Corrosione del cono e fretting

Fretting e corrosione della giunzione modulare

La corrosione del cono nell’artroprotesi totale modulare dell’anca è stata identificata come problema clinico già negli anni ’80-’90 del secolo scorso. Tendenze di design più moderne, quali coppie articolari metallo su metallo, testine di grande diametro e colli modulari, hanno di recente riportato alla ribalta il problema clinico della corrosione dell’impianto, identificata come la causa del 4,2% di tutte le revisioni (Riferimento Della Valle Craig, AAHKS 2014, presentazione orale), spesso con gravi conseguenze.

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Fonte: The Effect of Bearing Surface on Corrosion at the Modular Junctions in Total Hip Arthroplasty
Selin Munir, Michael B.Cross, Reza Jenabzadeh, Anna Sokolova, Christina Esposito, Dennis Molloy,
William Walter, William Walter, Bernard Zicat – Poster, 25th ISTA 2012, Sydney

Per gentile concessione di A/Prof. William L Walter, Mater Hospital, North Sydney, Australia

Le pubblicazioni su questo argomento sono numerose e oggi il consenso sembra convergere sul fatto che il meccanismo della corrosione del cono sia un processo complesso di corrosione interstiziale assistito meccanicamente. Sebbene sia fondamentalmente un processo di corrosione interstiziale, il fretting e l’usura contribuiscono alla distruzione del film di ossidi protettivi, dello spessore di alcuni strati atomici, presente al limite dell’ambiente dell’interstizio. Il rilascio di particelle di metallo è un fenomeno comune nelle giunzioni modulari tra teste in lega di cromo-cobalto e i relativi coni accoppiati con stelo in metallo. Pur mostrando una maggiore prevalenza nei coni di coppie articolari metallo su metallo di grande diametro, è anche osservato in componenti convenzionali metallo su polietilene, persino con testine di 28 mm.

Il rilascio di particelle metalliche (per usura e corrosione) dipende da svariati fattori, tra cui le variabili geometriche, quali le dimensioni e la forma dell’interstizio nell’interfaccia del cono, e dalla complessa interazione di fattori metallurgici, chimici, elettrici e tribologici. Tra le variabili più importanti sono stati identificati anche altri fattori, quali il tempo di impianto e la rigidezza a flessione del collo del femore.

Le ultime pubblicazioni presentate su questo argomento riguardano testine modulari in ceramica con adattatore in lega di titanio (BIOLOX®OPTION).

Deterioramento dell’interfaccia provocato meccanicamente
(usura, fretting e usura da fretting)

L’usura si definisce come danno alla superficie, caratterizzato dall’asportazione progressiva di materiale a causa di un movimento relativo tra due superfici opposte. 1 Il fretting è definito come segue: “Particolare processo di usura che si manifesta sulla superficie di contatto tra due materiali sotto carico e soggetti a relativo movimento di piccola ampiezza per effetto di vibrazione o altra forza” (Manuale ASTM su fatica e frattura). Diversi autori hanno analizzato l’ampiezza di movimento necessaria a creare questo fenomeno, che generalmente è stata osservata come molto piccola, tra 1 e 100 μm. 2,3 Data l’entità del carico nel corpo, tutte le giunzioni modulari delle protesi sono suscettibili a fretting.

Deterioramento dell’interfaccia provocato chimicamente
(corrosione e corrosione interstiziale)

Figura 1: Schema dell’interfaccia di una soluzione metallo-ossido con molecola di proteina e variazioni di voltaggio

Per gentile concessione di L. Gilbert

Secondo la definizione di un ingegnere, la corrosione è la distruzione visibile di una struttura e, in ultima istanza, la perdita di funzionalità, mentre per un chimico si tratta di una reazione irreversibile della superficie di un materiale con il suo ambiente, tale per cui il materiale viene consumato e le sue specie disciolte diventano parte dell’ambiente. Viene descritta come degradazione della superficie dovuta a interazioni elettrochimiche che generano ioni e sali metallici 4 ed è applicabile unicamente ai materiali metallici. Soltanto i metalli nobili come l’oro hanno una superficie che si autoprotegge dalla corrosione, mentre tutti gli altri metalli e leghe reagiscono spontaneamente all’ossigeno se esposti all’aria, formando uno strato di ossidi più o meno protettivo (passivazione), mostrato nella figura 1.

Qualsiasi rottura di questo film di ossidi porterà all’immediata corrosione (flusso di ioni) fino al momento in cui il film si sarà riformato. 5 Il tempo necessario per ricostruire lo strato protettivo di ossidi si chiama tempo di ripassivazione. Esso dipende dalla composizione del metallo e dalla disponibilità di ossigeno, e dura soltanto alcuni millesimi di secondo 6, per Ti6Al4V circa 60 ms 7.

Riferimenti

  1. Fretting corrosion testing of modular implant interfaces. ASTM F1875-98, reapproved 2009
  2. Mutoh Y. Mechanism of fretting fatigue. JSME International Journal, 1995; 38(4), 405-415
  3. Bill RC. Review of factors that influence fretting wear. Materials Evaluation Under Fretting Condition, ASTM STP 780, American Society for Testing and Materials, New York, 1982, 165-182
  4. Collier P et al. Corrosion between the components of modular femoral hip prostheses. J Bone Joint Surg-Br1992; 74-B, 511-7
  5. Toni A et al. Clinical advantages and fretting concerns with modular neck total hip prosthesis, The institution of mechanical engineers, International conference “Refining future strategies in total hip replacement”, Transactions Volume two, Session 7-11, 2002
  6. Frangini S, Piconi C. Repassivation rates of surgical implantalloys by rotating disk scratching measurements. Materials and Corrosion, 2001; 52, 372-380
  7. Viceconti M et al. Fretting wear in modular neck hip prosthesis. JBiomed Mater Res 1997; 35-2, 207-216

Pubblicazioni su fretting e corrosione del cono nell'ambito delle testine modulari in ceramica

"Modifiche da fretting e corrosione nell'artroprotesi totale d'anca modulare
Le testine femorali in ceramica riducono la corrosione da fretting del cono nell'artroprotesi d'anca?
Studio su espianti"

Steven M. Kurtz PhD, Sevi B. Kocagöz BS, Josa A. Hanzlik MS, Richard J. Underwood PhD, Jeremy L. Gilbert PhD,
Daniel W. MacDonald MS, Gwo-Chin Lee MD, Michael A. Mont MD, Matthew J. Kraay MD, Gregg R. Klein MD,
Javad Parvizi MD, Clare M. Rimnac PhD

Abstract

Informazioni preliminari

Studi precedenti sulla corrosione del cono a livello della giunzione modulare testina-collo hanno preso in considerazione principalmente testine femorali in lega cromo-cobalto (CoCr). Si sa meno della corrosione del collo a livello della giunzione testina-collo con testine femorali in ceramica.

Scopo dello studio

Ci siamo chiesti (1) se le testine in ceramica producono una corrosione del cono inferiore rispetto alle testine in CoCr; (2) quali sono i dispositivi e i fattori relativi al paziente che influenzano la corrosione da fretting del cono; e (3) se il meccanismo di corrosione da fretting del cono nelle testine ceramiche differisca da quello delle testine in CoCr.

Metodi

Sono state sottoposte ad analisi 100 coppie di testine femorali-coni per evidenza di fretting e corrosione, utilizzando un metodo di punteggio visivo basato sulla gravità ed estensione dei danni da fretting e corrosione osservati a livello del cono. Si è fatto ricorso a un disegno a coorti appaiate, in cui 50 coppie testina-cono in ceramica sono state appaiate a 50 coppie testina-cono in CoCr in base al tempo di impianto, offset laterale, design del cono e rigidezza a flessione. Risultati I punteggi relativi a fretting e corrosione sono stati inferiori per i coni della coorte con testine in ceramica (p = 0,03). Il tipo di lega (p = 0,004) e una bassa rigidezza a flessione del cono (rho di Spearman = - 0,32; p = 0,02) sono stati predittori dei danni da fretting e corrosione del cono nella coorte con testine in ceramica, ma non in quella con testine in metallo. Il meccanismo della corrosione interstiziale assistita meccanicamente è stato simile per entrambe le coorti, sebbene nel caso delle testine femorali in ceramica solo una delle due superfici (il cono metallico maschio) è stata coinvolta nel processo di abrasione e ripassivazione per ossidazione.

Conclusioni

I risultati suggeriscono che l'impiego di testine femorali in ceramica possa ridurre ma non eliminare del tutto il fretting e la corrosione della lega in CoCr della testina-collo del cono modulare.

Rilevanza clinica

I risultati del presente studio supportano ulteriori studi sul ruolo delle testine in ceramica nella riduzione potenziale della corrosione del cono femorale.

Corrosione da fretting e usura del cono maschio.
È un problema che riguarda anche le testine in ceramica con adattatore?

Roman Preuss, PhD, Kim Lars Haeussler, Markus Flohr,e Robert M. Streicher, PhD

Abstract

Alcuni sistemi di coppia articolare modulare con articolazione metallo su metallo di grande diametro sono andati incontro a tassi di revisione più alti del previsto a causa della corrosione e della presenza di particelle metalliche prodotte a livello delle connessioni metalliche modulari. Nel caso di coppie articolari ceramica su ceramica di grande diametro, per fissare la testina in ceramica al cono si utilizza un adattatore in lega di titanio. Il presente studio si occupa del problema del fretting e corrosione del cono per coppie articolari in ceramica di grande diametro con configurazione standard e con una configurazione sperimentale di nuova concezione. Sebbene le testine metalliche di grande diametro abbiano mostrato di essere la causa dei fallimenti della THA, i nostri risultati dimostrano che le testine ceramiche di grande diametro non hanno alcun effetto sulla corrosione delle connessioni modulari del cono, neanche in caso di presenza di un adattatore metallico.

Corrosione nelle protesi totali d'anca modulari. Analisi delle connessioni testina-collo e cono-adattatore

Selin Munir, BE, MBiomedE, Michael B. Cross, MD, Christina Esposito, PhD, Anna Sokolova, William L. Walter, MBBS, FRACS, FA OrthA, PhD

Abstract

In questo studio su espianti, sono state esaminate le giunzioni modulari di impianti S-ROM® espiantati per determinare l'estensione della corrosione a livello delle giunzioni testina-collo e cono-adattatore. La gravità della corrosione è stata valutata nel tempo in base al materiale della superficie di coppia articolare. È risultato che la corrosione a livello della testina-collo del cono è maggiore nelle testine femorali in cromo-cobalto rispetto a quelle in ceramica. La giunzione cono-adattatore ha esibito un danno da corrosione significativamente maggiore (p < 0.05) negli impianti con superfici di coppie articolari fra materiali duri, rispetto alle coppie articolari costituite da un materiale duro e uno morbido. Il presente studio suggerisce che il materiale delle superfici della coppia articolare e le dimensioni della testina influiscono sull'entità della corrosione presente a livello delle giunzioni modulari.

La clearance dell'angolazione del cono influisce sul danno da fretting e corrosione a livello dell'interfaccia cono-testina? Studio su espianti per coorti appaiate

Sevi B.Kocagöz, BS, Richard J. Underwood, PhD, Shiril Sivan, BE, Jeremy L. Gilbert, PhD, Daniel W. MacDonald, MS, JuddS. Day, PhD, Steven M. Kurtz, PhD

Abstract

Studi precedenti hanno speculato che il disegno modulare del cono possa avere un effetto sulla corrosione e la perdita di materiale a livello delle superfici del cono stesso. Noi presentiamo un nuovo metodo per misurare l'angolazione del cono per coni di testine e coni degli steli espiantanti, mediante un dispositivo per la misurazione della rotondità (Talyrond 585, Taylor Hobson, UK). Abbiamo anche investigato la relazione tra la clearance dell'angolo del cono e il punteggio di fretting-corrosione visiva a livello della giunzione cono-cono maschio mediante uno studio di coorti appaiate con 50 coppie articolari testina ceramica-cono e 50 testina in metallo-cono. In questo studio non è stata osservata alcuna correzione tra la clearance dell'angolazione del cono e i punteggi di fretting-corrosione visiva né per la coorte con testine in ceramica né in quella con testine in metallo.

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