Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT CHỎM CỦA KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN SURFACE ROUGHNESS MESUREMENT OF THE FEMORAL HEAD OF TOTAL HIP IMPLANT PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn1a, TS Nguyễn Văn Tường2b Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Trường Đại học Nha Trang a phamngoctuan.vn@gmail.com, btuongnv@gmail.com TÓM TẮT Độ nhám bề mặt thông số quan trọng để đánh giá chất lượng bề mặt gia công chi tiết chỏm ảnh hưởng trực tiếp đến độ mòn khớp háng toàn phần (KHTP) Bài báo trình bày quy trình đo độ nhám bề mặt chi tiết chỏm KHTP chế tạo Việt Nam theo quy định tiêu chuẩn ASTM F2033-12 Từ khóa: độ nhám bề mặt, chi tiết chỏm, ASTM F2033-12 ABSTRACT Surface roughness is an important parameter to evaluate surface treatment quality of the femoral head and directly influence on wear of total hip implant This paper presents the process of surface roughness measurement of the femoral head of the total hip implant manufactured in Vietnam under the provisions of ASTM F2033-12 Keywords: surface roughness, femoral head, ASTM F2033-12 MỞ ĐẦU Thay KHTP phẫu thuật nhằm thay phần khớp háng bị hỏng (xương sụn) khớp nhân tạo Ngày người ta thường sử dụng KHTP mô đun phẫu thuật thay khớp háng Loại KHTP gồm chi tiết chuôi, chỏm, lót vỏ Vỏ lót tạo thành ổ cối nhân tạo vỏ gắn cố định vào ổ cối xương chậu, lót gắn cố định với vỏ Chỏm có dạng hình cầu, mặt tiếp xúc với mặt lót trong, mặt lỗ côn liên kết với chuôi Chuôi làm kim loại, phần thân gắn cố định vào vùng tủy xương đùi, đầu côn gắn liên kết với chỏm Trong trình hoạt động, bề mặt tiếp xúc chi tiết KHTP chịu tác động lực ma sát Sản phẩm mài mòn sinh ma sát hai mặt vào môi trường làm việc khớp thể người [1] Sản phẩm gây nguy hiểm cho người Hạt mài mòn sinh từ lót vật liệu UHMWPE làm tổn thương xương chậu tượng tiêu xương [2-3] Nâng cao tính chống mòn chi tiết KHTP giảm thiểu sinh sản phẩm mài mòn bề mặt ma sát KHTP nhiệm vụ quan trọng thiết kế chế tạo KHTP Mài mòn bề mặt chi tiết khí nói chung phụ thuộc vào nhiều yếu tố có yếu tố công nghệ tính chất vật liệu (thành phần hóa học, cấu trúc, độ cứng,…) tính chất hình học bề mặt (sai lệch hình dáng, độ nhám, hư hỏng bề mặt…) [4] Đối với chi tiết chỏm, tính chất hình học bề mặt chỏm tiếp xúc với lót phải thỏa mãn quy định tiêu chuẩn ASTM F2033-12 Bài báo trình bày quy trình đo độ nhám bề mặt chi tiết chỏm KHTP chế tạo Việt Nam khuôn khổ đề tài khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm KHTP” Kết đo nhám bề mặt chỏm sử dụng để chứng minh công nghệ gia công chỏm đạt yêu cầu nhám bề mặt theo tiêu chuẩn ASTM F2033-12 78 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Giới thiệu chi tiết chỏm Trong nghiên cứu này, chỏm làm hợp kim titan Ti-6Al-4V Hình dáng kích thước chỏm trình bày hình Chỏm gia công Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP HCM Mặt chỏm gia công theo quy trình sau: - Tiện thô, tiện bán tinh tiện tinh máy tiện CNC đạt cấp xác IT7, Ra = 0,63 µm - Đánh bóng máy tiện vạn loại giấy nhám có độ hạt 600, 800 1000 với số vòng quay trục 800 vg/ph thời gian 20 phút cho loại - Đánh bóng bột kim cương có độ hạt 28000 kích thước hạt 0.5 µm máy tiện vạn với số vòng quay trục 800 vg/ph thời gian 20 phút Hình Kết cấu chi tiết chỏm 2.2 Quy định nhám bề mặt chỏm phương pháp đo Tiêu chuẩn ASTM F2033-12 quy định bề mặt cầu chịu tải chỏm phải có giá trị sai lệch trung bình số học biên dạng nhám Ra không vượt 0,05 µm Các vị trí đo nhám bề mặt chỏm nằm vùng từ đỉnh P đến mặt phẳng CC hình [5] Hình Vị trí đo nhám bề mặt chỏm: a = 900, b = 600, c = 300 [5] 79 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Có thể đo nhám bề mặt chỏm số loại thiết bị khác máy đo không tiếp xúc dùng laser [6], máy đo kiểu giao thoa ánh sáng [4,7-9], máy đo kiểu tiếp xúc [10-11] kính hiển vi lực nguyên tử [12-13] Nghiên cứu sử dụng máy đo kiểu tiếp xúc Surftest SV-3100S4 hãng Mitutoyo (Nhật Bản) sản xuất Máy trang bị đầu dò kim cương có bán kính µm, lực đo 0,75 mN Ngoài vùng từ điểm cực P đến mặt phẳng CC quy định tiêu chuẩn ASTM F2033-12, chỏm đo nhám bề mặt vùng tạo hai mặt phẳng CC BB, BB AA vùng lân cận điểm cực P Với số lượng vị trí đo này, cho phép đánh giá nhám bề mặt chỏm cách toàn diện so với đo nhám vùng Số lượng vị trí đo tương tự nghiên cứu Mazen [11] Hướng đo đỉnh qua đỉnh chỏm vùng khác theo hướng “kinh tuyến” chỏm Tại vùng thực đo lần, vị trí đo tạo với góc khoảng 450 Với phương pháp gia công lần cuối đánh bóng giấy nhám bột kim cương, mặt chỏm dự đoán có nhám bề mặt 0,02 < R a ≤ 0,10 µm Do bề mặt cần đo nhám mặt cầu có đường kính bé nên cần chọn chiều dài hành trình đầu dò tối thiểu Khi liệu đo phân tích cách dùng lọc PC50 máy đo Surftest Mitutoyo, chiều dài hành trình đầu dò bao gồm tổng chiều dài sau: chiều dài tiếp cận (0,5 mm), khoảng chạy tới l t , chiều dài đo L đ khoảng chạy l s (hình 3) Khoảng chạy tới chạy lấy ½ chiều dài chuẩn [13] Theo tiêu chuẩn ISO 4288-1996, số thông số đo nhám bề mặt dùng máy đo kiểu tiếp xúc ứng với giá trị R a từ 0,02 đến 0,10 µm sau [14]: - Chiều dài chuẩn: l = 0,25 mm, - Chiều dài đo Lđ = 5l = 1,25 mm, Vậy, chiều dài hành trình đầu dò chọn sau: L ht = 0,5 + l t +Lđ + l s = 0,5 + 1,25 + 0,25/2 + 0,25/2 = 2,0 mm Hình Chiều dài hành trình đầu dò 2.3 Làm mẫu đo Mẫu đo cần làm trước đo nhám bề mặt Kenny cộng [9] rửa tiệt trùng mẫu chỏm làm CoCr, ZrO gốm trước đo nhám kiểm tra xem xét cấu trúc vĩ mô vi mô bề mặt Alan cộng [10] làm mẫu chỏm CoCr ZrO siêu âm dung dịch a-xê-tôn để loại bỏ tạp chất trước chụp bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét Trong nghiên cứu này, cần kiểm tra nhám bề mặt máy đo kiểu tiếp xúc nên mẫu đo làm siêu âm với dung dịch nước cất theo dẫn tiêu chuẩn ISO 14242 2.4 Gá mẫu đo Chỏm lắp vào trục côn có độ côn phù hợp với lỗ côn chỏm Trục côn gá trực tiếp ê-tô bàn cân trục hình Để thực đo nhám bề mặt vị trí khác chỏm tiến hành điều chỉnh ê-tô trục gá 80 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Gá mẫu đo bàn cân trục KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình trình bày biên dạng nhám số vùng đo Tại vùng này, biên dạng nhám có đặc điểm tương đối giống nhau, gồm nhiều đỉnh sắc nhọn Đây đặc điểm nhám bề mặt gia công lần cuối hạt mài a Biên dạng nhám vùng tạo hai mặt phẳng BB AA b Biên dạng nhám vùng tạo hai mặt phẳng CC BB c Biên dạng nhám vùng tạo đỉnh P mặt phẳng CC d Biên dạng nhám đỉnh P Hình Biên dạng nhám bề mặt cầu chỏm số vùng Kết đo nhám bề mặt mẫu chỏm sau: - Tại vùng hai mặt phẳng BB-AA: R a = 0,0268 µm - Tại vùng hai mặt phẳng CC-BB: R a = 0,0269 µm - Tại vùng điểm cực P mặt phẳng CC: R a = 0,0286 µm - Tại đỉnh P: R a = 0,0320 µm 81 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Từ kết đo thông số nhám R a cho thấy vùng mặt cầu chỏm có giá trị R a không giống Mẫu đo có đặc điểm giá trị R a đỉnh lớn so với giá trị R a vùng lại Nói chung, toàn bề mặt cầu chỏm, gần đỉnh chỏm giá trị R a lớn Như vậy, có khả vùng lân cận mặt phẳng AA đánh bóng lâu so với vùng khác mặt chỏm Các giá trị R a đo vùng không lớn 0,032 µm Vậy, kết luận bề mặt cầu chỏm có giá trị độ nhám R a thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn ASTM F2033-12 Từ khẳng định quy trình công nghệ gia công bề mặt chỏm phù hợp, đạt yêu cầu nhám bề mặt Nói chung, hình học tô-pô ba chiều phức tạp bề mặt cầu chỏm phản ánh cách đầy đủ thông qua thông số R a Tiêu chuẩn ASTM F2033-12 khuyến cáo thông số R a nên sử dụng thêm số thông số nhám khác để đánh giá xác đặc tính nhám bề mặt chỏm Do đó, cần thực đo thêm số thông số nhám khác chiều cao lớn biên dạng nhám R max , bước nhấp nhô trung bình biên dạng nhám S m , chiều dài tựa η p chiều dài tựa tương đối t p biên dạng nhám KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Nghiên cứu tiến hành đo nhám bề mặt chỏm để chứng minh công nghệ gia công chỏm có đạt yêu cầu nhám bề mặt theo tiêu chuẩn ASTM F2033-12 hay không Kết đo máy đo kiểu tiếp xúc cho thấy bề mặt cầu chỏm có sai lệch trung bình số học biên dạng nhám R a bé 0,0320 µm, đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn đề Xác định thêm số thông số nhám khác thông số R a để đánh giá cách đầy đủ độ nhám bề mặt cầu chỏm nghiên cứu cần thực LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu thực khuôn khổ đề tài mã số KC.03.24/11-15 Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP HCM Các tác giả xin chân thành cám ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pinchuk, L S., Nikolaev, V I., Tsvetkova, E A., & Goldade, V A Tribology and biophysics of artificial joints Oxford, United Kingdom: Elsevier, 2006 [2] Khalily, C., Tanner, M G., Williams, V G., & Whiteside, L A., Effect of locking mechanism on fluid and particle flow through modular acetabular components, Journal of Arthroplasty, 1998, Vol.13 (3), p 254-258 [3] Akbari, A., Roy, M E., Whiteside, L A., & Minteer, S D., The Influence of Locking Mechanism on Screw-Hole Osteolysis and Backside Damage in Long-Term Acetabular Liners Retrieved from Revision Total Hip Arthroplasty 34th Annual Meeting of the Society for Biomaterials: Giving Life to a World of Materials, Seattle, Washington, 2012 [4] Niemczewska, W M., Gawlik, J., & Sładek, J., The Measurement and Analysis of Surface Geometric Structure of Ceramic Femoral Heads Scanning, 2014, Vol 36 (1), p 105-114 [5] ASTM F2033-12, Standard Specification for Total Hip Joint Prosthesis and Hip Endoprosthesis Bearing Surfaces Made of Metallic, Ceramic, and Polymeric Materials ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012 [6] Wang, A., Polineni, V K., Stark, C & Dumbleton, J H., Effect of Femoral Head Surface Roughness on the Wear of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Acetabular Cups The Journal of Arthroplasty, 1998, Vol 13 (6), p 615-620 82 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [7] Michel, P L., Deborah, J H., Robert, M U., & Markus A W., Effect of Femoral Head Surface Roughness on Acetabular Liner Polyethylene ORS 2014 Annual Meeting, New Orleans, Louisiana [8] Kim, Y H., Ritchie, A., & Hardaker, C., Surface Roughness of Ceramic Femoral Heads after In-Vivo Transfer of Metal: Correlation to Polyethylene Wear The Journal of Bone & Joint Surgery American Volume, 2005, Vol 87 (3), p 577-582 [9] Kenny, T M., Christopher, V., Darryl, D L., Clifford, W C.l, & Kace, A E., Surface Roughness of Femoral Head Prostheses After Dislocation The American Journal of Orthopedics, 2010, Vol 39 (10), p 495-500 [10] Alan, W E., TravisMcKee, R., John, M C., Donald, W P., Preston, R B., & Jack E L., Surface Roughness of CoCr and ZrO Femoral Heads with Metal Transfer: A Retrieval and Wear Simulator Study International Journal of Biomaterials, Vol 2009, pages [11] Mazen, A H., Wear of Hard-on-Hard Hip Prostheses: Influence of Head Size, Surgical Position, Material and Function Ph.D Dissertation, The University of Leeds, School of Mechanical Engineering, Leeds, UK, 2012 [12] Nikolaos, I G., & Dimitrios, E M., Surface Roughness of Manufactured Femoral Heads with High Speed Turning International Journal of Machining and Machinability of Materials, 2009, Vol (4), p 371-382 [13] Liliana, L B., Tribological Characterization of Materials Used for Femoral Heads of Hip Prostheses Proceedings of International Conference On Innovations, Recent Trends And Challenges In Mechatronics, Mechanical Engineering And New High-Tech Products Development – MECAHITECH’11, 2011, Vol 3, p 234-239 [14] ISO 4288 - 1996, Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Rules and procedures for the assessment of surface texture International Organisation for Standardisation, Geneva, 1996 THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM phamngoctuan.vn@gmail.com 0903678459 TS Nguyễn Văn Tường Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang tuongnv@gmail.com 0982354509 83 ... tiến hành đo nhám bề mặt chỏm để chứng minh công nghệ gia công chỏm có đạt yêu cầu nhám bề mặt theo tiêu chuẩn ASTM F2033-12 hay không Kết đo máy đo kiểu tiếp xúc cho thấy bề mặt cầu chỏm có sai... lần, vị trí đo tạo với góc khoảng 450 Với phương pháp gia công lần cuối đánh bóng giấy nhám bột kim cương, mặt chỏm dự đo n có nhám bề mặt 0,02 < R a ≤ 0,10 µm Do bề mặt cần đo nhám mặt cầu có... Hình Vị trí đo nhám bề mặt chỏm: a = 900, b = 600, c = 300 [5] 79 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Có thể đo nhám bề mặt chỏm số loại thiết bị khác máy đo không tiếp