A könyökben igen összetett ízület található, amely három részből áll össze, és számos tengely mentén való mozgás megvalósítását teszi lehetővé. A könyök hajlításának, kinyújtásának köszönhetően tudunk például étkezni vagy tisztálkodni. A sérült, vagy beteg könyökízület pótlása elengedhetetlen, hiszen az ízület korlátozott és fájdalmas mozgása, instabilitása egyértelműen korlátozza a betegeket mindennapi életük során.
Mint a legtöbb mai protézis, a felkar protézisei is elképzelhetetlenek lennének polimerek nélkül. A klasszikus fém-fém érintkező felületpárú protézisekkel szemben lényegesen jobb élettartam érhető el, ha a protézisek egymáshoz képest elmozduló felületeit fém-polimer párra cseréljük. A könyökprotézisek esetében kivétel nélkül fém és polimer anyagokat alkalmaznak. Fémek és polimerek Azon orvostechnikai eszközöknek, amelyek szintetikus polimerből készülnek, biológiailag összeférhetőnek kell lenniük a szervezettel, mivel ezen anyagok közvetlen kapcsolatban állnak vele, és annak szerveit, funkcióit segítik vagy helyettesítik. Biokompatibilis anyagok alatt azon anyagokat érjük, amelyek teljesítik a megkívánt mechanikai tulajdonságokat úgy, hogy közben nem roncsolják a környező szöveteket, nem mérgezőek és nem lépnek reakcióba testnedvekkel sem. A ma használt implantátumok közel 70-80%-a biokompatibilis fémekből készül, így alapvető fontosságú a protetika területén is ez az anyagtípus. Fémek esetében leggyakoribb biokompatibilis anyagok a rozsdamentes acél, kobaltötvözetek és az orvosi titánötvözetek. A titánötvözeteket előszeretettel használják implantátumok anyagjaként a rozsdamentes acélhoz és a kobalt ötvözetekhez viszonyított jobb biokompatibilitás, nagyobb korrózióállóság és alacsonyabb rugalmassági modulus miatt. A modulusbeli különbség minimalizálása a feszültségárnyékolás jelensége miatt elengedhetetlen, amely során a protézis fémkomponensei a csontba ültetve felveszik a csontszövet terhelését, a csont lecsökkent terhelése miatt gyakori jelenség a csontszövet felszívódása, csontritkulás és ennek következtében az implantátumok kilazulása, vagyis a tönkremenetel. Ugyanakkor a polimer-fém érintkezésen alapuló protézisrendszerek elterjedésével új szempont merült fel a fémrészek anyagválasztása tekintetében, ugyanis az alkalmazott polimer ellenfelület, az UHMWPE (ultrahigh-molecular-weight polyethylene, ultranagy molekulatömegű polietilén) kopására kifejtett hatást is figyelembe kell venni a tervezés során. Általánosan elmondható, hogy az UHMWPE kopásának tekintetében a kobalt-króm ötvözet kedvezőbb, mivel az orvosi titán 35 százalékkal nagyobb kopási arányt mutat. Mégis, a legtöbb felkari protézis esetében a titánötvözetek alkalmazása kerül előtérbe a korábban említett jobb biokompatibilitása miatt. A felkari protézisek polimerbetéteinek alapanyaga rendszerint UHMWPE. A polietilének mechanikai tulajdonságai drasztikusan függenek bizonyos változóktól, például az elágazás típusától és mértékétől, a kristályszerkezettől és a molekulatömegtől. A polietilének családjába tartozó UHMWPE, ahogyan a nevében is szerepel, ultra nagy molekulatömeggel rendelkezik (26 millió g/mol), tulajdonságai ennek következtében jelentősen eltérnek a tömegműanyagként használt polietilénétől, amellyel gyakran csomagolóanyagként találkozhatunk (ennek molekulatömege 10 000 g/mol nagyságrendbe esik). A könyökprotézisekben legelterjedtebben és legjobb eredménnyel alkalmazott UHMWPE-betétre jellemző kopás ugyanakkor az alkalmazás során jelentős problémátokoz, mivel a kopadékszemcsék méretükből adódóan a szervezet immunrendszerét aktiválják. Ennek a komplex immunreakciónak a következtében csontfalósejtek lokálisan a csont elbontásában vesznek részt, ami oszteolízist (csontelhalást) okoz, ezáltal pedig a protézis kilazulásához vezet.
Emiatt a kopással szembeni ellenállóképesség növelését célzó tulajdonságmódosító eljárások alkalmazása előtérbe került az UHMWPE anyagfejlesztésénél. A kopási tulajdonságok anyagszerkezeti módosításokkal javíthatók, a tulajdonságmódosításra használt eljárások közül a leggyakrabban alkalmazott a sugárzással való térhálósítás, ami növeli az anyag kristályosságát, így a molekulaláncok mobilitása csökken, ezzel korlátozva a felületek képlékeny alakváltozását és növelve a kopással szemben való ellenállást. Sajnos egyidejűleg a mechanikai tulajdonságok romlását okozza és az oxidációs hajlamot is növeli. Az oxidáció mértékét csökkentő eljárás az antioxidánsok alkalmazása, főként E-vitamin (α-tocopherol) adalékolása.kopáscsökkentés mintákkal A jelenlévő kopadékszemcsék következtében létrejövő fő tönkremeneteli ok, vagyis az aszeptikus (fertőzés nélküli) lazulás oka nem csupán az alkalmazott anyagokban, hanem a geometriai tervezésben, illetve az érintkező felszínek jellemzőiben keresendő.
A szakirodalom szerint a megfelelően optimalizált felületi mintázatok esetében a struktúrák telítődnek az ízületi folyadékkal, ezzel terhelés közben nagyobb hidrodinamikai nyomást eredményezve, így vastagabb kenőanyagréteget kialakítva, vagyis javítva a kenési állapotot, redukálják az érintkezési felületet, így csökkentve az adhéziós kopást és emellett a keletkezett kopadék számára is „gyűjtőhelyként” szolgálnak, ezzel csökkentve a háromtestabráziót. A kopadék a kialakított struktúrákban való összegyűlésének a kopáscsökkentés mellett egy másik nagy előnye, hogy a részecskék nem kerülhetnek közvetlen érintkezésbe az implantátumot körülvevő szövetekkel, így csökkentik az oszteolízis kialakulásának kockázatát is. Az előbbi hatásoknak megfelelően a legtöbb tanulmány súrlódás- és kopáscsökkenésről számol be felületi mintázatok alkalmazása esetén, viszont az egyes kutatók eltérő geometriai kialakításokat, eltérő méreteket és eltérő területi sűrűségeket találtak optimálisnak.
Ennek hatására kísérleteim, a koptatómérések során polírozott felületű orvosi tanúsítvánnyal rendelkező UHMWPE-korongokon (disc) cellás szerkezettel rendelkező orvosi titán (pin) koptató hatását vizsgálom. A textúra kialakításával célom a természetes ízület szerkezetének és az ízületifolyadék felvevő és tároló képességének mesterséges reprodukálása, illetve optimális felületi mintázat létrehozása a kopás csökkentésének céljából. A cellás szerkezet mellett viszonyítási alapként tömör titán próbatestet alkalmaztam. A titán próbatestek előállítása DMLS (Direct Metal Laser Sintering, Közvetlen lézersugaras fém szinterezés) berendezésen, nyomtatással történt. Az előállított mintákat a tribológiában előszeretettel alkalmazott pin-on-disc, vagyis rúd-tárcsa mérőberendezésen végeztem. A berendezésen a mérési elv az alábbi: A síktárcsa (disc) próbatest három csavarral rögzíthető a gép forgómozgást végző részegységéhez, miközben a tárcsa felülete folyamatosan érintkezik a korong (pin) próbatest ellenoldalt szolgáltató felszínével, amely egy befogón keresztül kapcsolódik a nyugalomban lévő rúdelemhez. A rúdelemhez kapcsolódó terhelőegységen keresztül az alkalmazott súly hozza létre a nyomóerőt a próbatestek súrlódó felülete között. A felszínek közt fellépő súrlódási erő erőmérő cella segítségével rögzíthető a mérés során.
A mérések során a forgó tárcsa felületére szarvasmarha ízületi folyadékot juttattam a természetes ízületben található kenési állapot modellezésének érdekében. A cellás szerkezettel rendelkező titánkorongok esetében ezen túlmenően magába a szerkezetbe is juttattam az ízületi folyadékból a mérések kezdete előtt. A szerkezet feltöltésénél jelentős kapillárishatás volt megfigyelhető, a minta felszívta a kenőanyagot.
Az elvégzett mérések 30 óra időtartamúak voltak próbatestenként, ami 54 000 ciklusnak feleltethető meg. A koptatás során mért erő segítségével kiszámoltam a súrlódási erőt, ennek segítségével pedig a súrlódási tényezőt is.
Ígéretes mérések
A mérés során a cellás szerkezet bíztató eredményeket szolgáltatott. A kezdeti szakasz, körülbelül 4-5 óra elteltét követően alacsonyabb súrlódási erőt és kisebb súrlódási tényezőt regisztráltam a cellás próbatestek esetében a hagyományos szerkezetű titán próbatesthez képest. A jelenség magyarázata feltehetően a cellás szerkezet felületi üregeinek eltömődése az UHMWPE-kopadékkal, ezáltal a hátralevő koptatás során az UHMWPE nem tisztán titán ellenfelszínnel érintkezik, így a kopás mérséklődik. Jelen feltevés korrelál a szakirodalomban megismert tapasztalatokkal is.A felületek koptatás utáni mintázatát elektronmikroszkóppal vizsgáltam. Megfigyelhető, hogy a hagyományos titán okozta barázdák száma nagyobb, mint cellás szerkezetű titán ellendarabbal való koptatás esetében. Továbbá ezerszeres nagyítás mellett a felszíni delamináció, pikkelyek felválása a hagyományos titán ellendarabbal koptatott UHMWPE-felszín esetén jelentősebb, a feltépődött régiók mérete nagyobb, jellegre különbözik a cellás próbatest okozta károsodástól, ahol ezeknek a felszakadásoknak a mérete kisebb, kevésbé válik el a felszíntől.
Ennek következtében a cellás szerkezet kopás csökkentésére gyakorolt hatása továbbra is ígéretesnek tűnik, a kísérlet folytatása javasolt nagyobb ciklusszám mellett, hiszen ez esetben várhatóan a két felület okozta eltérés jobban kirajzolódik, a jelenségek mélyebb megismerését biztosítva.
Összességében elmondható, hogy az ízületi protézisek tervezése és alkalmazása igen összetett feladat elé állítja, mind a tervezőmérnököket, mind a sebészeket, ugyanakkor számos fejlesztési lehetőség kínálkozik a területen. A gépészmérnöki vonatkozásban és kutatásomban hangsúlyos kopáscsökkentő felületi struktúrák kialakítása terén számos további fejlesztési irányvonal van jelen. Az alkalmazott cellás struktúra mellett gömbszelet és henger alakú textúrák hatását, illetve fémeken alkalmazott felületi bevonat és felületi textúra együttes alkalmazásásának kopáscsökkentő hatását is szeretném vizsgálni.
Forrás: Élet és Tudomány