Evaluation of the wear rate of the acetabular component in total hip arthroplasty using russian ultra-high-molecular-weight polyethylene

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Russian ultra-high-molecular-weight polyethylene has previously demonstrated, in tribological pin-on-disk tests, a coefficient of friction comparable to commercial ultra-high-molecular-weight polyethylene grades Gur1020 and Gur1050 (Chirulen). From a clinical perspective, wear values of prosthetic components obtained under conditions simulating in vivo performance in accordance with GOST R ISO 14242-1—including kinematics, loading, and lubrication—are critical in the selection of orthopedic implants.

AIM: This study aimed to investigate the wear rate of experimental ultra-high-molecular-weight polyethylene liners in the hip joint bearing pair of a total hip prostheses according to GOST R ISO 14242 (Parts 1 and 2).

METHODS: It was a pilot single-center study; the object was the hip joint bearing pair with a total sample of four specimens. The study was experimental, with both quantitative and qualitative data obtained and monitored at 0.5, 1, 2, 3, 4, and 5 million cycles. The study control was both descriptive and quantitative, accounting for before–after values. Wear testing of hip prosthesis bearing pairs, one component of which was ultra-high-molecular-weight polyethylene manufactured by Engineering Polymers (Russia), was carried out in accordance with GOST R ISO 14242 (Parts 1 and 2) using a hip prosthesis wear simulator (Center for Technical Safety of Materials, Equipment, and Complex Systems, ElectronTest Group, Russia), which enabled evaluation of the wear resistance of the bearing pair. Wear mechanisms were analyzed using scanning electron microscopy, roughness assessment, and deviation from sphericity of the hip joint bearing components.

RESULTS: Baseline deviations from sphericity and surface roughness of the bearing components complied with GOST R ISO 7206-2. After 5 million cycles according to GOST R ISO 14242-2, the mean wear rate across three test pairs was 19.8 ± 2.1 mg/ million cycles, which, according to published data, is lower or comparable to wear rates reported in similar studies. Abrasive and fatigue wear of the inner surface of the liners was typical of ultra-high-molecular-weight polyethylene under these test conditions, manifested by polishing, scratching, particle detachment, and adhesion.

CONCLUSION: The experimental Russian ultra-high-molecular-weight polyethylene demonstrated a low wear rate compared with imported commercial analogs available on the Russian market, which, when used as an acetabular component material, will ensure the long-term clinical effectiveness of total hip prostheses.

About the authors

Yulia S. Lukina

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics; Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

Author for correspondence.
Email: lukina_rctu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0121-1232
SPIN-code: 2814-7745

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor

Russian Federation, Moscow; Moscow

Sergey M. Mihalkin

ElectronTest Group of Companies

Email: grp@electron-test.ru
ORCID iD: 0009-0000-8046-7222
Russian Federation, Moscow

Aleksandr S. Zabolotnov

Semenov Federal Research Center of Chemical Physics; Engineering Polymers

Email: zabolotnov.ru@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0695-9012
SPIN-code: 6604-4708

Cand. Sci. (Engineering)

Russian Federation, Moscow; Moscow

Vladimir I. Zubtsov

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: zubtsovvi@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0009-0003-4556-2728
Russian Federation, Moscow

Mihail M. Smorchkov

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: smorchkovmm@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0003-4101-5877
SPIN-code: 9380-1870
Russian Federation, Moscow

Nikolay V. Zagorodniy

Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: zagorodnijnv@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0002-6736-9772
SPIN-code: 6889-8166

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor, Аcademician of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Moscow

References

  1. Ferguson RJ, Palmer A, Taylor A, et al. Hip and knee replacement 1: hip replacement. Lancet. 2018;392(10158):1662–1671. doi: 10.1016/S0140-6736(18)31777-X
  2. Ho SP, Carpick RW, Boland T, LaBerge M. Nanotribology of CoCr–UHMWPE TJR prosthesis using atomic force microscopy. Wear. 2002;253:1145–1155.
  3. Affatato S, Leardini W, Zavalloni M. Hip joint simulators: state of the art, bioceramics and alternative bearings in joint arthroplasty. Ceramics in Orthopaedics. 2006;Session 6:171–180.
  4. Howie DW, Haynes DR, Rogers SD, McGee MA, Pearcy MJ. The response to particulate debris. Orthop Clin North Am. 1993;24(4):571–581.
  5. Harris WH. Osteolysis and particle disease in hip replacement — a review. Acta Orthopaedica Scandinavica. 1994;65(1):113–123. doi: 10.3109/17453679408993734
  6. Schaaff P. The role of fretting damage in total hip arthroplasty with modular design hip joints — evaluation of retrieval studies and experimental simulation methods. J Appl Biomater Biomech. 2004;2(3):121–135.
  7. Wang A, Stark C, Dumbleton JH. Role of cyclic plastic deformation in the wear of UHMWPE acetabular cups. J Biomed Mater Res. 1995;29(5):619–626. doi: 10.1002/jbm.820290509
  8. Bistolfi A, Giustra F, Bosco F, et al. Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) for hip and knee arthroplasty: The present and the future. Journal of Orthopaedics. 2021;25:98–106. doi: 10.1016/j.jor.2021.04.004
  9. Kandahari A, Yang X, Laroche K, et al. A review of UHMWPE wear-induced osteolysis: the role for early detection of the immune response. Bone Research. 2016;4:16014. doi: 10.1038/boneres.2016.14
  10. McKellop HA, Campbell P, Park SH, et al. The origin of submicron polyethylene wear debris in total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat R. 1995;(311):3–20.
  11. Wroblewski BM. Cementless versus cemented total hip arthroplasty — a scientific controversy. Orthop Clin North Am. 1993;24:591–597.
  12. Chu CR. Short-term analysis vs long-term data on total hip replacement survivorship. JAMA Surgery. 2015;150(10):989. doi: 10.1001/jamasurg.2015.1337
  13. Zabolotnov AS, Chelmodeev RI, Lukina YuS, et al. Effect of ultra-low content of graphite nanoplatelets on tribological properties of composites based on ultra-high molecular weight polyethylene. N.N. Priorov Journal of Traumatology and Orthopedics. 2024;31(4):587–598. doi: 10.17816/vto635226 EDN: SVCYPD
  14. Young SK, Keller TS, Greer KW, Gorhan MC. Wear Testing of UHMWPE Tibial Components: Influence of Oxidation. Journal of Tribology. 2000;122:323.
  15. Hua Z, Dou P, Jia H, et al. Wear test apparatus for friction and wear evaluation hip prostheses. Frontiers in Mechanical Engineering. 2019;5:12.
  16. Oliveira ALL, Trigo FC, Queiroz RD, Carvalho RT. Development of a protocol for the performance evaluation of wear machines used in tests of joint prostheses. Mech Mach Theory. 2013;61:59–67.
  17. Wang A, Lee R, Herrera L, Korduba L. Wear of ultra-high molecular weight polyethylene moving along a circular path in a hip simulator. Wear. 2013;301:157–161.
  18. Saikko V. Friction measurement in the biaxial rocking motion hip joint simulator. J Tribol. 2009;131:011201.
  19. Kaddick C, Wimmer MA. Hip simulator wear testing according to the newly introduced standard ISO 14242. Proc Inst Mech Eng H. 2001;215(5):429–42. doi: 10.1243/0954411011536019
  20. Gremillard L, Martin L, Zych L, et al. Combining ageing and wear to assess the durability of zirconia-based ceramic heads for total hip arthroplasty. Acta Biomaterialia. 2013;9(7):7545–7555. doi: 10.1016/j.actbio.2013.03.030
  21. Wiśniewski T, Rubach R, Łapaj Ł, Garncarek W. Friction and Wear Test of Components of a Hip Joint Endoprosthesis with Ceramic–Polyethylene Material Contact Using Hip Joint Movement Simulator. Tribologia. 2024;2:121–129.
  22. Affatato S, Frigo M, Toni A. An in vitro investigation of diamond-like carbon as a femoral head coating. J Biomed Mater Res. 2000;53(3):221–6. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(2000)53:3< 221::aid-jbm6> 3.0.co;2-z
  23. Trommer RM, Maru MM, Oliveira Filho WL, et al. Multi-Scale Evaluation of Wear in UHMWPE-Metal Hip Implants Tested in a Hip Joint Simulator. Biotribology. 2015;4:1–11.
  24. Wiśniewski T, Wielowiejska-Giertuga A, Rubach R, Łapaj Ł, Magda J. Research on friction wear of hip joint endoprostheses of polyethylene-metal material combination on hip joint simulator. Tribologia. 2018;281–285:153–158.
  25. Mattei L, Di Puccio F, Ciulli E, Pauschitz A. Experimental investigation on wear map evolution of ceramic-on-UHMWPE hip prosthesis. Tribology International. 2020;143:106068.
  26. Saikko V, Vuorinen V, Revitzer H. Analysis of UHMWPE wear particles produced in the simulation of hip and knee wear mechanisms with the Random POD system. Biotribology. 2015;1–2:30–34.
  27. Niemczewska-Wójcik M. Wear mechanisms and surface topography of artificial hip joint components at the subsequent stages of tribological tests. Measurement. 2017;107:89–98.
  28. Wilkinson JM, Hamer AJ, Stockley I, et al. Polyethylene wear rate and osteolysis: critical threshold versus continuous dose-response relationship. J Orthop Res. 2005;23(3):520–525. doi: 10.1016/j.orthres.2004.11.005
  29. Schmalzried TP, Jasty M, Harris WH. Periprosthetic bone loss in total hip arthroplasty. Polyethylene wear debris and the concept of the effective joint space. J Bone Joint Surg Am. 1992;74:849–863.
  30. Ingham E, Fisher J. The role of macrophages in osteolysis of total joint replacement. Biomaterials. 2005;26(11):1271–1286. doi: 10.1016/j.biomaterials.2004.04.035
  31. Ribeiro R, Gonçalves AC, de Albuquerque MCF. Planning and construction of mechanism for surface wear testing and fault analysis in quadril joint prosthetic tribosystem. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020;106:4193–4202. doi: 10.1007/S00170-019-04892-8

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diagrams of changes depending on the human gait cycle: а — efforts in % of the cycle in 1s, b — angular displacements in the 1s cycle, obtained on the test bench: 1 — flexion / extension, 2 — abduction / adduction; 3 — internal / external rotation.

Download (193KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Wear of bearings in friction pairs.

Download (127KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Micrographs of the inner surface of the liner: а — original surface (optical), ×10; b — after 0.5 million cycles (optical), ×10; с — after 5 million cycles (scanning electron microscope).

Download (292KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Roughness profiles of the inner surface of the I1 liner: а — before testing, b — after 0.5 million cycles.

Download (459KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Track roughness profile of sample I3: а — after 1 million cycles (Ra = 0.0109 μm), b — after 5 million cycles (Ra = 0.0827 μm).

Download (337KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Micrographs of ultra-high-molecular-weight polyethylene wear after 5 million cycles.

Download (349KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Micrographs of heads surface: a — sample G1, b — G3, c — G4. Magnification ×50.

Download (258KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Micrographs of ultra-high-molecular-weight polyethylene particle detachment.

Download (230KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».