Bio-tribo-corrosion resistant 3D Printed Composites for Load-bearing Implants

用于承重植入物的生物耐摩擦腐蚀 3D 打印复合材料

基本信息

  • 批准号:
    10331780
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32.23万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-02-01 至 2026-01-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Among load-bearing implants, total hip arthroplasty (THA) is probably the most clinically successful intervention. CoCrMo alloy, a wear resistant material of choice, is typically used in femoral heads for THAs. In vivo life of THAs are often reduced due to debris generation, and Co and Cr metal ion release from modular junctions. Management of taper corrosion from trunnions of CoCrMo head and Ti6Al4V stems remain a serious challenge today. Taper corrosion happens primarily due to mechanically assisted crevice corrosion (MACC) along with fretting and galvanic corrosion, and leads to adverse local tissue reactions (ALTR), an immune- mediated biological reaction due to elevated Co and Cr ions. ALTR has profound influence on bone, leading to implant failure, which can result in early revision surgery. Co and Cr ions can also cause other symptoms such as deafness, blindness, and interstitial cell damage resulting in impaired renal functioning. Our application is focused on self-lubricating and self-healing calcium phosphate (CaP) reinforced Ti- or CoCrMo-alloys to minimize bio-tribocorrosion in applications such as trunnions in modular taper interlocks in THAs. CoCrMo-CaP composite will be designed to minimize Co and Cr ion release compared to pure CoCrMo alloy; while Ti alloy- CaP composites will be designed to completely eliminate the release of Co and Cr ions due to corrosion or wear degradation. The objective of this proposed research is to test our central hypothesis that CaP based solid lubricants in Ti or CoCrMo alloys will form an in situ film at the contact surface to minimize bio- tribo-corrosion and reduce metal ion release. The rationale is that once we understand the mechanisms of tribofilm formation and its influence on bio-tribo-corrosion, we can design implants with reduced metal ion release possibility in vivo. Our preliminary data show in situ tribofilm formation with CaP reinforcement in Ti6Al4V or CoCrMo alloys during in vitro bio-tribo- corrosion studies. Presence of tribofilm lowered wear induced damage and minimized metal ion release in vitro. We have three Specific Aims for the proposed program – (1) to understand tribocorrosion mechanism and tribofilm formation in CaP reinforced Ti-alloy matrix composites, and measure their in vitro biological response; (2) to understand tribocorrosion mechanism and tribofilm formation in CaP reinforced CoCrMo composites, and measure their in vitro biological response, and (3) to measure in vivo biological properties of CaP added Ti or CoCrMo alloys.
在承重的凹痕中,总髋关节置换术(THA)可能是临床上最多的 成功的干预。 COCRMO合金是一种耐磨材料,通常用于 股骨头为thas。由于碎屑的产生而经常缩短Thas的体内寿命,并且 和CR金属离子从模块化连接释放。胶带腐蚀的管理 当今的COCRMO HEAD和TI6AL4V植物仍然是一个严重的挑战。锥度腐蚀 主要是由于机械辅助的缝隙腐蚀(MACC)而发生的。 和电腐蚀,并导致不良局部组织反应(ALTR),一种免疫 - 由于CO和CR离子升高引起的介导的生物反应。奥特尔对 骨骼,导致植入物衰竭,这可能导致早期翻修手术。 CO和CR离子可以 还会引起其他症状,例如死亡,失明和间质性细胞损害,导致 肾功能受损。我们的应用专注于自润滑和自我修复 磷酸钙(CAP)增强的Ti-或Cocrmo-Aloys,以最大程度地减少生物tribocorsosion 诸如模块化锥度互锁的应用中的应用。 cocrmo-cap复合材料 与纯Cocrmo合金相比,设计以最大程度地减少CO和CR离子释放;而ti合金 - 盖的组成将被设计为完全消除由于CO和CR离子的释放 腐蚀或磨损降解。 这项拟议的研究的目的是测试我们的中心假设,即cap基于固体 Ti或Cocrmo合金中的润滑剂将在接触表面形成原位膜,以最大程度地减少生物 底环腐蚀并减少金属离子释放。理由是,一旦我们了解 互环膜形成的机制及其对生物腐蚀的影响,我们可以设计 植入物在体内降低金属离子释放势。我们的初步数据现场显示 Ti6Al4v或Cocrmo合金在体外生物 - tribo- 腐蚀研究。存在落下降低磨损诱导损伤和最小化金属离子的存在 体外释放。我们针对拟议的计划有三个特定的目标 - (1)了解 帽子增强Ti-Aloy矩阵组成中的互动机理和摩擦膜形成, 并测量其体外生物学反应; (2)理解二聚态腐败机制和 帽增强的cocrmo复合材料的摩擦膜形成,并测量其体外生物学 响应和(3)测量CAP的体内生物学特性添加了Ti或Cocrmo合金。

项目成果

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