Wear analysis by applying a pin-disc configuration to phemoral head and acetabular cup

Abstract

This work determines a prosthetic hip system’s life-span, focusing on a Mexican phenotype. The total sliding equivalent distance for the system was determined, as well as the loading regime under which the femoral component and the acetabular cup were subjected in normal operating conditions. An experimental tribology essay was then performed to simulate the wearing of the components in a Pin over Disc machine. This assay (for which the test specimens were manufactured in medical grade stainless steel AISI-ASTM 316L for the femoral component and high density polyethylene for the acetabular cup) was aimed at simulating wear conditions involved in 10 years of continuous operation. A numerical simulation of operational conditions (using the finite element method) was performedIn for establishing assay loading conditions to accurately determine where the loads should be applied. The tribology assay led to quantifying the volumetric loss of materials for the system being analysed. It can be concluded that the methodology proposed in this work for estimating the life-span of a prosthetic hip system was valid and accurate by comparing the results with those found in the literature. A statistical validation of the proposed method is plaaned for the future. Key words: Design life; femoral component; acetabular cup; Mexican phenotype; pin-disc configuration.

Este trabajo presenta un estudio que permite establecer la vida útil esperada de un sistema prostético de cadera para el caso del fenotipo mexicano. En primera instancia se determinó la distancia total equivalente de deslizamiento y las condiciones de carga entre el componente femoral y la copa acetabular bajo condiciones normales de carga. Posteriormente, se desarrolló una simulación experimental para la realización de un ensayo tribológico en una máquina de desgaste del tipo Perno sobre Disco (Pin on Disk, POD). Este ensayo sometió al conjunto fabricado en acero inoxidable AISI-ASTM 316L, las probetas del componente femoral y polietileno de alta densidad, el componente acetabular, a condiciones de desgaste equivalentes a un uso cotidiano de diez años. Con respecto a la distribución de las cargas por aplicar en el desarrollo experimental, se empleó el método del elemento finito para realizar una simulación numérica de las condiciones de operación del conjunto y así determinar los esfuerzos correspondientes en la zona de interés. El ensayo tribológico realizado permitió evaluar la pérdida volumétrica de materiales del sistema analizado. Al comparar los resultados obtenidos con los reportados en la literatura, se puede establecer que en principio se valida el procedimiento planteado en este trabajo, lo que permitirá establecer con certidumbre la vida esperada de una prótesis de cadera. Se propone desarrollar un trabajo posterior que valida estadísticamente la metodología propuesta. Palabras clave: vida útil; componente femoral; copa acetabular; fenotipo mexicano; configuración Perno-Disco (POD)