Qualitative fretting analysis protocol for prosthetic hip tapers

Il presente lavoro di tesi è il risultato di un tirocinio svolto presso l’azienda LimaCorporate Spa, con l’obiettivo di definire un metodo per la caratterizzazione del fenomeno del fretting all’interfaccia testa-stelo della protesi d’anca. Secondo la norma “ASTM F1875–98 — Standard Practice for Fretting Corrosion Testing of Modular Implant Interfaces: Hip Femoral Head–Bore Cone Taper Interface” [28], il fenomeno del fretting viene definito come uno scorrimento oscillatorio di piccola ampiezza, solitamente tangente alle due superfici poste in contatto. Il fretting nella protesi totale d’anca è conseguenza della distruzione dello strato di ossido dei componenti metallici all’interfaccia testa-stelo. Il carico ciclico a cui la protesi è sottoposta, come ad esempio la deambulazione quotidiana, può generare piccoli micromovimenti che allargano ulteriormente lo spazio tra la testa e lo stelo, esponendo ulteriormente l’impianto protesico alla corrosione [39]. Il protocollo definitivo si basa sulla scala di Goldberg [52], un criterio costituito da quattro punti, che si estende dalla completa assenza all’estrema presenza del fenomeno all’interfaccia. Diciotto campioni provenienti da cinque prove diverse sono stati esaminati da cinque esperti. Lo stelo è stato diviso in quattro quadranti (Anteriore, Posteriore, Superiore e Inferiore), ognuno dei quali è stato valutato separatamente; poi un voto complessivo è stato attribuito a ogni campione. L’analisi visiva del fenomeno è stata condotta tramite l’acquisizione delle immagini dei campioni allo stereoscopio. In seguito alla mancanza di letteratura sull’argomento, tutti i difetti menzionati nella scala di Goldberg sono stati analizzati e identificati visivamente tramite le immagini acquisite. Per supportare la validità del metodo e limitare la soggettività degli esperti è stato realizzato un atlante di immagini. Queso supporto visivo è stato ideato per assistere il revisore durante la valutazione, essendo costituito da immagini raffiguranti diverse entità del danno associate al corrispettivo punteggio da assegnare. Dai risultati è emersa una stretta correlazione tra i materiali utilizzati negli impianti e il danno causato dal fretting. La combinazione di steli metallici e teste ceramiche ha dimostrato come il fenomeno all’interfaccia possa essere mitigato, ma non completamente eliminato. I danni più elevati sono stati notati nel gruppo di steli e teste in metallo, i quali presentavano una superficie graffiata e con residui di materiale metallico.

The present study is the result of an internship at LimaCorporate Spa, with the aim of finding a reliable method for the characterization of fretting corrosion at the head-stem interface of the hip replacement. According to “ASTM F1875–98 — Standard Practice for Fretting Corrosion Testing of Modular Implant Interfaces: Hip Femoral Head–Bore Cone Taper Interface” [28], fretting is defined as a “small amplitude oscillatory motion, usually tangential, between two solid surfaces in contact”. Fretting in total hip prosthesis results from the deconstruction of the oxide layer on the metal components, at the head-stem interface. Cyclical loading applied on the prosthesis, such as daily human gait, may generate small micromotions that tend to enlarge the gap between the femoral head and stem, exposing the implant to serious corrosion issues [39]. The definitive protocol is based on the Goldberg’s Scale [52], a five-point criterion that widely extends from the complete absence to the severe presence of the phenomenon at the head-stem interface. A total of eighteen test specimens, from five different test samples were independently scored by five reviewers. The stem surface was divided into four quadrants (Anterior, Posterior, Superior and Inferior), which were scored separately; then a global score for each of the specimens was made. Visual analysis for fretting assessment was carried out through the acquisition of stem sample images using the stereomicroscope. Because of the lack of literature on the subject, all the corrosion and fretting defects mentioned in the Goldberg’s Scale were deeply analyzed and visually identified in the acquired images. To support the reliability of the method and limit the subjectivity of the experts, an atlas of images was realized. This visual support was intended to assist the observer during the assessment, since it is made of images portraying different amounts of damage, associated with the corresponding score to assign. Results showed a great correlation between the material combination used in the implants and the fretting corrosion damage encountered. The combination of metal stems with ceramic heads demonstrated how the fretting phenomenon could be mitigated but not eliminated from the head-stem interface. Severe damage was instead noticed in MoM (Metal-on-Metal) cohorts, which were characterized by greater surface scratching and production of metal debris.