Konuskorrosion und Reibkorrosion

Reibkorrosion und Korrosion an modularen Steckverbindungen

Die klinische Relevanz der Konuskorrosion modularer Hüfttotalendoprothesen wurde bereits in den 1980er - 90er Jahren erkannt. Moderne Konstruktionstendenzen wie Metall/Metall-Gleitpaarungen, große Kugelköpfe und modulare Prothesenhälse haben der Implantatkorrosion erneut zu klinischer Bedeutung verholfen, denn sie sind die Ursache für 4,2 % (Referenz Della Valle Craig, AAHKS 2014, mündlicher Vortrag) aller Revisionseingriffe, häufig auch mit schwerwiegenden Folgen.

Über uns

Quelle: 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

Mit freundlicher Genehmigung von Associate Prof. William L Walter, Mater Hospital, North Sydney, Australien

Es liegt eine große Anzahl von Veröffentlichungen zu dieser Thematik vor, und es herrscht Einigkeit, dass sich der Mechanismus der Konuskorrosion am besten als mechanisch unterstützte Spaltkorrosion charakterisieren lässt. Obwohl es sich prinzipiell um ein Spaltkorrosionsproblem zu handeln scheint, tragen auch mechanische Reibkorrosion und Abrieb zur Unterbrechung des nur wenige Atome starken Oxidschutzfilms in der Spaltumgebung bei. Ein durchaus häufiger Befund ist der Metallverlust an den modularen Steckverbindungen der Metallköpfe (Kobalt-Chrom-Legierung) in ihre entsprechenden Metallschaftkonen. Obwohl dies verstärkt bei großen Metall/Metall-Gleitpaarungen festzustellen ist, tritt dies auch bei konventionellen Metall-Polyethylen-Komponenten auf, selbst bei 28mm-Kugelköpfen.

Der Metallverlust (Abrieb und Korrosion) hängt von mehreren Faktoren ab; hierzu zählen geometrische Parameter wie die Abmessungen und Form des Spalts am Konusübergang und das komplexe Zusammenwirken metallurgischer, chemischer, elektrischer und tribologischer Faktoren. Zu den weiteren bedeutsamen Faktoren zählen auch die Implantationsdauer und die Biegesteifigkeit des Schafthalses.

Die jüngsten Veröffentlichungen zu dieser Thematik beschäftigten sich mit modularen Keramikköpfen sowie mit modularen Keramikköpfen, die eine Adapterhülse aus einer Titanlegierung aufwiesen (BIOLOX®OPTION).

Mechanisch induzierter Verschleiß der Grenzschicht
(Abrieb, Reibkorrosion und Reibabrieb)

Unter Abrieb versteht man eine Oberflächenschädigung, die sich durch zunehmenden Materialverlust auszeichnet, der durch die Relativbewegung zweier gegenüberliegender Oberflächen bedingt ist. 1 Die Reibkorrosion ist wie folgt definiert: "Ein besonderer Abriebprozess, der an der Kontaktstelle zweier unter Last stehender Materialien auftritt und der durch Vibration oder andere Kräfte bedingten, geringfügigen Relativbewegung unterliegt" (ASTM-Handbuch zu Ermüdung und Fraktur). Mehrere Autoren haben untersucht, welche Größenordnung diese Bewegung aufweisen muss, damit es zu dem Phänomen kommt, und laut allgemeiner Erkenntnis ist die Bewegung sehr gering und liegt bei 1-100 μm. 2,3 Unter Berücksichtigung der Belastung im Körper, unterliegen alle modularen Grenzflächen der Prothesen der Reibkorrosion.

Chemisch induzierter Verschleiß der Grenzschicht
(Korrosion und Spaltkorrosion)

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Grenzschicht zwischen Metalloxid und Lösung mit unterschiedlichen Proteinmolekülen und Spannungen

Mit freundlicher Genehmigung von L. Gilbert

Die technische Definition der Korrosion betrachtet diese als sichtbare Zerstörung einer Struktur und letztendlich als einen Funktionsverlust, während es sich chemisch betrachtet um eine irreversible Oberflächenreaktion eines Materials auf die Umgebung handelt, wobei das Material durch die Reaktion verbraucht und seine gelöste Form Teil der Umgebung wird. Die Korrosion wird als Zerstörung der Oberfläche durch elektrochemische Wechselwirkungen beschrieben, durch die sich Metallionen und Salze 4 bilden; dieser Prozess betrifft nur metallische Materialien. Nur Edelmetalle wie Gold haben eine Oberfläche, die sich selbst gegen Korrosion schützt, während alle anderen Metalle und Legierungen spontan mit dem Sauerstoff der Luft reagieren und die in Abb. 1 dargestellte, mehr oder weniger stark ausgeprägte Schutzschicht (Passivierung) bilden.

Jede Durchbrechung dieses Oxidfilms führt zur sofortigen Korrosion (Ionenstrom), bis sich der Film wieder geschlossen hat. 5 Der Zeitraum bis zur Wiederherstellung eines Oxidschutzfilms wird als Repassivierungszeit bezeichnet. Sie hängt von der Metallzusammensetzung und der Verfügbarkeit des Sauerstoffs ab und benötigt nur Millisekunden 6, für Ti6Al4V etwa 60 ms 7.

Referenzen

  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
  • Fundamentals

    Corrosion and Fretting Corrosion. A Glossary.

    by Robert M. Streicher PhD

Publications on Taper Corrosion and Fretting related to ceramic modular Heads

Fretting and Corrosion Changes in Modular Total Hip Arthroplasty
Do Ceramic Femoral Heads Reduce Taper Fretting Corrosion in Hip Arthroplasty?
A Retrieval Study

by 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

Background

Previous studies regarding modular headneck taper corrosion were largely based on cobalt chrome (CoCr) alloy femoral heads. Less is known about headneck taper corrosion with ceramic femoral heads.

Questions/purposes

We asked (1) whether ceramic heads resulted in less taper corrosion than CoCr heads; (2) what device and patient factors influence taper fretting corrosion; and (3) whether the mechanism of taper fretting corrosion in ceramic heads differs from that in CoCr heads.

Methods

One hundred femoral head-stem pairs were analyzed for evidence of fretting and corrosion using a visual scoring technique based on the severity and extent of fretting and corrosion damage observed at the taper. A matched cohort design was used in which 50 ceramic headstem pairs were matched with 50 CoCr head-stem pairs based on implantation time, lateral offset, stem design, and flexural rigidity. Results Fretting and corrosion scores were lower for the stems in the ceramic head cohort (p = 0.03). Stem alloy (p = 0.004) and lower stem flexural rigidity (Spearman’s rho = - 0.32, p= 0.02) predicted stem fretting and corrosion damage in the ceramic head cohort but not in the metal head cohort. The mechanism of mechanically assisted crevice corrosion was similar in both cohorts although in the case of ceramic femoral heads, only one of the two surfaces (the male metal taper) engaged in the oxide abrasion and repassivation process.

Conclusions

The results suggest that by using a ceramic femoral head, CoCr fretting and corrosion from the modular head-neck taper may be mitigated but not eliminated.

Clinical relevance

The findings of this study support further study of the role of ceramic heads in potentially reducing femoral taper corrosion.

Fretting Corrosion and Trunnion Wear –
Is it also a Problem for Sleeved Ceramic Heads?

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

Abstract

Some modular bearing systems with large diameter metal-on-Metal articulation have exhibited higher than usual revisions due to corrosion and metal debris originating from modular metal connections. Large diameter ceramic-on-ceramic bearings exist, which use a titanium alloy adapter sleeve for fixing the ceramic ball head to the stem taper. This study addresses the issue of taper fretting and corrosion for large ceramic bearings with standard and a newly designed experimental setup. While large metal diameter heads have been shown to be a cause for failure of THA, our results demonstrate that large ceramic heads even with a metal adapter sleeve have no effect on corrosion of modular taper connections.

Corrosion in Modular Total Hip Replacements:
An Analysis of the Head-Neck and Stem-Sleeve Taper Connections

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

Abstract

In this retrieval study, modular junctions of retrieved S-ROM® implants were examined to determine the extent of corrosion at the head-neck and stem-sleeve junctions. Corrosion severity was graded in relation to the bearing surface material over time. It was found that the corrosion at the head-neck taper is greater for cobalt-chrome femoral heads compared to ceramic femoral heads. The stem-sleeve junction had significantly more corrosion damage (p < 0.05) in implants that had hard-on-hard bearing surfaces compared to hard-on-soft bearings. This study suggests that bearing surface materials and head size affect the amount of corrosion that is present at the modular junctions.

Does Taper Angle Clearance Influence Fretting and Corrosion Damage at the Head-Stem Interface? A Matched Cohort Retrieval Study

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

Abstract

Previous studies have speculated that modular taper design may have an effect on corrosion and material loss at the taper surfaces. We present a novel method to measure taper angle for retrieved femoral head taper and stem trunnions using a roundness machine (Talyrond 585, Taylor Hobson, UK).We also investigated the relationship between taper angle clearance and visual fretting-corrosion score at the taper-trunnion junction using a matched cohort study of 50 ceramic and 50 metal head-stem pairs. In this study, no correlation was observed between the taper angle clearance and the visual fretting-corrosion scores in either the ceramic or the metal cohorts.

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