią założonych
funkcji [L. 5].
Biofunkcjonalność sztucznego stawu biodrowego człowieka – endoprotezy – uzależniona jest (Rys. 1), poza cechami dynamicznymi i materiałowymi, od cech geometrycznych.
Zarówno wymiary (tolerancje), kształt i jakość powierzchni elementów endoprotez stawu biodrowego (trzpienia, głowy i panewki) oraz sposób ich pomiaru zostały określone w odpowiednich normach, tj. [L. 8].
Błąd kształtu ∆ (promieniowa odchyłka okrągłości – kołowości –
Rys. 5a) głów endoprotezy stawu biodrowego (metalowych lub ceramicznych) powinno wyznaczać się w płaszczyznach wskazanych na
Rys. 5b (A-A, B-B, C-C), panewki – zgodnie z Rys. 5c.
Wymagania odnoszące się do chropowatości powierzchni Ra (średnie
arytmetyczne odchylenie profilu) należy sprawdzać wykonując pomiar
w miejscach oznaczonych: A (a), B (b = 2a/3), C (c = a/3) i P wskazanych na Rys. 5b oraz Rys. 5c.
112
(a)
TRIBOLOGIA
2-2009
(c)
(b)
P
P
C
a
B
c
A
b
C
C
a
B
B
c
A
A
b
C
B
A
Rys. 5. Definicja odchyłki okrągłości ∆ [L. 2] (a), lokalizacja punktów pomiarowych endoprotezy stawu biodrowego [L. 8]: powierzchni głowy (b) oraz
panewki (c)
Fig. 5. Definition of departure from roundness ∆ [L. 2] (a), locations of measurement
points of hip joint endoprosthesis [L. 8]: femoral head surface (b) and acetabular component (c)
Według normy [L. 8] powierzchnie stawowe metalowych lub ceramicznych wypukłych czasz kulistych endoprotez całkowitych stawów
(głów) przeznaczone do współpracy z polietylenową panewką powinny
charakteryzować wartości: Ra ≤ 0,05 µm oraz ∆ ≤ 10 µm; natomiast do
współpracy z metalową lub ceramiczną panewką: Ra ≤ 0,05 µm, ∆ ≤ 5 µm.
W normie podano również wymagania odnoszące się do panewki
(polietylenowej, metalowej lub ceramicznej) współpracującej z metalową
lub ceramiczna głową. Panewkę polietylenową powinny charakteryzować
wartości: Ra ≤ 2 µm, natomiast metalową lub ceramiczną wartości:
Ra ≤ 0,05 µm, ∆ ≤ 5 µm.
PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ
Przedmiotem badań były elementy trące endoprotezy stawu biodrowego
(głowy) wykonane z mono- (szafir α-Al2O3) i polikrystalicznych (cyrkonia ZrO2) materiałów ceramicznych, spełniające wymagania dotyczące
endoprotez stawu biodrowego.
Struktura geometryczna powierzchni badanych głów endoprotezy
stawu biodrowego, otrzymanych w wyniku obróbki końcowej procesu
technologicznego wytwarzania, została poddana badaniu na dwóch stanowiskach pomiarowych.
2-2009
TRIBOLOGIA
113
Stanowisko nr 1: Współrzędnościowa Maszyna Pomiarowa WMP
Pomiar kształtu wytworzonych głów endoprotezy stawu biodrowego zrealizowano w Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej Politechniki
Krakowskiej na WMP PMM 12106 firmy Leitz. Maszyna WMP wyposażona w głowicę pomiarową (ø = 8 mm) umożliwia wykonywanie pomiarów skaningowych wybranych elementów oraz współpracuje z metrologicznym oprogramowaniem Quindos. Pomiar odbywał się w lokalnych
układach współrzędnych, których początek znajdował się w środku badanego elementu (głowy).
Stanowisko nr 2: Profilometr
Badania topografii (chropowatości 3D) powierzchni głów endoprotezy
stawu biodrowego przeprowadzono w Laboratorium Mikro- i Nanoinżynierii Politechniki Koszalińskiej na profilometrze CLI2000 za pomocą
stykowej głowicy skanującej (ø = 2 µm), a wyniki badań przeanalizowano za pomocą specjalistycznego oprogramowania Mountains Map v.2.0.
Pomiar topografii polegał na skanowaniu powierzchni badanych elementów ceramicznych na obszarze 1x1 mm z krokiem 1 µm w kierunku x i y.
WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
Otrzymane w wyniku obróbki końcowej ceramiczne głowy endoprotez stawu
biodrowego poddano analizie pod względem dokładności wymiarowo-kształtowej (błąd kształtu) oraz jakości (chropowatości 3D) powierzchni.
Błąd kształtu
Przykładowe wyniki pomiaru błędu kształtu we wskazanych płaszczyznach oraz wyznaczone wartości ∆ przedstawiono w Tabeli 2.
Błąd kształtu dla głów endoprotez wykonanych z mono- (szafir
α-Al2O3) i polikrystalicznych (cyrkonia ZrO2) materiałów ceramicznych
był podobny w każdej z płaszczyzn pomiarowych. Najlepszy wynik uzyskano w płaszczyźnie A-A (równik), najgorszy w płaszczyźnie C-C (część
głowy najbardziej eksploatowana podczas współpracy z panewką).
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że jedynie w płaszczyznach A-A i B-B spełnione zostały wymagania normy (∆ ≤ 10 µm) dla
głów przeznaczonych do współpracy z polietylenową panewką. Dla głów
przeznaczonych do współpracy z metalową lub ceramiczną panewką
wymagania normy (∆ ≤ 5 µm) nie zostały spełnione w żadnej z płaszczyzn pomiaru.
114
TRIBOLOGIA
2-2009
Tabela 2. Odchyłka okrągłości ∆ [µm]
Table 2. Departure from roundness ∆ [µm]
Pomiar
Głowa
A-A
∆
B-B
∆
C-C
∆
ZrO2
5.5
7.0
11.7
α-Al2O3
5.9
6.8
12.6
Przyczyn powstałych błędów należy poszukiwać zarówno w stanowisku i jego oprzyrządowaniu (m.in. jedno zamocowanie przedmiotu obrabianego bez względu na etap obróbki końcowej) oraz w stanowisku pomiarowym.
Topografia – chropowatość powierzchni 3D
Powierzchnie ceramicznych głów endoprotez po odfiltrowaniu kształtu oceniono, analizując wybrane parametry chropowatości – Tabela 3.
Parametr Ra (podawany w normach) w przypadku zarówno powierzchni głowy monokrystalicznej (α-Al2O3), jak i polikrystalicznej
(ZrO2) spełnia wymagania normy [L. 8] – jego wartość nie przekracza
0,05 µm, przy czym niższe wartości odnotowano dla powierzchni głowy monokrystalicznej. Zauważono również, że powierzchnie głowy
monokrystalicznej charakteryzowały znacznie (2 razy) niższe wartości
parametrów Sq i St, co świadczyło o lepszej jakości tej powierzchni
(niezależnie od miejsca pomiaru).
2-2009
TRIBOLOGIA
115
Tabela 3. Parametry chropowatości
Table 3. Roughness parameters
α-Al2O3
C=P
A
B
Parametry amplitudowe
0.044
0.046
0.033
0.029
0.131
0.155
0.051
0.047
1.964
2.391
0.694
0.669
-3.87
-2.27
-0.08
-0.03
27.7
10.7
3.56
3.15
Parametry przestrzenne
72327
68382
81954
79909
78.6
83.0
3.70
6.24
Parametry funkcjonalne
0.374
0.247
0.296
0.291
0.828
0.730
1.60
1.56
0.206
0.215
0.110
0.119
Parametry krzywej nośności
Głowa
Pomiar
A
ZrO2
B
Ra [µm]
Sq [µm]
St [µm]
Ssk [-]
Sku [-]
0.038
0.103
1.712
-3.29
23.8
Sds [pks/mm2]
Str [%]
75641
76.6
Sbi [-]
Sci [-]
Svi [-]
0.408
0.890
0.196
Spk [µm]
0.0652
0.0659
0.0681
0.0565
0.0551
0.0480
Sk [µm]
Svk [µm]
0.186
0.279
0.145
0.198
0.186
0.342
0.119
0.058
0.101
0.042
0.102
0.037
C=P
0.028
0.043
0.567
-0.06
3.30
79775
15.8
0.265
1.49
0.121
Pozostałe parametry amplitudowe, jak współczynnik skośności (asymetrii) Ssk oraz współczynnik skupienia (kurioza) Sku, dają uzupełniającą
informację na temat ukształtowania powierzchni badanych elementów
trących. Obydwa parametry są wrażliwe na występowanie na powierzchni miejscowych wzniesień czy wgłębień (w tym defektów), co wynika
z definicji tych parametrów [L. 5]. Parametr Ssk, w przypadku obydwu
badanych głów endoprotezy miał wartość ujemną, co świadczyło o płaskowyżowym ukształtowaniu ich powierzchni. Im niższa wartość Ssk, tym
bardziej spłaszczona powierzchnia i zaokrąglone wierzchołki wzniesień.
Wartość parametru Sku ujawniła inne cechy charakteryzujące badane
powierzchnie ceramiczne. Wysoka wartość Sku charakteryzuje powierzchnie o stromych nierównościach oraz o występowaniu na tych powierzchniach defektów (Tabela 4 – głowa polikrystaliczna). Wartość Sku
równa 3 wskazuje na powierzchnie, których rozkład rzędnych jest bliski
rozkładowi normalnemu (Tabela 4 – głowa monokrystaliczna).
116
TRIBOLOGIA
2-2009
Na rysunkach w Tabeli 4 pokazano również krzywe nośności, a parametry je opisujące (Spk, Sk, Svk) ujęto w Tabeli 3. Zredukowana wysokość wzniesień Spk oraz wysokość chropowatości rdzenia Sk nie wykazują
znaczących różnic w wartościach, co oznacza, że zarówno powierzchnia
głowy monokrystalicznej, jak i polikrystalicznej charakteryzuje porównywalna zdolność zatrzymania cieczy przez wzniesienia i rdzeń. Różnicę
zauważono w przypadku zredukowanej głębokości wgłębień Svk – dla
powierzchni głowy polikrystalicznej jest średnio 5 razy wyższa w porównaniu z powierzchnią głowy monokrystalicznej. Potwierdza to wcześniejsza analiza parametru Sku.
Tabela 4. Rozkład rzędnych i krzywa nośności
Table 4. Distribution of ordinates and bearing capacity curve
Pomiar
Głowa
A
B
C
ZrO2
α-Al2O3
Parametr przestrzenny Sds (gęstość miejscowych wzniesień) dostarcza
informacji na temat nośności powierzchni – im większa wartość Sds, tym
większy obszar powierzchni nośnej. W przypadku badanych powierzchni
odnotowano różnice w zagęszczeniu miejscowych wzniesień – największe w punkcie pomiaru A (równik), najmniejsze w punkcie pomiaru
C (biegun).
Wartość parametru Str (wskaźnik tekstury powierzchni) ujawnia charakter powierzchni: wartości bliskie 100% charakteryzują powierzchnie
2-2009
TRIBOLOGIA
117
o właściwościach izotropowych, natomiast wartości bliskie 0% – powierzchnie o właściwościach anizotropowych.
Parametry funkcjonalne: Sbi (wskaźnik powierzchni nośnej), Sci
(wskaźnik zatrzymania płynu przez rdzeń) oraz Svi (wskaźnik zatrzymania płynu przez wgłębienia) odgrywają ważną rolę w ocenie powierzchni
przeznaczonych do współpracy. Wartości wskaźnika Sbi są porównywalne dla obydwu badanych powierzchni – wyższe w punkcie A (równik),
niższe w punkcie C (biegun), co pokrywa się z analizą parametru Sds.
Wskaźnik Sci osiągnął wyższe wartości w przypadku powierzchni głowy
monokrystalicznej (lepsze warunki zatrzymania środka smarnego), natomiast wskaźnik Svi w przypadku głowy polikrystalicznej (występowanie
defektów powierzchni w postaci porów).
PODSUMOWANIE
• Uzasadnione są pomiary i analiza struktury geometrycznej powierzchni ceramicznych elementów trących endoprotezy stawu biodrowego
dla oceny procesu technologicznego ich wytwarzania (zwłaszcza obróbki końcowej).
• Wyznaczenie wielkości błędów kształtu i analiza parametrów chropowatości 3D powierzchni głów endoprotez pozwala na określenie
dalszych kroków w doskonaleniu procesu obróbki końcowej elementów ceramicznych, ważnego z punktu widzenia funkcjonalności implantów.
• Odpowiednio dobrana kinematyka oraz parametry obróbki umożliwia
otrzymanie wysokiej jakości (niska chropowatość) powierzchni oraz
wymaganej dokładności wymiarowo-kształtowej (błąd kształtu), co
jest bez wątpienia ważne, zwłaszcza w przypadku materiałów stosowanych w technice medycznej na implanty stawów.
• Istnieje ścisła zależność między charakterystyką materiałów, technologią ich kształtowania oraz właściwościami użytkowymi (funkcjonalnością) wytworzonych elementów.
LITERATURA
1. Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002.
2. Jakubiec W., Malinowski J.: Metrologia wielkości geometrycznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996.
118
TRIBOLOGIA
2-2009
3. Nałęcz M. (red.): Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna. Akademicka
Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004.
4. Niemczewska M.: Kształtowanie powierzchni elementów endoprotez wykonanych z materiałów ceramicznych. Praca doktorska, Kraków 2006.
5. Pawlus P.: Topografia powierzchni – pomiar, analiza, oddziaływanie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2006.
6. Sokhan S.: Self-regulation of Abrasive Finishing Details of the Spherical
Shape. Jornal of ISM – Superhard materials 6(2002).
7. Stout K.J., Blunt L.: Three Dimensional Surface Topography. Penton Press,
London 2000.
8. ASTM F2033-05: Standard Specification for Total Hip Prosthesis and Hip
Endoprosthesis Bearing Surfaces Made of Metalic, Ceramic and Polymeric
Materials, 2008.
9. ISO 4287: Surface Roughness – Terminology. Surface and its Parameters,
1984.
Recenzent:
Witold PIEKOSZEWSKI
Summary
The paper presents the rules of forming the surface geometrical
structure for endoprosthesis elements (femoral head) made of monoand polycRystalline ceramic materials. The requirements for biomaterials and elements of hip joint endoprosthesis were described. The
surface geometrical structure research (shape deviations and roughness) was discussed. The results of shape deviations (departure from
roundness) and surface roughness measurements were analysed. On
the basis of the analysis, conclusions on the manufacturing process of
the head of hip joint endoprosthesis were drawn.