2008 Journal of biomedical materials research. Part B, Applied biomaterials Mechanismus / Präklinisch Inhalation

2008 · Hill — Vorläufige tribologische Bewertung nanostrukturierter Diamantbeschichtungen gegen ultrahochmolekulares Polyethylen.

Originaltitel: Preliminary tribological evaluation of nanostructured diamond coatings against ultra-high molecular weight polyethylene.

Kurzfassung

Diese In-vitro-Materialwissenschaftsstudie bewertete nanostrukturierte Diamant (NSD)-Beschichtungen auf Titanlegierungen als potenzielle Gegenfläche für Polyethylen in Gelenkersatzimplantaten. Wasserstoffreiche und heliumreiche Zuführgasmischungen wurden im Abscheidungsprozess verwendet. Verschleißfaktoren waren mit Kobalt-Chrom-Legierung vergleichbar, was darauf hindeutet, dass NSD ein lebensfähiges alternatives Implantatmaterial sein könnte. (Journal of Biomedical Materials Research B, 2008.)

Klassifiziert als Mechanismus / Präklinisch-Studie mit Inhalation. Siehe Methodik zur Evidenz-Einstufung.

Kommentar

Dies ist eine Biomaterialstechnik-Studie über verschleißfeste Beschichtungen für orthopädische Gelenkimplantate. Der Bezug zu H₂ ist rein technischer Natur: Wasserstoffgas wurde als eine der Zuführgaskomponenten im Plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (CVD) zur Herstellung der Diamantbeschichtungen verwendet (H-NSD = wasserstoffreicher nanostrukturierter Diamant). Dies ist ein Fertigungsprozessgas, keine therapeutische Anwendung von H₂. Die Studie untersucht keine biologischen Wirkungen von Wasserstoff. Ihre Anwesenheit in einer H₂-Datenbank ist ein Falsch-Positiv aufgrund der Verwendung von Wasserstoff im industriellen Beschichtungsabscheidungsprozess.

Wichtige Zitate

„Nanostrukturierte Diamant (NSD)-Beschichtungen wurden auf Ti6Al4V durch mikrowellenplasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung mit sowohl wasserstoffreichen (H-NSD) als auch heliumreichen (He-NSD) Zuführgasmischungen abgeschieden.“ Original (EN): „Nanostructured Diamond (NSD) coatings were deposited onto Ti6Al4V by microwave plasma-assisted chemical vapor deposition, with both hydrogen-rich (H-NSD) and helium-rich (He-NSD) feedgas mixtures.“ — H₂ hier ist ein Fertigungsprozessgas — nicht therapeutisch
„Es wurden keine signifikanten Unterschiede in den Verschleißfaktoren zwischen Polyethylen auf H-NSD, He-NSD und CoCr gefunden, trotz höherer Rauheit und Reibungskoeffizienten für He-NSD- und H-NSD-Beschichtungen im Vergleich zu CoCr.“ Original (EN): „No significant differences in wear factors were found between polyethylene on H-NSD, He-NSD, and CoCr, despite higher roughness and friction coefficients for the He-NSD and H-NSD coatings, compared with CoCr.“ — der tribologische Hauptbefund: NSD-Verschleißleistung vergleichbar mit Kobalt-Chrom
„NSD-beschichtetes Ti6Al4V lieferte Verschleißfaktoren, die mit CoCr in den vorliegenden Pin-auf-Disk-Tests vergleichbar waren — ein vielversprechender Schritt hin zu seiner Verwendung in Gelenkersatz-Lageranwendungen.“ Original (EN): „NSD-coated Ti6Al4V produced wear factors comparable to CoCr in the present pin-on-disk tests, a promising step towards its use in joint replacement bearing applications.“ — Schlussfolgerung: NSD ist ein vielversprechendes Kandidatenmaterial für Gelenkersatz

Unsere Einordnung

Diese Arbeit hat keine Relevanz für therapeutischen molekularen Wasserstoff (H₂). Wasserstoffgas erscheint nur als Komponente des industriellen CVD-Prozesses zur Herstellung der Diamantbeschichtungen. Die Studie ist solide orthopädische Biomaterialstechnik. Ihre Aufnahme in eine H₂-Therapie-Datenbank ist ein Falsch-Positiv aufgrund von Schlüsselwort-Überschneidungen mit der Prozesschemie.

Studiendesign

Typ: In-vitro-Materialwissenschaftsstudie (tribologische Pin-auf-Disk-Verschleißprüfung) · Modell: Ti6Al4V mit NSD beschichtet; Polyethylen-Pins; Serum-Schmierung bei Körpertemperatur · H₂-Bezug: kein therapeutischer (H₂ = CVD-Zuführgas nur für Beschichtungsabscheidung)
Ergebnis: H-NSD- und He-NSD-Verschleißfaktoren mit CoCr vergleichbar; höhere Rauheit/Reibung bei NSD vs. CoCr; Oberfläche wird nach dem Verschleiß hydrophiler; NSD als vielversprechend für Gelenkersatz-Lageranwendungen eingestuft

Abstract (deutsche Übersetzung)

Hintergrund: Einige Verluste von Gelenkprothesen wurden auf osteolytisches Lockern im Zusammenhang mit Verschleißrückständen von Polyethylen gegenüber Metalllegierungen zurückgeführt. Mit Keramik als alternativer Gegenfläche wurde ein reduzierter Polyethylenverschleiß berichtet. Methoden: Nanostrukturierte Diamant (NSD)-Beschichtungen wurden auf Ti6Al4V durch mikrowellenplasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung mit sowohl wasserstoffreichen (H-NSD) als auch heliumreichen (He-NSD) Zuführgasmischungen abgeschieden. Pin-auf-Disk-Verschleißtests von Polyethylen gegenüber NSD und CoCr wurden mit Serum-Schmierung bei Körpertemperatur durchgeführt. Rasterelektronenmikroskopie wurde zur Untersuchung der Oberflächenmorphologie eingesetzt, und Nanoindentation zur Bestimmung der Härte und des Moduls der Polyethylen-Verschleißoberflächen. Raman-Spektroskopie, Oberflächenrauheit und Benetzbarkeitsanalysen der NSD-Beschichtungen wurden durchgeführt. Ergebnisse: Die Raman-Spektroskopie bestätigte sp²- und sp³-gebundenen Kohlenstoff in den NSD-Beschichtungen. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in den Verschleißfaktoren zwischen Polyethylen auf H-NSD, He-NSD und CoCr gefunden, trotz höherer Rauheit und Reibungskoeffizienten für He-NSD- und H-NSD-Beschichtungen im Vergleich zu CoCr. Kontaktwinkel für die Diamantbeschichtungen wurden nach den Verschleißtests reduziert, was zeigt, dass diese Oberflächen hydrophiler wurden. Auf Pins, die gegen CoCr artikuliert wurden, wurden zahlreiche kleine Vorsprünge beobachtet, und ein einzelner, großer Vorsprung wurde bei Polyethylen auf NSD beobachtet. Diese Merkmale wurden als rekonsolidierte Polyethylen-Partikel vermutet. Nanoindentations-Modul und -Härte der verschlissenen Polyethylen-Oberflächen waren für Polyethylen auf Diamant niedriger als für Polyethylen auf CoCr. Schlussfolgerungen: Als Gegenfläche zu Polyethylen lieferte NSD-beschichtetes Ti6Al4V Verschleißfaktoren, die mit CoCr in den vorliegenden Pin-auf-Disk-Tests vergleichbar waren — ein vielversprechender Schritt hin zu seiner Verwendung in Gelenkersatz-Lageranwendungen.

Original-Abstract (englisch)

BACKGROUND: Some loss of joint prostheses has been attributed to osteolytic loosening associated with debris from wear of polyethylene articulating against metal alloys. Reduced polyethylene wear has been reported with ceramics serving as an alternative counterface. METHODS: Nanostructured Diamond (NSD) coatings were deposited onto Ti6Al4V by microwave plasma-assisted chemical vapor deposition, with both hydrogen-rich (H-NSD) and helium-rich (He-NSD) feedgas mixtures. Pin-on-disk wear tests of polyethylene against NSD and CoCr were performed in serum lubrication at body temperature. Scanning electron microscopy was used to examine surface morphology, and nanoindentation was used to determine hardness and modulus of the polyethylene wear surfaces. Raman spectroscopy, surface roughness, and wettability analyses of the NSD coatings were performed. RESULTS: Raman spectroscopy confirmed sp(2) and sp(3) bonded carbon in the NSD coatings. No significant differences in wear factors were found between polyethylene on H-NSD, He-NSD, and CoCr, despite higher roughness and friction coefficients for the He-NSD and H-NSD coatings, compared with CoCr. Contact angles for the diamond coatings were reduced following the wear tests, indicating that these surfaces became more hydrophilic. Numerous small protuberances were observed on pins articulated against CoCr, and a single, large protuberance was observed in polyethylene-on-NSD. These features were conjectured to be reconsolidated polyethylene particles. Nanoindentation modulus and hardness of the worn polyethylene surfaces were lower for polyethylene-on-diamond than for polyethylene-on-CoCr. CONCLUSIONS: As a counterface to polyethylene, NSD-coated Ti6Al4V produced wear factors comparable to CoCr in the present pin-on-disk tests, a promising step towards its use in joint replacement bearing applications.

Quelle & Links

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