锥部腐蚀与微动

组配连接处的微动与腐蚀

在上世纪八九十年代,组配式髋关节的锥部腐蚀已引起临床的关注。很多现代假体设计如金属对金属关节面,大直径球头,组配式颈更趋于导致假体腐蚀这一临床问题,因其在翻修中占比率4.2%(参考Della Valle Craig, AAHKS 2014,演讲报告)和严重的结果引起临床重视。

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来源: 关节面在髋关节置换组配连接处腐蚀中的作用
Selin Munir, Michael B.Cross, Reza Jenabzadeh, Anna Sokolova, Christina Esposito, Dennis Molloy,
William Walter, William Walter, Bernard Zicat – Poster, 25th ISTA 2012, Sydney

经澳大利亚北悉尼Mater医院William L Walter教授许可

关于锥部腐蚀有大量文章报道,一致认为锥部腐蚀是以机械连接相关的缝隙腐蚀。尽管表面上似乎是缝隙腐蚀的问题,但机械微动和磨损共同作用加速了缝隙边缘环境的薄层保护性氧化膜崩解。金属损失通常见于组配式金属球头(钴铬合金),同时也累及金属柄颈锥。大直径金属对金属关节面的锥连接多发,但也见于传统的金属对聚乙烯部件,甚至28mm球头也发生锥部腐蚀。

金属损失(磨损及腐蚀)是由多因素引发的,包括几何形状差异例如在锥连接面缝隙的面积和形状,以及冶金、化学、电和摩擦学因素交互作用。其他因素如植入时间股骨柄颈抗弯刚度也发挥了不同作用。

最近发表的相关文章涉及了陶瓷组配球头和带有钛合金适配锥套的陶瓷组配球头(BIOLOX®OPTION).

力学因素引起的连接界面恶化
(磨损,微动和微动磨损)

磨损是一种界面损害,特点是因界面间的相对运动所致的材料进行性损失1。微动是一种特殊形式的相对运动,定义为在负载作用下两个力学上的连接结构之间发生小幅度活动、振动或滑动(ASTM疲劳与断裂手册)。一些作者已研究了微动需要达到的活动程度,通常都极小,大概在1-100μm2,3。考虑到身体的载荷,假体的所有组配连接处都易产生微动。微动磨损由连接处微动所致的材料丢失。

化学因素引起的连接界面恶化
(腐蚀和缝隙腐蚀)

图1: 金属-氧-溶液相互作用示意图,并显示了蛋白质分子和电位差

诚经L. Gilbert许可使用

腐蚀在工程师的定义中,腐蚀是一种看得见的结构破坏,最终结果是功能的丧失。而在化学家眼里,这是一个可以逆转的、材料表面对其所处环境所产生的反应。结果是材料被消耗,其可溶性组分成了周围环境的一部分。腐蚀常被描述为因电化学反应而致的表面降解,产生出金属离子和盐4。腐蚀仅在金属材料才会发生。只有像黄金这样的贵金属才有自我保护防止腐蚀的表面,空气中的其他金属和合金都会自发地与氧发生反应形成或多或少的氧化层(钝化),如图1。

对氧化膜的任何损伤都将直接导致腐蚀(离子流),直至该膜重新形成5。重建保护性氧化层所需的时间称为再钝化时间。依金属组分和环境含氧的不同而有所差异,通常仅仅为毫秒级6,如Ti6Al4V大约为60毫秒 7

参考文献

  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

组配式陶瓷球头锥部微动与腐蚀相关文献

组配式全髋关节置换中的微动与腐蚀 陶瓷球头能减少全髋关节置换中的锥部微动与腐蚀吗? 一项取出物研究

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

摘要

背景

以前关于组配式头-颈锥部腐蚀的研究大多基于钴铬合金(CoCr)球头。对于陶瓷球头在头-颈锥部腐蚀中的作用知之甚少。

问题/目的

我们设问:(1)陶瓷球头是否能比CoCr球头减少锥部腐蚀?(2)有哪些假体因素与患者因素影响能到锥部腐蚀?(3)使用陶瓷球头时锥部微动性腐蚀的发生机理与CoCr球头是否有所不同?

方法

采用视检评分技术对100个头-柄取出假体锥部的腐蚀与微动程度与范围进行了分析。其中50个假体为陶瓷头、50个为CoCr球头,且两组在假体存留时间、股骨柄偏心距、假体柄设计、材料抗弯强度等方面均相似。结果显示,在使用陶瓷球头的股骨柄锥部,微动与腐蚀评分较小(p=0.03)。股骨柄材料(p=0.004)及材料抗弯刚度低(斯皮尔曼秩相关系数=-0.32,p=0.02)与使用陶瓷球头时的微动与腐蚀相关,但在CoCr球头则没有这一相关性。与机械活动相关的裂隙腐蚀,其发生机理在两组相似,虽然在使用陶瓷球头的病例仅有一个界面(也即柄锥)会发生氧化层磨损与再钝化过程。

结论

结果显示,用陶瓷球头代替CoCr球头,能减轻后者在头-颈界面上的微动与磨损,但并不能完全消除。

临床意义

本研究中的发现,有助于对陶瓷在减少柄锥部腐蚀中的作用作进一步研究。

微动腐蚀与锥部磨损 — 在带锥套的陶瓷球头也有这样的问题吗?

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

摘要

一些大直径金属-金属人工髋关节系统翻修率较高,其原因是金属组配式连接处的腐蚀与碎屑产生。在大直径陶瓷-陶瓷系统,因其采用钛质的适配套将陶瓷球头连接到股骨柄颈锥上,故也可能出现上述问题。本研究采用标准的与新设计的实验方法探讨了大直径陶瓷球头锥部微动与腐蚀。以往研究显示大直径金属球头是THA失败的原因之一,而我们的结果则表明大直径陶瓷球头即便是采用金属锥套时对锥部连接处的腐蚀毫无影响。

组配式全髋关节置换中的腐蚀:头-颈与柄-袖套间的锥连接分析

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

摘要

在此项取出物研究中,取出的S-ROM®假体的组配式连接处被用来检查并确定股骨头-股骨颈和股骨柄-袖套连接的腐蚀程度。腐蚀严重程度的分级是与表面材料随时间变化相关的。结果发现相对于陶瓷球头,钴铬合金球头在头-颈锥体出的腐蚀要更大。硬对硬接触表面假体中柄-袖套连接相比于硬对软假体有着明显的腐蚀损伤(p<0.050.05)。这项研究表明,在现有的组配式连接中,摩擦副表面材料和球头尺寸影响腐蚀的程度。

锥角间隙是否会影响头-颈界面的微动腐蚀损伤?一个配对分组取出物研究

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

摘要

之前的研究已经推测组配式假体的椎体设计可能会对锥体表面造成腐蚀和材料损耗。我们提出了一种新的方法,通过使用圆度仪去测量取出股骨头内锥和股骨柄轴颈的锥角(Talyrond 585, Taylor Hobson,UK)。我们还通过50对陶瓷头-颈组合和50对金属头-颈组合进行配对分组研究,分析了在锥连接处锥角间隙与微动腐蚀视觉评分的关系。在本研究中,无论是陶瓷组还是金属组,锥角间隙和微动腐蚀视觉评分之间并没有发现存在相关关系。

  • Fretting and Corrosion at Modular Junctions

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