인공 관절은 1960년대 이래로 인체 내의 고관절, 슬관절, 척추관절 및 발목관절 등에 관절질환 치료의 목적으로써 사용해왔다. 인공관절에 사용되는 재료들은 금속성 재료들과 비금속성 재료들로 이루어져 있으며, 생체적합성이 뛰어나고, 내열성 및 내식성이 강하며, 기계적인 물성이 뛰어난 재료로 사용되어진다. 대표적으로 인공관절에 사용되는 counter material은 코발트크롬 합금 (Co-Cr alloy) 과 세라믹 복합체 (ceramic composite) 등 고관절 내의 골두 (femoral head) 재료로 보편적으로 사용된다. 또한 초고분자량 폴리에틸렌 (...
인공 관절은 1960년대 이래로 인체 내의 고관절, 슬관절, 척추관절 및 발목관절 등에 관절질환 치료의 목적으로써 사용해왔다. 인공관절에 사용되는 재료들은 금속성 재료들과 비금속성 재료들로 이루어져 있으며, 생체적합성이 뛰어나고, 내열성 및 내식성이 강하며, 기계적인 물성이 뛰어난 재료로 사용되어진다. 대표적으로 인공관절에 사용되는 counter material은 코발트크롬 합금 (Co-Cr alloy) 과 세라믹 복합체 (ceramic composite) 등 고관절 내의 골두 (femoral head) 재료로 보편적으로 사용된다. 또한 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE) 은 인공관절 내의 비구 (acetabulum) 와 골두 사이에 위치한 베어링 재료로 흔히 사용된다. 인공관절에서 골용해 (osteolysis) 의 원인이 되는 UHMWPE의 마모입자 (wear debris) 발생을 억제하기 위하여, 다양한 생체재료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 요인은 인공관절의 접촉압력 (contact pressure), 윤활상태 (lubricant condition) 혹은 표면 거칠기 (surface roughness) 에 따라 마모 (wear) 와 마찰 (friction) 특성이 달라질 수 있으며, 특히 골두 재료와 베어링 라이너재료의 조합에 따라서 그 특성이 달라질 수 있으므로, 재료의 조합이나 외부 조건에 의해 변화된 마모량 (amount of wear) 과 마찰계수 (coefficient of friction) 에 대한 많은 연구가 필요하다. 선행된 연구에 의해 밝혀진 일반적인 사실로써 Hx UHMWPE가 GI UHWMPE 에 비해 마모저항성이 좋고, 세라믹 복합체가 코발트크롬 합금에 비해 마모저항성이 좋으며, 접촉압력이 커질수록 마모량이 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나 재료간의 마찰특성은 마모특성에 비해 연구가 상대적으로 활발하게 진행되지 않았으며, 마모와 마찰 특성을 관련하여 진행한 연구가 이루어지지 않았다. 그리하여 본 연구에서 접촉압력 10MPa과 20MPa 하에서 반복 회전운동 (마모와 마찰의 경우) 과 왕복 직선운동 (마모의 경우) 으로 코발트크롬 합금과 세라믹 복합체에 대하여 UHMWPE의 마모 및 마찰 특성을 평가하였고, 마모와 마찰에서의 접촉 쌍들의 종류를 비교한 후에, UHMWPE, counter material, 기구운동 방향, 접촉압력의 차이 뿐만아니라 마모와 마찰에 대하여 분석하였다. 실험결과로써 Hx UHMWPE의 마모저항성은 GI UHMWPE 보다 더 좋은 것으로 나타났다. 그리고 GI와 Hx UHMWPE의 마모율은 접촉압력이 커질수록 증가하였으나, 평균 마찰계수는 접촉압력이 커질수록 감소하였다. 결과적으로 본 연구에서 비교분석을 기초하여, 인공관절에 대하여 가장 좋은 베어링 재료 쌍은 트라이볼로지 관점에서 Hx UHMPWE/ceramic composite 으로 나타났다. 그리고 마모와 마찰 특성에 영향을 미치는 분석요인들 네 가지 중에 가장 크게 영향을 미치는 분석요인은 UHMWPE의 비교로 나타났다.
인공 관절은 1960년대 이래로 인체 내의 고관절, 슬관절, 척추관절 및 발목관절 등에 관절질환 치료의 목적으로써 사용해왔다. 인공관절에 사용되는 재료들은 금속성 재료들과 비금속성 재료들로 이루어져 있으며, 생체적합성이 뛰어나고, 내열성 및 내식성이 강하며, 기계적인 물성이 뛰어난 재료로 사용되어진다. 대표적으로 인공관절에 사용되는 counter material은 코발트크롬 합금 (Co-Cr alloy) 과 세라믹 복합체 (ceramic composite) 등 고관절 내의 골두 (femoral head) 재료로 보편적으로 사용된다. 또한 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE) 은 인공관절 내의 비구 (acetabulum) 와 골두 사이에 위치한 베어링 재료로 흔히 사용된다. 인공관절에서 골용해 (osteolysis) 의 원인이 되는 UHMWPE의 마모입자 (wear debris) 발생을 억제하기 위하여, 다양한 생체재료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 요인은 인공관절의 접촉압력 (contact pressure), 윤활상태 (lubricant condition) 혹은 표면 거칠기 (surface roughness) 에 따라 마모 (wear) 와 마찰 (friction) 특성이 달라질 수 있으며, 특히 골두 재료와 베어링 라이너재료의 조합에 따라서 그 특성이 달라질 수 있으므로, 재료의 조합이나 외부 조건에 의해 변화된 마모량 (amount of wear) 과 마찰계수 (coefficient of friction) 에 대한 많은 연구가 필요하다. 선행된 연구에 의해 밝혀진 일반적인 사실로써 Hx UHMWPE가 GI UHWMPE 에 비해 마모저항성이 좋고, 세라믹 복합체가 코발트크롬 합금에 비해 마모저항성이 좋으며, 접촉압력이 커질수록 마모량이 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나 재료간의 마찰특성은 마모특성에 비해 연구가 상대적으로 활발하게 진행되지 않았으며, 마모와 마찰 특성을 관련하여 진행한 연구가 이루어지지 않았다. 그리하여 본 연구에서 접촉압력 10MPa과 20MPa 하에서 반복 회전운동 (마모와 마찰의 경우) 과 왕복 직선운동 (마모의 경우) 으로 코발트크롬 합금과 세라믹 복합체에 대하여 UHMWPE의 마모 및 마찰 특성을 평가하였고, 마모와 마찰에서의 접촉 쌍들의 종류를 비교한 후에, UHMWPE, counter material, 기구운동 방향, 접촉압력의 차이 뿐만아니라 마모와 마찰에 대하여 분석하였다. 실험결과로써 Hx UHMWPE의 마모저항성은 GI UHMWPE 보다 더 좋은 것으로 나타났다. 그리고 GI와 Hx UHMWPE의 마모율은 접촉압력이 커질수록 증가하였으나, 평균 마찰계수는 접촉압력이 커질수록 감소하였다. 결과적으로 본 연구에서 비교분석을 기초하여, 인공관절에 대하여 가장 좋은 베어링 재료 쌍은 트라이볼로지 관점에서 Hx UHMPWE/ceramic composite 으로 나타났다. 그리고 마모와 마찰 특성에 영향을 미치는 분석요인들 네 가지 중에 가장 크게 영향을 미치는 분석요인은 UHMWPE의 비교로 나타났다.
Total joint replacemet has been attempted to treat for joint diseases of hip, kee, vertebrae, ankle and others since 1960s. The Biomaterials which consist of metallic and non-metallic materials are good biocompatibility, good thermo-tolerance, good corrosion resistance and good mechanical properties...
Total joint replacemet has been attempted to treat for joint diseases of hip, kee, vertebrae, ankle and others since 1960s. The Biomaterials which consist of metallic and non-metallic materials are good biocompatibility, good thermo-tolerance, good corrosion resistance and good mechanical properties. Typically Co-Cr alloy, ceramic composite and other biomaterials are used for the femoral heads of total hip replacement, and also UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) is used for the bearing material between the acetabulum and the femoral head. In order to reduce wear debris which leads to osteolysis, many researchers have studied into plenty counter materials and UHMWPEs. The production of wear debris is capable to be changed by contact pressure, lubricant condition or surface roughness of the biomaterials in total joint replacement as well as by combination of the counter material with the bearing liner material. Therefore, it needs more researches to study for the wear variation and the friction coefficient about various pairs of bearing biomaterials. Generally, many studies precedent have been known that Hx UHMWPE is better wear resistance than GI UHMWPE, Ceramic composite is better wear resistance than Co-Cr alloy, and the more increasing contact pressure is, the more increasing wear amount is. The characteristics of friction not but wear and the relation between both of them, however, have been studied rarely. Therefore, in this study, we evaluated wear and friction characteristics of UHMWPEs against Co-Cr alloy and ceramic composite on repeat passed rotational sliding motion (in case of wear and friction) and linear reciprocal sliding motion (in case of wear only) under 10MPa, 20MPa, and compared the effects of kinds of contact pairs on wear and friction, and then analyzed the difference of UHMWPEs, counter materials, kinematic motions and contact pressures as well as the correlation between wear and friction. As a result of test, the wear resistance of Hx UHMWPE was much better than GI UHMWPE. And Wear rates of GI and Hx UHMWPEs increased as a contact pressure increased, while mean coefficients of friction of them decreased as a contact pressure increased. Consequently, based on the comparative analysis in this study, the best bearing material pair for total joint replacement was Hx UHMPWE/Ceramic composite in the tribological viewpoint. And the greatest effect in four effects which affected the characteristics of wear and friction was the comparison of UHMWPE.
Total joint replacemet has been attempted to treat for joint diseases of hip, kee, vertebrae, ankle and others since 1960s. The Biomaterials which consist of metallic and non-metallic materials are good biocompatibility, good thermo-tolerance, good corrosion resistance and good mechanical properties. Typically Co-Cr alloy, ceramic composite and other biomaterials are used for the femoral heads of total hip replacement, and also UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) is used for the bearing material between the acetabulum and the femoral head. In order to reduce wear debris which leads to osteolysis, many researchers have studied into plenty counter materials and UHMWPEs. The production of wear debris is capable to be changed by contact pressure, lubricant condition or surface roughness of the biomaterials in total joint replacement as well as by combination of the counter material with the bearing liner material. Therefore, it needs more researches to study for the wear variation and the friction coefficient about various pairs of bearing biomaterials. Generally, many studies precedent have been known that Hx UHMWPE is better wear resistance than GI UHMWPE, Ceramic composite is better wear resistance than Co-Cr alloy, and the more increasing contact pressure is, the more increasing wear amount is. The characteristics of friction not but wear and the relation between both of them, however, have been studied rarely. Therefore, in this study, we evaluated wear and friction characteristics of UHMWPEs against Co-Cr alloy and ceramic composite on repeat passed rotational sliding motion (in case of wear and friction) and linear reciprocal sliding motion (in case of wear only) under 10MPa, 20MPa, and compared the effects of kinds of contact pairs on wear and friction, and then analyzed the difference of UHMWPEs, counter materials, kinematic motions and contact pressures as well as the correlation between wear and friction. As a result of test, the wear resistance of Hx UHMWPE was much better than GI UHMWPE. And Wear rates of GI and Hx UHMWPEs increased as a contact pressure increased, while mean coefficients of friction of them decreased as a contact pressure increased. Consequently, based on the comparative analysis in this study, the best bearing material pair for total joint replacement was Hx UHMPWE/Ceramic composite in the tribological viewpoint. And the greatest effect in four effects which affected the characteristics of wear and friction was the comparison of UHMWPE.
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