Time dependent flow of biolubricant and suspended particles behavior within total hip replacement

Abstract

Total hip replacement (THR) has been one of the most successful surgeries in the 21st century. Ultra-high-molecular-weight-polyethylene (UHMWPE) shows favorable mechanical and tribological properties when used as a bearing surface material in THR. However, produced UHMWPE wear particles challenge increasing the THR lifetimes. Bone loss (osteolysis) initiated by these wear particles is a major cause of total joint arthroplasty failure in both hip and knee prosthesis. In addition to improving the wear resistance of bearing surfaces to reduce wear, wear debris distribution mechanisms within the joint gap must also be thoroughly investigated. These particles distribute within lubricant and across the implant gap. Synovial fluid (SF) lubricates natural joints which is a viscoelastic non-Newtonian shear thinning fluid. The non-Newtonian behavior of SF is attributed to its hyaluronic acid (HA) content which is a linear biopolymer. The distribution patterns of wear particles within total joint replacement are affected by the special rheological behaviors of the SF, geometrical parameters, particle size and shape distribution and particle-fluid interactions. Therefore, understanding wear particles distribution pattern is pivotal to understand the mechanism and eventually minimizing third-body wear of the UHMWPE acetabular liner in THR. According to fluid mechanics forces, the size and density of wear particles suggests that wear particles follow lubricant movements. However, over a matter of hours, such particles show specific behaviors within viscoelastic fluid (not visible in Newtonian fluid) such as particle migration and string formation along the flow direction. The main aim of this project was to develop and validate an experimental method for assessing characteristics of HA and artificial SF solutions and behaviors of wear particles in a viscoelastic fluid flow. The effects of different parameters such as HA concentration, protein content, fluid flow types (steady, unsteady, etc.) and gap shapes on fluid behavior were quantified to fully understand such mechanisms. In this project, micro particle image velocimetry (micro-PIV) was applied as the quantitative flow visualization method. Pin-on-disk tribo-measurement was performed as a complimentary study to investigate the tribological behaviors of a UHMWPE pin rotating against a cobalt chromium molybdenum (CoCrMo) disk in the presence of HA solutions of various concentrations. This study was conducted to understand the effects of dynamic loading on lubricant performance relative to those of static loading. The results showed that under oscillatory flow conditions, strain levels, rates, and distributions are important parameters that affect the flow behaviors of HA solutions. Particle migration and alignment were affected by channel sizes, HA concentrations, flow types and the elastic instability of the solution. The tribological study results suggested that in the presence of HA, sinusoidal dynamic loading does not affect the frictional behaviors of UHMWPE moving against CoCrMo in comparison with static loading.

El reemplazo total de cadera (THR) ha sido una de las cirugías más exitosas en el siglo XXI. El polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) muestra propiedades mecánicas y tribológicas favorables cuando se utiliza como material de superficie de apoyo para implantes de cadera. Sin embargo, las partículas producidas por el desgaste del UHMWPE hacen que la vida útil de un THR sea un desafío clave. La pérdida ósea (osteólisis) producida por estas partículas de desgaste es una de las causas principales del fracaso total de la artroplastia articular. Además de mejorar la resistencia al desgaste de las superficies de apoyo, a fin de reducir dicho desgaste, también deben investigarse a fondo los mecanismos de distribución de los restos de las partículas desgastadas en las juntas de la prótesis. Estas partículas se distribuyen a través del lubricante en los huecos del implante. El líquido sinovial (SF), un líquido viscoelástico no newtoniano no adelgazante, lubrifica las articulaciones naturales. El comportamiento no-newtoniano de SF se atribuye a su contenido de ácido hialurónico (HA), que es un biopolímero lineal. Los patrones de distribución de estas partículas de desgaste se ven afectados por los comportamientos reológicos especiales de la SF, por parámetros geométricos, por tamaños y formas de partículas y por interacciones entre partículas y fluidos. Por lo tanto, la comprensión de este patrón de distribución es fundamental para minimizar el desgaste del tercer cuerpo del UHMWPE. Según las fuerzas mecánicas de los fluidos, el tamaño y la densidad de las partículas de desgaste sugiere que las partículas de desgaste siguen el movimiento del lubricante. Sin embargo, en cuestión de horas, estas partículas muestran comportamientos específicos dentro del fluido viscoelástico (no visible en el fluido newtoniano), tales como la migración de partículas y la formación de cordones a lo largo de la dirección del flujo. El objetivo principal de este proyecto fue desarrollar y validar un método experimental para evaluar las características de HA y soluciones artificiales SF y el comportamiento de las partículas de desgaste en un flujo de fluido viscoelástico. Se cuantificaron los efectos de diferentes parámetros, tales como la concentración de HA, el contenido de proteína, los tipos de flujo de fluido (constante, inestable, etc.) y las formas de los huecos en el comportamiento de los fluidos, a fin de poder comprender plenamente dichos mecanismos. La velocimetría de imagen de micropartículas (micro-PIV) se aplicó como el método de visualización cuantitativa del flujo en este proyecto. Se realizaron mediciones pin-on-disk como técnica complementaria, para investigar el comportamiento de fricción de una varilla de rotación de UHMWPE contra un disco de cobalto cromo molibdeno (CoCrMo) en presencia de soluciones HA de diversas concentraciones. Este estudio se llevó a cabo para comprender los efectos de la carga dinámica sobre el rendimiento del lubricante, en relación con los de carga estática. Los resultados muestran que bajo condiciones de flujo oscilatorio, los niveles de deformación, las tasas y las distribuciones son parámetros importantes que afectan los comportamientos de flujo de las soluciones de HA. La migración de partículas y la alineación se vieron afectadas por los tamaños de canales, las concentraciones de HA, los tipos de flujo y la inestabilidad elástica de la solución. Los resultados de la medición pin-on-disk sugieren que, en presencia de HA, la carga dinámica sinusoidal no afecta los comportamientos de fricción de UHMWPE con CoCrMo, en comparación con la carga estática.