13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof. Dr.

Welche Faktoren beeinflussen die Konuskorrosion am modularen Revisionshüftschaft? Eine Explantatstudie

Materialien & Tribologie

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) In der Revisionshüftendoprothetik werden modulare Schäfte verwendet, um eine bessere Anpassung der Prothese an die patientenseitige Situation zu ermöglichen. Der Femurschaft wird dabei meist über eine Konussteckverbindung mit dem Halsstück gekoppelt. Brüche an der Konusverbindung treten hier als Komplikation zwar selten aber regelmäßig auf. Als Ursache werden erhöhte Biegespannungen im Bereich der Verbindung angenommen. Darüber hinaus wurden auch korrosiv induzierte Mikrorisse beobachtet. Korrosive Prozesse könnten also eine Rolle bei der Konusbruchentstehung spielen, Daten zur Korrosion an dieser modularen Schnittstelle gibt es jedoch kaum. Ziel der Studie ist es, die Konusverbindungen verschiedener explantierter, modularer Revisionsschäfte auf Korrosion und Fretting zu untersuchen und folgende Fragen zu beantworten: Welche Faktoren beeinflussen die Ausprägung der korrosiven Prozesse bzw. die Stabilität der Konusverbindung? Dazu wurden 56 explantierte modulare Hüftschäfte aus dem Explantatregister der orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg untersucht. Verbindungen, die noch im gefügten Zustand vorlagen, wurden zunächst getrennt und die dazu notwendige Kraft bestimmt. Anschließend wurden die Konusoberflächen jeweils in 8 Quadranten eingeteilt, auf Korrosion, Fretting und Verschmutzung hin untersucht und mit einem modifizierten Goldberg-Score auf einer Skala von 0 bis 3 bewertet. Erhöhte Werte (Median&gt;1) für Korrosion und Fretting wurden an 40% der Explantate beobachtet. Eine multiple lineare Regressionsanalyse ergab, dass die Faktoren Standzeit und Konusverschmutzung einen signifikanten Einfluss auf die Konuskorrosion haben. Die Faktoren Offset, Halsteillänge und Patientengewicht zeigten hingegen keinen Einfluss. Die Festigkeit der Verbindungen nahm mit zunehmender Verschmutzung ab. Die Vermeidung der intraoperativen Verschmutzung der Konusverbindung kann helfen, die Ausprägung der Korrosion zu verringern und so möglicherweise weiteren Konusbrüchen vorbeugen.

Vortrag

Prof. Dr. rer. nat.

Prof. Dr. med.

In vitro Untersuchung der Fretting-Korrosion in modularen Hüftendoprothesen mit festgewalzten Konusoberflächen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Die Konussteckverbindung zwischen Hüftschaft und ‑Kopf einer Hüfttotalendoprothese ist eine der Stellen mit einem erhöhten Verschleiß- und Korrosionspotential. Unter dynamischer Belastung entstehende Mikrobewegungen führen zur Beschädigung der Passivschicht an Konusoberflächen und Freisetzung von Verschleiß- und Korrosionsprodukten sowie deren Metallionen, die negative Reaktionen im umgebenden Gewebe hervorrufen können. Mit Hilfe des Festwalzens der Konusoberfläche einer CoCrMo-Hüftkugel soll die Verschleißfestigkeit erhöht und somit die mechanische Beschädigung und Korrosionsanfälligkeit reduziert werden. Im Rahmen dieser Studie wurden CoCrMo-Innenkonen mit der konventionell gedrehten sowie festgewalzten Oberfläche hergestellt. Oberflächeneigenschaften wurden durch optische (3D-Konfokalmikroskop), mechanische (Härtemessung, Verschleißtest) und Gefügeuntersuchungen evaluiert. In einem Fretting-Korrosionstest wurden Baugruppen aus CoCrMo-Innenkonus und TiAl6V4-Schaftkonus in Ringerlösung mit FeCl3 und H2O2 bei 37°C dynamisch beansprucht, um Belastungen im menschlichen Körper nachzubilden. Während des Versuchs wurde das Ruhepotential gemessen. Anschließend wurden die Komponentenoberflächen, der Materialverlust sowie die Ionenkonzentration in der Testflüssigkeit untersucht. Die festgewalzten Konen haben eine niedrigere Rauheit Rz von 0,5 µm im Vergleich zu gedrehten Oberflächen (1,6 µm) gezeigt. Die Phasenumwandlung (kfz zu hdp) und eine um 25 % erhöhte Härte der festgewalzten Oberflächen führten zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit im Verschleißtest um 70 %. In dem Fretting-Korrosionstest haben die festgewalzten und gedrehten Konen ein sehr ähnliches Schadensbild gezeigt, welches sich mit einem besonderen Verschleißmechanismus (Balachandran et al. 2020) beschreiben lässt. Die festgewalzten Oberflächen zeigten ein hohes Potential zur Verschleißreduktion, welches durch weitere Forschungsarbeiten weiterentwickelt werden soll.

Dr. Ing.

Strength of the taper junction of modular revision hip stems

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction In revision surgery, modular implant components allow the surgeon to tailor the characteristics of the implant to the bone situation [Ellman, J ARTHROPLASTY 2013]. Relative motion can occur at the tapered modular junction, causing fretting corrosion and subsequent biological reactions – especially due to insufficient assembly and contamination of the taper junction [Krull, J ARTHROPLASTY 2017]. Aim of the study Aim was to exhibit whether incomplete assembly and unwanted contamination of the modular taper cause a change in junction strength. Methods Modular taper junctions between neck and stem (n = 48) were divided into seven groups differing in contamination (native, contaminated, cleaned) and assembly conditions (secured, pretensioned&amp;secured). Contamination was achieved using a combination of porcine bone particles together with bovine blood (fig. 1). For each group, the number of rotations of the torque limiter while securing the taper junction was recorded. Implants were subjected to cyclic loading. DIC was used to determine rotation of the neck piece, micromotion and axial subsidence. Loosening torque of the locking screw as well as pull-off forces were measured as an equivalent for the remaining strength of the taper junction. Results Contamination of the taper junction, especially in combination with improper assembly of the components, significantly increased the rotation (35.3 ± 13.7° vs. 2.4 ± 4.4°; p &lt; 0.001, fig. 2A), micromotion (67.8 ± 16.9 µm vs. 5.1 ± 12.1 µm, p &lt; 0.001, fig. 2B) and axial subsidence (-34.1 ± 16,9 µm vs. 4.3 ± 10.9 µm; p &lt; 0.001) of the neck piece relative to the stem. Conclusion Intra-operatively, contamination of the taper surface can be identified by the need for multiple rotations when tightening the locking screw. Correct cleaning with the new taper cleaning instrument and complete assembly potentially reduces the risk of early failure and fatigue fracture of the modular taper junction.

Prof. Dr.-Ing. habil.

Dr.-Ing.

Characterization and comparative analysis of artificial and physiological CoCrMo wear particles

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction The interaction between wear particles and the periprosthetic tissue is not fully understood yet as it is difficult to mimic the in vivo process using in vitro techniques. Therefore, in vitro experiments with artificial wear particles are an important tool for a better understanding of cellular interactions. However, authentic in vivo wear particles are difficult to generate in vitro and the available techniques are expensive. A tailored milling process could provide a promising option to generate artificial wear particles at significantly lower costs. Aim Commercially available CoCrMo-particles are compared to artificially produced particles and particles obtained from periprosthetic tissue in terms of shape and biological function. Method The periprosthetic particles from a MoPE-THI were extracted according to ISO 17853:2011. Three particle types were examined using SEM and laser diffraction in terms of size (distribution) and morphology (aspect ratio, roundness). To investigate the cell interaction, osteoblast-like and fibroblast-like cells were incubated with physiological particle concentrations and evaluated using the WST-1-assay, TUNEL-assay, and fluorescence microscopy to investigate the particle uptake. Results All particle types are within the same size range (0.1 to 30 µm). The size distribution, however, increases for both artificial particles when compared to the isolated particles. All particle types predominantly consist of spheric, regular particles with rounded edges. The particle uptake is for all tested particle types at a comparable level. Viability and cell death still need to be examined. Conclusion The CoCrMo particles produced by milling correspond to the commercial and physiological reference in terms of morphology. Interestingly, their size distribution is closer to the in vivo generated particles. Therefore, milling seems to be an appropriate method to produce wear particles mimicking in vivo generated wear particles.

Dipl.Ing.

Einfluss von Druckrichtung und Einfärbung auf die biaxialen Biegefestigkeiten von 3D-gedrucktem Zirkoniumdioxid

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Der 3D-Keramik-Druck von Zahnersatz ermöglicht gegenüber subtraktiven Verfahren mehr Designfreiheit und die Fertigung filigranerer Strukturen. Für neue druckbare Zirkoniumdioxidmaterialien (ZrO2) mit Medizinproduktezulassung fehlen bislang unabhängig ermittelte Materialkennwerte. Ziele: Ermittlung der biaxialen Biegefestigkeit von gedrucktem ZrO2 bei Variation der Druckausrichtung und Einfärbung. Material und Methoden: Die Biaxialprüfkörper aus ZrO2 wurden mit einem DLP-Drucker erstellt (ZD; ZIRPO-D). Insgesamt 60 Proben wurden vertikal genestet (Flächennormale in der xy-Ebene) wobei jeweils n=20 Proben mit x-Ausrichtung (ZD-X) und y-Ausrichtung (ZD-Y) gedruckt und gebrannt wurden. Weitere 20 Proben mit x-Ausrichtung wurden vorgesintert, eingefärbt (ZD-XF) und anschließend dicht gesintert. Weitere 20 Prüfkörper wurden horizontal gedruckt (Flächennormale in z-Richtung, ZD-Z). Zum Vergleich mit einem schon länger genutzen System (CF: CeraFab 7500) wurde eine zusätzliche Serie mit x-Ausrichtung (CF-X) hergestellt. Prüfung und Festigkeitsauswertung erfolgten gemäß ISO 6872. Mögliche Einflüsse der Faktoren wurden mit Welch Anovas (α=0,05) beurteilt. Ergebnisse: Für ZD-Prüfkörper waren die mittleren biaxialen Biegefestigkeiten bei vertikaler Orientierung (ZD-X: 862±122MPa, ZD-Y: 811±197MPa) signifikant niedriger als bei horizontaler Ausrichtung (ZD-Z: 1107±144MPa). Durch das Einfärben der Proben mit x-Ausrichtung ergaben sich geringfügig, aber nicht signifikant, niedrigere Werte (ZD-XF: 838±182MPa). Im Vergleich der beiden 3D-Drucksysteme wies das schon länger genutzte System eine signifikant höhere mittlere Festigkeit auf (CF-X: 1238±327MPa), dafür aber eine deutlich höhere Streuung / geringere Verlässlichkeit. Zusammenfassung: Alle Gruppen übertrafen im Mittel die nach ISO 6872 geforderten Biegefestigkeiten für Klasse 4 (&gt;500 MPa) bzw. Klasse 5 (&gt;800 MPa). Für geringe Ausfallwahrscheinlichkeiten waren die kritischen Spannungen beider Drucksysteme vergleichbar.

Prof.

Finite-Elemente-Analyse hybrider Keramik-Titan-Materialien für die Knieendoprothetik

Numerische Methoden und Studien (FEM, CFD, MKS)

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Bei Knieendoprothesen besteht die Femurkomponente in den meisten Fällen heutzutage aus einer CoCr-Legierung. Im postoperativen Verlauf können Metallionen freigesetzt werden, die zu adversen biologischen Reaktionen führen können [1]. Vollkeramische Femurkomponenten stellen eine Alternative dar [2], jedoch besteht die Gefahr des Sprödbruches bei hochenergetischen Beanspruchungen [3]. Daher wurden ein Werkstoffverbund aus einer Oxidkeramik für die Artikulationsfläche und einer Titanlegierung für den direkten Knochenkontakt beschrieben, um die Limitation der jeweiligen Werkstoffe zu überwinden [4]. Ziel war es, eine Femurkomponente, bestehend aus einem hybriden Werkstoffverbund aus Al2O3-verstärkter ZrO2 (ATZ) und unterschiedlichen Titanlegierungen (Ti-6Al-4V vs. Ti-35Nb-6Ta) unter der intraoperativen Belastung einer zementfreien Implantation mittels Finite-Elemente-Analyse zu untersuchen. Dafür wurde das Modell einer Femurkomponente einer kreuzbanderhaltenden Knieendoprothese herangezogen, welches virtuell in ein biphasiges Design umgewandelt wurde (Abb. 1A). Es wurde ein Finite-Elemente-Modell der zementfreien Implantation aufgebaut (Abb. 1B). Dem Knochen wurden linear-elastische, heterogene Materialeigenschaften zugewiesen. Die Materialeigenschaften der Femurkomponente wurden zwischen: ATZ und Hybridwerkstoff aus ATZ und Ti-6Al-4V bzw. Ti-35Nb-6Ta variiert. Die maximale Spannung in der ATZ-Femurkomponente betrug 1353,9 MPa. Bei den hybriden Femurkomponenten aus ATZ und Ti-6Al-4V bzw. Ti-35Nb-6Ta traten geringere maximale Spannungen in der ATZ Komponente auf (359,3 MPa bzw. 484,4 MPa). Durch die hybride Werkstoff-Kombination kann die mechanische Beanspruchung innerhalb der ATZ verringert und somit das intraoperative Bruchrisiko keramischer Femurkomponenten reduziert werden. [1] Crutsen et al., EFORT Open Rev., 2022 [2] Bergscmidt et al., Knee, 2016 [3] Kluess et al., Knee, 2012 [4] Mitrovic, Patent: DE 10 2025 016 895 B3

Der Impaktor bestimmt die Kraftübertragung

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Bei der Implantation von zementfreien Implantaten und dem Fügen einzelner Komponenten muss ein ausreichender Pressfit am Interface erreicht werden, welcher maßgeblich durch die maximale aufgebrachte Kraft bestimmt wird. Die Kraft im Interface entspricht aufgrund von Massenträgheit und Steifigkeiten des verwendeten Instrumentariums jedoch nicht der aufgebrachten Hammerkraft [1, 2]. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Kraftübertragung zwischen Hammer und Interface beim Fügen von Prothesenköpfen auf Hüftschaftkonen in Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Impaktors. Material &amp; Methoden: Basierend auf einem validierten numerischen Modell [2] wurden drei mechanische Eigenschaften des Impaktors variiert (Abb. 1): Stielsteifigkeit (13 Werte, 10 N/mm bis 105 N/mm), Steifigkeit der PEEK-Spitze (13 Werte, 10 N/mm bis 105 N/mm) und Impaktormasse (8 Werte, 0,1 kg bis 1,0 kg). Die Dämpfung der Spitze wurde mit 15 % der zugehörigen Steifigkeit berücksichtigt. Die Auswirkung der Designvariationen wurde anhand der an der Spitze wirkenden und somit am Prothesenkopf ankommenden Kraft (normiert auf die Hammerkraft) verglichen. Ergebnisse: Die Kräfte an der Impaktorspitze lagen zwischen 0,2 % und 102,5 % der Hammerkraft (Abb. 2). Die höchsten Kräfte wurden bei geringer Masse (0,2 kg) und hohen Steifigkeiten der Spitze erzielt. Bei hoher Stielsteifigkeit wurden Werte bis zu 67,2 % der Hammerkraft erreicht. Eine höhere Masse führte tendenziell zu niedrigeren Kräften. Dieser Einfluss der Masse nahm mit Zunahme beider untersuchter Steifigkeiten deutlich zu. Zusammenfassung: Hersteller können die mechanischen Eigenschaften von Impaktoren nutzen, um die Form des übertragenen Impulses zu gestalten. Hierbei ist insbesondere die Impaktorspitze von Bedeutung. Danksagung: DePuy Synthes stellte freundlicherweise die Köpfe, Konen und Instrumente bereit. Literatur: [1] Krull et al., BONE JOINT RES, 2018 [2] Schlieker et al., ISTA, 2022

Session 10
Materialien und Tribologie

Termin

Vorsitzende

Programm

Session 10Materialien und Tribologie

Termin

Vorsitzende

Programm

Session 10
Materialien und Tribologie