Title of article :
Investigation of Wear Behavior of Biopolymers for Total Knee Replacements Through Invitro Experimentation
Author/Authors :
Sandeep Kumar, Y Department of Industrial Engineering and Management - Rashtreeya Vidyalaya College of Engineering, Bengaluru, India , Rajeswara Rao, K.V.S Department of Industrial Engineering and Management - Rashtreeya Vidyalaya College of Engineering, Bengaluru, India , Sunil R., Y Department of Industrial Engineering and Management - Rashtreeya Vidyalaya College of Engineering, Bengaluru, India
Abstract :
The average life span of knee prosthesis used in Total Knee Replacement (TKR) is approximately 10
to 15 years. Literature indicates that the reasons for implant failures include wear, infection, instability,
and stiffness. However, the majority of failures are due to wear and tear of the prosthesis. The most
common biopolymer used in TKR is Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE).
Prevailing research reports that implants are restrained by tiny UHMWPE debris generated by long
term friction between the femoral component and polyethylene articulating surface. This necessitates
an alternative material with high wear-resistance to reduce the wear rate. Polyether ether ketone
(PEEK) is one of the biopolymers expected to possess better mechanical properties and
biocompatibility with surrounding tissue and hence can be suitable for orthopedic applications. In this
regard, a study on UHMWPE and PEEK biopolymers was carried out and tribological behavior was
examined. The effect of process parameters such as normal load and speed on the tribological
performance of biopolymers were evaluated. The experiment plan was designed as per Taguchi’s
Design of Experiments methodology. An empirical relation between wear and process parameters was
established using linear regression analysis. Microanalysis and failure analysis of worn-out surfaces of
both the biopolymers was carried out using Scanning Electron Microscopy(SEM). Results exhibit that
UHMWPE had deep grooves as compared to finer grooves on PEEK indicating a low wear rate in the
latter. This was also supported by the experimental results suggesting PEEK as a suitable alternative
biopolymer for TKR.
Farsi abstract :
طول عمر پروتز زانو مورد استفاده در جايگزيني توتال زانو ( (TKRتقريبا 10 تا 15 سال است. ادبيات نشان مي دهد كه دلايلي خرابي كاشت شامل سايش، عفونت ، بي ثباتي و سفتي است. با اين حال، اكثر خرابي ها ناشي از ساييدگي و پارگي پروتز است. متداول ترين بيوپليمر مورد استفاده در TKR ، پلي اتيلن با وزن مولكولي فوق العاده بالا (UHMWPE) است. گزارشهاي تحقيقاتي حاكم بر اينكه ايمپلنت ها توسط آوارهاي كوچك UHMWPE ايجاد شده توسط اصطكاك طولاني مدت بين اجراي استخوان ران و سطح مفصلي پلي اتيلن مهار مي شوند. اين امر به يك ماده جايگزين با مقاومت بالا در برابر سايش براي كاهش ميزان سايش نياز دارد. كتون پلي اتر اتر (PEEK) يكي از بيوپليمرهايي است كه انتظار مي رود داراي خواص مكانيكي بهتري و سازگاري زيست سازگار با بافت اطراف باشد و از اين رو مي تواند براي كاربردهاي ارتوپدي مناسب باشد. در همين راستا، مطالعه اي در مورد بيوپليمرهاي UHMWPE و PEEK انجام شد و رفتار تريبولوژيكي مورد بررسي قرار گرفت. تأثير پارامترهاي فرآيند مانند بار و سرعت عادي بر عملكرد ترسيمي بيوپليمرها مورد بررسي قرار گرفت. اين طرح طبق روش طراحي آزمايشات تاگوچي طراحي شده است. رابطه تجربي بين پارامترهاي سايش و فرآيند با استفاده از تحليل رگرسيون خطي برقرار شد. ميكرو آناليز و تجزيه و تحليل شكست سطوح فرسوده هر دو بيوپليمر با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) انجام شد. نتايج نشان مي دهد كه UHMWPE داراي شيارهاي عميق نسبت به شيارهاي ظريف تر در PEEK است كه نشان دهنده ميزان سايش كم در دومي است. اين همچنين توسط نتايج تجربي نشان مي دهد PEEK به عنوان يك بيوپليمر جايگزين مناسب براي TKR پشتيباني مي شود.
Keywords :
Ti6Al4V , Polyether Ether Ketone , Ultra High Molecular Weight Poly Ethylene , Additive Manufacturing , Scanning Electron Microscopy , Analysis Of Variance
Journal title :
International Journal of Engineering