27 Retrieved Yttria Stabilised Tetragonal Zirconia (Y-TZP) femoral heads were studied for the occurrence of tetragonal to monoclinic phase transformation and the effects that such transformation has on the bearing surface. The mean monoclinic percentage found is 53.6% with 25 of the samples having transformed more than 20%. This finding nullifies earlier predictions that it would take 25 to 30 years to transform to a monoclinic content of 30 to 40% inside the human body (Chevalier, Drouin&Calés 1997). It was however shown that Hot Isostatic Pressed (HIP’ed) Y-TZP femoral heads have a better, though still not adequate, resistance to phase transformation in the human body than non-HIP’ed femoral heads. Results of various investigations show that this transformation degrades the surface condition of the femoral heads, which in turn increases wear and subsequently decreases the survival rate of the prosthesis due to a greater risk of aseptic loosening. It is postulated that a great contributing factor to the phase transformation is increased temperatures inside the bearing couple, due to inadequate lubrication between the two bearing surfaces. Tetragonal to monoclinic phase transformation and its associated effects renders Y-TZP femoral heads less attractive for hip replacements. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2010. / Mechanical and Aeronautical Engineering / unrestricted

Η οστεοαρθρίτιδα αποτελεί μια συχνά εμφανιζόμενη εκφυλιστική ασθένεια. Εντοπίζεται κυρίως στις μεγάλες αρθρώσεις (πχ ισχύο και γόνατο) και χαρακτηρίζεται από προοδευτική φθορά του αρθρικού χόνδρου. Στην παρούσα εργασία έγινε χαρτογράφηση του υγιούς και του οστεοαρθριτικού τμήματος ανθρώπινης κεφαλής μηριαίου οστού η οποία αφαιρέθηκε κατά τη διάρκεια αρθροπλαστικής επέμβασης. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε ήταν η φασματοσκοπία micro-Raman η οποία παρέχει πληροφορίες που αφορούν στις δονήσεις μορίων. Συγκεκριμένα έγινε δυνατή η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη διαφοροποίηση κολλαγόνου Ι (οστό) και κολλαγόνου ΙΙ (χόνδρος) εξετάζοντας τις φασματικές περιοχές της προλίνης και υδροξυπρολίνης, κάμψεων CH2, CH3 και των αμιδίων Ι και ΙΙΙ. Επίσης η μελέτη των δονήσεων των φωσφορικών ιόντων και των ανθρακικών υποκατασταστατών τους έκανε δυνατή τη διαφοροποίηση του βιοαπατίτη του οστού από τον ασβεστοποιημένο χόνδρο. Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε την απουσία αρθρικού χόνδρου στο κέντρο της κεφαλής, που υφίσταται το μέγιστο φορτίο, και την πλήρη αποκάλυψη του υποχόνδρινου οστού. Την εικόνα αυτή διαδέχονται, καθώς κινούμαστε περιμετρικά προς τα άκρα, περιοχές όπου κυριαρχεί ασβεστοποιημένος χόνδρος ή και συνύπαρξη οστού και χόνδρου σαν ένα ενδιάμεσο στάδιο οστεοαρθρίτιδας. Υγιείς περιοχές με εμφανές στρώμα αρθρικού χόνδρου δεν εντοπίζονται παρά μόνο πολύ μακριά από το κέντρο της κεφαλής του μηριαίου οστού. Η χαρτογράφηση περιοχών εσωτερικά, στην επιφάνεια μιας τομής, έδειξε μια σχετικά απότομη μετάβαση από το χόνδρο στο υποχόνδρινο οστό στις υγιείς περιοχές, εικόνα που συνάδει με τα όσα είναι γνωστά για τη δομή της άρθρωσης. Αντίθετα, οι οστεοαρθριτικές περιοχές χαρακτηρίζονταν από την απουσία των φασματικών περιοχών του κολλαγόνου τύπου ΙΙ (χόνδρος) στα εξωτερικά στρώματα αλλά και τη συνύπαρξη των δύο τύπων κολλαγόνου Ι και ΙΙ (οστού και χόνδρου) ή την παρουσία ασβεστοποιημένου κολλαγόνου ΙΙ σε διαδοχικές ζώνες και σε βάθος αρκετών χιλιοστών σε αρκετές περιπτώσεις προς το εσωτερικό της τομής. Τα φασματοσκοπικά αποτελέσματα, τέλος, επιβεβαιώθηκαν από ιστολογική εξέταση με χρώση safranin O της κάθε χαρτογραφημένης περιοχής στην εξεταζόμενη τομή οστεοαρθριτικής κεφαλής μηριαίου οστού. / Osteoarthritis is a very common degenerative disease, characterized by gradual degeneration of the articular cartilage and mainly affecting knees and hip joints. In the present work, a human osteoarthritic femoral head, removed during replacement surgery, was used for the mapping of its healthy and osteoarthritic areas. Laser Raman microscopy, a technique that provides information on molecules’ vibrations, was employed for the study. The development of a methodology for the distinction between collagen I (bone) and collagen II (cartilage) was accomplished through the study of proline, hydroxyproline, CH2, CH3 bending and amide I and III bands. On the other hand, the study of phosphate and carbonate substituents made the distinction between bone bioapatite and calcified cartilage feasible. Data analysis revealed the absence of articular cartilage and the full exposure of subchondral bone in the middle of the outer surface of femoral head section, where maximum friction due to movement is observed. Moving perimetrically from the middle of the outer surface to the rims of the section, areas of calcified cartilage and coexistence of bone and cartilage are observed, possibly as an intermediate disease stage. Healthy areas with distinct layer of articular cartilage are located only on the extreme rims of the section. Mapping of areas in depth of the femoral head section, revealed a relatively abrupt transition from cartilage to subchondral bone in healthy areas, which is consistent with our knowledge about joint structure. On the contrary, osteoarthritic areas were characterized by the absence of collagen II (cartilage) characteristic bands on the outer layers and in the same time by the coexistence of collagen I and II (bone and cartilage) or the presence of calcified collagen II through successive layers in some millimeters depth towards the interior of the femoral head section. Finally, spectroscopic results were confirmed by histological examination and Safranin O histochemical staining of each area mapped of the human femoral head section.