Valutazione della resistenza a usura di leghe metalliche innovative in CoCrMo

The use of joint prostheses is an increasingly common clinic practice, but it suffers from problems that limit their duration to about fifteen years’ time. The main cause of failure is related to wear of materials used for functional pairing, whether made of metal-on-metal (CoCrMo alloy) for hip replacement, or metal (CoCrMo alloy) on polyethylene for knee prosthesis. Nowadays research and development to resolve these issues by companies is increasingly conditioned on obtaining results in less as possible time and costs , focusing on the growing quality of products; rapid prototyping techniques have been developed in this direction and still are in strong phase of development. In particular the rapid prototyping techniques are a number of systems which, regardless of the object construction complexity, reproduce it with additive techniques, starting from its mathematical definition specified on a three-dimensional CAD and using fast , flexible and highly automated processes. These are technologies that use appropriate forms of energy to generate sintering (fusion) of metal powders, deposited layer by layer up to the formation of the finished piece, using just a technical augmentation. Rapid prototyping gives the finished piece within a few hours depending on the size of the desired part. In the biomedical field this type of technology is of great importance since it makes possible the realization of tailor made implants for the patient (custom made) in less time while having the same characteristics of a prosthesis made using traditional techniques. Currently the research is directed towards the Rapid Tooling (RT) for mould making and Rapid Manufacturing (RM) to produce finished parts ready for use. In the case of metal materials you can obtain an high-density massive element, with metal characteristics identical to those of special metals achievable with conventional production processes.The techniques considered in this thesis are Selected Laser Sintering and Electron Beam melting Technology. In particular, screening tests of ring on the disc and pin on the disc type have been performed in order to characterize the wear behaviour of CoCrMo special specimens obtained with these techniques. The configuration analyzes the hip and knee prostheses mainly, where metal-metal couplings have been studied for the first and metal-polyethylene for the second, using as reference materials made with traditional techniques. In particular the work has been divided into two parts: - the traditional prostshesis with a CoCrMo alloy head produced using forged technology and a CoCrMo alloy cup obtained with innovative technologies; - the resurfacing prosthesis, introduced more recently, coupled with a cast CoCrMo alloy and cup of innovative CoCrMo alloy. Before carrying out the screening tests, a polishing protocol was used (develop in a previous thesis) to standardize the characteristics of surface roughness of samples, given that the surface roughness is one of the main parameters that influence the wear of material. Regarding the tests on tribological metal-metal mating of the traditional hip prosthesis, the test for Selective Laser Sintering proves it is a valid substitute for the traditional one, since it shows wear volumes lower than the cast reference product. For the Electron Beam technique, in general behaviours comparable to those of reference material have shown. The wear values obtained for innovative alloys of tribological metal-metal for resurfacing prosthesis instead showed a slightly lower behaviour: in general there is a trend of increased wear volume in resurfacing prosthesis than in the traditional ones although pairing metal heads with comparable hardness. Finally, for metal-polyethylene coupling testing, alloys produced for Selective Laser Sintering, produce a wear volume in polymer which is comparable to that produced by the reference materials designed to cast, while those produced by Electron Beam Technology cause wear of polymer material slightly higher than alloys obtained with traditional technique.

La protesizzazione articolare è una pratica clinica sempre più diffusa, ma affetta da problemi che ne limitano la durata nel tempo a circa quindici anni. La principale causa di fallimento è legata all'usura dei materiali che compongono l'accoppiamento funzionale, siano essi metallo su metallo (leghe di CoCrMo) per protesi d'anca, oppure metallo (leghe di CoCrMo) su polietilene (UHMWPE) per protesi di ginocchio. Oggigiorno la ricerca e sviluppo per la risoluzione di questi aspetti da parte delle aziende è sempre più condizionata dall'ottenimento dei risultati nei minori tempi e minori costi possibili, puntando ad una qualità del prodotto crescente in questa direzione si sono sviluppate e tuttora sono in forte fase di sviluppo le tecniche di prototipazione rapida. In particolare le tecniche di prototipazione rapida rappresentano una serie di sistemi che, prescindendo dalla complessità costruttiva dell'oggetto, lo riproducono con tecniche additive, partendo da una sua definizione matematica specificata su un CAD tridimensionale e utilizzando processi rapidi, flessibili e altamente automatizzati. Si tratta di tecnologie che sfruttano opportune forme di energia per generare la sinterizzazione (fusione) delle polveri metalliche, depositate strato dopo strato fino a raggiungere la costituzione del pezzo finito sfruttando, appunto, una tecnica additiva. La prototipazione rapida consente di avere il pezzo finito nell'arco di qualche ora in base alle dimensioni del pezzo desiderato. Nel settore biomedicale questo tipo di tecnologia è di grande importanza in quanto si rende possibile la realizzazione di protesi costruite su misura per il paziente (custom made) e in minor tempo pur avendo le medesime caratteristiche di una protesi realizzata mediante tecniche tradizionali. Attualmente la ricerca si rivolge verso il Rapid Tooling (RT) per la realizzazione di stampi e al Rapid Manufacturing (RM) per la produzione di pezzi finiti pronti all'uso. Nel caso specifico dei materiali metallici si vuole ottenere un elemento massivo ad elevata densità, con caratteristiche metallurgiche identiche a quelle dei particolari realizzabili con i processi di produzione tradizionali. Le tecniche prese in esame in questo lavoro di tesi sono state Selective Laser Sintering e Electron Beam Melting Technology. In particolare sono stati effettuati dei test di screening di tipo ring on disc e pin on disc allo scopo di caratterizzare il comportamento ad usura di provini metallici in CoCrMo ottenuti con queste tecniche. Le configurazioni analizzate riguardano principalmente la protesi d'anca e di ginocchio, dove sono stati rispettivamente studiati accoppiamenti metallo-metallo per la prima e metallo-polietilene per la seconda, utilizzando come riferimento materiali realizzati con tecniche tradizionali. In particolare per quanto riguarda le protesi d'anca il lavoro è stato suddiviso in due parti: - la protesi tradizionale con accoppiamento testa in lega di CoCrMo prodotta in getto e coppa in lega CoCrMo innovativa; - la protesi di superficie, di più recente introduzione, con accoppiamento testa in lega di CoCrMo forgiata e coppa lega di CoCrMo innovativa. Prima dell'effettuazione dei test di screening, è stato utilizzato un protocollo di lucidatura (messo a punto in un precedente lavoro di tesi) usato per uniformare le caratteristiche di rugosità superficiali dei campioni, tenuto conto del fatto che la rugosità superficiale rappresenta uno dei principali parametri capaci di influenzare l'usura dei materiali. Per quanto riguarda le prove sull'accoppiamento tribologico metallo-metallo della protesi d'anca tradizionale, il provino prodotto per Selective Laser Sintering risulta un valido sostituto di quello tradizionale in quanto mostra dei volumi di usura inferiori rispetto a quello di riferimento prodotto in getto. Per la tecnica Electron Beam, in generale si sono evidenziati comportamenti confrontabili rispetto a quelli dei materiali di riferimento. I valori di usura ottenuti per leghe innovative nell'accoppiamento tribologico metallometallo della protesi resurfacing invece hanno evidenziato un comportamento leggermente inferiore: in generale si nota un andamento del volume di usura maggiore nelle protesi resurfacing che in quelle di protesi tradizionale pur accoppiando teste metalliche con durezza paragonabile. Infine per le prove di accoppiamento metallo-polietilene, le leghe prodotte per Selective Laser Sintering producono un volume di usura nel materiale polimerico che risulta confrontabile con quello prodotto dai materiali di riferimento realizzati per in getto, mentre quelle prodotte tramite Electron Beam Technology causano un'usura del materiale polimerico leggermente superiore rispetto alle leghe ottenute con tecniche tradizionali.