A comparative surface analysis of explanted hip joint prostheses made of different biomedical alloys

Abstract

The introduction of modular design in total hip arthroplasty has enabled the use of different materials in one single configuration and the adjustment of the prosthesis to the patient's body, and facilitated medical revisions. However, modularity leads to the presence of new interfaces created between pieces in contact, raising the issue of degradation. Tribocorrosion phenomena have been identified as the main degradation mechanism due to the mechanical, chemical, and electrochemical conditions acting on the materials. In addition, conditions inside the human body are unclear, regarding electrochemical settings and the interaction between the electrochemical and mechanical action. This work is focused on the degradation of monopolar hip joint implants made from biomedical alloys such as stainless steel, Ti, and CoCr alloys. Three cases are presented and analyzed in terms of the degradation level along the trunnion length. Surface analysis done on a titanium trunnion showed a significant ploughing on the distal part, compared to what was found for stainless steel and cobalt-chromium alloys, which can produce a stuck in this area. Meanwhile, in the proximal part, wear debris is found, which suggests more movement in the internal part. Although few debris particles were identified in CoCr trunnion, a large amount of material inside the contact was observed. This could be related to the ploughing generated in the distal thread pattern, which allowed the material to come inside and outside the contact. © 2021. All Rights Reserved.

La introducción del diseño modular en la artroplastia total de cadera ha permitido el uso de diferentes materiales en una única configuración y el ajuste de la prótesis al cuerpo del paciente, y ha facilitado las revisiones médicas. Sin embargo, la modularidad conduce a la presencia de nuevas interfaces creadas entre piezas en contacto, lo que plantea el problema de la degradación. Los fenómenos de tribocorrosión han sido identificados como el principal mecanismo de degradación debido a las condiciones mecánicas, químicas y electroquímicas que actúan sobre los materiales. Además, las condiciones dentro del cuerpo humano no están claras en cuanto a los ajustes electroquímicos y la interacción entre la acción electroquímica y mecánica. Este trabajo se centra en la degradación de implantes monopolares de articulación de cadera fabricados a partir de aleaciones biomédicas como acero inoxidable, Ti y CoCr. Se presentan y analizan tres casos en términos del nivel de degradación a lo largo de la longitud del muñón. El análisis de superficie realizado sobre un muñón de titanio mostró un arado significativo en la parte distal, en comparación con lo encontrado para el acero inoxidable y las aleaciones de cobalto-cromo, que pueden producir un atascamiento en esta zona. Mientras tanto, en la parte proximal se encuentran restos de desgaste, lo que sugiere mayor movimiento en la parte interna. Aunque se identificaron pocas partículas de desechos en el muñón de CoCr, se observó una gran cantidad de material dentro del contacto. Esto podría estar relacionado con el arado generado en el patrón de rosca distal, lo que permitió que el material entrara y saliera del contacto. © 2021. Todos los derechos reservados.