Костин К.Б., Шумилин А.И., Шпиняк С.П., Кошуро В.А., Родионов И.В., Пичхидзе С.Я.

 

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Усовершенствование конструкции коленного эндопротеза

Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта Президента РФ №МД-3156.2015.8

 

Введение

Известно, что при тотальном эндопротезировании коленного сустава применяются различные материалы: металлы/полиэтилен/фторопласт. Непосредственно сами полимеры полиэтилен/фторопласт используются в качестве вкладыша эндопротеза [1, 2]. Ранее была установлена возможность улучшения механических и трибологических характеристик сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) путем введения частиц оксида алюминия Al2O3 [3].

Цель работы: усовершенствование конструкции эндопротеза коленного сустава, увеличение срока его эксплуатации и получение эмпирических выводов о полезности предложенной технологии.

Предлагается нанесение на рабочую поверхность вкладыша коленного сустава оксида алюминия Al2O3 методом магнетронного напыления.

 

Методика эксперимента

 

 На образцы из фторопласта-4 (ПТФЭ) наносили Al2O3 с помощью магнетронно-распылительной системы на основе вакуумного универсального поста ВУП-4 в среде аргон/кислород при соотношении компонентов 50/50 в течение 20 мин. В качестве катода использовался алюминий, толщина нанесенного покрытия Al2O3 составила 45 нм. Исследование морфологии поверхности и состава образцов  проводили методом РЭМ/ЭДРА (растровой электронной микроскопии/энергодисперсионного рентгеновского анализа) на дифрактометре ARL X’TRA «Thermo Fisher Scientific» и микроскопе Aspex Explorer при ускоряющем напряжении электронного пучка 20 kV [4].  

При нанесении  Al2O3 происходит плотное укрывание поверхности ПТФЭ (рис.). По данным ЭДРА при модификации поверхности ПТФЭ возрастает концентрация Al2O3 (рис. 1 в). В процессе модельного износа вкладыша на машине трения МТ-2 в течение одного часа при 60 об/мин происходит образование каверн и разглаживание поверхности ПТФЭ, при уменьшении концентрации Al2O3 в поверхностном слое (рис. 1 е-з). Износостойкость вкладыша повышается на 8…12%. Близкая картина реального износа наблюдается для вкладыша СВМПЭ фирмы «Zimmer» после эндопротезирования.

 

 

а

б

в

г

д

е

ж

з

и

к

л

м

Рис. Вкладыш ПТФЭ: а – области напыления Al2O3 , б – ПТФЭ до напыления, в - ПТФЭ после напыления Al2O3, г – ЭДРА ПТФЭ, д - ЭДРА ПТФЭ + Al2O3, е - ПТФЭ + Al2O3 после износа, ж – каверна,

з - ПТФЭ, к…м – вкладыш СВМПЭ после износа: каверны + дорожки

 

Выводы: показано, что в результате магнетронного напыления Al2O3 на поверхность фторопласта износостойкость повышается на 8…12% при сохранении вязкой сердцевины. При этом нет ущерба пластичности вкладыша, позволяя ему переносить давление без образования трещин.

 

Список литературы

 

1.     Эндопротезы крупных суставов: каталог / Джонсон & Джонсон, 2012.–104 с.

2.     Белякова О.В., Перинская И.В., Пичхидзе С.Я. Биосовместимое антимикробное покрытие эндопротеза коленного сустава.   Самара: Л-Журнал, 2016. – 2с.

3.     Сенатов Ф.С. Микроструктура и свойства композитов медицинского назначения на основе СВМПЭ. Автореф. …канд. техн. наук, М.: МИСиС, 2013. – 24с.

4.     Герасимов С.В., Мамбетова А.И., Шарыпова Е.А., Костин К.Б., Шумилин А.И., Шпиняк С.П., Пичхидзе С.Я. Модернизация конструкции коленного эндопротеза. Самара: Л-Журнал, 2016. – 2с.