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François PRIGENT
Troisième colloque international France - USA
25 – 27 Novembre 2008
Prothèse de genou
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Une alternative au revêtement Chrome-Cobalt :
L’Oxinium (Oxyde de Zirconium)
François PRIGENT
La science face à la Céramique
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Actuellement
toutes les prothèse de genou fonctionnent par glissement :
Un bouclier fémoral métallique en Chrome Cobalt
glisse sur un plateau tibial en polyéthylène.
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Pourquoi rechercher une surface de revêtement
différente du Chrome Cobalt ?
PARCE QUE
Le métal Chrome Cobalt est fragile en surface,
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Etude portant sur 13 reprises consécutives de prothèses Chrome Cobalt.
Tous les composants condyliens présentaient des rayures obliques.
L’étude de ces rayures met en évidence un relief métallique bordant l’encoche
Etude microscopique de rayures sur
l’implant fémoral métallique Chrome Cobalt
Mise en relief de par balayage ces même rayures
sur une surface Crome Cobalt
Résistance de surface
rayures
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Etude microscopique du relief d’une rayure
sur une surface métallique Chrome Cobalt
Chrome Cobalt
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Oxinium
François PRIGENT
Etude microscopique du relief d’une rayure
sur une surface métallique Oxinium
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Une rayure sur le métal Cr-Co induit un relief en bordure .
Une rayure sur l’Oxinium n’induit pas de relief en bordure .
Un relief use le plateau tibial polyéthylène en regard.
Chrome Cobalt Oxinium
SOIT
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François PRIGENT
• Abrasive wear scratching by hard particules
• Oxidative wear : shearing of oxiding surface
Fisher et al., Proc IME, 1995
« a single scratch 2 μm deep (with 1 μm adjacent peak height) on a metal
. counterface can cause a dramatic increasein the wear rate of UHMWPE”
How do metal bearing surfaces roughen?
Qu’est qui raye une surface métallique ?
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François PRIGENT
Capability
• Reduce polyethylene wear by using alow-friction counterface that resists
roughening and avoids brittle fracture
Method
• Form a ceramic surface on a metallic zirconium alloy by oxygen diffusion
Oxinium : Oxidized Zirconium
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Metallic element : Zirconium
• Same family as titanium and very biocompatible
Metallic alloy by combining with Niobium : Zr-2.5Nb
• Niobium and oxygen strengthen zirconium
Oxidize to form ceramic - Zirconia : zirconium oxide
• Low-friction and resists roughening
• Brittle; low fracture toughness
Materials
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OXINIUM : 2 hightly biocompatibles metals
François PRIGENT
40 91.22
Zr
Zirconium
6.4
22 47.90
Ti
Titanium
4.5
23 50.94
V
Vanadium
5.96
41 92.91
Nb
Niobium
8.4
97.5 % Zirconium
+ 2.0 % Niobium
+ Oxygen and Hext
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• Wrought zirconium alloy component is heated in air
• Metal surface transforms to ceramic, not a coating
• Ceramic oxide is uniformly about 5 μm thick
Oxidation Process
Ceramic Oxide
500°Coxygen
diffusion
Metal Substrate
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• Oxidized Zirconium surface is over twice as hard as CoCr
• Underlying oxygen-rich zone promotes adherence to substrate
Hardness
16
12
8
4
Cast CoCr Oxïdie Zirconium
0
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Oxinium reduced abrasion against bone cement by over 4900 X
Oxidized Zirconium post-test roughness was over 160 X less
• 10 million cycle pin-on-disk test represents 10 years of cement debris in joint
Abrasion resistance
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François PRIGENT
Ceramic oxide surface adheres even if damaged by :
• Punching crater through oxide (hardness test)
• Abrading bone cementpin for 10 Mcycle (modified abrasion test)
Damage Tolerance
Abraxing bone cement
milledgroove
pin motion
oxidesurface
metalsubstrate
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Ox. Zirconium device strength is equivalent to CoCr
• Supported 4.4 kN (1000 lbf) in 10 Mcycle fatigue test
• Physiological worst-case: single condyle, no bone support full flexion
Strength
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Zirconium is one of five most biocompatiblemetals
• Other four metals: niobium, titanium, tantalum, and platinum
• Based on self-passivation and lack of biological function
Alloy biocompatibility confirmed per ASTMF748
• Cytotoxicity (L929 MEM Mouse Fibroblast)
• Sensitization (Kligman Maximization)
• Genotoxicity (Ames Mutagenicity and Mouse Micronucleus Assay)
• Implantation (Rabbit 90-Day Intramuscular and Rabbit 6-Month Transcortical)
• Intracutaneous Reactivity (Rabbit Intracutaneous Injection)
• Acute Toxicity (Mouse Systemic Injection and Rabbit Pyrogenicity)
• Haemocompatibility (Rabbit Hemolysis)
Biocompatibility
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François PRIGENT
- Reports of metal hypersensitivity (especially nickel)
- Very low impurity content in Oxidized Zirconium
- Maximum specified impurity levels inalloys:
Metal Sensitivity
• CoCrMo : 1% nickel
• Ti-6Al-4V : 0.1% nickel
• Zr-2.5Nb : Not detectable (0.0035%nickel)
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François PRIGENT
Less Polyethylene Wear Than CoCr
• Harder Material
• More Resistant to Scratching /Roughening Than CoCr
• Less Friction Than CoCr
Excellent Biocompatibility
• Strength of Metal; Tribology ofCeramic
• Harder Material
• More Resistant to Scratching Roughening Than CoCr
• Less Friction Than CoCr
Sumary
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François PRIGENT
Thank-you !