The Effect of Kinematic Conditions and Synovial Fluid Composition on the Frictional Behaviour of Materials for Artificial Joints
Loading...
Date
2018-05-10
ORCID
Advisor
Referee
Mark
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
MDPI
Altmetrics
Abstract
The paper introduces an experimental investigation of frictional behaviour of materials used
for joint replacements. The measurements were performed using a ball-on-disc tribometer, while four
material combinations were tested; metal-on-metal, ceramic-on-ceramic, metal-on-polyethylene, and
ceramic-on-polyethylene, respectively. The contact was lubricated by pure saline and various protein
solutions. The experiments were realized at two mean speeds equal to 5.7 mm/s and 22 mm/s and
two slide-to-roll ratios, -150% and 150%. It was found that the implant material is the fundamental
parameter affecting friction. In general, the metal pair exhibited approximately two times higher
friction compared to the ceramic. In particular, the friction in the case of the metal varied between
0.3 and 0.6 while the ceramic pair exhibited friction within the range from 0.15 to 0.3 at the end of
the test. The lowest friction was observed for polyethylene while it decreased to 0.05 under some
conditions. It can be also concluded that adding proteins to the lubricant has a positive impact on
friction in the case of hard-on-hard pairs. For hard-on-soft pairs, no substantial influence of proteins
was observed. The effect of kinematic conditions was found to be negligible in most cases.
Tento článek se zabývá experimentálním studiem tření materiálů využívaných pro kloubní náhrady. Měření byla provedena na tribometru v konfiguraci kulička-disk, přičemž byly testovány čtyři materiálové kombinace; kov-kov, keramika-keramika, kov-polyetylen a keramika-polyetylen. Kontakt byl mazán jak jednoduchým solným roztokem, tak různými roztoky proteinů. Experimenty byly provedeny za dvou rozdílných rychlostí, které se rovnaly 5,7 mm/s a 22 mm/s. Dále byly uvažovány dva stupně prokluzu, konkrétně -150% a +150%. Bylo zjištěno, že materiál je zásadním parametrem, který ovlivňuje tření kontaktní dvojice. Obecně potom bylo pozorováno, že kovový pár vykazoval přibližně dvojnásobné tření oproti keramice. V případě kombinace kov-kov se tření pohybovalo v rozsahu od 0,3 do 0,6, přičemž u keramiky bylo naměřeno tření v intervalu 0,15 až 0,3 na konci testu. Nejnižší tření bylo obecně pozorováno v případě, kdy byl použit vzorek z polyetylenu. Tehdy tření za určitých podmínek kleslo až na hodnotu 0,05. Na základě výsledků lze rovněž konstatovat, že proteiny přidané do maziva mají pozitivní vliv na tření v případě takzvaných tvrdých párů. U párů měkkých nebyl pozorován významný vliv proteinů. Konečně, vliv kinematických podmínek byl shledán jako zanedbatelný u většiny případů.
Tento článek se zabývá experimentálním studiem tření materiálů využívaných pro kloubní náhrady. Měření byla provedena na tribometru v konfiguraci kulička-disk, přičemž byly testovány čtyři materiálové kombinace; kov-kov, keramika-keramika, kov-polyetylen a keramika-polyetylen. Kontakt byl mazán jak jednoduchým solným roztokem, tak různými roztoky proteinů. Experimenty byly provedeny za dvou rozdílných rychlostí, které se rovnaly 5,7 mm/s a 22 mm/s. Dále byly uvažovány dva stupně prokluzu, konkrétně -150% a +150%. Bylo zjištěno, že materiál je zásadním parametrem, který ovlivňuje tření kontaktní dvojice. Obecně potom bylo pozorováno, že kovový pár vykazoval přibližně dvojnásobné tření oproti keramice. V případě kombinace kov-kov se tření pohybovalo v rozsahu od 0,3 do 0,6, přičemž u keramiky bylo naměřeno tření v intervalu 0,15 až 0,3 na konci testu. Nejnižší tření bylo obecně pozorováno v případě, kdy byl použit vzorek z polyetylenu. Tehdy tření za určitých podmínek kleslo až na hodnotu 0,05. Na základě výsledků lze rovněž konstatovat, že proteiny přidané do maziva mají pozitivní vliv na tření v případě takzvaných tvrdých párů. U párů měkkých nebyl pozorován významný vliv proteinů. Konečně, vliv kinematických podmínek byl shledán jako zanedbatelný u většiny případů.
Description
Citation
Document type
Peer-reviewed
Document version
Published version
Date of access to the full text
Language of document
en