Morphological and tribological evaluation of the use of Ti2AlC and Ti3AlC2MAX Phases as a surgical AISI 304 stainless steel coating for a future hip replacement femoral head coating

Abstract

La cadera es una de las articulaciones esféricas más conocidas, y está formada por la cabeza del fémur asentada en la pelvis (acetábulo). En las últimas dos décadas, el reemplazo total de cadera (RTC o THR en inglés) ha sido una intervención quirúrgica de gran éxito. Lamentablemente, el Perú no cuenta con un registro nacional como el de la Academia Americana de Cirujanos Ortopédicos. Sin embargo, en base a los registros de los 5 años anteriores al 2020, se reporta un ingreso anual promedio de entre 20-70 pacientes por hospital de nivel II-2 o III-1. La revisión del implante de la articulación de la cadera indica el fin de la cirugía de sustitución con éxito y anuncia una reaparición de los síntomas que, con frecuencia, superan con creces los de la afección inicial. Los principales motivos registrados fueron: infección e inflamación (20,1%), inestabilidad (18,3%), aflojamiento aséptico (15,9%), complicaciones mecánicas (14,9%), entre otras. En este contexto, la biotribología estudia las interacciones de las superficies en contacto bajo movimiento relativo en sistemas biológicos. Para reducir la pérdida de material, se puede aplicar una capa de lubricante que evite el contacto directo. Debido al aumento de pacientes menores de 30 años, que requieren implantes que no limiten sus actividades y duren más de 10 años, se sigue investigando en nuevos recubrimientos de implantes metálicos o cerámicos seguros bajo las evaluaciones de comportamiento tribológico y corrosivo para reducir la posibilidad de una revisión a corto plazo que retrase la rehabilitación del paciente. En este contexto, esta tesis presenta una alternativa para los lubricantes sólidos como recubrimientos en la cabeza femoral de los implantes de cadera. Esta tesis tiene dos objetivos principales. En primer lugar, es una revisión de los avances actuales en la tecnología de recubrimientos para mejoras tribológicas en materiales de prótesis de cadera. Para ello, se revisan los resultados obtenidos en diferentes tribómetros. En segundo lugar, se presenta el primer intento con éxito de crear un recubrimiento de Ti2AlC y Ti3AlC2 sobre un sustrato de acero inoxidable. La caracterización estructural y morfológica de estos recubrimientos se realizó mediante técnicas como la microscopía electrónica de barrido, la difracción de rayos X y la espectroscopia Raman. Los resultados evidencian una formación significativa de fases MAX sobre un sustrato de acero inoxidable AISI 304 con una barrera de difusión de SixNy. Estas muestras se probaron posteriormente con un tribómetro “bola sobre plano“para estudiar si el coeficiente de fricción (COF) se veía afectado. Las 6 configuraciones trabajadas fueron una combinación de 3 fuerzas (0.16 N, 0.8 N y 1.6 N) con 2 velocidades (2mms−1 y 10mms−1) contra una bola de 4mms de diámetro de AISI 52100 durante 15 minutos. Los resultados fueron prometedores, ya que en todas las condiciones probadas, el Ti3AlC2 tenía un COF en torno a 0,13. El revestimiento de Ti2AlC sobre AISI 304 presentaba valores similares al AISI 304 sin revestimiento a altas fuerzas (COF entre 0.7 y 0.75), pero al aumentar la velocidad y, por tanto, el recorrido, el Ti2AlC tenía un COF más estable en torno a 0,72 para todas las fuerzas. En general, el COF se vió reducido a largo plazo en las muestras con recubrimientos de Ti2AlC y Ti3AlC2, en comparación al AISI 304 sin recubrimiento. Para la caracterización de las huellas dejadas tras la prueba tribológica, se utilizó SEM-EDX para un escaneo lineal de la composición de una sección transversal de huellas y un análisis puntual de puntos alrededor del borde de la huella (donde la bola cambia de dirección). También se utilizó la espectroscopia Raman para caracterizar los subproductos alrededor de las pistas con mayores fuerzas aplicadas (1.6 N). El Ti2AlC tenía marcas visibles y un alto desgaste del revestimiento, con la única excepción de la pista a 2mms−1 y 0,16 N. El Ti3AlC2 tenía las marcas menos visibles, y solo a baja velocidad y alta fuerza (2mms−1 y 1,6 N) había desgaste del revestimiento. En general, la mayoría de los restos en los resultados del análisis elemental provenían de la bola homóloga de AISI 52100. En conclusión, se obtuvieron resultados prometedores en la reducción de los valores de COF de los recubrimientos de Ti2AlC y Ti3AlC2. Especialmente de Ti3AlC2, ya que tuvo la menor formación de partículas y desgaste de recubrimiento con un COF inferior a los materiales comerciales de prótesis de cadera incluso sin lubricación. En el trabajo futuro, el uso de Ti2AlC y Ti3AlC2 recubrimientos debe ser seguido por el estudio de estos recubrimientos biocompatibilidad comportamiento y osteointegración. Para verificar su uso en aplicaciones clínicas, deberá realizarse un análisis sobre un implante de cadera comercial y un ensayo de tribocorrosión.

The hip is one of the most known ball-and-socket joint is formed by the head of the femur, seated in the pelvis (acetabulum). In the last couple of decades, total hip replacement (THR) has been a highly successful surgical intervention. Unfortunaly, Peru does not have a national registry like the American Academy of Orthopaedic Surgeons. However, based on record from the 5 years prior to 2020, in average an anual admission of between 20-70 patient per hospital level II-2 or III-1 are reported. The revision of the hip joint implant indicates the end of the successful replacement surgery and announces a return to symptoms that frequently much outweigh those of the initial condition. The main reasons recorded were: infection and inflammation (20.1%), instability (18.3%), aseptic loosening (15.9%), mechanical complications (14.9%), among others. In this context, biotribology studies the interactions of surfaces in contact under relative motion in biological systems. To reduce material loss, a layer of lubricant might be applied to prevent direct contact. Due to the increase of patients younger than 30 years, who require implants that do not limit their activities and last longer than 10 years, research continues on new safe metallic or ceramic implant coatings under tribological and corrosive behavior evaluations to reduce the possibility of a short-term revision that sets back the patient rehabilitation. In this context, this thesis submits an alternative for solid lubricants as coatings on the femoral head of hip implants. This thesis has two main purposes. First, it is a revision of the current advances in coating technology for tribological improvements in hip replacement materials. This is done mostly by reviewing the results on different tribometers set-ups. Secondly, it presents the first successful attempt on creating a coating of Ti2AlC and Ti3AlC2 coatings over a stainless steel substrate. The structural and morphological characterization of these coatings was performed by techniques like Scanning Electron Microscopy, X-Ray diffraction and Raman spectroscopy. The results evidence a significant formation of MAX phases over a AISI 304 stainless steel substrate with a diffusion barrier of SixNy. These samples were subsequently tested by a tribometer ball-on-flat in to find out if the Coefficient of Friction (COF) was affected. The 6 configurations worked were a combination of 3 forces (0.16 N, 0.8 N and 1.6 N) with 2 speeds (2mms−1 and 10mms−1) against a 4mm diameter ball of AISI 52100 for 15 minutes. The results were promising, as in all conditions tested, Ti3AlC2 had a COF around 0.13. The Ti2AlC coating on AISI 304 had similar values to uncoated AISI 304 at high forces (COF between 0.7 and 0.75), but as the speed and thus the stroke increased, the Ti2AlC had a more stable COF around 0.72 for all forces. In general, the COF was reduced in the long term for the specimens with Ti2AlC and Ti3AlC2 coatings compared to uncoated AISI 304. For the characterization of the tracks left after the tribological test, SEM-EDX was used for a linescan of the composition of a crossection of tracks and point analysis of points around the border of the track (where the ball changes its direction). Also Raman spectroscpy was used to characterize the by products around the tracks with higher forces applied (1.6 N). The Ti2AlC had visible marks and high wear of the coating, with the only exception of the track at 2mms−1 and 0.16 N. The Ti3AlC2 had the least visible marks, and only at low speed and high force (2mms−1 and 1.6 N) there was wear of the coating. In general, most of the debris in the results of the elemental analysis came from from the ball counterpart of AISI 52100. In conclusion, there were promising results on the reduction of COF values from both Ti2AlC and Ti3AlC2 coatings. Specially of Ti3AlC2, since it had the least particles formation and coating wear with a COF lower than commercial hip replacement materials even without lubrication. In the future work, the used of Ti2AlC and Ti3AlC2 coatings must be follow up by the studied of these coating biocompatibility behavior and osteointegration. To verified is used in clinical application, an analysis over a commercial hip implant and tribocorrosive test should be carried out.