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M. Mosbeck:
"Material-scientific analysis of virgin PE-UHMW acetabular bearings";
Supervisor: V. Archodoulaki, E. Kozeschnik; Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2011; final examination: 2011-05-02.

Hip replacement surgery are performed when hip joints are damaged due to injury or disease causing pain and loss of mobility. The surgery counts as one of the greatest medical advances of our time.
Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (PE-UHMW) has been used for over four decades as a bearing surface in total hip joint replacements due to its special and unique material properties. The extremely high average molecular weight of PE-UHMW yields properties including high impact strength, high abrasion resistance and low frictional resistance.
The following acetabular bearing material states, produced by Smith and Nephews, solely for this research project, were investigated: GUR 1020 compression molded, gamma and non gamma sterilized and GUR 1050 ram extruded, gamma and non gamma sterilized. In the course of this thesis two implants of the same resin, fabrication and sterilization method were tested. For evaluating the influence of PE-UHMW resin and sterilization method on the chemical and morphological structure and mechanical properties the following test techniques were used: Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Swelling Experiments, Depth Sensing Indentation Testing (DSI) and Fracture Toughness Measurements.
For all analyzed chemical-morphological and mechanical parameters no depth profile (variation of results with distance from the surface) and no local variations (variation of results with location in the implant, i.e. center and rim) were found. The results of the measurements revealed that molar mass has an influence on chemical-morphological structure. The degree of crystallinity influences mechanical properties: a lower degree of crystallinity implies higher values for micro-hardness and indentation modulus and lower values for fracture toughness. Sterilization treatment with gamma irradiation proved to have a considerable influence on chemical-morphological structure, especially on the oxidation behavior of the tested samples. Concerning the mechanical properties gamma sterilization increases micro-hardness and indentation modulus and decreases fracture toughness.

Ultrahochmolekulares Polyethylen (PE-UHMW) ist seit Beginn der 60er Jahre eines der, mit großem Erfolg, meistverwendeten Werkstoffe in der Hüftgelenks-Endoprothetik. PE-UHMW weist herausragende Eigenschaften wie hohe Verschleiß- beständigkeit, hohe Schlagzähigkeit und geringen Reibwiderstand auf.
Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss von Molasse und Gamma-Sterilisation auf die chemische und morphologische Struktur und die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Dazu wurden Implantate der Firma Smith & Nephew Orthopaedics A.G., die ausschließlich für diese Untersuchung zur Verfügung gestellt wurden, untersucht. Die Untersuchungen umfassten die folgenden Werkstoffzustände: GUR 1020 pressgesintert, gamma sterilisiert und nicht gamma sterilisiert und GUR 1050 ram-extrudiert ebenfalls gamma sterilisiert und nicht gamma sterilisiert. Jeweils zwei Implantate des gleichen Werkstoffzustandes wurden untersucht. Es wurden die folgenden Messmethoden gewählt: Fourier-Infrarotspektroskopie (FTIR), Dynamische Differenz Thermoanalyse (DSC), Quellversuche, Instrumentierte Eindringprüfung (DSI) und bruchmechanische Untersuchungen (J-Integral).
Für alle ermittelten Messwerte konnte keinerlei Variation mit dem Abstand von der Oberfläche sowie örtliche Variation im Implantat nachgewiesen werden. Die Ergebnisse belegen einen Zusammenhang der Werkstoffkenngrößen Kristallinitätsgrad und Kristallisationsverhalten mit der Molmasse. Weiters konnte ein Zusammenhang zwischen Molmasse und mechanischen Kenngrößen nachgewiesen werden. Eine geringere Molmasse führt zu einer Erhöhung der Eindringhärte und des Eindringmoduls und zu einer Verringerung der Bruchzähigkeit. Gamma Sterilisation zeigte deutliche Auswirkungen auf chemische und morphologische Struktur sowie das mechanische Verhalten des Werkstoffs. Sterilisation mit Gamma-Strahlung bewirkt einen Anstieg von Eindringhärte und Eindringmodul aber eine Verringerung der Bruchzähigkeit.

PE-UHMW, Hip replacement surgery, chemical and morphological structure, mechanical properties