ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΫΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΟΡΘΟΠΕ ΙΚΗ

Transcript

1 ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΫΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΟΡΘΟΠΕ ΙΚΗ Νικόλαος Ι. Γαλάνης, ηµήτριος Ε. Μανωλάκος Εργαστήριο Κατεργασιών των Υλικών, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία γίνεται παρουσίαση των υλικών που χρησιµοποιούνται στην κατασκευή των εµφυτευµάτων και των ιδιοτήτων τους, εστιάζοντας στα πλεονεκτήµατα και στα µειονεκτήµατα που παρουσιάζει το καθένα. Παράλληλα, παρουσιάζεται ο τρόπος κατασκευής τους και χρήσης των υλικών αυτών, καθώς επίσης και η έρευνα που έχει πραγµατοποιηθεί στο Εργαστήριο Κατεργασιών των Υλικών, της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών, όσον αφορά στην κατασκευή και τις ιδιότητες εµφυτευµάτων ισχίου από αυτά τα υλικά. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ανθρώπινες ισχιακές αρθρώσεις, και γενικά οι αρθρώσεις των θηλαστικών, είναι εκπληκτικές από µηχανική και κατασκευαστική άποψη. Μετά την ωρίµανσή τους, καθοδηγούµενες από τον γενετικό κώδικα και βασικές λειτουργικές ανάγκες, υπερτερούν στη λειτουργία τους από όλες τις άλλες απλές µηχανικές αρθρώσεις. Είναι αυτολιπαινόµενες, κατά ένα τρόπο ιάσιµες και η λειτουργική τους διάρκεια υπερβαίνει τα 75 χρόνια. Ωστόσο, όταν καταστρέφονται από κάποιο τραυµατισµό, ασθένεια ή υπερβολική χρήση, η ίαση και η αντικατάστασή τους έχει αποδειχθεί ότι είναι ένας από τους πιο προκλητικούς και ταυτόχρονα πιο ανταποδοτικούς σκοπούς της ιατρικής επιστήµης [1]. Οι σύγχρονες τάσεις και επιστηµονικές ανακαλύψεις έχουν οδηγήσει στο σχεδιασµό και στην κατασκευή εµφυτευµάτων, για την αντικατάσταση και την επανόρθωση όλων των αρθρώσεων του ανθρώπινου σώµατος, αγκώνα, ώµου, ισχίου, γόνατος. Παράλληλα, µε την κατασκευή επιπρόσθετων εµφυτευµάτων συγκρατούνται και τα µεµονωµένα οστά κατά τον τραυµατισµό τους µέσω καταγµάτων [2]. Είναι εύλογο ότι για να επιτευχθούν οι κατασκευές αυτές, έπρεπε να αναπτυχθούν νέα υλικά κατάλληλα για τις επεµβάσεις. Τα υλικά που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή και την τοποθέτηση προθεµάτων είναι: Μεταλλικά υλικά Πολυµερή Κεραµικά Τα υλικά αυτά πρέπει να έχουν µεγάλη αντοχή, ώστε να ανθίστανται στις δυνάµεις και στις τάσεις που επιβάλλονται στο σώµα του ασθενούς, δεδοµένου ότι, σύµφωνα µε µετρήσεις που έχουν πραγµατοποιηθεί, οι τάσεις που επιβάλλονται στις προθέσεις συχνά υπερβαίνουν σηµαντικά το βάρος του ασθενούς. Επίσης, τα υλικά πρέπει να είναι βιοσυµβατά, δηλαδή να είναι ανεκτά από τους ιστούς του οργανισµού. Αυτό σηµαίνει ότι πρέπει να είναι µη τοξικά, να µην επάγουν ανοσολογική απόκριση και να µην προκαλούν καρκινογένεση [3]. Επιπλέον, µε την ανάπτυξη των τεχνολογιών κατεργασίας των υλικών, έγινε ευκολότερη η κατασκευή δύσκολων µορφών και αντικειµένων, όπως είναι τα εµφυτεύµατα.

2 Γενικά, έχει παρατηρηθεί ότι τα συνήθως χρησιµοποιούµενα υλικά σε συµπαγή µορφή δεν προκαλούν ανεπιθύµητες ενέργειες. Η συµπεριφορά τους, όµως, µεταβάλλεται όταν βρίσκονται στη µορφή σκόνης. Σε αυτή τη λεπτόκοκκη µορφή τα βιοϋλικά µπορούν να προκαλέσουν φλεγµονή, κατάσταση που δυνητικά βλάπτει και τον περιβάλλοντα ιστό προκαλώντας οστεόλυση. Συνεπώς, καθίσταται σαφές ότι µία επιπλέον απαίτηση που τίθεται σε ένα υλικό, προκειµένου να χρησιµοποιηθεί ως προσθετικό υλικό, είναι η ιδιότητά του να µη φθείρεται σε µεγάλο βαθµό, ώστε να µην υπάρχουν υπολείµµατα σε µορφή σκόνης [4]. Σχήµα 1. Συνδυασµός υλικών για την τοποθέτηση εµφυτευµάτων ισχίου. ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Τα µεταλλικά κράµατα που κυριαρχούν στην αγορά των τεχνητών αρθρώσεων ισχίου είναι τα κράµατα κοβαλτίου-χρωµίου, τιτανίου και ανοξείδωτου χάλυβα. Ο βιοϊατρικός χάλυβας µε τις περισσότερες εφαρµογές είναι το κράµα 316L, που αποτελείται περίπου από 65% σίδηρο (Fe) και 35% άλλα κραµατικά στοιχεία. Από αυτά, µεγαλύτερο είναι το ποσοστό του χρωµίου (16-18% Cr) και ακολουθεί αυτό του νικελίου (10-14% Ni). Πολύ µικρότερα είναι τα ποσοστά των άλλων κραµατικών στοιχείων (µαγγάνιο, κασσίτερος, άνθρακας, φωσφόρος, µολυβδαίνιο και θείο). Ενδιαφέρον για βιοϊατρικές εφαρµογές παρουσιάζουν τα χαρακτηριστικά του τιτανίου και των κραµάτων του. Κυριότερο είναι η χαµηλή του πυκνότητα, 4.54 g/cm 3, αλλά και ο λόγος µηχανικής αντοχής/πυκνότητας, που είναι µεγαλύτερος από τον αντίστοιχο άλλων µετάλλων. Το τιτάνιο, επίσης, παρουσιάζει πολύ καλή αντίσταση στη διάβρωση - καλύτερη και από αυτή του ανοξείδωτου χάλυβα - και είναι αδρανές σε χλωριούχες ενώσεις. Οι ιδιότητες αυτές το καθιστούν ιδανικό για υλικό µιας διάταξης που θα εµφυτευθεί στο περιβάλλον του οργανισµού. Το κράµα Ti6Al4V είναι αυτό που χρησιµοποιείται ευρύτερα σε τέτοιες εφαρµογές, καθώς διακρίνεται για την υψηλή αντίστασή του στη διάβρωση. Επειδή το βανάδιο θεωρείται ύποπτο για την πρόκληση

3 καρκινογένεσης, αντικαθίσταται από νιόβιο. Η αντοχή σε εφελκυσµό του κράµατος Ti6Al4V είναι 900 MPa και το όριο διαρροής του 830 MPa [5]. Πίνακας 1. Συγκριτικός πίνακας µε τις ιδιότητες των µετάλλων για εµφυτεύµατα. Χαρακτηριστικά Ανοξείδωτος Χάλυβας Κοβάλτιο Χρώµιο Τιτάνιο Ακαµψία Υψηλή Μέτρια Χαµηλή Αντοχή Μέτρια Μέτρια Υψηλή Αντοχή σε ιάβρωση Χαµηλή Μέτρια Υψηλή Βιοσυµβατότητα Χαµηλή Μέτρια Υψηλή Σχήµα 2. Κατεργασία εµφυτευµάτων (α) µέσω φρεζαρίσµατος, (β) µέσω τόρνευσης και (γ) µέσω σφυρηλάτησης. Η κατεργασία των µεταλλικών εµφυτευµάτων εξαρτάται κυρίως από το υλικό κατασκευής τους. Τα κράµατα τιτανίου και χρωµίου-κοβαλτίου, επειδή είναι δυσκατέργαστα, παίρνουν την αρχική τους µορφή µέσω θερµής σφυρηλάτησης [6, 7], όπου µε τη βοήθεια µητρών από επιβελτιωµένο χάλυβα αποκτούν το τελικό τους σχήµα [8]. Στη συνέχεια, µε τη βοήθεια τόρνευσης ή φρεζαρίσµατος [9], επιτυγχάνονται οι τελικές διαστάσεις του εµφυτεύµατος, και τέλος, µέσω της τελικής λείανσης µε αδαµαντοφόρα εργαλεία αποκτάται η τελική επιφάνεια του τεµαχίου, πριν προχωρήσουµε στον τελικό έλεγχο του εµφυτεύµατος. ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΥΛΙΚΑ Πολυµερή υλικά χρησιµοποιούνται στα σηµεία στήριξης της άρθρωσης µεταξύ των προθεµάτων, όπως κοτύλης και κεφαλής στο ισχίο και µεταξύ των δυο προθεµάτων, άνω και κάτω στα εµφυτεύµατα γονάτου. Το κυπέλλιο της κοτύλης κατασκευάζεται από

4 πολυαιθυλένιο υψηλού µοριακού βάρους (UHMWPE), υλικό µε ικανοποιητική οµοιογένεια και χηµική σταθερότητα. Το µέτρο ελαστικότητάς του είναι 0,50 GPa, η αντοχή σε εφελκυσµό 30,00 MPa, ο λόγος Poisson 0,45, η σκληρότητα κατά Vickers 5,30 και η πυκνότητά του 0,94 kg/dm 3 [4. 5]. ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Τα κεραµικά υλικά που χρησιµοποιούνται γενικά στην κατασκευή των εµφυτευµάτων είναι η αλουµίνα (Al 2 O 3 ), Ζιρκονία (ZrO 2 ) και το οξειδωµένο ζιρκόνιο (µε εµπορική ονοµασία Oxinium από τα γράµµατα των αγγλικών λέξεων Oxidized Zirconium) [10, 11]. Για την παρασκευή της πρώτης ύλης και την κατεργασία του τελικού εµφυτεύµατος, ακολουθείται η διαδικασία που περιγράφεται στο σχήµα 3. Με βάση τη µέθοδο αυτή, αρχικά σκόνη αλουµίνας ή ζιρκονίας υψηλής καθαρότητας υφίσταται ισοαξονική συµπίεση σε ειδικά διαµορφωµένα κυλινδρικά καλούπια χωρίς θέρµανση. Έτσι, επιτυγχάνεται η απόδοση της αρχικής συµπαγούς µορφής του κεραµικού, το οποίο εν συνεχεία υφίσταται κατεργασία σε τόρνο CNC (computer numerical control), ώστε να διαµορφωθεί η εσωτερική κοιλότητα αλλά και η εξωτερική σφαιρική επιφάνεια µε τη χρήση ειδικών εργαλείων, π.χ. εργαλεία διαµαντιού ή εργαλεία κυβικού βοριονιτρίτη (CBN) [12]. Στο τέλος της κατεργασίας γίνεται πιστοποίηση της επιφανειακής σκληρότητας του κεραµικού και της τραχύτητας επιφανείας. Στη συνέχεια, το τεµάχιο θερµαίνεται σε θερµοκρασία όχι πάνω από 1600 ο C, αποκτώντας την τελική σκληρότητα και τις επιθυµητές µηχανικές ιδιότητες [13]. Το τελικό φινίρισµα γίνεται µε αδαµάντινα λειαντικά εργαλεία, επιτυγχάνοντας πολύ χαµηλές τιµές τραχύτητας και, εποµένως, χαµηλούς συντελεστές τριβής. Η τελική επιθεώρηση του τεµαχίου εξασφαλίζει την υψηλή αξιοπιστία που απαιτείται προκειµένου το τελικό προϊόν να είναι ικανό να αντέξει για µεγάλα χρονικά διαστήµατα στο αφιλόξενο περιβάλλον του ανθρώπινου σώµατος. Σχήµα 3. Μέθοδος κατασκευής κεραµικών εµφυτευµάτων [13] Το Oxinium εξελίχθηκε για ορθοπαιδικές εφαρµογές, για να παρέχει τις παραπάνω επιθυµητές βελτιώσεις ως προς τα κράµατα χρωµίου-κοβαλτίου (CoCr), για αντίσταση σε φθορά, καλή τριβολογική συµπεριφορά και βιοσυµβατότητα. Για το λόγο αυτό εισήχθη το κράµα ζιρκονίου-νιόβιου (Zr-2.5%Nb), το οποίο οξειδώνεται µε θερµική επαγωγή σε θερµό

5 αέρα, ώστε να σχηµατιστεί µια κεραµική επίστρωση ζιρκονίας µε πάχος περίπου 5 µm, όπως φαίνεται στο σχήµα 4. Το οξείδιο δεν είναι απλά µια εξωτερική επικάλυψη, αλλά ο µετασχηµατισµός της αρχικά µεταλλικής επιφάνειας σε ζιρκονία (οξειδωµένο κεραµικό). Στη συνέχεια, το οξειδωµένο υλικό λειαίνεται για να αποκτήσει λεία και καθαρή επιφάνεια, όπως τα µεταλλικά εµφυτεύµατα από κράµατα χρωµίου-κοβαλτίου [11]. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Σχήµα 4. Μέθοδος κατασκευής ζιρκονίας Στο Εργαστήριο Κατεργασιών των Υλικών πραγµατοποιήθηκε η κατεργασία των εµφυτευµάτων µε τη χρήση του τόρνου CNC του οίκου OKUMA µοντέλο Lb 10II. Παράµετροι κατεργασίας των µεταλλικών εµφυτευµάτων Το υλικό κατασκευής των µεταλλικών εµφυτευµάτων ήταν ανοξείδωτος χάλυβας AISI 316L, µε σκληρότητα 79HRB και λοιπές ιδιότητες σύµφωνα µε τον πίνακα 2. Στην παρούσα πειραµατική εργασία χρησιµοποιήθηκε εργαλείο της εταιρείας SECO µε χαρακτηρισµό DNMG M3 και επικάλυψη τύπου TP Αυτό το κοπτικό πλακίδιο είχε ροµβοειδές σχήµα µε γωνία κοπτικής ακµής 55 ο και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τόρνευση κάθε είδους χάλυβα, φέρει δε επικάλυψη τεσσάρων στρωµάτων Ti (C, N) + Al 2 O 3 + Ti (C, N) + TiN. Η γωνία αποβλίττου µε βάση τη στήριξη του εργαλείου στον εργαλειοδέτη ανέρχεται σε γ = 5 ο, η γωνία κλίσης σε λ s =-9.5 ο και η γωνία τοποθέτησης της κοπτικής ακµής είναι κ = 93 ο. Πίνακας 2: Ιδιότητες υλικού Ιδιότητες Ανοξείδωτου Χάλυβα AISI 316L Φυσικές Πυκνότητα 8 g/cc Μηχανικές Σκληρότητα, Rockwell B 79 ιατµητική, Ultimate 560 MPa Tensile Strength, Yield 290 MPa Επιµήκυνση στη θραύση 50% Μέτρο ελαστικότητας 193 GPa Λόγος Poisson 0.29

6 Αναφορικά µε τις συνθήκες κατεργασίας, επιλέχθηκε ένας αριθµός κοπών, µε βάση τη µέθοδο του σχεδιασµού πειραµάτων Taguchi, για την εξαγωγή αξιόπιστων συµπερασµάτων για τις αναπτυσσόµενες δυνάµεις κοπής. Από την ανάλυση προέκυψαν 8 πειράµατα που αντιστοιχούν στις κορυφές κύβου και επιπλέον 10 σηµεία που αντιστοιχούν σε µέσα ακµών και κέντρα εδρών του κύβου. Λαµβάνοντας υπόψη τρία διαφορετικά επίπεδα για κάθε παράµετρο, όπως παρουσιάζεται στον πίνακα 3, προέκυψαν οι συνθήκες για 18 πειράµατα. Πίνακας 3: Επίπεδα ανεξάρτητων µεταβλητών Μεταβλητή, κωδικός (µονάδα) Χαµηλός (-1) Μέσος (0) Υψηλός (1) Ταχύτητα κοπής, v c (m/min) Πρόωση, f (mm/rev) Βάθος κοπής, α (mm) Σχήµα 5: Πειραµατική διαδικασία: (a) ο τόρνος CNC που χρησιµοποιήθηκε, (b) καµπίνα τόρνου, όπου υπάρχουν οι συσκευές για τη συγκράτηση του αρχικού τεµαχίου (b 1 ) και του δυναµόµετρου (b 2 ), (c) κατεργασία και (d) το τελικό προϊόν. Παράµετροι κατεργασίας των κεραµικών εµφυτευµάτων Όσον αφορά στα κεραµικά εµφυτεύµατα, κατασκευάστηκαν δυο µηριαίες κεφαλές από πολυκρυσταλλική αλουµίνα, διαµέτρου 22mm. Πρόκειται για πολυκρυσταλλική αλουµίνα υψηλής καθαρότητας (99.5%) και χαµηλού πορώδους, σύµφωνα µε τα πρότυπα που διέπουν την παρασκευή κεραµικών βιοϋλικών (προϊόν εταιρείας ΕΚΕΠΥ). Αρχικά, σκόνη αλουµίνας διαµορφώθηκε µε τη µέθοδο κονιοµεταλλουργίας και πυροσυσσωµάτωσης, µε προσθήκη ειδικού συνδετικού µέσου, σε ειδικό κλίβανο στους 1100 ο C, σε κυλινδρικό τεµάχιο διαµέτρου 25mm και µήκους 100mm, όπως φαίνεται στο σχήµα 6β.

7 Σχήµα 6: Πειραµατική διαδικασία κατασκευής κεραµικών µηριαίων κεφαλών: (α) Τόρνος CNC δύο αξόνων της εταιρείας OKUMA, (β) Κυλινδρικό τεµάχιο (µήκους 100mm και διαµέτρου d=25mm) πολυκρυσταλλικής αλούµινας µεγάλης καθαρότητας (99.5%), (γ) Αποµάκρυνση εξωτερικού στρώµατος πάχους 2mm ( ιακρίνονται µε µεγάλη ευκρίνεια, τα παραγόµενα απόβλητα της τόρνευσης), (δ) Κατεργασία εµπρόσθιας επιφάνειας κεφαλής, (ε) ιαµόρφωση του δεύτερου ηµισφαιρίου της κεφαλής (Εδώ, το ακριβές σετάρισµα της µηχανής CNC παίζει καθοριστικό παράγοντα στη σφαιρικότητα του τελικού προϊόντος που επιτυγχάνεται τελικά µε το φινίρισµα), (στ) Η τελική φάση της κεραµικής κεφαλής και (ζ) Το τελικό προϊόν των κεφαλών Στη συνέχεια, το τεµάχιο αυτό υποβλήθηκε σε τόρνευση υψηλών ταχυτήτων µε χρήση κοπτικών εργαλείων κυβικού βοριονιτρίτη CBN της εταιρείας Secomax, χωρίς τη χρήση υγρών κοπής. Επιλέχθηκε ταχύτητα κοπής v = 250 m/min που αντιστοιχεί σε µέση ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου του τόρνου σε n = 3500rpm, βάθος κοπής t = 0.1mm και πρόωση s = 0.05mm/rev. Ανάλογα µε τη φάση κατεργασίας, η πρόωση µεταβλήθηκε από το 10% µέχρι και το 50% της τιµής σεταρίσµατος, ώστε να διατηρείται πάντα µέσα στα όρια που καθορίζονται για κατεργασίες κεραµικών υλικών υψηλών ταχυτήτων µε χρήση κοπτικού CBN. Οι µηριαίες κεφαλές µετά την κατασκευή τους έχουν υποστεί νέα πύρωση στις εγκαταστάσεις της ΕΚΕΠΥ στους 1550 ο C, ώστε να αποκτήσουν την τελική τους σκληρότητα. Έτσι, αποµακρύνεται η υπολειπόµενη υγρασία και µειώνεται ακόµα περισσότερο το ποσοστό πορώδους του υλικού. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Ο έλεγχος των εµφυτευµάτων µε βάση τα πρότυπα έγινε µε δυο τρόπους. Αρχικά, γίνεται η µέτρηση της επιφανειακής τραχύτητας για τον καθορισµό της ποιότητας της επιφάνειας και ακολουθεί ο στατικός έλεγχος των εµφυτευµάτων. Ο πρώτος έλεγχος πραγµατοποιήθηκε µε τη βοήθεια µικροσκοπίου ατοµικής δύναµης (Atomic Force Microscope, AFM). Το AFM λειτουργεί στηριζόµενο στη σάρωση που εκτελεί µια λεπτή κεραµική ή από ηµιαγώγιµο υλικό βελόνα πάνω από µια επιφάνεια. Καθώς η ακίδα έλκεται ή απωθείται από την επιφάνεια που σαρώνει, ο µοχλοβραχίονας αυτός αποκλίνει. Το γράφηµα της απόκλισης µέσω δέσµης λέιζερ σε σχέση µε τη θέση της ακίδας πάνω στην επιφάνεια του δείγµατος, µας δίνει την ανάλυση της επιφάνειας σε όρη και κοιλάδες που περιέχει αυτή (Σχήµα 7).

8 Σχήµα 7: Απεικόνιση κεφαλής µικροσκοπίου Ο στατικός έλεγχος των εµφυτευµάτων πραγµατοποιήθηκε σε πρέσα µηχανικών δοκιµών της εταιρείας Instron, µεγίστου φορτίου 100kN (Σχήµα 8). Η φόρτιση των σφαιρών έγινε µε στατική φόρτιση µε ρυθµό συµπίεσης 0,01mm/s µέχρι το τελικό φορτίο. Tα φορτία που ασκήθηκαν ήταν, σύµφωνα µε τα διεθνή πρότυπα, 3, 5, 10, 20 και 30 kn. Τα αποτελέσµατα καταγράφηκαν στο λογισµικό και αποδίδονται σε γραφήµατα φορτίου συµπίεσης. Σχήµα 8: (α) Φωτογραφία κατά την διάρκεια στατικού ελέγχου κεραµικής κεφαλής και (β) µεταλλικής κεφαλής σύµφωνα µε το πρότυπο ISO Από τα αποτέλεσµα της τραχυµέτρησης των µεταλλικών κεφαλών, προκύπτει ότι το βάθος κοπής έχει την πιο σηµαντική επίδραση στην επιφανειακή τραχύτητα, ακολουθούµενο από τη πρόωση και, τελικά, από την ταχύτητα κοπής. Ονοµαστικά, η ταχύτητα κοπής έχει µικρή επίδραση στην κατεργασία του ανοξείδωτου χάλυβα. Απλά, αυτή η συνάρτηση δείχνει ότι η επιφανειακή τραχύτητα µειώνεται µε αύξηση της ταχύτητας κοπής και µείωση του βάθους κοπής και της πρόωσης. Αυτό µπορεί, επίσης, να φανεί καθαρά από το γράφηµα της τραχύτητας σε σχέση µε τις συνθήκες κοπής (Σχήµα 9). Στον παρακάτω πίνακα 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα από τις µετρήσεις, πριν και µετά την πύρωση, για την τραχύτητα των κεραµικών κεφαλών. Τα αποτελέσµατα αυτά είναι οι µέσες τιµές για κάθε σηµείο και, στο τέλος, η µέση τιµή της τραχύτητας για όλη την κεφαλή.

9 Επιφανειακή τραχύτητα (µm) 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Ταχύτητα κοπής (m/min) Πρόωση (mm/rev) ,12 0,08 0,06 0,12 0,08 0,06 0,12 0,08 0,06 Παράµετροι κοπής βάθος κοπής 0.1mm βάθος κοπής 0.15mm βάθος κοπής 0.2mm Σχήµα 9: Τραχύτητα επιφάνειας σε σχέση µε τις συνθήκες κοπής Πίνακας 4. Τραχύτητα κεραµικών κεφαλών. Κεφαλή 1 Κεφαλή 2 Σηµείο Πριν την Μετά την Πριν την Μετά την έψηση έψηση έψηση έψηση Μέση Τιµή Παρατηρείται ότι, µετά την κατεργασία, η τραχύτητα των κεφαλών είναι κοντά στο όριο τραχύτητας µε βάση τα πρότυπα, πράγµα λογικό για τις συνθήκες κατεργασίας που χρησιµοποιήθηκαν, δεδοµένου ότι εφαρµόστηκαν υψηλή ταχύτητα κοπής, χαµηλή πρόωση και µικρό βάθος κοπής. Μετά την πύρωση, όµως, η τραχύτητα των κεφαλών αυξάνεται, αλλά όχι τόσο πολύ ώστε να βρίσκεται εκτός προδιαγραφών. Η αύξηση αυτή είναι λογική, αφού αναµένεται αύξηση του µεγέθους των κόκκων και, εποµένως, αύξηση των επιφανειακών ανωµαλιών, δηλαδή της τραχύτητας. Σχήµα 10: Αποτελέσµατα στατικού ελέγχου κεραµικής και µεταλλικής κεφαλής 30kN

10 Όπως φαίνεται και στα παραπάνω γραφήµατα (Σχήµα 10), η παραµόρφωση µεταβάλλεται γραµµικά µε την επιβαλλόµενη τάση, τόσο στο κεραµικό όσο και στο µεταλλικό υλικό. Η δε κλίση είναι µεγαλύτερη για το κεραµικό υλικό, όπως λογικά αναµενόταν (πιο στιβαρό υλικό). ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την παρούσα εργασία µπορεί να εξαχθεί το συµπέρασµα ότι η κατεργασία των εµφυτευµάτων µέσω υψηλών ταχυτήτων µε τη βοήθεια κατάλληλων εργαλείων ή κοπτικών πλακιδίων από κυβικό βοριονιτρίτη (CBN) επιτυγχάνει τα καλύτερα αποτελέσµατα τόσο από άποψη ποιότητας επιφάνειας όσο και από άποψη αντοχής. Σχετικά µε την επιφάνεια, η τραχύτητα των τεµαχίων µετά την κατεργασία είναι µέσα στα προβλεπόµενα όρια από τα διεθνή πρότυπα, µε αποτέλεσµα την ευκολότερη και ταχύτερη τελική επεξεργασία τους µέσω τεχνικών λείανσης. Παράλληλα, η αντοχή τους είναι πολύ καλή, σύµφωνα µε τους στατικούς ελέγχους, πράγµα που τα καθιστά ικανά να αντεπεξέλθουν στην χρήση τους ως υλικών κατασκευής βιολογικών τεχνητών εµφυτευµάτων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Black, J., Bearing Surfaces 2005, Proceedings of 10th BIOLOX Symposium Proceedings, Washington D.C., D Antonio, J.A.; Dietrich, M. Eds., Springer, 2005 [2] Novikov N. V., Rozenberg O. A., Mamalis A. G., Sokhan S. V., Finish diamond machining of ceramic femoral heads, Advanced Manufacturing Technology, (2005) 25: [3] Joon B. Park, Section IV :Biomaterials, Introduction, In. The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition, Ed. Joseph D. Bronzino, Boca Raton: CRC Press LLC, 2000 [4] Callister D. William, Rethwisch G. David, Material Science and Engineering: An Introduction, 8th Edition, Wiley Eds, 2012 [5] Joon Park, R. S. Lake, Biomaterials - Third Edition, Springer, 2007 [6] M. F., Weber H., Streicher R. M., Schön R., Joint replacement components hot-forged and surface-treated Ti-GAl7Nb alloy, Biomaterials, Vol. 13, No. 11; , 1992 [7] Hiromoto S., Onodera E., Chibab A., Asamic K., Hanawa T., Microstructure and corrosion behaviour in biological environments of the new forged low-ni Co Cr Mo alloys, Biomaterials (2005) 26, pp [8] Rosen B.-G., Wennerberg A., Rosen S., Topographical characterisation of artificial femoral heads a Benchmarking study, Wear, (2004) 257, pp [9] Davis P. J., Artificial Hip Joints: Applying Weapons Expertise to Medical Technology, E&TR October 1994 [10] W. G. Billotte, Chapter 38: Ceramic Biomaterials, In. The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition, Ed. Joseph D. Bronzino, Boca Raton: CRC Press LLC, 2000 [11] G. Hunter, W. M. Jones, M. Spector, Chapter 59: Oxidized Zirconium, TotalKnee Arthroplasty, Ed. Johan Bellemans, Michael D. Ries, Jan M.K. Victor: Springer Medizin Verlag Heidelberg 2005 [12] Turolska P., Advanced Ceramic Processing: Case Study, Master Theses in Material Engineering option Metals and Ceramics, MTM-KULeuven, 2006 [13] Rahaman, M.N., Yao, A., Sonny Bal, B., Garino, J.P. and Ries, M.D., Ceramics for prosthetic hip and knee joint replacement, Journal of American Ceramic Society, (2007) 90:7, pp