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Neue Methode konnte Langlebigkeit verbessern und Abnutzung von künstlichen Hüften vermindern

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Maschinenbauforscher haben eine Methode entwickelt, die das Leben einer künstlichen Hüfte verlängern könnte, indem es eine Reihe mikroskopische Einrückungen addierte, die die Stärke eines schmierenden Filmes auf seiner Oberfläche erhöhen.

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„Schmierung spielt eine Schlüsselrolle im Abnutzungsprozeß der eingepflanzten gemeinsamen Schnittstelle,“ sagt Min Zou, Professor des Maschinenbaus. „Aber dieser Mechanismus ficht an, um wegen der komplexen Beschaffenheit der zähflüssigen Flüssigkeit zu verstehen, die für Schmierung benutzt wird. Unsere Studie deckt versprechende Ergebnisse für das Verständnis dieses besseren Mechanismus und Implantate erheblich verbessern.“ auf

Jedes Jahr in den Vereinigten Staaten, führen orthopädische Chirurgen mehr als 300.000 Hüfteersatz durch und umfassen ungefähr 36.000 Nachoperationen, wenn ein Ersatz heraus trägt. Obwohl es einige Umweltfaktoren gibt, die die Gesundheit und die Langlebigkeit von künstlichen Hüften beeinflussen, dauern diese Implantate einen Durchschnitt von 15 bis 20 Jahren. Jedoch über Hälfte aller Hüftoperationen werden an den Patienten zwischen dem Alter von 45 und von 64, Leute durchgeführt, die andere 25 oder 30 Jahre leben konnten. Hüfte-Ersatzverfahren beziehen den chirurgischen Abbau und den künstlichen Ersatz vom Schenkelkopf- die Spitze des femor oder den Schenkelknochen mit ein – und der Teil der Pelvis nannte das Pfannendach, in die eine konkave Oberfläche die Schenkelanpassungen an den kopf. Viele Leute beziehen sich dieses Gelenk als Ball und auf Sockel – den Schenkelkopf, der als der Ball und das Pfannendach als der Sockel auftritt.

Ein Hauptgrund für Ausfall des künstlichen Gelenks – und folglich der Bedarf an der Nachoperation – ist eine Lockerung der Bindung zwischen dem Implantat und dem Knochen, der in vielen Fällen durch die Autoimmunreaktion des Körpers zu den Partikeln und zur Abnutzung auf der Oberfläche des Implantats verursacht wird, sowie die Giftigkeit von den metallischen Ionen, die in den Körper tragen freigegeben werden deswegen.

Um dieses Problem anzusprechen, konzentrieren sich Forscher auf einen schmierenden Film der zwischen den Wechselwirkungsoberflächen des Schenkelkopfes und dem Pfannendach sich bildet. Dieser Film wird durch ein natürlich vorkommendes Schmiermittel hergestellt, das Gelenkflüssigkeit genannt wird, die durch Knorpel produziert und freigegeben wird. Obgleich Knorpel auch während der Hüftoperation entfernt wird, produziert der Körper genügend Gelenkflüssigkeit, um eine Dünnschicht zwischen den Implantaten zu bilden. Die Bildung dieses Filmes nach Chirurgie und besonders seine Stärke bestimmen den langfristigen Erfolg des Implantats.

Das U eines Experimentes wurde von Dipankar Choudhury, Habilitationsgefährte in der Mitte für moderne Oberflächentechnik entworfen und durchgeführt an der Richtung von Zou, der Direktor der Mitte ist. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift des mechanischen Verhaltens der biomedizinischen Materialien veröffentlicht.

Eher als Manipulierungsgelenkflüssigkeit, der die meisten Hüftprotheseforschungsschwerpunkte an, Zou und Choudhury die strukturierte Oberfläche des Knorpels, seiner so genannten „konvergierenden Abstände,“ oder der natürlichen Grübchen simulierten, die die Absonderung der Gelenkflüssigkeit fördern und Stärke des schmierenden Filmes erhöhen.

Zou und Choudhury entwarfen die quadratischen, dreieckigen und elliptisch-förmigen Einrückungen auf der Oberfläche von künstlichen Schenkelköpfen. (Vergrößerte Bilder ähneln der Oberfläche eines Golfballs.) Diese Prothesen wurden vom Chrom, vom Kobalt und vom Molybdän, die Standardmetallegierung für Hüfteersatzimplantate hergestellt. Die Einrückungen, fabriziert mit einem Picosekundenlaser von einem Mitarbeiter in Japan, waren 20 bis 50 Mikrometer weit und 0,2 bis 1 Mikrometer tief.

Dann zusammenarbeitend mit einer Forschungsgruppe in der Tschechischen Republik, schlossen sich Zou und Choudhury den prothetischen Teilen an und führten Abnutzungs- und Reibungstests mit einem Pendel durch, das die schwingbewegung eines menschlichen Beines simulierte. Als das Pendel zur Gleichgewichtslage zurückging – nachdem der Schmiermittelfilm völlig sich entwickelt hatte – Testergebnisse deckten erheblich erhöhte Stärke des Filmes auf. Verglichen mit den nicht-Grübchen gebildeten Prothesen, verbesserten alle drei Formen Schmiermitteldicke. Die Prothesen mit den quadratischen und dreieckig-förmigen Einrückungen zeigten eine durchschnittliche Schmiermitteldicke 3,5mal, die größer als die nicht-Grübchen gebildete Prothese sind.

Die Prothese mit Quadrat-förmigen Einrückungen bildete seinen Schmiermittelfilm weniger als eine Sekunde, nachdem das Pendel anfing sich zu bewegen, viel schneller als alle weiteren Prothesen, einschließlich die mit den Einrückungen, die von anderen Formen gemacht wurden. Dieses zeigte offenbar, dass Form eine erhebliche Auswirkung hatte, sagt Choudhury.

„Auch, kaum alle mögliche Kratzer erschienen auf der nach-experimentellen Prothese mit Quadrat-förmigen Grübchenreihen, und nur einige Kratzer wurden auf der Prothese mit dreieckig-förmigen Grübchenreihen gefunden,“ sagt Zou. „Wir denken, dass Prothesen mit Quadrat-förmigen Grübchen eine mögliche Lösung für die dauerhaften, langlebigeren künstlichen Hüftgelenke sein konnten.“

Neuentwickelte Prozesse Zou für die Fabrikation von kleineren Mikrogrübchen von verschiedenen komplexen Formen, die erwartet werden, um Abnahmereibung und Abnutzung der prothetischen Gelenke zu fördern.

Zou hält die Professur des 21. Jahrhunderts im Maschinenbau. Im Jahre 2015 empfing sie eine Bewilligung der National Science Foundation $20 Million/EPSCoR (das experimentelle Programm, zum der wettbewerbsfähigen Forschung anzuregen) und zusammenpassende Kapitalien zusätzliche $4 Million vom Zustand, der der Universität ermöglichte, die Nationalmitte für moderne Oberflächentechnik herzustellen. Die Mitte fördert wissenschaftlichen Nationalfortschritt, indem sie Partnerschaften mit Regierung, Hochschulausbildung und Industrie herstellt.