Taper Korozyonu ve Titreşimli Aşınma

Modüler Bağlantılarda Titreşimli Aşınma ve Korozyon

Modüler total kalça artroplastisinde taper korozyonu daha 1980'lı -90'lı yıllarda klinik bir sorun olarak tanımlanmıştı. Metal üzeri metal yüzeyler, büyük başlar ve modüler boyunlar gibi daha modern tasarım trendleri son zamanlarda implant korozyonunu yeniden tüm revizyonların %4,2'sini oluşturan (Referans Della Calle Craig, AAHKS, 2014, sözlü sunum) ve sıklıkla ciddi sonuçları olan klinik bir sorun olarak gündeme getiriyor.

Über uns

Kaynak: The Effect of Bearing Surface on Corrosion at the Modular Junctions in Total Hip Arthroplasty
Selin Munir, Michael B.Cross, Reza Jenabzadeh, Anna Sokolova, Christina Esposito, Dennis Molloy,
William Walter, William Walter, Bernard Zicat – Poster, 25th ISTA 2012, Sydney

Doçent William L Walter'ın nazik izniyle, Mater Hospital, North Sydney, Avustralya

Bu konuyla ilgili çok sayıda yayın mevcut olup taper korozyonu mekanizmasının en iyi şekilde mekanik destekli çatlak korozyonu olarak tanımlanabileceği yönünde görüş birliği mevcuttur. Bu, temelde bir çatlak korozyonu sorunu olmakla birlikte, mekanik titreşimli aşınma ve yıpranma da çatlağın etrafını çevreleyen atom düzeyinde incelikteki, koruyucu oksit katmanlarının parçalanmasına katkıda bulunur. Metal başların (kobalt krom alaşımı) ve eşleştikleri metal stem taperlerinin modüler bağlantılarında metal kaybı yaygın bir bulgudur. Bu, büyük çaplı metal üzeri metal yüzey taperlerinde daha yaygın olmakla birlikte, 28 mm top başlı geleneksel metal üzeri polietilen komponentlerde dahi gözlemlenmiştir.

Metal kaybı (aşınma ve korozyon), taper arayüzündeki çatlağın boyutları ve şekli gibi geometrik değişkenler ve metalürjik, kimyasal, elektriksel ve tribolojik faktörlerin karmaşık etkileşimi gibi bir çok faktöre bağlıdır. İmplantasyonun zamanı ve femoral boynun rijitliği gibi diğer faktörler de önemli değişkenler olarak tanımlanmıştır.

Bu konuda yayımlanan en son yayınlar seramik modüler başları ve adaptör yaka kısmı titanyum alaşımından olan seramik modüler başları konu ediyor (BIOLOX®OPTION).

Mekanik olarak başlatılan arayüz bozulması
(Aşınma, Titreşimli Aşınma ve Titreşimli Aşınmadan kaynaklanan Yıpranma)

Aşınma, yüzeylerin birbirlerine karşı göreceli hareketinden kaynaklanan progresif materyal kaybıyla karakterize yüzey hasarı olarak tanımlanır. 1 Titreşimli aşınma şu şekilde tanımlanır: "İki materyal arasındaki temas alanında yük altında ortaya çıkan ve titreşim veya başka bir kuvvetin çok küçük göreceli hareketine bağlı olan özel bir aşınma süreci" (ASTM Handbook on Fatigue and Fracture). Çeşitli yazarlar bu olguyu yaratmak için gerekli olan hareket büyüklüğünü analiz etmişler, bunun genel olarak çok düşük, 1 ila 100 μm arasında olduğunu belirlemişlerdir. 2,3 Vücuttaki yükün büyüklüğü dikkate alındığında protezlerin tüm modüler bağlantıları titreşimli aşınmaya duyarlıdır.

Kimyasal Olarak Başlatılan Arayüz Bozulması
(Korozyon ve Çatlak Korozyonu)

Şekil 1: Metal-Oksit-Çözelti Arayüzünün Protein Molekülüyle birlikte şematik olarak gösterimi ve voltaj değişimleri

L. Gilbert'in nazik izniyle

Korozyon bir mühendise göre bir yapının gözle görülür şekilde tahrip olması ve sonuçta işlevini kaybetmesi, bir kimyacıya göre ise bir yüzeyin çevresiyle geri dönüşü olmayan bir reaksiyona girmesi, buna bağlı olarak materyal tükenmesi ve çözünen materyalin çevrenin bir parçası haline gelmesi demektir. Metal iyonları ve tuzlar üreten elektrokimyasal etkileşimlerden kaynaklanan bir yüzey yıkımı olup 4 yalnızca metalik materyaller için geçerlidir. Yalnızca altın türünden soy metaller korozyona karşı kendini koruyabilen bir yüzeye sahiptir. Diğer metallerin ve alaşımların tümü havada kendiliğinden oksijenle tepkişerek Şekil 1'de gösterildiği gibi iyi kötü koruyucu bir oksit katmanı oluştururlar (pasivasyon).

Bu oksit filminde meydana gelen her bozulma film tekrar oluşuncaya kadar devam eden ani bir korozyona (iyon akışı) yol açar. 5 Koruyucu bir oksit katmanının yeniden oluşmasına kadar geçen süreye repasivasyon süresi denir. Bu süre, metalin bileşimine ve oksijen varlığına bağlı olup yalnızca milisaniye düzeyindedir 6, Ti6Al4V için yaklaşık 60 ms'dir 7.

Referanslar

  1. Fretting corrosion testing of modular implant interfaces. ASTM F1875-98, reapproved 2009
  2. Mutoh Y. Mechanism of fretting fatigue. JSME International Journal, 1995; 38(4), 405-415
  3. Bill RC. Review of factors that influence fretting wear. Materials Evaluation Under Fretting Condition, ASTM STP 780, American Society for Testing and Materials, New York, 1982, 165-182
  4. Collier P et al. Corrosion between the components of modular femoral hip prostheses. J Bone Joint Surg-Br1992; 74-B, 511-7
  5. Toni A et al. Clinical advantages and fretting concerns with modular neck total hip prosthesis, The institution of mechanical engineers, International conference “Refining future strategies in total hip replacement”, Transactions Volume two, Session 7-11, 2002
  6. Frangini S, Piconi C. Repassivation rates of surgical implantalloys by rotating disk scratching measurements. Materials and Corrosion, 2001; 52, 372-380
  7. Viceconti M et al. Fretting wear in modular neck hip prosthesis. JBiomed Mater Res 1997; 35-2, 207-216

Publications on Taper Corrosion and Fretting related to ceramic modular Heads

Fretting and Corrosion Changes in Modular Total Hip Arthroplasty
Do Ceramic Femoral Heads Reduce Taper Fretting Corrosion in Hip Arthroplasty?
A Retrieval Study

by Steven M. Kurtz PhD, Sevi B. Kocagöz BS, Josa A. Hanzlik MS, Richard J. Underwood PhD, Jeremy L. Gilbert PhD,
Daniel W. MacDonald MS, Gwo-Chin Lee MD, Michael A. Mont MD, Matthew J. Kraay MD, Gregg R. Klein MD,
Javad Parvizi MD, Clare M. Rimnac PhD

Abstract

Background

Previous studies regarding modular headneck taper corrosion were largely based on cobalt chrome (CoCr) alloy femoral heads. Less is known about headneck taper corrosion with ceramic femoral heads.

Questions/purposes

We asked (1) whether ceramic heads resulted in less taper corrosion than CoCr heads; (2) what device and patient factors influence taper fretting corrosion; and (3) whether the mechanism of taper fretting corrosion in ceramic heads differs from that in CoCr heads.

Methods

One hundred femoral head-stem pairs were analyzed for evidence of fretting and corrosion using a visual scoring technique based on the severity and extent of fretting and corrosion damage observed at the taper. A matched cohort design was used in which 50 ceramic headstem pairs were matched with 50 CoCr head-stem pairs based on implantation time, lateral offset, stem design, and flexural rigidity. Results Fretting and corrosion scores were lower for the stems in the ceramic head cohort (p = 0.03). Stem alloy (p = 0.004) and lower stem flexural rigidity (Spearman’s rho = - 0.32, p= 0.02) predicted stem fretting and corrosion damage in the ceramic head cohort but not in the metal head cohort. The mechanism of mechanically assisted crevice corrosion was similar in both cohorts although in the case of ceramic femoral heads, only one of the two surfaces (the male metal taper) engaged in the oxide abrasion and repassivation process.

Conclusions

The results suggest that by using a ceramic femoral head, CoCr fretting and corrosion from the modular head-neck taper may be mitigated but not eliminated.

Clinical relevance

The findings of this study support further study of the role of ceramic heads in potentially reducing femoral taper corrosion.

Fretting Corrosion and Trunnion Wear –
Is it also a Problem for Sleeved Ceramic Heads?

by Roman Preuss, PhD, Kim Lars Haeussler, Markus Flohr,and Robert M. Streicher, PhD

Abstract

Some modular bearing systems with large diameter metal-on-Metal articulation have exhibited higher than usual revisions due to corrosion and metal debris originating from modular metal connections. Large diameter ceramic-on-ceramic bearings exist, which use a titanium alloy adapter sleeve for fixing the ceramic ball head to the stem taper. This study addresses the issue of taper fretting and corrosion for large ceramic bearings with standard and a newly designed experimental setup. While large metal diameter heads have been shown to be a cause for failure of THA, our results demonstrate that large ceramic heads even with a metal adapter sleeve have no effect on corrosion of modular taper connections.

Corrosion in Modular Total Hip Replacements:
An Analysis of the Head-Neck and Stem-Sleeve Taper Connections

by Selin Munir, BE, MBiomedE, Michael B. Cross, MD, Christina Esposito, PhD, Anna Sokolova, and William L. Walter, MBBS, FRACS, FA OrthA, PhD

Abstract

In this retrieval study, modular junctions of retrieved S-ROM® implants were examined to determine the extent of corrosion at the head-neck and stem-sleeve junctions. Corrosion severity was graded in relation to the bearing surface material over time. It was found that the corrosion at the head-neck taper is greater for cobalt-chrome femoral heads compared to ceramic femoral heads. The stem-sleeve junction had significantly more corrosion damage (p < 0.05) in implants that had hard-on-hard bearing surfaces compared to hard-on-soft bearings. This study suggests that bearing surface materials and head size affect the amount of corrosion that is present at the modular junctions.

Does Taper Angle Clearance Influence Fretting and Corrosion Damage at the Head-Stem Interface? A Matched Cohort Retrieval Study

by Sevi B.Kocagöz, BS, Richard J. Underwood, PhD, Shiril Sivan, BE, Jeremy L. Gilbert, PhD, Daniel W. MacDonald, MS, JuddS. Day, PhD, and Steven M. Kurtz, PhD

Abstract

Previous studies have speculated that modular taper design may have an effect on corrosion and material loss at the taper surfaces. We present a novel method to measure taper angle for retrieved femoral head taper and stem trunnions using a roundness machine (Talyrond 585, Taylor Hobson, UK).We also investigated the relationship between taper angle clearance and visual fretting-corrosion score at the taper-trunnion junction using a matched cohort study of 50 ceramic and 50 metal head-stem pairs. In this study, no correlation was observed between the taper angle clearance and the visual fretting-corrosion scores in either the ceramic or the metal cohorts.

Önerilen İlgili Kişiler

CeramTec Group'taki şahsi olarak ve doğrudan sorumlu ilgili kişilerin listesi görmek için lütfen sağdaki "İlgili Kişiler" düğmesini tıklayın.