Original title:
Vliv povrchových úprav na třecí vlastnosti implantátů
Translated title:
Impact of Surface Modifications on Implant Friction Characteristics
Authors:
Kučera, Ondřej ; Horák, Zdeněk (referee) ; Ranuša, Matúš (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2026
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Degenerativní onemocnění prvního metatarzofalangeálního kloubu vyžadují spolehlivá řešení v podobě mobilních kloubních náhrad. Slitina Ti6Al4V sice nabízí příznivý modul pružnosti minimalizující úbytek kostní tkáně, její inherentní tribologické vlastnosti však často vedou k nadměrnému opotřebení a riziku aseptického uvolnění. Tato diplomová práce proto experimentálně hodnotí synergický vliv povrchových mikrotextur (vytvořených přímo aditivní technologií PBF-L a dodatečným laserovým obráběním) v kombinaci s ochranným DLC povlakem na stabilitu mazacího filmu a mechanickou odolnost. Tribologické chování bylo zkoumáno in situ na recipročním tribometru v prostředí modelové synoviální kapaliny s využitím fluorescenční mikroskopie, což bylo následně doplněno o dlouhodobé testy opotřebení proti polymeru UHMWPE. Analýza dat prokázala, že u texturovaných vzorků opatřených DLC povlakem dochází k masivní retenci proteinů. Tento jev vede ke vzniku tzv. třecího paradoxu – zformovaný tuhý proteinový gel lokálně zvyšuje viskózní odpor (a tím i makroskopické tření), avšak naprosto eliminuje mechanické opotřebení kovového pinu, a to i při identifikovaném extrémním reálném kontaktním tlaku (45 MPa). Byla však odhalena zásadní diference mezi výrobními technologiemi a jejich dopadem na polymerní protikus. Zatímco nepovlakované laserové textury poskytly nejvýhodnější tribologickou rovnováhu, po aplikaci tvrdého DLC povlaku se zafixované ostré okraje textur (stejně jako strukturní anomálie AM tisku) transformovaly v mikro-břity. To vyústilo ve vznik tribologického kompromisu (trade-off) projevujícího se téměř dvojnásobným abrazivním opotřebením UHMWPE destičky. Zavedení dodatečného technologického kroku pro cílené zaoblení hran před procesem povlakování se tak ukazuje jako nezbytný předpoklad pro klinickou bezpečnost implantátu.
Degenerative diseases of the first metatarsophalangeal joint demand reliable solutions utilizing mobile joint replacements. While the Ti6Al4V alloy offers a favourable elastic modulus that minimizes bone loss, its inherent tribological properties frequently lead to excessive wear and a risk of aseptic loosening. Therefore, this thesis experimentally evaluates the synergistic effect of surface microtextures (fabricated directly via PBF-L additive manufacturing and subsequent laser machining) combined with a protective DLC coating on lubricant film stability and mechanical durability. Tribological behaviour was investigated in-situ on a reciprocating tribometer in a model synovial fluid environment using fluorescence microscopy, complemented by long-term wear tests against a UHMWPE polymer. Data analysis confirmed massive protein retention in textured samples equipped with the DLC coating. This phenomenon results in a “friction paradox” – the formed stiff protein gel locally increases viscous drag (and thus macroscopic friction), yet completely eliminates mechanical wear of the metallic pin, even under an identified extreme real contact pressure (45 MPa). However, a profound difference was revealed between manufacturing technologies and their impact on the polymer counter-face. While uncoated laser textures provided the most favourable tribological balance, the application of the hard DLC coating transformed the fixed sharp texture edges (as well as AM structural anomalies) into micro-cutting blades. This resulted in a tribological trade-off, manifested by nearly doubled abrasive wear of the UHMWPE plate. Implementing an additional technological step for targeted edge rounding prior to the coating deposition process thus proves to be an essential prerequisite for the clinical safety of the implant.
Keywords:
3D printed Ti6Al4V; DLC coating; fluorescence microscopy; joint replacements; long-term wear; surface textures; 3D tištěný Ti6Al4V; DLC povlak; dlouhodobé opotřebení; fluorescenční mikroskopie; kloubní náhrady; povrchové textury
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/259757
guest ::
