ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Замена тазобедренного сустава является наиболее сложной и критически важной ортопедической операцией по сравнению с заменой коленного и плечевого суставов. За последние несколько десятилетий произошло значительное развитие технологии замены тазобедренного сустава, а различные биоматериалы были существенно усовершенствованы. Все больше операций по замене тазобедренного сустава проходят успешно, что помогает людям восстановить нормальную повседневную активность и трудовую деятельность, приближенную к состоянию до перелома. Однако необходимость повторной операции уже по замене имплантата у активных пациентов по-прежнему наблюдаются через несколько лет после первичной операции. Это подчеркивает необходимость разработки долговечных биоматериалов и индивидуализированных имплантатов тазобедренного сустава для снижения износа имплантата и риска вывиха. В данном исследовании разработан новый композиционный биоматериал на основе полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) в акрилате с различным массовым содержанием ПЭЭК (0, 5 и 10 %) в акрилатном базовом материале. Проведены испытания для определения его свойств, биосовместимости и возможности 3D-печати. На основе разработанного материала методом 3D-печати изготовлены стержни (в соответствии со стандартом ASTM) для последующего изучения скорости изнашивания. Возможность использования разработанных композиционных материалов для изготовления эндопротезов также была тщательно исследована. Цель работы. Целью данного исследования является разработка и изучение нового композитного биоматериала на основе ПЭЭК в акрилате с различным массовым содержанием ПЭЭК (0, 5 и 10 %) в акрилатном базовом материале. В рамках исследования проведена оценка свойств, биосовместимости и возможности 3D-печати материала. На 3D-принтере с использованием технологии печати цифровым проектором (DLP) при комнатной температуре были напечатаны стержни, соответствующие стандарту ASTM. Проведено экспериментальное исследование износостойкости в условиях сухого трения скольжения полученных образцов для определения влияния массовой доли ПЭЭК на скорость изнашивания и прочность разработанного материала при трении о диск из стали SS 316. Для анализа структуры поверхности и распределения элементов в материале использовали сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) и энергодисперсионную спектроскопию (ЭДС). Методы исследования. Для 3D-печати стержней, соответствующих стандарту ASTM, и ацетабулярного вкладыша с различным массовым содержанием ПЭЭК в акрилате использовали технологию 3D-печати, основанную на спекании полимера цифровым светодиодным проектором (DLP). Испытания на сухое трение скольжения проводили с использованием машины трения, реализующей схему «стержень – диск». В ходе испытаний варьировали скорость вращения диска и нормальную нагрузку на стержень. Исследования были спланированы для определения влияния входных параметров на скорость изнашивания. Проведено 9 экспериментов на дистанции скольжения 4 км для каждого варианта массового содержания ПЭЭК. Диапазон нагрузки составлял 20…100 Н, а скорость скольжения варьировали от 450 до 750 об/мин. Структура поверхности и распределение элементов были проанализированы методами энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты и обсуждение. Данное исследование демонстрирует преимущества варьирования массовой доли ПЭЭК в акрилате для биоматериалов, изготовленных методом DLP. Анализ результатов СЭМ, ЭДС и испытаний на изнашивание показал, что композит с 10 % масс. ПЭЭК в акрилате обладает превосходной микроструктурной целостностью, однородностью элементов и значительно более высокой износостойкостью. Композиционный материал из акрилата с 10 % масс. ПЭЭК, полученный с помощью DLP 3D-печати, пригоден для биомедицинских имплантатов и использования в здравоохранении.

1. The needs of current implant technology in orthopaedic prosthesis biomaterials application to reduce prosthesis failure rate / J.R. Ahmad, F.M. Aldo, S. Ifran, K. Tri, W. Yudan // Journal of Nanomaterials. – 2016. – Art. 5386924. – DOI: 10.1155/2016/5386924.

2. Garcia E., Fernandez A., Martin L. Comparative analysis of traditional and advanced materials for hip joint implants // Materials Science and Engineering C. – 2020. – Vol. 112. – P. 110857. – DOI: 10.1080/17453674.2018.1427320.

3. Developments of PEEK (Polyetheretherketone) as a biomedical material: a focused review / S. Verma, N. Sharma, S. Kango, S. Sharma // European Polymer Journal. – 2021. – Vol. 147. – P. 110295. – DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110295.

4. PEEK for oral applications: recent advances in mechanical and adhesive properties / C. Luo, Y. Liu, B. Peng, M. Chen, Z. Liu, Z. Li, H. Kuang, B. Gong, Z. Li, H. Sun // Polymers. – 2023. – Vol. 15 (2). – DOI: 10.3390/polym15020386.

5. 3D printing for hip implant applications: a review / O. Obinna, I. Stachurek, B. Kandasubramanian, J. Njuguna // Polymers. – 2020. – Vol. 12 (11). – P. 2682. – DOI: 10.3390/polym12112682.

6. Влияние направления печати на характер износа PLA-биоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава / Й.Б. Дама, Б.Ф. Джоги, Р. Паваде, А.П. Кулкарни // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 19–40. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-19-40.

7. Rapid construction of polyetheretherketone (PEEK) biological implants incorporated with brushite (CaHPO₄·2H₂O) and antibiotics for anti-infection and enhanced osseointegration / Z. Xue, Z. Wang, A. Sun, J. Huang, W. Wu, M. Chen, X. Hao, Z. Huang, X. Lin, S. Weng // Materials Science & Engineering: C. – 2020. – Vol. 111. – P. 110782. – DOI: 10.1016/j.msec.2020.110782.

8. Wear mechanism and debris analysis of PEEK as an alternative to CoCrMo in the femoral component of total knee replacement / X. Zhang, T. Zhang, K. Chen, H. Xu, C. Feng, D. Zhang // Friction. – 2023. – Vol. 11 (10). – P. 1845–1861. – DOI: 10.1007/s40544-022-0700-z.

9. Bioactive PEEK: surface enrichment of vitronectin-derived adhesive peptides / L. Cassari, A. Zamuner, G.M.L. Messina, M. Marsotto, H. Chen, G. Gonnella, T. Coward, C. Battocchio, J. Huang, G. Iucci, G. Marletta, L. Di Silvio, M. Dettin // Biomolecules. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 246. – DOI: 10.3390/biom13020246.

10. Yu D., Lei X., Zhu H. Modification of polyetheretherketone (PEEK) physical features to improve osteointegration // Journal of Zhejiang University-Science B. – 2022. – Vol. 23 (3). – P. 189–203. – DOI: 10.1631/jzus.B2100622.

11. 3D-printed PEEK/silicon nitride scaffolds with a triply periodic minimal surface structure for spinal fusion implants / X. Du, S. Ronayne, S.S. Lee, J. Hendry, D. Hoxworth, R. Bock, S.J. Ferguson // ACS Applied Bio Materials. – 2023. – Vol. 6 (8). – P. 3319–3329. – DOI: 10.1021/acsabm.3c00383.

12. Tailoring the biologic responses of 3D printed PEEK medical implants by plasma functionalization / X. Han, N. Sharma, S. Spintzyk, Y. Zhou, Z. Xu, F.M. Thieringer, F. Rupp // Dental Materials. – 2022. – Vol. 38 (7). – P. 1083–1098. – DOI: 10.1016/j.dental.2022.04.026.

13. Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R.S. Application of nonlinear analysis in evaluating additive manufacturing processes for engineering design features: a study and recommendations // Communications on Applied Nonlinear Analysis. – 2024. – Vol. 31 (1s). – DOI: 10.52783/cana.v31.559.

14. Explainable AI techniques for comprehensive analysis of the relationship between process parameters and material properties in FDM-based 3D-printed biocomposites / N. Kharate, P. Anerao, A. Kulkarni, M. Abdullah // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (4). – P. 171. – DOI: 10.3390/jmmp8040171.

15. A comprehensive mechanical characterization of as-printed and saliva soaked 3D printed PEEK specimens for low-cost dental implant applications / K.U.K. Reddy, P.C. Verma, A. Rathi, P. Saravanan // Materials Today Communications. – 2023. – Vol. 36. – P. 106438. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106438.

16. Preclinical evaluation of a mini-arthroplasty implant based on polyetheretherketone and Ti6AI4V for treatment of a focal osteochondral defect in the femoral head of the hip / W. Zhang, Z. Yuan, X. Meng, J. Zhang, T. Long, Z. Yaochao, C. Yang, R. Lin, B. Yue, Q. Guo, Y. Wang // Biomedical Materials. – 2020. – Vol. 15 (5). – P. 055027. – DOI: 10.1088/1748-605x/ab998a.

17. 3D-printed PEEK/silicon nitride scaffolds with a triply periodic minimal surface structure for spinal fusion implants / X. Du, S. Ronayne, S.S. Lee, J. Hendry, D. Hoxworth, R. Bock, S.J. Ferguson // ACS Applied Bio Materials. – 2023. – Vol. 6 (8). – P. 3319–3329. – DOI: 10.1021/acsabm.3c00383.

18. Design and biomechanical verification of additive manufactured composite spinal cage composed of porous titanium cover and PEEK body / K.M. Lim, T.H. Park, S.J. Lee, S.J. Park // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (20). – P. 4258. – DOI: 10.3390/app9204258.

19. Comparative analysis of drop impact resistance for different polymer-based materials used for hearing aid casing / A. Gosavi, A. Kulkarni, Y. Dama, A. Deshpande, B. Jogi // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 49. – P. 2433–2441. – DOI: 10.1016/j.matpr.2021.09.519.

20. Effect of porous orthopaedic implant material and structure on load sharing with simulated bone ingrowth: a finite element analysis comparing titanium and PEEK / R.D. Carpenter, B.S. Klosterhoff, F.B. Torstrick, K.T. Foley, J.K. Burkus, C.S. Lee, K. Gall, R.E. Guldberg, D.L. Safranski // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2018. – Vol. 80. – P. 68–76. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.01.017.

21. Virpe K., Deshpande A., Kulkarni A. A review on tribological behavior of polymer composite impregnated with carbon fillers // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2311 (1). – DOI: 10.1063/5.0035408.

22. Experimental investigation of dry sliding wear behavior of jute/epoxy and jute/glass/epoxy hybrids using Taguchi approach / A. Paturkar, A. Mache, A. Deshpande, A. Kulkarni // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (11). – P. 23974–23983. – DOI: 10.1016/j.matpr.2018.10.190.

23. Satkar A.R., Mache A., Kulkarni A. Numerical investigation on perforation resistance of glass-carbon/epoxy hybrid composite laminate under ballistic impact // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 59 (1). – P. 734–741. – DOI: 10.1016/j.matpr.2021.12.464.

24. Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 40–52. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52.

25. Kanitkar Y.M., Kulkarni A.P., Wangikar K.S. Investigation of flexural properties of glass-Kevlar hybrid composite // European Journal of Engineering and Technology Research. – 2018. – Vol. 1 (1). – P. 25–29. – DOI: 10.24018/ejeng.2016.1.1.90.

26. Pal S., Gaikwad Y., Asha S.K. Room temperature photocurable PEEK polymer formulations for high-performance 3D printing applications // ACS Applied Engineering Materials. – 2024. – Vol. 2 (6). – P. 1450–1459. – DOI: 10.1021/acsaenm.4c00275.

27. Biochar-reinforced PLA composite for fused deposition modeling (FDM): a parametric study on mechanical performance / P. Anerao, A. Kulkarni, Y. Munde, A. Shinde, O. Das // Composites Part C: Open Access. – 2023. – Vol. 12. – P. 100406. – DOI: 10.1016/j.jcomc.2023.100406.

28. Three-dimensional polyethylene wear of a press-fit titanium prosthesis / P.A. Devane, J.G. Horne, K. Martin, G. Coldham, B. Krause // The Journal of Arthroplasty. – 1997. – Vol. 12 (3). – DOI: 10.1016/S0883-5403(97)90021-8.