Material-scientific analysis of virgin PE-UHMW acetabular bearings : influence of PE-UHMW resin and sterilization

Abstract

Ultrahochmolekulares Polyethylen (PE-UHMW) ist seit Beginn der 60er Jahre eines der, mit großem Erfolg, meistverwendeten Werkstoffe in der Hüftgelenks- Endoprothetik. PE-UHMW weist herausragende Eigenschaften wie hohe Verschleiß- beständigkeit, hohe Schlagzähigkeit und geringen Reibwiderstand auf. Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss von Molasse und Gamma-Sterilisation auf die chemische und morphologische Struktur und die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Dazu wurden Implantate der Firma Smith & Nephew Orthopaedics A.G., die ausschließlich für diese Untersuchung zur Verfügung gestellt wurden, untersucht. Die Untersuchungen umfassten die folgende n Werkstoffzustände: GUR 1020 pressgesintert, gamma sterilisiert und nicht gamma sterilisiert und GUR 1050 ram-extrudiert ebenfalls gamma sterilisiert und nicht gamma sterilisiert. Jeweils zwei Implantat e des gleichen Werkstoffzustandes wurden untersucht. Es wurden die folgenden Messmethoden gewählt: Fourier-Infrarotspektroskopie (FTIR), Dynamische Differenz Thermoanalyse (DSC), Quellversuche, Instrumentierte Eindringprüfung (DSI) und bruchmechanische Untersuchungen (J-Integral).<br />

Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (PE-UHMW) has been used for over four decades as a bearing surface in total hip joint replacements due to its special and unique material properties. The extremely high average molecular weight of PE-UHMW yields properties including high impact strength, high abrasion resistance and low frictional resistance. The following acetabular bearing material states, produced by Smith and Nephews, solely for this research project, were investigated: GUR 1020 compression molded, gamma and non gamma sterilized and GUR 1050 ram extruded, gamma and non gamma sterilized. In the course of this thesis two implants of the same resin, fabrication and sterilization method were tested. For evaluating the influence of PE-UHMW resin and sterilization method on the chemical and morphological structure and mechanical properties the following test techniques were used: Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Swelling Experiments, Depth Sensing Indentation Testing (DSI) and Fracture Toughness Measurements.